Cómo Enseñar Física

Francisca Capponi

¿Se aprende física en clases tradicionales?

Tendemos a pensar…

• “Cuando sean mayores se darán cuenta de que tengo razón y van a apreciar el curso y lo que aprendieron”

• “Estos estudiante no son capaces de aprender física bajo ninguna circunstancia”

El problema no son los alumnos…

Modelo tradicional de aprendizaje de las ciencias

• Escribir todas las ecuaciones del curso y memorizarlas

• Hacer muchos problemas del libro para saber utilizar las fórmulas y ecuaciones

• Pasar el examen habiendo seleccionando las fórmulas correctas para cada problema.

• Borrar toda la información para dejar espacio al próximo set de materiales

Sobrecarga cognitiva

¿Cómo enseñar?

¿Cómo aprendemos ciencias?

• Procesos y representaciones mentales

• Experiencias anteriores

• Formas de razonamiento

• Teorías de aprendizaje

I. Principios cognitivos en ciencias (Redish, 2003)

• Entender qué pasa en la sala de clases

I. Principios cognitivos en ciencias

1. Memoria

2. Asociaciones y estructura del conocimiento

3. Modelos mentales

4. Modelos conceptuales

1. La memoria

• Cómo almacenamos información

– Memoria de trabajo (rápida pero limitada)

– Memoria de largo plazo (mucha información almacenada por largo tiempo)

1.1 Memoria de trabajo

1.2 Memoria de largo plazo

• No es accesible inmediatamente, tiene que traerse a la memoria de trabajo para ser utilizada.

• El proceso es automático e inconsciente

1.2 Memoria de largo plazo

• La memoria de largo plazo depende de cómo se plantea el problema y del estado mental.

* Todas las cartas tienen una letra y un número

1.2 Memoria de largo plazo

2. Asociaciones y estructura del conocimiento

• Cadena de activación de conocimientos asociados.

2. Asociaciones y estructura del conocimiento

• Estructuración en redes conceptuales

2. Asociaciones y estructura del conocimiento

• El patrón de asociación depende de la estructura del conocimiento de cada persona: contexto de la persona, su estado metal, su experiencia.

Patrones de asociación en física

• Se asocia con lo ya conocido:

• Ej.: En nuestra experiencia los objetos en movimiento tienden a parar.

2. Asociaciones y estructura del conocimiento

• Las estructuras conceptuales, al constituirse de forma robusta y coherente, constituyen los modelos mentales.

3. Modelos mentales

3. Modelos mentales

• ¿Cómo te representas el concepto de velocidad?

Modelos mentales

• Aprender ciencias significativamente implica ser capaces de recrear las teorías en sistemas de representación internos de conceptos relacionados y no como simples listas de hechos y fórmulas, que es lo habitual en los materiales curriculares y en las clases de ciencias.

3. Modelos mentales

4. Modelos conceptuales

4. Del modelo conceptual al modelo mental

Alguna pregunta?

II. Formas de razonamiento en el aprendizaje de las ciencias (Redish,2003)

1. Ideas ingenuas comunes

2. Elementos primitivos de razonamiento

3. Cognición situada

Reflexionemos…

1. ¿Qué conceptos les cuesta más comúnmente entender a sus alumnos?

2. ¿Cuáles son las confusiones típicas?3. ¿Fusionan algunos conceptos con otros?4. ¿Generalizan incorrectamente?5. ¿Tienen creencias erradas de lo que ocurre en la

realidad?6. ¿Tienden a resolver los problemas planteados

como lo hacen en la vida diaria, sin tener nociones más formales y generalizables?

1. Ideas ingenuas comunes

• Son líneas de pensamiento robusto y frecuente en los alumnos, que contienen:

– generalizaciones inapropiadas

– fusión de distintos conceptos en uno

– distinto trato a situaciones análogas

• No son sorprendentes si analizamos su experiencia previa.

1. Ideas ingenuas comunes

2. Elementos primitivos

• ¿Qué vaso tiene más agua?

• Líneas de razonamiento modular: Situaciones específicas de la vida real.

• Ej.: Dos bolas de distinta masa chocan: ¿cómo son las fuerzas que experimenta cada masa con respecto a la otra masa?

