SISTEMAS INALAMBRICOS EN EL LABORATORIO DE FISICA UNA EXPERIENCIA SIGNIFICATIVA

M.Sc. Ing. CARLOS RAUL CHURA MIRANDA

RESUMEN

El presente documento constituye una propuesta pedagógica para la enseñanza de la física en pregrado y se diseña con el fin de hacer un aporte al desarrollo del aprendizaje significativo, a partir de prácticas de laboratorio de alta precisión que disminuyan las dudas, faciliten el entendimiento y permitan asociar los conceptos con la realidad práctica. El enfoque de clase abarca desde la observación real del fenómeno físico, haciendo uso de las nuevas tecnologías, hasta el hecho de justificarlo y explicarlo dentro de las teorías establecidas.

Se pretende describir fenómenos físicos con el uso de sensores inalámbricos, creando un ambiente de trabajo dinámico, sin cables en la demostración del experimento, haciendo uso de los nuevos equipos de laboratorio de reciente adquisición de la línea Alemana PHYWE.

INTRODUCCION

Las asignaturas universitarias relacionadas con el área de la Física son generalmente una de las mayores razones para que se presente la deserción estudiantil. Si bien es sabido que aprender Física genera dificultades, análisis pedagógicos realizados para esclarecer la problemática hacen referencia a otras causas, la cultura de complejidad aumentada de la teoría, la falta de herramientas que ilustren de manera práctica y precisa la fenomenología y la carencia de un compromiso docente en la consulta e investigación para la enseñanza.

En los últimos años se han registrado avances tecnológicos significativos que han permitido extender la metodología tradicional de trabajo mediante la puesta en marcha de novedosos sistemas conocidos como Redes Inalámbricas de Sensores (RIS). Las RIS están compuestas por decenas y hasta centenares de procesadores de propósito específico que, por lo general, están severamente limitados en cuanto a capacidad de cómputo, cantidad de memoria y energía, pero que sin embargo, cuentan con capacidades de comunicación inalámbrica; y donde cada nodo está equipado con sensores que les permiten medir cantidades físicas tales como temperatura, luminosidad, presión, humedad, vibración y muchas más. De esta manera, los datos recolectados por cada uno de los nodos, pueden ser difundidos a través de la red hacia una estación base, cuya principal misión es recibir y almacenar la información así recabada.

El presente trabajo es el resultado de la ejecución y evaluación de una estrategia para la enseñanza de la Física en pregrado, que pretende mejorar significativamente el nivel de aprendizaje en la clase, utilizando laboratorios de precisión que demuestran evidentemente las teorías planteadas y que cubran de mejor manera los diferentes estilos de aprendizaje.

Cobra4 es una interfaz computarizada para la instrucción pedagógica que consiste en el software, módulos de la interfaz y sensores. Gracias a Cobra4 es posible realizar experimentos científicos de manera fácil y segura. Organizados por temas, nuestros paquetes de interfaz proponen nuevas oportunidades educativas para su enseñanza científica.

La característica clave del sistema Cobra4 es el hecho de hacer hincapié en la experimentación de las ciencias. El equipo intuitivo y  fácil operar. Los estudiantes pueden llevar a cabo los experimentos de la misma manera en la que usted lo haría.

A través de ondas de radio con Cobra4 Inalámbrico (con el Wireless Manager y el Wireless-Link)

Gracias a la tecnología de radio se abre nuevas posibilidades de experimentación:

para experimentos de estudiantes (basta con la computadora del profesor) para experimentos con objetos movibles (por ejemplo: rotación, movimiento

lineal, aceleración, etc.) para mejorar la comodidad al montar un experimento demostrativo (no hay

cables que molesten)

Software Measure Cobra4 para el registro de datos en la computadora, así como el software Measure para un análisis posterior de los datos.

Beneficios

Inalámbrico, no más cables molestos. Conecte & mida (Plug and measure). Aplicaciones interdisciplinarias. Experimentos con ambos enfoques: profesor/alumnos.

Otros beneficios:

 La mejor configuración para realizar el experimento es cargada automáticamente. Los valores óptimos de los diferentes parámetros se encuentran almacenados en los archivos de configuración.

La explicación del experimento aparece automáticamente en el software de medición. Una ayuda interactiva, organizada por temas, especialmente adaptada al experimento en

cuestión, aparece en pantalla y enlaza a la función de ayuda en línea.

