Laboratorio de ciencias con computación. Enseñanza de las ciencias, asistida por computadora, por medio de un software; el cual permite manejar unas interfases y sensores digitales y analógicos, para que los alumnos puedan desarrollar prácticas de laboratorio o de campo con: Mediciones de tiempo real y mediciones remotas. Antecedentes Este sistema de aprendizaje se empezó a desarrollar a mediados de la década de los 80s, en Inglaterra y los USA. Pero en ese entonces el Software era difícil de manejar, dado que había que saber programación para poder operarlo correctamente. Con el avance tecnológico se facilito la construcción de sensores e interfases cada vez más accesibles en cuanto a costo y operabilidad y el surgimiento del sistema Windows facilito el manejo de dicho equipo. La combinación del programa Insigth y de la interfase permitió, que la comunicación entre la computadora y los sensores vía interfase fuera relativamente sencilla. Dado que la interfase reconoce automáticamente el tipo de sensor que se esta conectando y lo calibra. En la década de los noventas aparece la publicación de las series Probing Science y las publicaciones del NCET Con sus publicaciones de Practical Science with microcomputer, los cuales permitieron que varios estudiosos del tema desarrollaran prácticas, para el uso correcto del programa Insigth. Así en la actualidad el manejo del programa se da mediante una barra de Herramientas y un panel de control, que se manejan con el Mouse fácilmente, este panel de control es muy parecido al que se utiliza en las industrias en su sistema de producción y control de calidad. Con lo cual se pretende que los alumnos se vayan familiarizando con dicho sistema. Además de que se puede ir aumentando paulatinamente la complejidad de las prácticas, ya que existen desde nivel primaria hasta nivel superior y nos da la posibilidad de poder exportar los datos generados a otros programas para poder efectuar simulaciones por computadora.,o para poder manejarlos estadísticamente Para poder operar el equipo se requiere de computadoras 486 o Pentium I si son más actuales la simulación es más rápida y más completa. El sistema consta de una computadora, que permita medir y monitorear las interfases y los sensores por medio de un programa llamado data-loggers, contamos con tres software, (uno llamado portable, el otro insigth y último es el sensing science laboratory). El sensor convierte una señal física en una señal eléctrica, el cual se conecta a la computadora por medio de una interfase, generando gráficos y hojas de calculo, para un mejor manejo de la información. Existen en la actualidad empresas que se encargan de desarrollar las interfaces y los sensores, los cuales venden los productos, y los manuales de prácticas, pero
no es necesario comprar estos, dado que si se conoce el manejo del Software y se tienen los conocimientos de física, química, biología y matemáticas se pueden desarrollar las prácticas, además de que los manuales comerciales no vienen con las características que se requieren para nuestro país. La función de la interfase es hacer compartible la señal eléctrica del sensor con la computadora, los sensores pueden medir diferentes cantidades físicas, por ejemplo: temperatura, luz, presión, radiación, voltaje, etc.. Existiendo dos tipos de sensores: 1. Sensores analógicos, los cuales producen una señal eléctrica variable, la cual puede tomar valores entre un cierto límite, ejemplo de estos son; voltímetro, termómetro, de ph, etc. Es decir todos ellos son instrumentos análogos. 2. Sensores digitales, los cuales funcionan como tipo-switch, es decir solo producen señal a uno o a dos niveles, bajo y alto. En el cual uno indica apagado y el otro prendido (OFF, ON respectivamente) algunos ejemplos de estos son los puentes ópticos, y los switches eléctricos. Los programas permiten diferentes aplicaciones, dependiendo del tipo de sensor que se vaya a utilizar, por lo regular permiten hacer mediciones de datos en directo con los sensores análogos en cuatro formas diferentes y están diseñados para introducir a los estudiantes a la idea de medir datos recolectarlos ordenarlos e interpretar y manipular la información adquirida. Otra forma de trabajar es con la parte del programa que genera gráficos con los datos recolectados por medio de los sensores análogos permitiendo también generar una hoja de calculo, lo cual facilita el análisis de los datos, este también permite recuperar los datos que se generaron en practicas de campo.
