Diseño iterativo de una secuencia de enseñanza-aprendizaje sobre el pricipio generalizado del trabajo y la energía en cursos universitarios de física general

Resumen

Las relaciones entre trabajo y energía en el currículum de mecánica para cursos de física a nivel introductorio en la Universidad, juegan un papel crucial en la comprensión de los estudiantes del mundo físico y su aplicación en el mundo tecnológico de la mecánica. Su importancia en el currículum queda reflejada en que los libros de texto suelen dedicar varios capítulos a la definición del trabajo mecánico y las variaciones de energía que culminan con el Principio Generalizado del Trabajo y la Energía (en adelante PGTE). El PGTE es considerado como la síntesis del primer principio de la energía para el contexto de la mecánica clásica. A pesar de su abstracción, es una herramienta eficiente para analizar la variaciones de energía en un sistema. Sin embargo, la literatura en investigación en enseñanza de la física ha mostrado reiteradamente que los estudiantes presentan serias dificultades de comprensión y presentan ideas alternativas a las científicas (Scott, Asoko, & Leach, 2008)(Duit, 2009)(Viennot, 1979)(McDermott, 1984), que les conduce a posteriores dificultades en termodinámica y conservación de la energía en electromagnetismo. Estas dificultades de comprensión se han mostrado persistentes a lo largo de la instrucción (Pfundt & Duit, 1998) y no pueden considerarse problemas triviales debido a la falta de comunicación por parte del profesorado o falta de estudio por parte del alumnado. Además la bibliografía señala que las propuestas de enseñanza que se han realizado para superar las dificultades detectadas, se sitúan en el contexto de la enseñanza secundaria. Para el nivel universitario hay pocas investigaciones sobre las dificultades de los estudiantes en el aprendizaje del PGTE y, son más escasas las propuestas de enseñanza para superar las dificultades. Hay muy pocas propuestas para el nivel universitario. Así pues, es necesario investigar las dificultades de aprendizaje concretas de los estudiantes en el tema del PGTE y, en consecuencia, proponer una alternativa de enseñanza para cursos universitarios de física general.De acuerdo con la problemática descrita, este trabajo aborda el diseño, implementación y evaluación de materiales de enseñanza que mejora la enseñanza tradicional en el capítulo del PGTE (Leach & Scott, 2002; Leach, Scott, Ametller, Hind, & Lewis, 2006; Ametller, Leach, & Scott, 2007). En las últimas dos décadas se han propuesto diferentes enfoques para el diseño de materiales de enseñanza reflejados en la línea de investigación en Secuencias de Enseñanza-Aprendizaje (en adelante , SEA). Esta línea de investigación pretende conectar los resultados de la teoría con los resultados empíricos de la investigación para realizar una enseñanza basada en la investigación de temas concretos. En esta línea de investigación las SEAs constituyen a la vez, productos teóricos de diseño y productos prácticos de aplicación para el profesorado. Debido a que frecuentemente se realizan propuestas de materiales de enseñanza sin una evaluación de su implementación en el aula, una característica fundamental de la línea de investigación es la importancia de la evaluación de las SEAs en relación con el refinamiento de la propia secuencia y con la mejora del aprendizaje de los estudiantes. Así pues, las preguntas de investigación de este trabajo se concretan en:1. ¿Cómo diseñar una SEA del Principio generalizado del trabajo y la energía en primero de universidad que constituya un producto de conocimiento didáctico que pueda ser transmitido y acumulado en el cuerpo de conocimiento de la línea de investigación en SEA?2. ¿En qué medida la SEA diseñada puede hacer que los estudiantes aprendan más y mejor con relación a los objetivos clave definidos en el currículo?Para responder a las preguntas de investigación se ha utilizado la metodología de investigación denominada ¿Investigación Basada en el Diseño- Design Based Research¿ (en adelante, sus siglas en inglés DBR), para el diseño y la evaluación de la SEA. Esta metodología está siendo utilizada por un número creciente de investigadores en educación, que constituyen una comunidad de investigación donde se discuten y se perfeccionan los aspectos metodológicos (Juuti & Lavonen, 2006). Esto se ajusta a la necesidad de un enfoque metodológico más estandarizado para la investigación de la SEA. El DBR, como metodología, reconoce la importancia tanto de la teoría como de las intervenciones con el fin de abordar las situaciones educativas; por