Figura 1. Esquema de funcionamiento sensores enalambricos

2.- METODOLOGIA

La teoría constructivista y el modelo del aprendizaje significativo de Ausubel son, sin duda, el marco referencial que tiene mayor consenso actualmente en el campo de la enseñanza de la Física, es por ello que los educadores buscan estrategias didácticas que favorezcan el aprendizaje significativo (Meza y Aguirre, 2002). El laboratorio debe ayudar a los estudiantes a desarrollar una amplia gama de conocimientos básicos junto con herramientas de la física experimental y el análisis de datos (American Association of Physics Teachers, 1998). Los experimentos, por sencillos que sean, permiten a los alumnos profundizar en el conocimiento de un fenómeno, estudiarlo teórica y experimentalmente a la vez, y desarrollar habilidades y actitudes propias de los investigadores (Carreras, Yuste y Sánchez, 2007).

En esta estrategia, se involucran, en el proceso enseñanza aprendizaje, las nuevas herramientas tecnológicas para promover el aprendizaje significativo desde lo experimental. El laboratorio es parte activa en la generación y reafirmación de conocimientos.

La puesta en marcha y evaluación de esta estrategia comprende la subdivisión de estudiantes en grupo base y grupo de control, el desarrollo de una guía de laboratorio, la presentación de un informe de laboratorio y la realización de un pre-test y un postest.

2.1 GUÍAS DE PRÁCTICA DE LABORATORIO

La guía de práctica de laboratorio se encuentra dividida en diez partes: Objetivo, fundamento teórico, materiales y equipo, montaje del experimento, ejecución del experimento, obtención de datos, procesamiento de datos, conclusiones, cuestionario y bibliografía. Se presenta la denominación de la práctica y el objetivo de la misma. En el desarrollo se plantea una introducción teórica, algunas descripciones técnicas de los instrumentos y de los materiales a utilizar, así como los procesos a realizar. Y por último, el estudiante tiene un espacio para que analice los procesos y los resultados, y plantee sus conclusiones.

2.2 DESARROLLO DE LA ESTRATEGIA

Los conocimientos previos deben ser considerados, es uno de los fundamentos básicos de la teoría constructivista utilizada para entender el aprendizaje de las ciencias (Eggen y Kauchak, 2002). Para el caso del laboratorio Movimiento Rectilíneo uniformemente acelerado, que se expone como ejemplo de la estrategia en este documento, debe darse un acercamiento a conceptos como desplazamiento, velocidad, velocidad instantánea, velocidad constante y aceleración instantánea.

Al iniciar el laboratorio, el profesor muestra el montaje experimental, sin adelantarse a nombrar directamente el tema, explicando la variable que desea medir y como ha de hacerse. Para el modelo específico, se trata de un carro sin motor adherido mediante una cuerda a la polea con una masa en su extremo, el sensor inalámbrico colocado sobre el carro (Figura 1), el cual registra, en el computador, medidas de la variable aceleración con respecto al tiempo, a(t) (Figura 2). La simplicidad en la explicación técnica del experimento es esencial para enfocar la atención en el tema principal.

Vale la pena aclarar que los instrumentos utilizados para realizar las prácticas hacen parte del Sistema Cobra4, de la empresa Phywe. Los ítems solicitados por software del sistema son: el tipo de sensor utilizado, la selección de unidades, el diámetro de la polea, el número de medidas por segundo, las variables a medir (posición, velocidad y aceleración, angular o lineal) e indicar si la medida es automática con el inicio y el fin del movimiento, si es de tipo manual o con un número máximo de datos de almacenamiento.

Acudiendo a los conocimientos previos de matemáticas, los estudiantes confrontan los resultados con el fenómeno físico. Debe permitírseles establecer la correlación, esto es, generar una discusión para hacer la primera aproximación al fenómeno.

Enfrentar el estudiante al fenómeno físico es una estrategia para que se formule la pregunta del por qué de ese fenómeno y que la respuesta se convierta en la motivación para la elaboración de un formalismo. Es aquí donde la experimentación se convierte en un recurso didáctico valioso en el proceso de aprendizaje (Marulanda y Gómez, 2006). La precisión del equipo en la toma de los datos y su correspondiente manipulación es clave en esta estrategia, ya que evidencia claramente el fenómeno y su representación, permitiendo una mejor comprensión.

Figura 1. Ensamble del laboratorio modelo.

Figura 2. Ejemplo de un resultado experimental en el laboratorio modelo.

Podemos observar que la aceleración se mantiene constante entre los tiempos t = 0,96 s y t=1,9 s, en t=1,95 la masa choca al piso y la aceleración se hace cero.

Seguidamente se marca la sección donde la aceleración se mantiene constante y con ayuda del software cobra 4 podemos calcular la aceleración media que es a= 1,37 m/s2 como se muestra en la figura 3

Figura 3. Ejemplo cálculo de la aceleración media del experimento.

Mediante el software cobra 4, procedemos a graficar las variables de velocidad y desplazamiento en función del tiempo, para ello vamos a modificar función e integramos la variable aceleración para obtener velocidad, volvemos a integrar para obtener desplazamiento, como se muestra en la figura 4. Con esto anticipamos el comportamiento de la variables.