Una más es la de tiempo, en el cual el programa se usa para permitir a los alumnos estudiar las relaciones de tiempo, velocidad, aceleración, energía cinética, energía potencial, momentum utilizando los sensores digitales y generando una hoja de calculo con los datos coleccionados y un grafico en el cual se puede calcular la pendiente (derivadas) y el área bajo la curva (integrales). Con estos datos en forma de hoja de calculo se pueden hacer simulaciones, ya sea en este programa o se puede exportar el archivo a Excel para poder manipular y simular con el grafico en dicho programa. Se pueden diseñar experimentos de Física, Química y Biología o se pueden conseguir experimentos prediseñados en formato HTML para poder trabajar con ellos en el salón de clases. Los programas con los que cuento son: 1. ORPHY PORTABLE, el cual incluye a Portable (sensores análogos), Physics (sensores digitales y análogos), Notice (sensores digitales). 2. INSIGTH 2, el cual consta de Sensing (sensores digitales), Timing (sensores análogos), Table (simulaciones con los datos obtenidos de los experimentos y con datos generados por otros medios de recolección), Sample datafiles (para actividades del salón de clases) 3. Laboratorio Sensing Science. El cual tiene Mediciones (sensores análogos), Graph (sensores analogos), Timer (sensores digitales), Laboratorio (experimentos nuevos y prediseñados). Config Sensor (calibrar los sensores). Con el uso de la computadora se permite que los estudiantes, colecciones datos ya sea en el laboratorio, en el salón de clases o fuera de ellos, con sus datos ya en su computadora pueden manipularlos y simular que ocurre cuando cambian algunos parámetros para observarlos gráficamente, sus datos los pueden grabar y exportar a otros programas para procesar sus datos y modificarlos. Los experimentos se pueden grabar en video, de tal forma que los alumnos podrían realizar sus experimentos, primero siguiendo el formato establecido y después cambiando parámetros para ver que ocurre, y establecer así comparaciones entre lo que creen que ocurra y en lo que realmente ocurre. Generando con ello varias hojas de datos y varios gráficos, los cuales se pueden superponer para poder interpretar sus resultados experimentales y simulados. El uso correcto de las interfaces facilita el manejo y manipulación por parte del alumno del equipo y del software así como de las condiciones del experimento, al poder programar su interfase para realizar prácticas de campo (monitoreo ambiental por ejemplo) en experimentos a diferente tiempo, ya que las mediadas
pueden ser de milisegundos, segundos, minutos, horas o inclusive días, máximo de 30 días. Con lo cual se enseñaría al alumno a monitorear y a investigar fuera del salón de clases. Este tipo de equipo tengo entendido se encuentra en los CECYTES, ya que fue enviado por la coordinación nacional en los años 97 y 98, pero los proveedores nacionales nunca pudieron instalar correctamente el aula EDULAB. Aparte de que los manuales de operación que dejaron estaban incompletos y con una pésima traducción (Ingles y francés), al no contar mas que con una información muy general, y no especificaban que parte del programa utilizar ni con que tipo de sensores trabajar, ya que al instalar ambos sensores al mismo tiempo se bloquea el programa. Cosa que hicieron los profesores en Tlaxcala. También se que a nivel nacional este equipo no esta operando ya que nunca se contó con toda la información para su operación, aquí en Tlaxcala ya logre rescatar el programa portable de los discos duros del equipo, ya logre que la empresa Data Harvest hiciera la donación del programa Sensing Science y compre el programa Insigth. Ya habilite 8 computadoras 486 para instalar igual numero de interfases, ya tengo elaborado el manual de operación de los programas junto con un manual de prácticas de física. Faltando por correr y simular las practicas de química y biología. En total cuento con aproximadamente 50 practicas. PROBLEMÁTICA EDUCATIVA. El principal problema con el que nos enfrentamos los profesores de las áreas de las ciencias exactas es la de que, como son demasiado