Simulaci

1
Simulación y Modelage computacionales en la
enseñanza de la Física
VI RELAEFREUNIÓN LATINO AMERICANA DE EDUCACIÓN
EN FÍSICAUniversidad de Antioquia

Eliane Veit eav_at_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
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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
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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
Por qué circuitos eléctricos?

• 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

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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

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Vamos presentar

• obstáculos para el aprendizaje de
  conceptos físicos presentes en circuitos
  eléctricos simples
• actividades de simulación y modelado computaciona
  les 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

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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 gt L3 gt 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?

gt 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

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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

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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
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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 computaciona
  les 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

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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
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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)
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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 computaciona
  les 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

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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.

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Diseño de la investigación
Diseño
Grupo experimental O1 X O2
Grupo de control O1 O2
01 Test inicial X actividades
computacionales 02 Test final
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Instrumentos de investigación

• Test circuito simples (corriente
  eléctrica)
• Test circuito RLC

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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_cinematic
  a.zip
• http//www.if.ufrgs.br/gpef/circuitos.zip
• Sobre idéias prévias http//ideasprevias.cinstr
  um.unam.mx2048/
• eav_at_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_at_if.ufrgs.br.
• Gracias
• Eliane
  Veit

46
Referências

• 1 DUIT, R. RHONECK, C. V. Learning and
  understanding key concepts of electricity.
  Disponível em lthttp//www.physics.ohio-state.edu/
  jossem/ICPE/ C2.htmlgt. 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 gt L2 L3
48
L1 L4 gt 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 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.

50
Referencias circuitos eléctricos

• 1 DUIT, R. RHONECK, C. V. Learning and
  understanding key concepts of electricity.
  Disponível em lthttp//www.physics.ohio-state.edu/
  jossem/ICPE/ C2.htmlgt. 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.