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Título : Fortalecimiento del aprendizaje de la física con experimentos integradores de conocimiento
Autor : Hautefeuille Mathieu, Christian Anne
Stern Forgach, Catalina Elizabeth
Fecha de publicación : 2014
Resumen : Se aspira a desarrollar un proyecto de diseño y elaboración de experimentos integradores de conocimientos para mejorar el aprendizaje de la física. En estos de experimentos, los estudiantes de la carrera de física podrán realizar proyectos, de grados de complejidad diferentes en los cuales revisarán y se acercarán a una gran variedad de conceptos físicos en experimentos prácticos. Este concepto es muy diferente al de hacer prácticas en las que los estudiantes siguen recetas para llegar a un resultado. Efectivamente, hemos encontrado que una parte importante de los estudiantes de la licenciatura buscan un acercamiento mayor con la física experimental y aplicada, pero no disfrutan la enseñanza experimental tradicional. En cambio, se inscriben a nuestras clases optativas para aprender física experimental y dedicarse a ella al titularse. Una gran parte de los físicos egresados de la carrera de Física realizan posgrados en áreas aplicadas o experimentales (Posgrado en Ingeniería: Instrumentación, Fluidos, Eléctrica-Electrónica o Posgrado de Ciencia e Ingeniería de Materiales). La formación que han seguido en la Facultad de Ciencias les proporciona bases sólidas en física . Sin embargo, no tienen la oportunidad de reflexionar e integrar todo lo que han aprendido para enfrentar problemas sin receta de cocina. Tampoco están acostumbrados a utilizar herramientas modernas de adquisición y procesamiento de señales y datos. Cuando se les proporcionan esas herramientas con un acompañamiento adecuado, los estudiantes aprovechan más el conocimiento que han podido desarrollar en su carrera, como lo averiguamos cada semestre en nuestras asignaturas donde ya se empezaron a implementar los experimentos integradores de conocimiento. En una gran cantidad de lugares del mundo, se someten cada vez más proyectos integradores de conocimiento, e incluso desde muy temprana edad. En EEUU y en muchos países de Europa se han incorporado a los planes de estudios desde la secundaria e incluso la primaria. Los estudiantes aprenden así a familiarizarse con conceptos físicos complejos y a darse cuenta de la importancia de integrar los conocimientos que ya tienen y que parecen no tener nada en común. Partiendo de la observación de fenómenos, aprenden a formar un espíritu científico muy sólido incluyendo desde el inicio la capacidad de planear y desarrollar experimentos de investigación tanto individualmente como en colaboración. A pesar de que nuestros estudiantes tienen acceso a una excelente formación para un grado de Licenciatura; al constatar su desempeño en experimentos de laboratorio y de investigación y al escucharlos, nos damos cuenta de que no tienen clara la conexión con la experimentación, que es tan importante en la actualidad. Algunos no logran relacionar todos esos conocimientos aislados a pesar de expresar un interés por la física aplicada, experimental e integradora de conocimientos. Es importante prepararlos para que en su vida laboral o en los posgrados que elijan, sean capaces de ubicarse de manera integral dentro del marco del razonamiento científico. En la segunda mitad del semestre están empezando a realizar actividades integradoras en varias asignaturas de la carrera, la mayoría de ellas optativas. En ellas, se dan los conceptos teóricos importantes de la materia y luego se desarrollan proyectos cortos (de un mes o menos) que sirven no solamente a aplicar lo que se estudió y lo que se aprendió con anterioridad, sino a formar una mentalidad diferente en poco tiempo para integrar varios aspectos del conocimiento. Aquí se propone que los estudiantes puedan entonces: - integrar conocimientos en experimentos multidisciplinarios - utilizar técnicas modernas pero sencillas y que en otros lugares del mundo emplean en niveles inferiores - aprender a trabajar en equipo, es decir haciendo las tareas que le corresponden a uno, sin perder de vista lo que hacen los demás y aprendiendo de ellos. Se identificó también que se tien
URI : http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5357
metadata.dc.contributor.responsible: Hautefeuille Mathieu, Christian Anne
metadata.dcterms.callforproject: 2014
metadata.dc.coverage.temporal: 2014-2015
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: Licenciatura
nivel superior
