Download - CONCEPTO DE CALOR
LA UTILIZACIÓN DE FISICA INTERACTIVA PARA LA ENSEÑANZA DEL CONCEPTO CIENTÍFICO DE CALOR BARRERO, O. Heidy.1, ROJAS, B, Jesús.1, RUIZ, G. Oliverio .2
1. Estudiantes de Licenciatura de Matemáticas y Física, III semestre, Uniamazonia, Caquetá. 2. Profesor Catedrático, Problema de Calor y Temperatura. Uniamazonia
RESUMEN
Se muestra un estudio descriptivo sobre errores conceptuales que alumnos del grado décimo de una
institución educativa tienen sobre los conceptos de calor, energía interna y temperatura. Los cuales se
obtienen de la aplicación de un examen de diagnóstico y se clasifican de acuerdo con las investigaciones y
bibliografía encontrada. A partir de los resultados, se propone una estrategia didáctica con simulaciones
interactivas y videos para la superación de tales errores conceptuales.
Palabras clave: Calor, energía interna, temperatura, error conceptual, enseñanza de la física, aprendizaje
ABSTRACT
It displays a descriptive study of conceptual errors that tenth graders at a school have on the concepts of
heat, internal energy and temperature. Which are derived from the application of a diagnostic test and are
classified according to the research and literature found. From the results, we propose a teaching strategy
with interactive simulations and videos to overcome such misconceptions.
Keywords: heat, internal energy, temperature, conceptual error, physics teaching, learning
I. INTRODUCCIÓN
La aparición de las TIC o NTI (Nuevas
Tecnologías de la Información) ha propiciado
un cambio social a gran escala. Cambio que
conduce hacia una notable diversificación de las
herramientas utilizables por el maestro para
desempeñar su labor (Bartolomé 1989), y
cambio que implica una necesaria y profunda
modificación curricular orientada al desarrollo de
habilidades que faciliten al alumno la adaptación
a un mundo altamente tecnologizado.
En investigaciones realizadas sobre las
Tecnologías y la educación, se han puesto de
manifiesto cuatro tipos de problemas que afectan
al profesorado en esta situación de cambio
(Marco y Linn 1989):
El primero de estos problemas surge cuando el
profesor desconoce la herramienta que la
tecnología pone a su disposición. El segundo
problema surge de la fuerte resistencia al cambio
por parte del profesorado. El tercer problema se
refiere a la integración de la nueva tecnología en
las actividades escolares. El cuarto problema se
debe a la falta de nuevos métodos de valoración
del aprendizaje adecuados a las modificaciones
que las nuevas tecnologías introducen en el
proceso de aprendizaje.
Al presente, existe excesiva confusión con
respecto a los conceptos científicos sobre la
física del calor, especialmente en el ámbito del
lenguaje formal. Las personas suelen decir frases
como las siguientes ¡Qué caliente que está el
agua!, ¡Hoy hace mucho calor, hay más de 30
grados!, cerremos la ventana que entra frío, el
calor hizo que la puerta de hierro se hinchara,
El calor de la estufa subió a las habitaciones de
la parte superior de la casa, etc. Si bien forman
parte de un lenguaje cotidiano, estas expresiones
tienen poca precisión científica, y es necesario
aproximarse a una definición de los conceptos
físicos que permita interpretar y diferenciar el
significado de cada término que se utiliza desde
el lenguaje científico.
Desde el punto de vista científico, el concepto de
calor es central para la Física y más para la
Termodinámica y ha sufrido cambios en su
significado en el desarrollo de esta disciplina.
Fue considerado una sustancia durante el siglo
XVIII, una onda (en el marco de la teoría
ondulatoria del calor, entre 1820 y 1830) y una
forma de energía (interpretado de esta manera
por Clausius y Joule hacia mediados del siglo
XIX).
Pero a partir de unas investigaciones a partir de
la década de los 60 hasta la década de los 80, el
calor es considerado como una forma (o
proceso) de transferencia de energía.
Pero en Colombia, todavía se enseña con las
ideas científicas que se manejaron sobre el calor
entre mediados del siglo XVIII y las primeras
décadas del siglo XIX, bajo la teoría del
calórico. Es decir en nuestros Lineamientos
Curriculares de Ciencias Naturales para la
educación colombiana, dice que entre los grados
séptimos, octavo y noveno, se debe enseñar el
concepto de calor como “forma de energía”.