3. Cognición situada

• Ej.: Se tienen 3 ½ pizzas, y cada una está dividida en 4 partes. ¿Cuántos alumnos pueden comer un pedazo?

• Respuesta formal: 3 ½ / ¼ = 14.

• Ellos piensan: Con cada pizza comen 4, si son 3 entonces comen 12, y media más alcanza para 2: por lo tanto comen 14.

“Lo que menos se entiende del universo es que se pueda entender algo”

Albert Einstein

III. Teorías del aprendizaje en ciencias (Redish, 2003)

1. Constructivismo

2. Contexto

3. Cambio conceptual

4. Individualidad del aprendizaje

5. Aprendizaje social

1. Construcción del conocimiento

• Búsqueda de respuestas a una pregunta significativa para el alumno

1. Construcción del conocimiento

• Reutilización de conocimientos de experiencias anteriores:

– Clases anteriores

– Experiencia con su entorno

1. Construcción del conocimiento

• Estructuración en redes conceptuales

1. Construcción del conocimiento

• Si nos encontramos con un

letrero como este:

• Para comprenderlo revisamos nuestras experiencias anteriores y hacemos uso de:– Estructuras conceptuales (conocimiento estructurado)

– Instrumentos cognitivos (capacidades mentales y herramientas de razonamiento).

2. Contexto

• Lo que se construye en la mente depende del contexto de cada persona:

– Su estado metal.

– La situación donde se inserta el problema

Depende del estado metal….

Depende del contexto….

3. Cambio conceptual

• Es fácil aprender algo que concuerda o extiende un conocimiento previo.

• Es complejo aprender algo que es totalmente desconocido y no se asocia a conocimiento previo.

• Contextualizar permite hacer una conexión con un nuevo concepto.

• El uso de términos desconocidos para los alumnos puede dificultar el entendimiento.

3. Cambio conceptual

• Es substancialmente complejo cambiar una estructura o esquema bien establecido.

• Asegurarse que aprendan bien los conceptos básicos, para construir estructuras sólidas donde integrar conocimientos nuevos.

3. Cambio conceptual

• Resolución de problemas no se correlaciona con entendimiento conceptual.

• Se requiere de preguntas que involucren distintos modos de pensar, no aprender por repetición.

4. Individualidad del aprendizaje

• Cada individuo construye sus propios modelos mentales, tienen diferentes respuestas y aproximaciones al aprendizaje.

• Los individuos tienen distintos estilos de aprendizaje:

– Pasivo o independiente

– Abstracto o concreto

– Algebraico o geométrico

4. Individualidad del aprendizaje

• No hay una única mejor forma de enseñar.

• Lo mejor es usar distintas formas o enfoques de enseñar los conceptos.

• No usar nuestra propia experiencia como guía

• Preguntar y escuchar a los alumnos

5. Aprendizaje social

• Actividad social

– interacciones sociales

– la comunicación

– las preguntas y respuestas

– los obstáculos

– los intercambios conflictivos.

5. Aprendizaje social

• El aprendizaje es más efectivo cuando se interactúa socialmente con otros.

• Los físicos y científicos tienden a ser personas autosuficientes en el proceso de aprendizaje.

• Pero es necesario considerar otros puntos de vista, explicar los propios, etc.

Alguna pregunta?

“La única razón para la existencia del tiempo es que impide que sucedan todas las cosas a la vez”

Albert Einstein

IV. Algunos métodos instruccionales derivados de estas teorías (Redish,2003)

1. Conflicto conceptual

2. Construcción de puentes

3. Restricción del marco

4. Representaciones múltiples

1. Conflicto conceptual

• Conflicto entre los conocimientos anteriores y los nuevos

– Destrucción de conocimientos mal constituidos

– Construcción de nuevas

estructuras

1. Conflicto conceptual

Modelo: evocar/confrontar/resolver/reflexionar.

• Evocar: preguntar, escuchar su predicción

• Confrontar. Experimentar y observar el fenómeno.

• Resolver conflicto. Discutir con sus pares:

• Reflexionar las implicancias de las conclusiones

Ejemplo: Conflicto conceptual

• Dados tres objetos: pila, ampolleta y cable; ¿se puede prender la ampolleta sin cortar el cable? ¿Cómo? Si no es posible, explica por qué.