abstractas, principalmente física y matemáticas, los alumnos no entienden los conceptos básicos, ya que por lo general nos quedamos con la teoría al no poder desarrollar prácticas de laboratorio que nos ayuden a explicar dichos conceptos. Reflejándose esto en un alto índice de reprobación, de deserción de los alumnos en dichas materias y de las carreras de ciencias exactas e ingenierías. Lo cual queda reflejado en los resultados de las evaluaciones diagnosticas semestrales y en las calificaciones obtenidas por los egresados en los exámenes de ingreso a las universidades. Otro problema seria el de que los maestros tienden a separar las materias, así ven matemáticas, muy aparte de sus aplicaciones en las demás materias, con este recurso los alumnos descubrirían una aplicación directa de sus formulas matemáticas a problemas reales, investigarían para que sirve el calculo diferencial e integral, sus ecuaciones de primer, segundo y tercer grado, etc. Un obstáculo más para el aprendizaje de las ciencias, si queremos que sea significativo es la ausencia de una metodología científica en la realización de experimentos y en la poca preparación científica de la mayoría de los profesores de dichas materias.
La enseñanza de las ciencias presenta diversos obstáculos, y el principal es el que dejamos la experimentación para el final, consideramos los profesores que los alumnos deben de aprender la teoría y nos olvidamos del trabajo experimental, ya que en muchas ocasiones los maestros desconocemos lo que es trabajar en un laboratorio, en una industria, o en un centro de investigación, muchos maestros ven al trabajo práctico como relleno, para cuando no se quiere dar clases o para mantener a los alumnos ocupados durante 2 ó 3 horas. Engañándolos con experimentos que en general abarcan el estadio cognitivo de las operaciones concretas y nos olvidamos que los alumnos del nivel medio superior requieren de desarrollar el nivel de las operaciones formales y el método científico. Es decir la docencia en el laboratorio se ha estructurado de tal manera que solamente proporciona a los alumnos conocimientos, habilidades y destrezas que les permitan un desempeño eficiente en el manejo de tal o cual técnica. Cuando nuestro interés debería de ser el lograr que los alumnos apliquen correctamente los conceptos básicos de la física, la química, la biología junto con la interpretación matemática de sus resultados, para desarrollar así valores habilidades y destrezas en el manejo eficiente de instrumentos, materiales y recursos con datos reales y simulados. Cuando no cambia la preparación durante períodos grandes de tiempo, las tradiciones pasan intactas a la generación siguiente y por lo tanto también los conocimientos. Pero cuando lo que se debe de enseñar y aprender cambia de prisa, se hace mucho más difícil que enseñar y como enseñarlo. Es por esto que considero que el rescatar y manejar este tipo de tecnología permitiría al alumno generar su propio conocimiento, ya que: El alumno es un constructor activo, un investigador nato de su propio conocimiento y el reconstructor de los distintos contenidos escolares a los que se enfrenta. En principio el alumno debe de ser visto como un sujeto que posee un determinado nivel de desarrollo cognitivo y que ha elaborado una serie de interpretaciones o construcciones sobre ciertos contenidos escolares, que posee un cuerpo de conocimientos e instrumentos intelectuales (estructuras, esquemas, competencia cognitiva) Los cuales determinan en gran medida sus acciones y actividades en el aula. No todo puede ser enseñado a los niños y jóvenes, pues existen ciertas diferencias estructurales de carácter cognitivo, que hacen difícil en un momento dado la enseñanza de ciertos contenidos, pero teniendo cuidado de no caer en el pesimismo estructuralista y dejar todo para etapas de desarrollo posterior o hasta que maduren los alumnos. Se debe de ayudar a los alumnos a que adquieran confianza en sus propias ideas, permitir que las desarrollen y las exploren por si mismos, a tomar sus propias decisiones y a aceptar sus errores como algo que puede ser constructivo.