Entonces si la idea de calor como proceso, y no
como energía. Pero lo difícil es definir calor
como proceso de transferencia de energía y no
como algo almacenado en un reservorio. Lo
almacenado es la energía interna. Pero ahora el
asunto es si existen dificultades para que los
alumnos del grado décimo, distingan calor de la
temperatura y para que asimilen en punto de
conservación de la energía, ¿se facilitaran o se
complicaran las cosas al introducir la energía
interna. No debemos olvidar que, a ese nivel no
podemos hablar de funciones de estado ni de
otros conceptos similares en el ámbito de la
Termodinámica.
Por lo tanto es incorrecto que un cuerpo “pierde
calor”. Lo que pierde es energía interna, a partir
de un proceso de transferencia que llamamos
calor. Pero quien no dice estas palabras como
“entra frio”¿será que estaremos facilitando la
comprensión o dificultándola aún más?
Pero si ya hace más de treinta años que se
cambio el concepto de calor que no es una forma
de energía, ¿Por qué continuamos utilizando este
término?
Es por ello que el propósito de este artículo es
dilucidar en forma breve pero muy clara los
significados de calor, energía interna y
temperatura desde el punto de vista de la Física,
y aplicar una estrategia didáctica desde el
modelo constructivista, para lograr un cambio
conceptual.
Lograr una solución para estos problemas
seguramente no va a ser una tarea fácil.
El objetivo que pretendemos es conseguir la
integración de las NTI (en este caso el vídeo,
animaciones interactivas) en la práctica de un
problema de aula para que los alumnos
interrelacionen e integren distintas fuentes de
información y métodos de trabajo.
Uno de los aspectos que intentamos investigar
fue la aportación del vídeo y animaciones
interactivas en el proceso de enseñanza-apren-
dizaje en lo que respecta a:
a) La mejora del lenguaje científico utilizado por
los alumnos. Inconscientemente el profesor en su
práctica docente diaria puede estar utilizando un
lenguaje científico que adolezca de la precisión
necesaria.
b) La adquisición de conceptos científicos. Como
dicen Viennot (1985) y Driver (1986), los
estudiantes están ya en posesión de sus propios
esquemas conceptuales al respecto, elaborados
en un intento de explicación racional de sus
experiencias cotidianas previas, y son muy
reacios al cambio conceptual. ¿Puede ayudar el
vídeo y las animaciones interactivas a que los
alumnos modifiquen estos conceptos espontá-
neos hacia sus correspondientes conceptos
científicos?
II. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN
Este trabajo ha sido llevado a cabo con alumnos
del grado décimo 1 de la Institución Educativa
Normal Superior. El centro está bien situado en la
ciudad de Florencia-Caquetá y los 38 alumnos del
aula en la que se llevó a cabo este trabajo proceden
de un nivel social medio.
Los temas en los que se utilizaron los vídeos y
las animaciones estaban relacionados con el
calor, energía interna y la temperatura. En
concreto:
1) Diferencia precisa entre energía interna,
calor y temperatura.
2) Cambios de estado y equilibrio térmico.
Hemos elegido estos temas con objeto de
estudiar el apoyo que podían prestar las
animaciones interactivas y los vídeos para el
aprendizaje de conceptos complejos y
frecuentemente mal entendidos. De hecho, en la
década de los años setenta se plantearon
discusiones en torno a la conveniencia o no de
introducir conceptos de termodinámica en los
currículos de enseñanza primaria y secundaria. En
el estudio realizado por Cervantes (1987)
encontraremos una revisión bibliográfica sobre
los mismos.
Para el análisis de la comprensión de los temas por
parte de los alumnos, se elaboró un test de 15
preguntas de formulación cerrada (anexo 1). El
material bibliográfico en el que nos basamos para
la confección de este test se recoge en las
referencias bibliográficas que cierran el artículo.
El proceso seguido para la realización de la
experiencia llevada a cabo ha sido el siguiente:
Instituto Normal Superior
1. Aplicación del test.
2. Proyección de las animaciones
interactivas y vídeo en el aula.