• Si, se puede.

2. Construcción de puentes

• Comenzar con lo correcto del razonamiento del alumno.

• Desde ahí, extrapolarlo para transformar el modelo mental, usarlo como un ancla.

– Debe ser concreta más que abstracta.

– Deben estar muy seguros del resultado.

2. Construcción de puentes

• Ej.: “Un libro que está en reposo sobre una mesa, no ejerce fuerza. La mesa sólo previene que éste se caiga”.

• Posibles anclas:

– Cargar un libro sobre las manos.

– Colgar un objeto de un resorte suave.

• De esta manera ellos pueden sentir o ver la fuerza del objeto en reposo.

3. Restricción del marco

• No es fácil distinguir lo importante de lo irrelevante cuando hay mucha información.

• Simplificar el problema para que se comprendan los conceptos fundamentales.

• Los alumnos deben aprender a ignorar las partes no importantes, y elegir a qué poner atención.

4. Representaciones múltiples

• Las distintas representaciones ayudan a utilizar mejor la memoria de trabajo.

• Son más efectivas generando asociaciones con diferentes aspectos de la situación.

“El cuerpo y el alma no son dos realidades distintas, sino tan sólo dos formas diferentes de percibir una misma y única realidad”

Albert Einstein

V. Principios cognitivos del aprendizaje: segundo nivel (Redish,2003)

1. Expectativas, actitud

2. Meta-cognición

3. Emociones- Afectividad

1. Expectativas

• Los alumnos se sitúan en dos niveles: estado binario y estado constructivista

• El estado binario consiste en que los alumnos esperan saber si las cosas están bien o mal, si algo es correcto o no.

• El estado constructivista consiste en que los alumnos se hacen cargo de su propio aprendizaje, y se enfocan más en el proceso que en los resultados.

1. Expectativas

• Es importante que se favorezcan las actitudes positivas en clases con respecto a:

– Independencia: responsabilidad en lo que se aprende.

– Coherencia: marco conceptual coherente

– Conceptos: entendimiento de los conceptos fundamentales

2. Meta-cognición

Pensar acerca de pensar

• Reflexionar de su propio proceso de aprendizaje

• Desarrollar entendimiento acerca de lo que significa aprender ciencias y qué se necesita

• Necesitan aprender a evaluar y estructurar su conocimiento.

2. Meta-cognición

• Preguntas que pueden ayudar:

• ¿Qué es exactamente lo que estás haciendo?

• ¿Por qué estás haciéndolo?

• ¿Cómo te ayuda a resolver el problema?

3. Afectividad

• Motivación http://www.youtube.com/watch?v=_ZnIghlUozA&feature=related

• Aplicar más a sus profesiones o a la vida real

• Mostrarse interesado en que ellos aprendan

• Tener empatía y carisma con los alumnos

• Hacerlos interactuar con sus compañeros

• Incluso si es necesario: http://www.youtube.com/watch?v=kTIl6MKNEx8

3. Afectividad

• Autoestima:

– Alta autoestima: se equivocan si darse cuenta

– Baja autoestima: saben que se van a equivocar, se atreven poco.

• Emociones:

– ambiente seguro: que se pueden equivocar

– avance: mostrar progreso

– humor sin perder la disciplina

Alguna pregunta?

Actividad de reflexión

Actividad de reflexiónPiensa y escribe en un documento word:1. ¿Cuáles son los principales problemas conceptuales que

tienen tus alumnos en tu clase?2. ¿Cuáles son sus principales confusiones?3. ¿Cuáles son sus principales dificultades?4. ¿Cuáles son los temas que consideras más difíciles de

enseñar a tus alumnos?5. ¿Qué otras variables de la clase profundizan el problema?

(revise los distintos temas de la clase)Piense y plantee posibles soluciones a su problema: 6. ¿Qué métodos podría aplicar a estos problemas específicos? 7. ¿Cómo enganchar a los alumnos en el aprendizaje y

mantenerlos más activos?8. Se le ocurre alguna tecnología, aunque no exista, que pueda

ayudar?

Ejemplo de respuestas:

1. Cuando explico el movimiento circular con una pelotita en una cuerda no entienden que si se deja de aplicar la fuerza hacia el centro, la pelotita sigue en línea recta.