lo tanto, se adapta bien a las necesidades de la investigación que se han identificado para poder llevar a cabo una investigación en SEA. Además, el DBR tiene muchos puntos en común con otras metodologías de diseño de SEAs sugeridas en la bibliografía, lo que hace que sea una opción que se puede considerar para un marco general común que podría ser ligeramente adaptado a diferentes propuestas específicas.La metodología de investigación DBR comprende desde el diseño hasta la evaluación iteractiva de la SEA, incluyendo diferentes fases: a) ¿Contexto¿,¿Comprender¿, ¿Definir¿ y ¿Diseñar¿ para la construcción del diseño, las actividades y las estrategias de enseñanza; b) ¿Implemetar¿ para la aplicación en el aula; y c) ¿Evaluar¿ para la evaluación de la SEA y del aprendizaje logrado. (Design-Based Research Collective, 2003)(Easterday, Rees Lewis, & Gerber, 2014)A continuación expondremos la utilización que hemos realizado, de cada una de las fases de la metodología DBR para contestar las preguntas de investigación para el contexto particular del PGTE en cursos introductorios de física.En la fase de diseño: contexto, definir y diseñar, se concretan las respuestas a la primera pregunta de investigación. Estas fases van encaminadas a definir indicadores de enseñanza en el contexto particular de un tema, el PGTE, en un currículum de física general y para un curso introductorio en la Universidad. Para ello, se han definido las siguientes herramientas de diseño:- Análisis epistemológico: Es la primera herramienta de diseño que se introduce, el análisis epistemológico del contenido científico que se enseña. Este análisis utiliza la estructura interna del conocimiento científico para definir su construcción en entornos educativos. El resultado es un conjunto de componentes conceptuales justificados que deben ser articulados por los estudiantes para construir el contenido identificado como centro de la SEA.- Demandas de aprendizaje: Una vez identificados los contenidos que se deben aprender se lleva a cabo esta herramienta de diseño (Leach & Scott, 2002)que analiza las diferencias ontológicas y epistémicas entre preconcepciones de los estudiantes y el contenido científico a enseñar definido a través del análisis epistemológico.La herramienta ¿análisis epistemológico¿ permite definir los objetivos de enseñanza-aprendizaje en base a la investigación, no en base a la tradición de enseñanza o la idiosincracia del profesorado. En particular, en nuestro estudio se han definido los indicadores en relación a las barreras epistemológicas que debieron superarse en el desarrollo de la teoría hasta la definición del PGTE. Brevemente, podemos señalar que el desarrollo epistemológico de las relaciones entre trabajo y energía en mecánica clásica tuvo los siguientes avances:- Establecer los elementos que formarán parte del sistema. Esto hace posible definir las fuerzas externas sobre el sistema y qué tipos de energía cambian o no cambian. El planteamiento del problema conduce a la selección de estrategias para resolverlo.- Cuantificar el trabajo externo. En particular identificar el trabajo realizado por las fuerzas de fricción como una forma de transferencia de energía.- La energía es una propiedad de un sistema en una condición particular (una propiedad de estado del sistema). Un sistema puede tener diferentes formas de energía. Ésta se puede transformar y transferir.Estos avances epistemológicos nos permiten definir fundamentalmente los siguientes indicadores de aprendizaje para la comprensión del PGTE:i.1. Definir y aplicar la definición de trabajo como el producto escalar de dos magnitudesi.2. Definir el sistema y entender el trabajo como una transferencia de energía, que implica una variación de la energía del sistemai.3. Reconocer que el Teorema de la Energía Cinética es un caso particular del PGTE.i.4. Saber aplicar el PGTE.La herramienta ¿Demandas de Aprendizaje¿ exige el diseño de instrumentos metodológicos para detectar las dificultades de los estudiantes en el tema concreto. En este caso se han diseñado los siguientes instrumentos de investigación: a) Cuestionario para detección de dificultades de los estudiantes; b) Cuestionarios de comprensión de conceptos y teorías; c) Problemas basados en test para el aprendizaje de leyes y adquisición de habilidades científicas.Los resultados más importantes sobre dificultades encontradas y que constituye información original y relevante para el campo de la investigación son (Gutiérrez, Zuza, & Guisasola, 2015; Gutiérrez-Berraondo, Goikoetxea, Guisasola, & Zavala, 2017; Gutiérrez-Berraondo, Zuza, Zavala, & Guisasola, 2018):- Los estudiantes presentan dificultades al calcular el trabajo realizado por una fuerza externa al sistema al aplicar la definición de trabajo (indicador i.1.), por varios motivos: a) Aplican de manera incorrecta el producto escalar; b) No consideran como vectores las magnitudes del producto escalar, esto es, no tienen en cuenta el ángulo entre la dirección de la fuerza y la dirección del movimiento. Consideran las magnitudes de la ecuación para el cálculo del trabajo como magnitudes escalares.