Simulación y Modelage computacionales en la enseñanza de la Física

1. VI RELAEFREUNIÓN LATINO AMERICANA DE EDUCACIÓN EN FÍSICAUniversidad de Antioquia Simulación y Modelage computacionales en la enseñanza de la Física Eliane Veit eav@if.ufrgs.br Instituto de Física - UFRGS Medellín Del 19 al 21 de Octubre de 2005

2. 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

3. Algunas potencialidades del Modellus Modellus Para download do Modellus: http://phoenix.sce.fct.unl.pt/modellus/.

4. 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

5. Gráficas en cinemática, o sea, ...

6. ¿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.

7. Dificultad 1: Visión de gráficas como una fotografia del movimiento

8. 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)

9. Dificultad 2: Confusión entre altura y inclinación ¿Dónde la velocidad és máxima?

10. Dificultad 3: Confusión entre variables cinemáticas ¿En cuántos puntos las velocidades de los automóviles A y B son la misma?

11. Dificultad 4: Errores en la determinación de la inclinación de líneas que no pasan por el origen

12. Dificultad 5: Desconocimiento del significado de las áreas bajo de las curvas cinemáticas ¿Cuál és el significado físico da área en azul?

13. Dificultad 6: Confusión entre área / inclinación / altura

14. Objetivos de las actividades computacionales creadas

15. Guía para los alumnos en cada una de las actividades Guia para el alumno Guia para el profesor (1, 2, 3, 4)

16. Simulación y modelado computacionales para facilitar la aprendizaje de circuitos eléctricos¿Qué circuitos eléctricos? fuentes ideais

17. 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 ¿Por qué circuitos eléctricos?

18. 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

19. 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

20. Obstáculos para el aprendizaje: • dificultades conceptuales: corriente eléctrica, diferencia de potencial, resistencia, ... • lenguaje y razonamientos incorrectos • concepciones alternativas

21. 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

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. Obstáculos para la aprendizaje: • dificultades conceptuales: corriente eléctrica, diferencia de potencial, resistencia, ... • lenguaje y razonamientos incorrectos • concepciones alternativas

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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: • 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”; • 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

31. 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

32. 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

33. 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)

34. Alguns ejemplos apresenta.mdl cirser.mdl cirpar.mdl cirmis.mdl cirlamp.mdl

35. 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

36. ¿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.

37. Diseño de la investigación: 01 = Test inicial X = actividades computacionales 02 = Test final

38. Instrumentos de investigación: • Test circuito simples (corriente eléctrica) • Test circuito RLC

39. Resultados p/circuitos simples Comparación entre las médias ajustadas de el test final para los dos grupos:

40. 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).

41. 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

42. nuevas tecnologías REQUIEREN nuevas metodologías diversidad de estrategias de enseñanza

43. Cuál es el rol del profesor? • coordina • orienta • observa • estimula • propone actividades, desafíos, ... • pone en práctica la evaluación formativa y sumativa

44. “Un profesor que cree que puede ser reemplazado por un computador debe, en realidad, ser reemplazado por ella.” Marco Antonio Moreira

45. 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

46. 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.

47. L1 = L4 = L5 >L2 = L3

48. 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.

49. Referencias cinemática • ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A; MOREIRA, M. A. Atividades de modelagem computacional no auxílio da interpretação de gráficos da CinemáticaRev. 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.

50. 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.