2. Ellos piensan que hace una curva, me imagino porque creen que la inercia los hace seguir esa trayectoria.

3. Sus dificultades tienen que el entendimiento de los vectores involucrados, la fuerza, aceleración y velocidad en el movimiento circular.

4. Este es un tema difícil de enseñar, también la representación gráfica de estas variables en un movimiento circular, cómo enseñarles a hacer gráficos de este movimiento, o saber interpretarlos.

5. Me cuesta explicar este concepto, los alumnos no se atreven a preguntar. Algunos creen que sus creencias erradas están bien y no se cuestionan. No es un problema aplicado, y todas las representaciones son difíciles de comprender. La base de los conceptos no están claros (aceleración seguramente es débil).

6. Conflicto cognitivo para confrontar lo que ellos predicen de este fenómeno con lo que observamos en la realidad. Saber mejor lo que saben y no saben para no seguir construyendo sobre bases poco sólidas.

7. Para motivar aplicar más al mundo real, contextualizar el problema. Por ejemplo con una rueda de bicicleta. Hacer que ellos mismos hagan el experimento en grupos después de predecir.

8. Tecnología útil: materiales para hacer los experimentos, alguna tecnología que permita graficar el experimento.

VI. Evaluación extendida (Redish,2003)

VI. Evaluación extendida

• Entendemos la importancia de la retroalimentación bidireccional.

– Saber su avance, su comprensión, y qué tienen que mejorar.

– Profesores deben saber avance de sus alumnos y además, si sus clases está dando buen resultado, dónde poner énfasis, qué repasar, cómo mejorar sus clases, etc.

Tipos de preguntas formativas

1. Alternativas y respuestas cortas: basadas en ideas ingenuas para hacer los distractores.

• Pueden medir el grado de profundidad del entendimiento conceptual y la funcionalidad del entendimiento.

Ejemplo:

• Un libro se encuentra en reposo en una mesa. ¿Cuál de las siguientes fuerzas actúan sobre él?I. Una hacia abajo por efecto de la gravedad

II. Una hacia arriba ejercida por la mesa

III. Una fuerza neta hacia abajo dada por la presión de aire

IV. Una fuerza neta hacia arriba dada por la presión de aire

a) I

b) I y II

c) I, II y III

d) I, II y IV

e) Ninguna de las anteriores, ya que el libro está en reposo.

Tipos de preguntas formativas

2. Respuestas múltiples:

• Control de los conceptos involucrados.

• Ej.: cuatro ratones distintos A, B, C y D, corren por un camino triangular. Ellos parten en la esquina inferior izquierda y avanzan según las flechas. El tiempo que demoran en recorrer los caminos se muestra debajo.

• Para cada afirmación que se muestra más abajo, escribe las letras de todos los ratones que calzan con la descripción:

a) este ratón tiene la mayor rapidez promedio

b) este ratón tiene el mayor desplazamiento total

c) este ratón tiene una velocidad promedio con dirección ->

d) este ratón tiene la mayor velocidad promedio

3. Preguntas de representación.

Ej.: Un objeto se encuentra en el extremo de un disco que rota en movimiento circular uniforme. En t=0 está en la posición y con la velocidad que se muestra en la figura.

Para cada afirmación relacione con uno de los gráficos siguientes.

– La componente en x de la velocidad

– El ángulo de la posición con el eje x

– La componente y de la fuerza que mantiene al objeto en movimiento

– La velocidad angular objeto

– La rapidez del objeto

– La componente x de la posición

4. Ranking de tareas.• Son fáciles de evaluar pero muy efectivas para

desencadenar razonamientos primitivos.• Por ej. un caso de lo que ocurre con distintas

masas dentro del agua, y ordenarlas.

5. Problemas contextuales.• Situaciones realísticas donde usar principios

físicos.• Ej.: Estima el número de calorías que un corredor

de maratones quema corriendo 21 km. ¿Tendrá que consumir carbohidratos antes de comenzar?

6. Problemas de estimación.

• Son útiles para trabajar con números más grandes, cuantificar lo que pasa en el mundo real.

• Ej.: ¿cuánto pasto tiene tu casa? Entonces se tiene que pensar cuánto pasto hay en un centímetro cuadrado (que es más fácil visualizar) después escalar a un metro, y después multiplicar por los metros que mide su patio.