- Presentan dificultades en establecer relaciones correctas entre trabajo realizado por una fuerza externa al sistema y la variación de energía producida en dicho sistema (i.2.)- Los estudiantes tienen dificultades en reconocer los límites de aplicabilidad del Teorema de la Energía Cinética (indicador i.3.), por varios motivos: a) No tienen en cuenta los diferentes tipos de energía que pueden estar involucrados en el sistema analizado; b) Los estudiantes no son capaces de identificar el tipo de energía que tiene el sistema, ni las fuerzas externas al mismo- Los estudiantes no consideran que la aplicación del PGTE depende del sistema que se defina. Tienen muchas dificultades en aplicar el PGTE a diferentes sistemas en un mismo fenómeno (i.4.)Las dificultades encontradas nos permiten establecer la alta o baja demanda de aprendizaje que suponen para los estudiantes los indicadores de aprendizaje definidos y que se tienen que enseñar. Se ha encontrado que el salto entre objetivos a aprender y dificultades es de una demanda media-baja para los indicadores 1 y 2. Sin embargo, para los indicadores 3 y 4 se ha demostrado que la demanda cognitiva es alta ya que están muy alejados de las concepciones de sentido común que los estudiantes tienen al iniciar el tema.Los resultados de los instrumentos nos han permitido definir los indicadores de enseñanza-aprendizaje que constituyen las claves conceptuales en torno a las cuales se desarrollarán las actividades de la SEA. Así como las demandas de aprendizaje que será necesario tener en cuenta en el diseño. Los indicadores constituyen el esqueleto de guía del cuerpo de las actividades de la SEA. Estas actividades constituyen la fase ¿Diseñar¿, como un escenario para la producción de los documentos de la SEA. Por lo general, incluirán materiales didácticos, directrices de evaluación de acuerdo con los objetivos definidos, y materiales de acompañamiento para los docentes con información sobre el uso previsto de los materiales didácticos. La guía del docente tiene como objetivo informar a los docentes sobre la implementación de la SEA para que sea congruente con sus puntos clave.En la fase ¿Diseñar¿ se generan los documentos que se neceitan para implementar la SEA, normalmente se incluyen los materiales de trabajo en forma de actividades. De acuerdo con la fundamentación realizada en las fases anteriores en este estudio se desarrolla una aportación original en la secuencia de presentación de las actividades y en el enfoque de los objetivos de las actividades, que pretenden no sólo una mejor comprensión conceptual de los estudiantes, sino también que apliquen procedimientos propios de la actividad científica. Todos los materiales se acompañan de las impresiones obtenidas en su aplicación en el aula y de comentarios para el profesorado. En la fase ¿Implementar¿ se han aplicado en dos Escuelas de ingeniería de la UPV/EHU durante los cursos académicos 2015-2016 y 2016-2017. El segundo año se implementó una versión modificada de la SEA fruto del proceso iteractivo de la evaluación de la misma, que se explicará en la siguiente fase de la metodología DBR. El tiempo destinado para trabajar el tema de Trabajo y Energía en Fundamentos Físicos de Ingeniería fue el mismo que se dispone en el programa de la asignatura fijado por el Departamento, es decir, de 7 horas de teoría y 3,5 horas para problemas. En total 10, 5 horas de clase presencial.Para la evaluación de la SEA se han definido varios instrumentos de investigación en dos dimensiones: a) Análisis de la calidad de la secuencia, que implica tener en cuenta las dificultades de implementación que incluyen aspectos problemáticos relacionados con la claridad de la actividad para su realización por los estudiantes, con dificultades en el tiempo de ejecución de la secuencia o bien, con dificultades al pasar de una secuencia tradicional a una innovadora; b) Análisis del aprendizaje logrado, que incluyen comprender los conceptos, teorías y modelos; y adquirir habilidades propias de la metodología científica.Para el análisis de la primera evaluación de la calidad de la SEA se han utilizado