Download aprendizaje de conceptos físicos - Instituto de Física

VI RELAEF
REUNIÓN LATINO AMERICANA DE EDUCACIÓN EN
FÍSICA
Universidad de Antioquia
Simulación y Modelage
computacionales en la enseñanza de
la Física
Eliane Veit
[email protected]
Instituto de Física - UFRGS
Medellín
Del 19 al 21 de Octubre de 2005
En este taller:
•
ejemplos de creación de modelos com el software Modellus
•
vetores
•
funciones
•
derivadas
•
el uso de simulaciones y modelage computacionales en:
•
interpretación de gráficas en cinemática
•
aprendizaje de conceptos físicos en circuitos eléctricos
Algunas potencialidades del Modellus
Modellus
Para download do Modellus:
http://phoenix.sce.fct.unl.pt/modellus/.
Es necesario tener en cuenta:
•
resultados de investigaciones en enseñanza
•
obstáculos para el aprendizaje
•
dificultades conceptuales: corriente eléctrica,
diferencia de potencial, resistencia, ...
•
lenguaje y razonamientos incorrectos
•
concepciones alternativas o prévias
Gráficas en cinemática, o sea, ...
¿Por qué el estudio de gráficas de la
cinemática ?
•
Una gran cantidad de información puede ser
resumida en una gráfica.
•
La comprensión de contenidos de Física requiere de
la construcción e interpretación de gráficas.
•
Los gráficos de cinemática son los primeros tratados
en la enseñanza de la Física.
•
Los profesores suelen usar gráficas como si los
alumnos los comprendiesen, pero muchas veces
esto no es verdad.
Dificultad 1: Visión de gráficas como una
fotografia del movimiento
Dificultad 1: Visión de gráficas como
una fotografia del movimiento
Observar el movimiento junto con el trazado de la
gráfica no ayuda a vencer esta dificultad. (Beichner)
Dificultad 2: Confusión entre altura y
inclinación
¿Dónde la velocidad és máxima?
Dificultad 3: Confusión entre variables
cinemáticas
¿En cuántos puntos las velocidades de los
automóviles A y B son la misma?
Dificultad 4: Errores en la
determinación de la inclinación de
líneas que no pasan por el origen
Dificultad 5: Desconocimiento del
significado de las áreas bajo de las
curvas cinemáticas
¿Cuál és el significado físico da área en azul?
Dificultad 6: Confusión entre
área / inclinación / altura
Objetivos de las actividades
computacionales creadas
Dado
El estudiante deberá
1
Gráfica de posición versus tiempo
Determinar la velocidad
2
Gráfica de la velocidad versus tiempo
Determinar la aceleración
3
Gráfica de la velocidad versus tiempo
Determinar el
desplazamiento
4
Gráfica de la aceleración versus tiempo
Determinar la variación de
la velocidad
5
Gráfica de Cinemática
Seleccionar la gráfica
correspondiente
6
Gráfica de Cinemática
Selecionar a descripción
textual adecuada
7
Descripción textual del movimiento
Selecionar la gráfica
correspondiente
Guía para los alumnos en cada una de
las actividades
Guia para el alumno
Guia para el profesor (1, 2, 3, 4)
Simulación y modelado computacionales para facilitar la
aprendizaje de circuitos eléctricos
¿Qué circuitos eléctricos?
fuentes ideais
¿Por qué circuitos eléctricos?
•
hay muchas investigaciones respecto
de las dificultades de los alumnos en
esta área
•
como se trata de fenómenos dinámicos
son propicios al modelado
computacional
•
queremos evaluar las posibilidades de
mejoras en la aprendizaje de
conceptos físicos involucrados en
circuitos eléctricos con el uso de
actividades de simulación y modelado
computacionales
Referencial Teórico
Teoria del Aprendizaje Significativo de
Ausubel:
• teniendo en cuenta los conocimientos previos de
los estudiantes;
• utilizando el software como un elemento
motivador para el estudiante;
• construyendo un material potencialmente
significativo
Teoria de la Mediacíon de Vygotsky
•
•
•
interacción social
mediación de significados
zona de desarrollo proximal
Vamos presentar:
•
obstáculos para el aprendizaje de conceptos
físicos presentes en circuitos eléctricos simples
•
actividades de simulación y modelado
computacionales creadas para facilitar el
aprendizaje destos conceptos
• resultados de un trabajo de investigación al
respecto de mejoras en la aprendizaje de
conceptos físicos de electricidad
Obstáculos para el aprendizaje:
•
dificultades conceptuales: corriente eléctrica, diferencia
de potencial, resistencia, ...