Se supone que la construcción y el descubrimiento de los conocimientos tienen varios beneficios. a) Se logra un aprendizaje con comprensión, si el aprendizaje de los alumnos es construido por ellos mismos. b) Existe una alta posibilidad de que el aprendizaje pueda ser transferido o generalizado a otras situaciones, lo que no sucede con el conocimiento que simplemente ha sido incorporado, en el sentido literal del término. c) Los alumnos se sienten capaces de producir conocimientos valiosos si ellos recorren todo el proceso de construcción o elaboración de los mismos. En tal sentido el alumno debe actuar (experiencias sociales, físicas y lógico matemáticas) en todo momento, fomentando actividades denominadas autoiniciadas, las cuales casi siempre son de naturaleza autoestructurante; esto es producen consecuencias estructuradoras en sus esquemas y estructuras a corto o a largo plazo. El alumno debe de ser alentado a descubrir los sucesos de tipo físico, a construir o a reconstruir los de naturaleza lógico-matemática; en el caso de los conocimientos sociales de tipo convencional a apropiarse o a reconstruirlos por sus propios medios. El presente trabajo lo incluiría dentro del constructivismo para enseñanza de las ciencias. Ya que este señala nueve conceptos básicos al considerar la naturaleza del aprendizaje. 1. El aprendizaje no es un concepto pasivo y receptivo, sino un proceso activo de elaboración de significados. 2. El aprendizaje es mejor cuando implica cambios conceptuales, modificando nuestra previa concepción de conceptos haciéndolos más complicados y validos. Los estudiantes se caracterizan por comenzar por un concepto inexacto o sencillo; el proceso de aprendizaje permite al alumno desarrollar una comprensión más profunda o verdadera del concepto. 3. El aprendizaje es siempre subjetivo y personal. El estudiante aprende mejor cuando puede internalizar lo que esta aprendiendo y representarlo a través de símbolos generados por el. 4. Al aprendizaje también se le sitúa o contextualiza. Los estudiantes llevan a cabo tareas y resuelven problemas cuya naturaleza se parece a las tareas y problemas del mundo real.
5. El aprendizaje es social. El mejor aprendizaje es el que se desarrolla en la interacción con otras personas, al compartir percepciones, intercambiar información y solucionar problemas colectivamente. 6. El aprendizaje es efectivo. El conocimiento y el afecto están estrechamente relacionados. Los siguientes aspectos afectivos influyen en el grado y la naturaleza del aprendizaje: el autoconocimiento y la opinión de uno mismo sobre las habilidades propias; la claridad y solidez de las metas de aprendizaje; las expectativas personales; la disposición mental en general y la motivación para aprender 7. La naturaleza del trabajo de aprendizaje es crucial, las mejoras se caracterizan por dificultades para optimizar el desarrollo del alumno; relevancia de las necesidades del alumno; autenticidad con respecto al mundo real y el reto, así como la novedad que perciba el alumno. 8. El desarrollo del alumno influye en el aprendizaje. Los alumnos logran más cuando el tema por aprender esta cerca de sus etapas más próximas de desarrollo con la suficiente dosis de reto para que realicen un esfuerzo, pero con una meta alcanzable por ese esfuerzo. 9. El mejor aprendizaje comprende conocimientos transformados que se reflejan durante todo el proceso de aprendizaje de un alumno. Con este enfoque constructivista el maestro lleva a cabo cinco funciones esenciales: 1. El modelo, el maestro realiza el trabajo de manera que los alumnos puedan observarlo y construir el modelo conceptual de los procesos. 2. Guiar: el maestro observa a los alumnos mientras ellos realizan el trabajo y les ofrece retroalimentación, sugerencias y modelos. 3. Apuntalamiento y derrumbe: apuntalar es una metáfora de la estructura cognoscitiva. En las etapas iniciales del proceso de aprendizaje, el estudiante parece funcionar mejor con una mayor estructura, utilizando las indicaciones proporcionadas por el maestro, las explicaciones especificas y las estrategias organizadas para darle sentido a un problema y comprometerlo en su solución. Al ir progresando el estudiante necesita menos andamios, la meta es derrumbarse para revertir de forma gradual el proceso completo hacia el estudiante de manera que se convierta en su propio regulador.
