Simulación y Modelage computacionales en la enseñanza de

la Física

VI RELAEFREUNIÓN LATINO AMERICANA DE EDUCACIÓN EN

FÍSICAUniversidad de Antioquia

Eliane VeitEliane Veiteav@if.ufrgs.breav@if.ufrgs.br

Instituto de Física - UFRGSInstituto de Física - UFRGSMedellínMedellín

Del 19 al 21 de Octubre de 2005Del 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 hay muchas investigaciones respecto de las dificultades de los alumnos en de las dificultades de los alumnos en esta áreaesta área

• como se trata de fenómenos dinámicos como se trata de fenómenos dinámicos son propicios al modelado son propicios al modelado computacionalcomputacional

• queremos evaluarqueremos evaluar las posibilidades de las posibilidades de mejoras en la mejoras en la aprendizaje de conceptos físicos involucrados en involucrados en circuitos eléctricos con el uso decircuitos eléctricos con el uso deactividades de simulación y actividades de simulación y modeladomodelado computacionales 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 conceptosfísicos presentes en circuitos eléctricos simples

• actividades de simulación y modeladocomputacionales 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?

Duit et al.

40% dos alumnos respueonderan 6V !

Dificultad con el concepto de resistência eléctrica

• Si R1 es aumentada, lo qué si passa con i1 y i2 ?

Duit et al.

fuente ideal

Solamente 20% correctos: i1 decresce y i2 no cambia

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 V 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

cambiarápara 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

Schlichting apud Duit

¿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)

Vamos presentar:

obstáculos para la aprendizaje de conceptosfísicos presentes en circuitos eléctricos simples

• actividades de simulación y modeladocomputacionales 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 conceptosfísicos presentes en circuitos eléctricos simples

actividades de simulación y modeladocomputacionales creadas para facilitar elaprendizaje 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:

01 = Test inicial X = actividades computacionales 02 = Test final

Diseño

Grupo experimental O1 X O2

Grupo de controlO1 O2

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/

eav@if.ufrgs.br

nuevas tecnologías REQUIEREN nuevas metodologías

diversidad de estrategias de enseñanzadiversidad 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 eav@if.ufrgs.br.

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.