•
lenguaje y razonamientos incorrectos
•
concepciones alternativas
Dificultad con respecto al concepto de corriente eléctrica
•
compare los brillos da lámparas L1, L2, L3, L4 y L5
solamente 10% a 15% dan la respuesta correcta
respuestas típicas: L2 > L3 => la corriente eléctrica es
consumida
L1 = L2 = L3; L4 = L5; i3 si divide
McDermott
Dificultades con el concepto de diferencia de potencial
•
¿Cómo se comparan los brillos de las lámparas,
con el interruptor cerrado?
y si está abierto?
> 50% dos alumnos no consiguem responder
correctamente
McDermott et al.
Consecuências de las dificultades con el concepto de diferencia
de potencial
•
muchos alumnos piensam que una bateria es una
fuente de corriente, no de tensión
•
no distiguem
McDermott et al.
Confusión entre los conceptos de potencial y diferencia de
potencial
•
¿Quál es la diferencia de potencial entre los pares de puntos?
40% dos alumnos respueonderan 6V !
Duit et al.
Dificultad con el concepto de resistência
eléctrica
•
Si R1 es aumentada, lo qué si passa con i1 y i2 ?
fuente ideal
Solamente 20% correctos: i1 decresce y i2 no cambia
Duit et al.
Obstáculos para la aprendizaje:
 dificultades conceptuales: corriente eléctrica, diferencia
de potencial, resistencia, ...
•
lenguaje y razonamientos incorrectos
•
concepciones alternativas
Otros obstáculos de aprendizaje:
•
los significados atribuídos a i, R y DV en la lenguaje
cotidiano son diferentes de los científicos
•
razonamiento local en vez de sistémico u holístico
•
razonamiento secuencial en vez de sistémico u holístico
Razonamiento local en vez de sistémico u holístico
•
focalizam la atención en un punto y ignoran lo que
está a la frente
Muchos alumnos respondieran que:
i1= 0,6 A, i2= 0,3 A y i3= 0,3 A,
como si la bateria fuera una fuente
de corriente y no de diferencia de
potencial
Razonamiento secuencial en vez de sistémico u holístico
•
piensan en “antes” y “depues” de pasar la corriente
1/3 de los alumnos piensa que
si R1 cambiar, el brillo de L1 cambiará
si R2 cambiar, el brillo de L1 no
cambiará
para muchos, si el interruptor
for abierto, el brillo de L1
permanece el mesmo
A veces las creencias son tan fuertes, que ni siquiera la
experiencia real la destruye
¿Qué parte del hilo brillaría si el interruptor estuviera
cerrado?
Prediciones:
i)
primero a la izquierda (o
derecha) dependiendo de la
suposición hecha al respecto del
sentido de la corriente y
considerando que brillaría o lado
por el cual la corriente “entra en
el hilo”;
ii)
En el medio, pues habría dos
tipos de corrientes – una que
entra por la izquierda y otra por
la derecha – que se encuentran
al medio
iii) El hilo brillaría
simultaneamente en todos
los lugares (correcta)
Schlichting apud Duit
Vamos presentar:
 obstáculos para la aprendizaje de conceptos
físicos presentes en circuitos eléctricos simples
•
actividades de simulación y modelado
computacionales creadas para facilitar el
aprendizaje destos conceptos
• resultados de un trabajo de investigación al
respecto de mejoras en la aprendizaje de
conceptos físicos de electricidad
Algunos objetivos de las actividades
computacionales creadas
a) dada una diferencia de potencial entre puntos de un circuito simples, el
alumno deverá:
i) ser capaz de reconocer la corriente eléctrica como consecuência
de la diferencia de potencial y de la resistência eléctrica;
ii) relacionar el aumento de la corriente eléctrica en el circuito a la
disminuición de la resistência equivalente;
Todos los objetivos
Guias para los alumnos y profesores
Alumno: circuito simples (simulación)
circuito simples (modelado)
circuito RLC (simulación)
circuito RLC (modelado)
Profesor: circuito simples (simulación)
circuito RLC (simulación)
Alguns ejemplos
apresenta.mdl
cirser.mdl
cirpar.mdl
cirmis.mdl
cirlamp.mdl
Vamos presentar:
obstáculos para la aprendizaje de conceptos físicos
presentes en circuitos eléctricos simples
 actividades de simulación y modelado
computacionales creadas para facilitar el
aprendizaje destos conceptos
•
resultados de un trabajo de investigación al
respecto de mejoras en la aprendizaje de
conceptos físicos de electricidad
¿Qué investigaciones se han hecho??