3. Explicación teórica por parte de nosotros.
4. Prueba final elaborada con preguntas diferentes
a las del test, pero haciendo hincapié en los
mismos conceptos.
5. Nueva aplicación del test.
III. RESULTADOS Los resultados obtenidos, para la aplicación del
primer test, fueron:
Figura 1
Respuestas antes de la práctica didáctica
Haciendo un análisis de las tendencias
presentadas por los estudiantes después del
desarrollo de las pruebas. Por supuesto, uno se
da cuenta que el concepto que tuvo uno de los
mayores crecimientos, es el que se refiere al
concepto de calor.
Se cree que esto se debe al hecho de que este
concepto ha sido explorado en muchos textos,
ejercicios y los experimentos. En relación con la
energía interna y la temperatura , no se logró un
buen resultado. Esto sugiere que hubo errores en
las actividades, ya que dio menos importancia a
estos conceptos.
Al analizar las respuestas de los estudiantes, se
constató que las ideas como el pensamiento de
que la temperatura se transfiere de un cuerpo a
otro y no
consideran la temperatura como el número que
se utiliza para traducir el estado de "caliente" o
"frío" un cuerpo, aún queda después de la
instrucción.
Estas concepciones, junto con la complejidad de
entender lo que significa la energía, fueron las
principales dificultades encontradas.
Figura 2
Respuestas después la práctica didáctica
Figura 3
Comparación de respuestas
IV. ANALISIS DE LOS RESULTADOS En la figura 3 vemos una comparación de las
respuestas en lo que respecta a un mejoramiento de
las contestaciones o a un empeoramiento a pesar
de haber insistido en los conceptos, realizando la
práctica, es de observar que esta práctica por
motivos de tiempo, se hizo en el lapso de una
hora, algo que consideramos que es muy poco
tiempo, para realizar esta práctica.
Un análisis detallado nos indica que en general
el aumento más espectacular está en las preguntas
de concepto: los alumnos mejoran mucho en
cuanto al léxico utilizado y a la interpretación
del concepto. En las preguntas de aplicación
del método científico a los hechos de la vida
cotidiana es donde existe mayor dificultad de
aprendizaje.
Las preguntas relacionadas con los conceptos de
energía térmica, calor y temperatura, que están
muy bien expuestas y visualizadas en las
animaciones, tienen unas mejoras considerables.
Sin embargo, en conceptos y hechos
experimentales como el mantenimiento de la
temperatura en los cambios físicos, que también
está muy bien expresado en la práctica, no se
han dado los resultados esperados.
Asimismo se analizaron las preguntas correctas
antes y después de la aplicación basada en
cambio conceptual, para los ítems agrupados en
la categoría de calor. En el pretest el 38% de las
preguntas fueron correctas mientras que en la
postest el porcentaje aumentó hasta un 55 %. En
contraste a la otra categoría temperatura, se
puede observar que en esta categoría calor sí
hubo un mejoramiento en el cambio de las ideas
previas sobre calor.
Por ejemplo, en el siguiente ítem referente a las
idea previa sobre calor: ¿ Si trato de imaginarme
cuándo o dónde estaría presente el calor, pienso:
a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo
posee calor; b) Solamente en aquellos cuerpos
que están calientes; c) En cuerpos de diferentes
temperatura pero en contacto; d) Todas las
proposiciones anteriores.
En la preprueba un 36% de estudiantes
seleccionaron la respuesta correcta (c), y este
porcentaje aumentó al 88% en la postprueba.
Este aumento indica un cambio en la
preconcepción sobre calor en algunos
estudiantes; mientras que para el resto la idea
errónea del concepto sobre calor persiste, lo cual
es una de las características de las ideas previas,
la persistencia de la misma. Es de hacer notar
que la proposición (a) es la idea previa con
mayor selección por parte de los estudiantes, lo
cual indica la asociación de calor con caliente,
como una cualidad y no como un proceso.
Asimismo, se efectuó un análisis estadístico
descriptivo para comparar la variación en las
respuestas correctas entre los ítems de la pre y
postprueba. Se observa que hay diferencia en el
porcentaje de respuestas correctas con un
aumento para la postprueba, pero con bajo
porcentaje de diferencia del 17 % lo que indica
que el tratamiento con la estrategia basada en el
cambio conceptual tuvo influencia en la
transformación de algunas ideas previas en el
grupo. Sin embargo, la baja diferencia entre los
porcentajes de la preprueba (38%) y postprueba
(55 %) indica que algunas de las ideas previas
persisten acorde con lo reportado en la literatura.