metadata.dc.description.objective: El objetivo principal de la presente iniciativa es de aplicar una metodología de fortalecimiento del aprendizaje de la física con actividades experimentales integradoras de conocimientos. En la actualidad, los problemas a resolver, tanto en física teórica, aplicada así como en el mundo laboral están muy complejos y requieren de una capacidad a conectar los puntos y pensar fuera de la caja que implica que los estudiantes se preparen cada vez más a basarse en múltiples fuentes de conocimientos y de evidencias empíricas. Por lo tanto, hoy en día, se incorporan cada vez más experimentos modernos y complejos que integren varios campos de conocimiento y herramientas modernas a nivel mundial, y desde los primeros años de los estudios. Estos experimentos están desarrollados por los estudiantes de inicio a fin, pero están coordinados (y a veces propuestos) por profesores e investigadores que siguen la progresión de los estudiantes apegandose a una metodología preestablecida y descrita en la sección correspondiente. El desarrollo de experimentos pilotos en física de fluidos y óptica-fotónica tiene la finalidad de que los estudiantes (a) adquieran conocimientos teórico-prácticos necesarios para identificar todos los aspectos relevantes en la descripción de un fenómeno físico, (b) sepan utilizar las herramientas clásicas y modernas de medición y tratamiento de datos y (c) se acostumbren a la disciplina de documentar, reportar y argumentar sus actividades y observaciones. Al finalizar el curso, el estudiante tendrá la capacidad de: - Desarrollar un experimento integrador de conocimiento - Observar, preguntar y construir explicaciones y soluciones a problemas - Utilizar múltiples fuentes de evidencia (teóricas y empíricas) para construir un razonamiento científico consistente - Argumentar y defender hipotesis - Desarrollar o verificar modelos - Utilizar recursos experimentales modernos y de computación
metadata.dc.description.hypothesis: En julio de 2013, la American Association of Physics Teaching (AAPT), una entidad referente en la enseñanza de la física, respaldó una iniciativa del proyecto Next Generation Science Standards (NGSS) para recomendar y uniformizar la enseñanza de la ciencia desde los primeros años de kínder hasta la entrada a la secundaria. El proyecto NGSS está conformado por varias asociaciones y consejos federales como el poderoso e influyente National Research Council (NRC) entre otros. En los estándares que acaba de definir el NGSS, se puede observar que desde muy temprano se aspira a inculcar una metodología basada en la experimentación científica, tanto individual como en equipo (http://www.nextgenscience.org). Con un nivel creciente de complejidad y de requerimiento de un razonamiento científico cada vez más construido, los estudiantes van a aprender a (1) planear, construir y desarrollar experimentos con recursos limitados (2) diseñar soluciones basadas en fuentes múltiples de evidencia y consistentes con ideas científicas (3) preguntarse, preguntar y definir problemas involucrando múltiples parámetros entrelazados (4) argumentar y defender ideas (5) usar instrumentos modernos de computación y desarrollar un pensamiento computacional (6) desarrollar y utilizar modelos y simulaciones. Como se puede observar, ningún experimento está establecido de inicio a fin por los profesores, sino que se deja una gran parte de construcción personal y desarrollo del aprendizaje del método científico para los estudiantes. Esos estándares basados en una enseñanza práctica, basada en experimentos de investigación se van a implementar en Estados Unidos. La hipótesis que realizamos en este trabajo es que los experimentos de investigación integradores de conocimientos permiten una enseñanza más completa de la física a nivel de licenciatura. Un informe de evaluación de las carreras de Física a nivel de Licenciatura de la AAPT del año 2005 [http://www.aapt.org/Resources/upload/Guide_undergrad.pdf] confirma que introducir experimentos de investigación en su departamento tiene un fuerte impacto sobre la preparación y el futuro de los estudiantes, tanto para seguir en un posgrado como para entrar al mercado laboral. También recomiendan la incorporación de actividades de investigación bajo la forma que sea más adecuada para fomentar un mejor aprendizaje del método científico tanto para los que se dedicarán a la física en sus vidas laborales como para los que deciden seguir otro camino que la investigación o la docencia. La AAPT y la American Physics Society (APS) se esfuerzan ahora a fomentar una participación activa en la investigación desde el nivel de licenciatura como parte inherente de la enseñanza