4. La articulación: el maestro ayuda al alumno a articular su conocimiento y su proceso de raciocinio para hacer visible el proceso cognoscitivo. El reflejo es también una parte clave en el papel del maestro. Este ayuda al alumno a considerar sus procesos ya compararlos con los del experto o con los de otro estudiante. 5. La exploración; presiona al alumno para elaborar soluciones a los problemas por ellos mismos, formular preguntas y encontrar respuestas. Con la puesta en marcha de este equipo el alumno y el profesor estarían aplicando el constructivismo. Y el alumno seria capaz de generar su propio conocimiento, ya que se plantean prácticas para ser desarrolladas individualmente y por equipo, en un primer paso el alumno seguiría un formato, desarrollando paso por paso hasta llegar a la meta, como segundo paso esta el preguntar que pasaría si cambiamos tal o cual parámetro? Generando en ambos casos una hoja de datos y un grafico, los cuales tendrían que interpretarse para poder sacar conclusiones, llegando así a: por ejemplo, determinar el valor de la gravedad, por caída libre, en un plano inclinado o con un péndulo, con uno o dos sensores y con materiales de diferente forma. Lo mismo podemos hacer para cada uno de los conceptos de física, química y biología estableciendo las relaciones lógicas y matemáticas cuando sea posible. El proyecto lo enfoco a la educación media superior, en las escuelas tecnológicas, pero se puede utilizar cambiando las prácticas al nivel básico, en secundarias y seria de mucha ayuda para la educación a distancia, (telesecundaria y telebachillerato) ya que los experimentos se pueden grabar en video o en disco compacto. Los programas se pueden instalar en cualquier computadora, cuantas veces se requiera, ( viene en promedio de 10 a 20 copias en la garantía) para poder efectuar las simulaciones. CAPACITACIÓN. Con este equipo los alumnos saldrían mejor preparados, ya que tienen que realizar su experimento, generar su hoja de datos y su grafico, interpretarlos matemáticamente, realizar simulaciones y manejar el software, el cual es muy parecido al que utilizan las industrias en sus procesos de producción y de control de calidad, aprenderían a hacer mediciones de temperatura, presión, nivel de ruido, nivel de luz, campo magnético, calor, radar, nivel de oxigeno, conductividad, al presentarse los valores de estos de cuatro formas diferentes (similares a las que se utilizan en la industria), sabrían cuales son los factores que afectan a las propiedades físicas anteriores.
Las interfaces se pueden utilizar para generar experimentos de monitoreo de contaminantes adaptando los equipos con los que cuenta el subsistema o elaborando otros (química a micro escala) como serian un potenciómetro, un micropolarografo, un microcolorimetro, un micro espectrofotómetro, etc. Actividades a realizar durante los meses de noviembre de 2003 a marzo de 2004 1. Instalar las interfases con las computadoras en el laboratorio del plantel Tepeyanco, y en el plantel Ahuashuatepec, Tratar de conseguir apoyo, para instalarlas en red. 2. Correr las prácticas propuestas (ver anexo) con alumnos de servicio social y de prácticas profesionales en ambos planteles, para realizar los ajustes necesarios para el correcto funcionamiento de los sensores. 3. Elaborar el manual de prácticas de las materias de Física, Química y Biología. 4. Capacitar a los profesores de dichos planteles en el manejo de dicho equipo. 5. Programar las interfases, para realizar prácticas de campo. 6. Filmar o grabar los experimentos en video y en disco compacto, para ser utilizados en los demás planteles del subsistema en simulaciones por computadora.