V. ESTRATEGIA DIDACTICA Este diseño tuvo como base una estrategia
didáctica basada en cambio conceptual, ,
partiendo que los alumnos lleguen a elaborar
unas concepciones sobre Calor, energía interna y
Temperatura más acordes con las ideas
científicas. Esta estrategia se desarrolla a través
de siete momentos o actividades que
corresponden al aprendizaje constructivista.
El desarrollo conceptual de esta práctica
responde a las siguientes ideas básicas:
Iniciar el tema con el concepto de equilibrio
térmico dada la dificultad que presenta para
los alumnos de este nivel (Tiberghien,
1985), introduciendo la temperatura como
una magnitud experimental.
Aplicar el principio de Conservación de la
Energía a un sistema aislado para establecer
el concepto de Energía interna como una
magnitud de tipo microscópico de la cual
solo pueden observarse sus variaciones a
través de las variaciones de temperatura.
Este punto sirve de enlace con las Unidades
anteriores.
Establecer la diferenciación entre
Temperatura y Energía interna a partir del
estudio de los cambios de estado, procesos
en los que se suministra Energía al sistema y
no se observa variación de su temperatura.
Diferenciar los conceptos científicos de
Calor y Energía interna mediante la
introducción del Calor como un proceso de
transferencia de Energía entre dos sistemas a
diferente temperatura por el cual estos
pueden variar su Energía interna (Fernández
Uría, 1986).
De acuerdo con esta justificación, la Estrategia
Didáctica se desarrolla en seis actividades:
I. Distinguir entre calor y
temperatura
II. Equilibrio térmico
III. Energía interna.
IV. ¿Qué variables influyen en la
variación de la Energía interna?
V. ¿Siempre que varía la Energía
interna varía la Temperatura?
VI. ¿A qué se llama Calor en Física?
VII. Ampliación del estudio con
unas evaluaciones interactivas.
VI. CONCLUSIONES En conclusión a nuestro estudio sobre los errores
conceptuales, se desprende que:
el calor generalmente es asociado a una
fuente o un estado
el alumno utiliza ya sea el término calor
o temperatura para designar “caliente”-
el vocablo calor tiene, para los alumnos
un sentido restrictivo; designa la
temperatura de algo caliente
los alumnos establecen una escala de
temperatura en función de sus
sensaciones
Pero para ellos la temperatura contiene también
una noción de cantidad de calor o de frio, la
temperatura les indica la cantidad de frío o de
calor que contiene un objeto. Aunque no utilicen
siempre la palabra “cantidad”, es, no obstante, la
idea expresada.
Resumiendo, la temperatura designa para los
educandos un estado pero también encierra una
idea de cantidad.
En un entorno educativo en el que el acento se
pone en el proceso de aprendizaje, en la
adquisición de competencias que transformen al
estudiante en personas preparadas en su faceta
personal, social y profesional, las nuevas
tecnologías de la información y la comunicación
(TIC) van ganando terreno a los métodos
tradicionales de enseñanza. Creemos que las
animaciones interactivas pueden constituir una
estrategia de aprendizaje importante y muy útil
en física, que enseñe a los alumnos a aprender a
aprender, a construir de forma autónoma y
colaborativa las estructuras mentales que les
lleven a avanzar en el proceso de aprendizaje. El
papel del profesor en este caso debe comenzar
por diseñar (o seleccionar) las animaciones o
simulaciones adecuados en cada momento,
ayudar a que se formen grupos de trabajo,
responder de forma precisa e inmediata a las
dudas que se planteen y, por último, estudiar en
cada momento los resultados obtenidos al
emplear esta estrategia con el fin de actuar sobre
el proceso en el futuro.
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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for analyzing teachinglearning situations.
Learning and Instruction, 4, 71-87.
ANEXO I
El siguiente cuestionario tiene fines exclusivamente estadísticos; no influirá en tu
calificación. Contéstalo de manera anónima y por ti mismo. Los resultados serán de
utilidad para mejorar los procesos educativos en la Institución, por lo que es importante tu
colaboración. Gracias.