de la física. Siguiendo esa idea, la Universidad de Rutgers (EEUU) empezó un programa llamado Investigative Science Learning Environment (ISLE) descrito en [AAPT2007]. Este método interactivo para enseñar la ciencia a nivel de Licenciatura se basa en los siguientes pasos: (1) observar fenómenos y buscar patrones, (2) desarrollar explicaciones para los patrones identificados, (3) usar las explicaciones para realizar predicciones de los experimentos, (4) decidir si los resultados son consistentes con las predicciones, (5) revisar las explicaciones si es necesario. También enfatizan sobre la necesidad de representar procesos físicos utilizando múltiples fenómenos o experimentos, de manera integradora [http://www.islephysics.net/]. Por lo tanto, utilizan esta metodología en una gran variedad de cursos, vinculándolos. En el presente proyecto se busca entonces empezar a crear una metodología similar para cursos de la carrera de Física, desarrollando experimentos integradores de conocimientos y con un fuerte impacto en dos de los sectores más populares actualmente, con gran potencial tanto de investigación de punta como de desarrollo tecnológico: la física de fluidos y la óptica-fotónica. Efectivamente, esos sectores engloban una gran cantidad de concepto
metadata.dc.description.strategies: Basándonos en la metodología existente en otros países, se realizarán experimentos pilotos en dos sectores multidisciplinarios, con gran necesidad de integración de conocimientos y relativamente populares actualmente: la física de fluidos y la óptica-fotónica. La metodología que se utilizará para los experimentos y que se evaluará en el desempeño de los estudiantes es la siguiente: i) Planear y llevar a cabo un experimento con diferentes campos de conocimiento para responder a un problema. ii) Observar, describir e identificar cualitativamente los fenómenos físicos involucrados en el experimento. iii) Preguntar, definir problemas con recursos e hipótesis basados en la observación. iv) Construir explicaciones basadas en múltiples fuentes de evidencia consistentes con ideas y principios físico-matemáticos. Diseñar soluciones usando recursos modernos de instrumentación y medición (a veces se desarrollará en el laboratorio). v) Progresar especificando la relación entre las diferentes variables y diseñar, verificar o explicar modelos. vi) Construir una argumentación (oral y escrita) a partir de pruebas experimentales y razonamiento científico. vii) Utilizar la computadora y el pensamiento computacional para analizar datos. viii) Desarrollar y utilizar modelos. Tres tipos de experimentos se llevarán a cabo en las diferentes asignaturas. En la primera etapa, se volverán a implementar experimentos existentes, insistiendo en la metodología a seguir. En la segunda etapa (segundo semestre) se realizarán nuevos experimentos: 1- EXPERIMENTOS DE FLUIDOS - Experimento vibración de una gota En este experimento se estudiará el comportamiento de una gota de uno o más fases sobre una membrana hidrofóbica a diferentes frecuencias y amplitudes de oscilación. El alumno estudiará experimentalmente los fenómenos de tensión superficial, comportamiento de ondas, transferencia de movimiento en medios elásticos, y mezclado interno de la gota. Se implementará el manejo de distintas técnicas de medición, instrumentos ópticos, electrónicos, y sus limitantes en la visualización del fenómeno. Se desarrollará de manera sencilla un montaje experimental para poder abordar el estudio desde distintos enfoques. Se obtendrán datos a partir de imágenes y su análisis se realizará con diferentes herramientas de cómputo. - Comportamiento de anillos de vórtices en agua En este experimento se estudiará el comportamiento de anillos de vórtices generados por un medio mecánico en agua. El alumno deberá comprender de manera cualitativa las diferentes formas de producir anillos de vórtices sus técnicas y las técnicas que permiten su visualización. Se desarrollará un arreglo experimental que permita la generación de vórtices de manera controlada y repetible, esto permitirá el estudio de la evolución de los vórtices, interacción, disipación. 2- EXPERIMENTOS DE FOTÓNICA - Fabricación de microdispositivos ópticos elastoméricos En este experimento se construirán lentes, rejillas y guías de onda con un polímero transparente (poli-dimetilsiloxano) para experimentos de fotónica. Los estudiantes utilizarán técnicas rápidas y sencillas de microfabricación por litografía suave y láser, se familiarizarán con la óptica geométrica (alineación de haces, fotodetección) y con la adquisición y análisis computacional de datos experimentales obtenidos de sensores reciclados de unidades ópticas comerciales (quemadores CD-DVD, control remoto infrarrojo, etc.) - Fabricación de máscaras de difracción a la medida Usando un equipo existente construido en el laboratorio, se implementará la instrumentación de motores de paso con su respectiva programación, microfabricación de las máscaras por ablación láser, adquisición y tratamiento de datos por sensores ópticos modernos reciclados de elementos comerciales, experimentos de difracción y/o de haces estructurados. - Desarrollo de un oxímetro de pulso utilizando la ley de absorción de Beer-Lamber