7. Preguntas cualitativas.

• Son efectivas en hacer que los alumnos aprendan a pensar acerca de los conceptos, y hacer conexión con el mudo real.

• Ej.: Ordena por brillo (cantidad de corriente) de las ampolletas. Explica tu razonamiento.

8. Preguntas de ensayo

• Estas son las más reveladoras de ideas ingenuas. Son explicativas.

• Ej.: ¿En cuál/es de estas situaciones se aplica la tercera ley de Newton (acción y reacción)? Explica por qué.

– Un auto estacionado es chocado por otro auto idéntico.

– Un auto estacionado es chocado por un camión pesado.

– Un camión empuja un auto porque éste está en pana. El camión está acelerando y en contacto con el auto.

• Otro ejemplo más sencillo es:

– En este curso hemos estudiado dos campos: eléctrico y magnético. Explica por qué introdujimos la idea de campo y compara y contrasta los dos campos vistos. En tu comparación discute al menos una similaridad y una diferencia.

Alguna pregunta?

“En los momentos de crisis sólo la creatividad es más importante que el conocimiento”

Albert Einstein

VII. Recursos tecnológicos para educación de la física (Redish,2003)

1. Tecnologías de bajo costo– Experimentos con material reciclado

– Recursos gratuitos en línea: Simulaciones, animaciones, visualizaciones, videos, etc.

– Videos analizables y software gratuitos para su análisis* Para los últimos dos puntos es necesario al menos un

computador y un proyector para la clase.

2. Tecnologías de costo medio– Sensores de movimiento y fuerza, y software de

recolección y análisis de datos (con computadores como interfaz).

1. Tecnologías de bajo costo

Ejemplo: Actividad construcción de gráficos de posición y velocidad vs tiempo de alumnos caminando.

Objetivo: que comprendan la representación gráfica de movimientos reales, aprendan a graficar y a describir el movimiento.

Materiales: cinta adhesiva, lápiz, trozo de madera, bolita, hilo, monedas.

Trabajo grupal con los materiales

1. Hacer una línea recta de 4 metros con cinta adhesiva y marcar con números.

2. No se tiene cronómetro para contar los segundos. Con hilo, trozos de madera y una bolita se puede fabricar un péndulo para contar el tiempo.

3. Mientras uno de los miembros del grupo camina por la línea recta con distintos patrones, otro debe mirar la numeración y contar el tiempo.

4. Hacer gráficos y descripción del movimiento visto. 5. Se les muestran gráficos de movimiento para que ellos los

reproduzcan caminando sobre la cinta. 6. Dados gráficos de posición vs tiempo, representarlos como

gráficos de velocidad. Describirlos en palabras.7. Para trabajar con movimiento acelerado pueden ir a cada segundo

tirando una moneda donde están y luego se mide la distancia recorrida.

1. Tecnologías de bajo costo

Clickers hechos a mano (tarjetas de colores para las alternativas)

• Hacer buenas preguntas de alternativas entre medio de las clases para motivar, activar a los alumnos

• Sirve para saber si están poniendo atención, si van entendiendo

• Útil para clases numerosas• Retroalimentación para el profesor y alumnos• El profesor puede ir adaptando su clase en el

momento

1. Tecnologías de bajo costo

• Enfocar discusión• Votar después de un debate• Hacer preguntas no del todo correctas o con

varias respuestas, para generar discusión• Preguntas de una tarea, o un pre-laboratorio• Diagnosticar: entendimiento, errores

conceptuales• Encuestas, experimentos, ilustraciones de cómo

piensas sus compañeros• Diseño de preguntas (Beatty et al., 2006)

1. Tecnologías de bajo costo

• Simulaciones: modela una situación de la vida real o hipotética en un computador. Ej.: http://www.walter-fendt.de/ph14s/acceleration_s.htm

• Visualizaciones: animaciones y videos. Permiten visualizar fenómenos complejos, o que no es posible ver en la realidad, y analizar situaciones reales.

• Ej.: http://www.walter-fendt.de/ph14s/keplerlaw2_s.htm

• Se pueden utilizar durante las clases lectivas, como una demostración desde el computador del profesor. Pero también dentro de un taller, laboratorio o ayudantía.