1. Si trato de imaginarme cuándo o dónde
estaría presente el calor, pienso:
a. En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo
posee calor;
b. Solamente en aquellos cuerpos que están
«calientes»;
c. En situaciones en las que siempre ocurre
transferencia de energía de un cuerpo a otro.
2. Según yo entiendo, el calor es:
a. Energía en movimiento (o cinética) de las
moléculas;
b. Energía que se pone en juego sólo cuando
hay una diferencia de temperatura;
c. La energía contenida en un cuerpo.
3. En el interior de una habitación que no
haya sido calentada o enfriada durante
varios días:
a. La temperatura de los objetos de metal es
inferior a la de los objetos de madera;
b. La temperatura de todos los objetos es la
misma;
c. Ningún objeto tiene la misma temperatura
que otro.
4. El agua (a 0°C) que se forma cuando se
funde un cubito de hielo (también a 0°C),
contiene:
a. Más energía que el hielo;
b. Menos energía que el hielo;
c. Igual cantidad de energía que el hielo
5. Se coloca un cubito de hielo a 0oC en un
recipiente con agua que también está a
0oC. Entonces:
a. El agua cede calor al hielo;
b. Ni el agua ni el hielo tienen calor porque
están a 0°C:
c. Ninguno de los dos puede ceder calor al
otro.
6. Si pienso en dos bolitas (esferas) idénticas,
una que está en un horno caliente y la otra
que está en una nevera, ¿Qué diferencia
hay entre ellas si las saco al mismo tiempo
del horno y de la nevera?
a. Contienen distinta cantidad de calor;
b. Tienen distinta temperatura;
c. Una esfera contiene calor y la otra no.
7. Si coloco en un vaso con agua un cubito de
hielo a 5O
C y en otro vaso idéntico, con la
misma cantidad de agua, tres cubitos de
hielo a 5O
C, ¿En qué situación el agua se
enfría más?
a. En el vaso donde se colocan tres cubitos;
b. En el vaso donde se coloca un cubito;
c. Se enfría igual en los dos vasos.
8. Dos esferas del mismo material pero de
diferentes masas quedan durante mucho
tiempo en un mismo horno. Al sacarlas, se
las pone inmediatamente en contacto. En
ese caso:
a. Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de
menor masa;
b. Pasa calor de la esfera de menor masa a la de
mayor masa;
c. Ninguna de las esferas cede calor a la otra.
9. Las mismas esferas anteriores se dejan
ahora en una heladera durante mucho
tiempo. Luego, igual que antes, se las saca
y se las pone inmediatamente en contacto.
En esta nueva situación:
a. Ninguna de las esferas posee calor;
b. Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de
menor masa;
c. Ninguna de las esferas puede ceder calor a la
otra.
10. Cuando una porción de agua que está
hirviendo pasa al estado de vapor,
cambia:
a. Su energía interna;
b. El calor que contiene;
c. Su temperatura.
11. Cuando se transporta calor desde una
punta a la otra de una barra metálica,
pienso que lo más correcto sería decir
que:
a. El calor pasa a través de la barra, casi como
si fuera un líquido;
b. Se transporta energía por el movimiento
desordenado de átomos o moléculas;
c. La energía pasa a través pero no pasa nada
con los átomos ni con las moléculas.
12. Según lo que yo pienso, la energía interna
de un cuerpo tendría que ver con:
a. El calor que posee el cuerpo;
b. La energía de sus átomos y moléculas;
c. La masa que posee.
13. ¿Puede un objeto estar más caliente que
otro si tienen la misma temperatura?
a. No, porque la temperatura nos indica la cantidad de calor, entonces la misma temperatura significa misma cantidad de calor
b. Sí, porque puede ser que uno tenga más
masa que otro y por tanto más
calor pero no más temperatura
c. Sí, porque calor y temperatura son
cosas diferentes
14. Para que se pueda hablar de calor.
a. Es suficiente un único sistema (cuerpo)
b. Son necesarios, por lo menos, dos sistemas
c. Es suficiente un único sistema, pero tiene
que estar «caliente»
15. Para que se pueda admitir la existencia de
calor debe haber:
a. Una diferencia de temperaturas
b. Una diferencia de masas
c. Una diferencia de energías.