metadata.dc.description.goals: Desde el primer semestre del año del proyecto se establecerán experimentos en diferentes laboratorios participantes de la Facultad de Ciencias (Taller de Óptica Láser, Taller de Óptica Avanzada, Laboratorio de Óptica, Taller de Fluidos, Laboratorio de Acústica) con equipos y materiales pre-existentes. En paralelo se preparará una encuesta en línea para los estudiantes de los cursos optativos participantes para evaluar el impacto del desarrollo de esos experimentos en sus carreras. Se mandará la encuesta a estudiantes de los últimos dos años que han podido realizar actividades multidisciplinarias con nosotros. Al mismo tiempo que se adquirirán equipos y materiales nuevos gracias al apoyo institucional del presente proyecto DGAPA-PAPIME, se elaborarán nuevas prácticas integradoras de conocimiento que se llevarán a cabo en el segundo semestre del año. Al final del año se realizará un análisis de los resultados de la encuesta realizada en los diferentes grupos.
metadata.dc.description.selfAssessment: Para poder desarrollar cada uno de los experimentos finales (y más largos) los alumnos tuvieron que relacionar conocimientos de distintas áreas de la física, como la fotónica, óptica, dinámica de fluidos, electrónica, termodinámica, control, procesamiento de datos, entre otros. De ésta forma se logró integrar el aprendizaje en Física y eso se ve claramente reflejado en los proyectos finales. En sí, el haber fomentado y permitido el cruce entre los campos de la Física gracias a nuestras asignaturas es un logro, y les gustó a los estudiantes. De un punto de vista personal, el proyecto PAPIME apoyado por DGAPA fue un gran éxito, tanto para los profesores que lo implementamos, así como para los ayudantes y sobre todo los estudiantes. Como se puede ver reflejado en las encuestas, desde que se implemetaron los experimentos cortos y largos en nuestras clases optativas, los estudiantes sienten que aprenden más, y se ve reflejado en los exámenes. Los experimentos cortos han permitido aclarar dudas gracias a la observación y medición de los fenómenos descritos en las diapositivas distribuidas por las herramientas de Google For Education que se adoptaron en el año y con las cuales queremos trabajar a partir de ahora. En las encuestas que realizamos con los estudiantes, es claro que realizar experimentos integradores de conocimiento gracias al proyecto PAPIME fue un éxito para los estudiantes. Nuestra metodología de les ha gustado mucho y recomendarían las clases a sus compañeros. De hecho, se ha notado un interés creciente este semestre por la materia de Fotónica y se abrieron dos asignaturas. También se abrieron otras asignaturas siguiendo el mismo modelo. Se ha empezado a implementar nuestra metodología en otras clases (Instrumentación, Física Contemporánea II y Óptica Cuántica) y los estudiantes han desarrollado una serie de experimentos muy interesantes en todas estas clases. Nos han dicho que sienten que pueden aplicar lo que aprendieron y nos da gusto verlos regresar al final de los semestres para buscar otros experimentos o herramientas más avanzadas para sus proyectos de servicio social, tesis o posgrados. Nuestros laboratorios se han convertido en laboratorios de servicio para los estudiantes de otras asignaturas, de otros laboratorios que buscan realizar experimentos que integren los conocimientos que se proponen en nuestras asignaturas. Y eso es una excelente retroalimentación que no se puede demostrar tangiblemente pero que cuenta mucho también. Cabe recordar finalmente que todos los proyectos no son de investigación sino de docencia pura, pero que el alto nivel de desarrollo de las técnicas para entender un fenómeno físico han permitido mandar y a veces publicar los avances en congresos internacionales ya que aportan algo nuevo tanto en docencia como en experimentación. Esperamos que el éxito del proyecto permitirá volver a someter un proyecto más amplio el próximo año si nos aprueban el presente informe final.