•
uso de un conjunto de actividades de simulación y
modelado computacionales exploratorias y de creación
en 9 aulas de 1h35min (en clase)
Hipótesis de investigación:
El uso de actividades de simulación y modelado
computacionales promoverá la predisposición de
el alumno para aprender de modo que el perceba la
relevância de el contenido estudiado.
Diseño de la investigación:
Diseño
Grupo experimental
Grupo de control
O1 X O2
O1 O2
01 = Test inicial
X = actividades computacionales
02 = Test final
Instrumentos de investigación:
•
•
Test circuito simples
(corriente eléctrica)
Test circuito RLC
Resultados p/circuitos simples
Comparación entre las médias ajustadas de
el test final para los dos grupos:
Conclusiones:
•
El desempeño de los alumnos en el grupo experimental
fue mejor que en el grupo control (diferencia
estadísticamente significativa).
•
Las actividades de simulación y modelado
computacionales con el software Modellus pueden
facilitar la aprendizaje de conceptos físicos involucrados
en circuitos eléctricos simples.
•
El procedimento didáctico adoptado requirió mucha
interacción de los estudiantes con las actividades
computacionales, de los estudiantes entre sí y con el
profesor, tornándose un elemento motivador en el
aprendizaje de los estudiantes (análisis cualitativo).
Creemos que:
Para mejorar la enseñanza de la Física es importante incorporar
resultados de investigación en la práctica docente.
Estos materiales didácticos están disponibles en:
http://www.if.ufrgs.br/gpef/graficos_cinematica.zip
http://www.if.ufrgs.br/gpef/circuitos.zip
Sobre idéias prévias: http://ideasprevias.cinstrum.unam.mx:2048/
[email protected]
nuevas tecnologías REQUIEREN
nuevas metodologías
diversidad de estrategias de enseñanza
Cuál es el rol del profesor?
coordina
- orienta
- observa
- estimula
- propone actividades, desafíos, ...
- pone en práctica la evaluación formativa y
sumativa
-
“Un profesor que cree que puede
ser reemplazado por un
computador debe, en realidad,
ser reemplazado por ella.”
Marco Antonio Moreira
Agradecimientos
Agradeco
- la invitación para participar de este evento,
para mí es muy agradable mi estadía aquí,
y la hospitalidad de todos
En caso de dudas al respecto de mi charlas, espero
que me escriban a [email protected].
Gracias
Eliane Veit
Referências
[1] DUIT, R.; RHONECK, C. V. Learning and understanding key concepts of electricity.
Disponível em: <http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/ C2.html>. Acesso em: 10
mar. 2005.
[2] McDERMOTT, L. C; SHAFFER, P. S. Research as a guide for curriculum development: an
example from introductory electricity. I. Investigation of student understanding. American
Journal of Physics, v. 60, n. 11, p. 994, 1992.
[3] ENGELHARDT, P. V.; BEICHNER, R. J. Students’ understanding of direct current resistive
circuits. American Journal of Physics, v. 72, n. 1, p. 98, 2004.
[4] THACKER, B. A.; GANIEL, U.; BOYS, D. Macroscopic phenomena and microscopic
processes: student understanding of transients in direct current electric circuits. Physics
Education Research: a supplement to the American Journal of Physics, 1, to v. 67, n. 7, p.