Figura 4. Medida de la aceleración y cálculo de la velocidad (azul, desplazamiento (verde) en función del tiempo

Podemos observar que la velocidad calculada es lineal y el desplazamiento cuadrático.

Para el movimiento lineal uniformemente acelerado utilizamos las siguientes ecuaciones:

v (t )=at

s ( t )=12

a t 2

En el canal de modificación de función se puede calcular la velocidad y la distancia en función de haber obtenido la aceleración como variable de medida inalámbrica y se procede como se muestra en la figura 5.

Figura5. Usando el canal de modificación para calcular velocidad y desplazamiento

Luego, se aborda un concepto fundamental: la velocidad es la primera integral de la aceleración con respecto al tiempo, aplicando una segunda integral a la aceleración se obtiene la posición con respecto al tiempo, se obtiene la ecuación general de la velocidad, dando como resultado una recta.

A partir de las graficas de las curvas mostradas en la figura 4, y con herramientas del software measure Cobra 4 obtenemos los siguientes resultados.

ax=1,36 [m

s2 ]vx=1,36∗t , vmx=1.2[m

s ]sx=

12∗1.36∗t 2 , smx=0,55 [m ]

El calculo de la aceleracion prevista podemos calcular de a siguiente ecuacion:

F=ma ↔mgravitacional∗g=minercial∗g → a=m peso∗g

mcarro+msensor+m peso

El último paso de este procedimiento consiste en relacionar el ejercicio de laboratorio con las fórmulas obtenidas, hacer evidente la posibilidad práctica de establecer relaciones entre la experimentación con el aprendizaje de nuevos conceptos físicos.

En el enfoque constructivista, tratando de conjugar el cómo y el qué de la enseñanza, la idea central se resume en la siguiente frase: “enseñar a pensar y actuar sobre contenidos significativos y contextuados” (Díaz y Hernández, 2002), para el caso, conducir a una explicación teórica los resultados experimentales posición contra tiempo y velocidad contra tiempo (Figuras 4). Con la estrategia, la experimentación es una ruta para el conocimiento y promotora de un aprendizaje significativo, siempre que las herramientas generen resultados verdaderamente contundentes para el entendimiento.

3. CONCLUSIONES

Integrar experimentación y base teórica para construir conocimiento significativo es pertinente y lleva consigo un grado de complejidad que exige del docente: conocimiento temático, manejo de las herramientas y preparación pedagógica.

El factor clave en el desarrollo de las prácticas es, sin lugar a dudas, la calidad de la experimentación; esto es, equipos de baja incertidumbre, gráficas y tablas explicativas y retro alimentadoras.

La integración de varios instrumentos de evaluación permite conocer la capacidad de razonamiento de los estudiantes, realizar retroalimentación de conceptos y procedimientos, promover la escritura técnico-científica y determinar aspectos sensibles difíciles de detectar con la evaluación tradicional.

La búsqueda creativa de estrategias para la enseñanza de las ciencias, debe constituirse en una razón del quehacer docente, en procura de alcanzar aprendizajes significativos.

4.- BIBLIOGRAFÍA

Carreras, C.; Yuste, M. y Sánchez, J.P. (2007). La Importancia del Trabajo Experimental en Física: un ejemplo para distintos niveles de enseñanza. Rev. Cubana de Física vol. 24 No. 1 (2007) p.80-83

Cravino, J. P y Lopes, J. B. (2003). La Enseñanza de la Física General en la Universidad. Propuestas de investigación. En: Enseñanza de las Ciencias, 2003, 21 (3), p. 473–482

Díaz, F. & Hernández, G. (2002). Estrategias Docentes para un Aprendizaje Significativo. 2º ed. México: Mc Graw Hill.

López J. B. (2002). Desarrollar Conceptos de Física a través del Trabajo Experimental. Evaluación de Auxiliares Didácticos. En: Enseñanza de las Ciencias: Revista de Investigación y Experiencias Didácticas. Barcelona 2002, Vol. 20, No. 1, (mar, 2002). p. 115-132.

Marulanda, I. & Gómez, L. A. (2006). Experimentación en el Aula de Clase para la Enseñanza de la Física. En: Revista de la Sociedad Colombiana de Física, Vol. 38, No. 2, (2006). p. 699-702.

Meza, S. I. L. & AGUIRRE, M. S. (2002). Trabajos Prácticos de Física y Aprendizaje Significativo. En: Ciencia y Técnica: Educación, Departamento de Física, Universidad Nacional del Nordeste, Argentina. http://www1.unne.edu.ar/cyt/2002/09- Educacion/D-026.pdf / (fecha de consulta: 08/05/2009).

Marcus Grumann, Wolfgang Kuhnle, PHYWE, (2011) Handbook Cobra 4, 2º revised an extended edition, Gottingen/Germany.