metadata.dc.description.goalsAchieved: Se puede decir que las metas propuestas en el proyecto han sido alcanzadas. Se ha podido implementar lo que se buscaba realizar, se ha logrado un mayor nivel de interés de los estudiantes, los exámenes y discusiones con estudiantes reflejaron un mayor nivel de profundización del conocimiento de los temas claves de las asignaturas gracias a los proyectos cortor. Los proyectos finales están permitiendo una interconexión entre asignaturas diferentes y entre laboratorios que fortalece la enseñanza de temas avanzados de la Física gracias a experimentos. Fue realmente un placer llevar a cabo el proyecto y seguiremos con él en estas y otras clases. Para aquello, las clases se dividieron en dos partes. Durante los primeros meses de cada clase, se imparten clases teóricas utilizando herramientas modernas de Google para Educación (Google Drive, Google Docs y Classroom). Se comparten las diapositivas de cada tema/capítulo del temario una semana antes de la clase para que los estudiantes las revisen. Luego se discuten en clase, con todo el grupo; en estas sesiones, el profesor y el ayudante verifican que los puntos más importantes están entendidos y gracias a la tarea de revisión previa se puede permitir pasar más tiempo en los puntos claves de cada tema. En este caso, nos tomamos varios semestres para entender cuales eran los puntos más delicados y se hizo un énfasis particular en explicarlos bien en las diapositivas. La retroalimentación de los estudiantes ha sido crucial en este sentido desde el año 2011. A lo largo de la primera parte del semestre, se realizan varios experimentos cortos o tutoriales para fortalecer el aprendizaje y el entendimiento de todos los puntos claves de la asignatura enseñada y al final se realizan proyectos finales que integran varios campos del conocimiento. También se pide que los estudiantes escojan un artículo científico o un tema relacionado con la clase (tema avanzado) para presentarlo en 15min frente al grupo. Además de buscar más información relevante y profundizar el conocimiento, es una excelente herramienta para practicar la presentación oral. Se fortaleció la enseñanza de los puntos claves de la asignatura insistiendo en ellos gracias a experimentos en los cuales se observan los fenómenos descritos en las clases teóricas, se hace reflexionar sobre ellos y se amplia el tema. Los estudiantes deben preparar los experimentos cortos antes de llegar al laboratorio y realizan diversas prácticas en ellos. Aprenden a usar equipos y materiales comunes de laboratorio de Física experimental, aprenden a trabajar en equipo, aprenden a observar y describir fenómenos, a medir, a calibrar y a unir diferentes conocimientos para explicar un fenómeno complejo. Se realizan alrededor de 3 a 5 temas y sub-temas con estos experimentos. El conocimiento se refleja en sus reportes finales por experimento. Los experimentos largos finales lograron conectar temas de la clase entre sí, así como conectar temas de la clase con otros temas.
metadata.dcterms.provenance: Facultad de Ciencias
metadata.dc.subject.DGAPA: Física
metadata.dc.type: Proyecto PAPIME
metadata.dc.contributor.coresponsible: Stern Forgach, Catalina Elizabeth
Aparece en las colecciones: 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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