S25, 1999.
[5] GANIEL, U.; EYLON, B. Macro-micro relationships: the missing link between
electrostatics and electrodynamics in students' reasoning. International Journal of Science
Education, v. 12, n. 2, p. 79, 1990.
[6] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Modelos mentales y aprendizaje de física en electricidad
y magnetismo. Enseñanza de las Ciencias, Barcelona, v. 16, n. 2, p. 289, 1998.
[7] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Un estudio piloto sobre representaciones mentales,
imagenes, proposiciones y modelos mentales respecto al concepto de campo
electromagnetico en alumnos de física general, estudiantes de postgrado y fisicos
profesionales. Investigações en Ensino de Ciências, v. 1, n. 1, p. 95,1996.
L1 = L4 = L5 > L2 = L3
L1 = L4 > L2 y L3
•
•
a corriente eléctrica que passa pelas lâmpadas L1 y L4 é a mesma y
maior do que a que passa por L2 y L3;
ou pode-se raciocinar que a diferencia de potencial entre os terminais
de L1 y L4 é maior do que a estabelecida entre os bornes de L2 y L3.
Referencias cinemática
•
•
•
•
•
•
ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A; MOREIRA, M. A. Atividades de modelagem
computacional no auxílio da interpretação de gráficos da Cinemática Rev.
Bras. Ens. Fís., v. 26, n. 2, p. 179 - 184, 2004.
BEICHNER, R. J. The effect of simultaneous motion presentation and
graph generation in a kinematics lab. Journal Research in Science Teaching,
New York, v. 27, n. 8, p. 803-815, Nov. 1990.
BEICHNER, R. J. Testing student interpretation of kinematics graphs.
American Journal of Physics, Woodbury, v. 62, n. 8, p. 750-768, Aug. 1994.
BEICHNER, R. J. The impact of video motion analysis on kinematics graph
interpretation skills. American Journal of Physics, Woodbury, v. 64, n. 10, p.
1272-1277, Oct. 1996.
BRASSEL, H. The effect of real-time laboratory graphing on learning
graphic representations of distance and velocity. Journal of Research in
Science Teaching, New York, v. 24, n. 4, p. 385-395, Apr. 1987.
McDERMOTT, L. C.; ROSENQUIST, M. L.; van ZEE, E. H. Student difficulties
in connecting graphs and physics: examples from kinematics. American
Journal of Physics, Woodbury, v. 55, n. 6, p. 503-513, June 1987.
Referencias circuitos eléctricos
[1] DUIT, R.; RHONECK, C. V. Learning and understanding key concepts of electricity. Disponível
em: <http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/ C2.html>. Acesso em: 10 mar. 2005.
[2] McDERMOTT, L. C; SHAFFER, P. S. Research as a guide for curriculum development: an
example from introductory electricity. I. Investigation of student understanding. American
Journal of Physics, v. 60, n. 11, p. 994, 1992.
[3] ENGELHARDT, P. V.; BEICHNER, R. J. Students’ understanding of direct current resistive
circuits. American Journal of Physics, v. 72, n. 1, p. 98, 2004.
[4] THACKER, B. A.; GANIEL, U.; BOYS, D. Macroscopic phenomena and microscopic processes:
student understanding of transients in direct current electric circuits. Physics Education
Research: a supplement to the American Journal of Physics, 1, to v. 67, n. 7, p. S25, 1999.
[5] GANIEL, U.; EYLON, B. Macro-micro relationships: the missing link between electrostatics and
electrodynamics in students' reasoning. International Journal of Science Education, v. 12, n. 2,
p. 79, 1990.
[6] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Modelos mentales y aprendizaje de física en electricidad y
magnetismo. Enseñanza de las Ciencias, Barcelona, v. 16, n. 2, p. 289, 1998.
[7] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Un estudio piloto sobre representaciones mentales, imagenes,
proposiciones y modelos mentales respecto al concepto de campo electromagnetico en
alumnos de física general, estudiantes de postgrado y fisicos profesionales. Investigações en
Ensino de Ciências, v. 1, n. 1, p. 95,1996.