instrumentos de la metodología de investigación tales como ¿el diario del profesor¿, ¿informe de los evaluadores externos¿ y ¿análisis del cuaderno de trabajo de los grupos de estudiantes¿. La segunda dimensión o evaluación del aprendizaje se lleva a cabo con herramientas de investigación cuantitativa, tales como cuestionarios de preguntas abiertas para la comprensión de los conceptos y teorías (cuestionarios pre y post para grupos control y experimental). Para evaluar los niveles de significatividad estadística en todos estos instrumentos se han utilizado estadísticos estándar de la investigación en ciencias sociales y experimentales.En relación a la evaluación de la calidad de la SEA, los resultados de los instrumentos aplicados, han permitido refinar el material didáctico, que han dado lugar a una segunda versión de la SEA (Guisasola, Zuza, Ametller, & Gutiérrez-Berraondo, 2017) que ha obtenido mejores resultados que la primera en relación al aprendizaje logrado por los estudiantes, lo que muestra la validez del proceso iteractivo del diseño de la SEA indicado por la metodología DBR. Los resultados ofrecidos por los instrumentos para la evaluación del aprendizaje logrado por los estudiantes al trabajar la SEA, indican que las mejoras en todos los indicadores son significativas respecto del grupo de control y que la diferencia es mayor en aquellos indicadores que exigen una alta demanda cognitiva (indicadores 3 y4). Así mismo, la evolución del aprendizaje de los estudiantes experimentales lleva a que superen algunas dificultades de aprendizaje detectadas y aparezcan nuevas, que muestran la evolución de un estadio pre-científico a un estadio intermedio que incluyen algunas carácterísticas del modelo científico y la mayoría continua en un estadio pre-científico. En particular, mostramos a continuación que la mejora es significativa en el grupo experimental frente al grupo de control, con una discriminación mucho mayor que el 0,05 del estadístico ¿2 en todos los indicadores de aprendizaje para las respuestas correctas del cuestionario post-test:- Se muestra que en definir y aplicar la definición de trabajo como producto escalar de dos magnitudes (indicador i.1.) se obtiene el 72% de respuestas correctas en el grupo experimental frente a un 20% en el grupo de control para la cuestión Q1- Se muestra que definir el sistema y entender el trabajo como una transferencia de energía, que implica una variación de energía del sistema (indicador i.2.), alrededor de la mitad del grupo experimental responde correctamente, frente a aproximadamente un cuarto de los estudiantes del grupo de control para las cuestiones Q2 y Q3.- Se muestra que en reconocer que el teorema de la energía cinética es un caso particular del principio generalizado de trabajo y energía (indicador i.3.), se obtiene el 74% de respuestas correctas en el grupo experimental frente a un 39% en el grupo de control para la cuestión Q4. - Se muestra que en saber aplicar el principio generalizado de trabajo y energía (indicador i.4.), entre el 40-50% de los estudiantes experimentales responde correctamente, frente a menos del 10% de los estudiantes del grupo de control en las cuestiones Q5 y Q6.En conclusión, podemos decir que el trabajo realizado muestra la importancia y la viabilidad de abordar el diseño de la SEA siguiendo la metodología DBR. Esta metodología subraya la importancia de la evaluación como proceso iteractivo de diseño de la SEA y, permite rediseñar la SEA de acuerdo con los datos empíricos obtenidos en la implementación y evaluación. Los resultados de este estudio muestran la importancia de diseñar una secuencia de actividades acorde con el desarrollo epistemológico y las demandas de aprendizaje. Se ha mostrado que una SEA definida de esta manera obtiene una mejora estadísticamente significativa del aprendizaje de los estudiantes experimentales en relación a los estudiantes de control.Para finalizar, es necesario enmarcar los resultados obtenidos en el contexto en que se ha desarrollado la investigación, dos escuelas de Ingeniería en la Universidad del País Vasco. Por lo tanto, no podemos producir evidencia para contextos más generales. Sin embargo, hemos verificado que los resultados obtenidos en este estudio coinciden con los resultados encontrados en otros estudios llevados a cabo con muestras de estudiantes de otros países (Lindsey, Heron, & Shaffer, 2009). Sugerimos que la investigación de este enfoque que diseña materiales didácticos y los implementa con los estudiantes, es necesaria para reducir la brecha entre enseñar y aprender el principio del trabajo y la energía mecánica.