• Sitios de recursos: MERLOT, OSP, PhET, Physlets,Simulaciones Colba, Physclips: videos, Videos cortos, ComPADRE,, Tecnologías educativas de la NASA, Youtube.

• Recursos en español: MERLOTCHILE, Applets de física.

• Tecnología necesaria: PC, Proyector

1. Tecnologías de bajo costo

• Laboratorios controlados remotamente RCL: son laboratorios reales que se pueden controlar remotamente: Bradford RoboticTelescope, MIT iCampus iLabs

• Son útiles cuando se necesita materiales o equipos que no están disponibles para nuestras clases

1. Tecnologías de bajo costo

• Análisis de videos. Método de análisis de movimientos reales capturados en un video con el fin de representarlos gráficamente. Son muy útiles para relacionar el movimiento real de los objetos con su representación gráfica.

• Existen recursos gratis en línea para hacerlo:

• Videos cortos para analizar

• Software para análisis de videos

1. Tecnologías de bajo costo

• Análisis de videos con Tracker

Pasos para utilizar el tracker: • Instalar el tracker (con java) y Quicktime

http://www.apple.com/quicktime/download/ y bajar videos

• Desde el tracker abrir un video: péndulo• Calibrarlo: poner la medida real del péndulo• Poner el eje centrado en el eje del péndulo• Hacer click en Nuevo: seleccionar masa puntual• Abrir la ventana de la derecha y seleccionar ejes• Click en masa: seleccionar auto-track• Marcar la posición del centro de masa del objeto

cada movimiento

2. Tecnologías de costo medio

– Sensores de movimiento y fuerza y los software de recolección y análisis de datos (con computadores como interfaz). http://www.youtube.com/watch?v=PXHJoqZPNcQ&feature=related

• Ej.: Un objeto se mueve hacia adelante y haciaatrás por una persona en reposo.

• La persona puede mover el objeto de igual manera pero caminando (alejándose)

• Otra persona mueve a la persona en la silla para adelante y atrás y además ella mueve el objeto de la misma forma (en fase)

Para construir recursos online

• Para construir sus propias simulaciones: hay algunos recursos de código abierto que permiten ir desarrollando recursos.

• Ejemplo: Vpythonhttp://vpython.org/index.html , EJS (http://fem.um.es/EjsWiki/index.php)

Alguna pregunta?

Actividad práctica1. A partir de la actividad de reflexión y las soluciones

propuestas, busca soluciones tecnológicas que puedan apoyar tu clase.

2. Primero regístrate en MERLOT y busca algunas simulaciones, aplicaciones, o lo que te sirva para solucionar tu problema.

3. Luego busca videos analizables aplicables e instala el programa tracker para analizarlos. Analiza si te sirven para solucionar tu problema. Justifica tu respuesta.

4. Piensa en cómo se podrían integrar estas tecnologías en la clase, y si es necesario incorporar otras tecnologías de costo medio. Escribe cómo las utilizarías.

5. Haz una propuesta de evaluación formativa para esta clase. Desarróllala hasta donde alcances.

6. Escribe en un documento word tus conclusiones acerca de la actividad práctica.

Próxima clase

• Revisión de las actividades de la clase 1 y reflexiones

• VIII. Modelos de enseñanza activa comprometedora

• IX. Material instruccional

• Actividad práctica final: trabajar con los modelos de enseñanza vistos en clases, integrando todo lo visto en las actividades de la clase 1.

• Consultas a mi email: mcapponi@inacap.cl

Fuentes

Libros:

• “Teaching Physics with the Physics Suite”, Edward Redish, Wiley and sons (eds.).

• ”Enseñar las ciencias experimentales: didáctica y formación”, Georges Soussan, Andros Lda.

Lectura complementaria:

• Lombardi et al., 2009. “KIN Teaching Kinematicswith Real-Time Lab-work: some examples”.

• Beichner, 2007. “An Introduction to PhysicsEducation Research”.

• Mazur, 2001. “Peer Instruction: Ten Years of Experience and Results”.

• Wieman, C.; Perkins, K., 2005. “TransformingPhysics Education”.

• Redish et. Cl., 1999. “Teaching Physics: FiguringOut What Works”.