La enseñanza de los fenómenos de óptica geométrica a estudiantes de undécimo grado desde

la perspectiva del aprendizaje activo

Guillermo Alfonso Rojas Sánchez

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias

Bogotá, Colombia 2011

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La enseñanza de los fenómenos de óptica geométrica a estudiantes de undécimo grado desde

la perspectiva del aprendizaje activo

Guillermo Alfonso Rojas Sánchez

Trabajo final de maestría de profundización presentado como requisito parcial para optar al título de Magister en la Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director: M. Sc. Universidad Nacional de Colombia

Catalina De Las Mercedes Ramírez Gómez

Maestría en la enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias

Bogotá, Colombia 2011

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A Karen y Felipe, como siempre.

G. A. R. S.

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Agradecimientos

No hubiese sido posible llegar al final de este proceso de formación en la maestría sino hubiera contado con personas e instituciones que constantemente me ofrecieron el apoyo y la inspiración necesaria. En particular agradezco a la profesora Catalina Ramírez Gómez por su constante disposición y oportuna guía en la elaboración de este trabajo final. También agradezco al Dr. Augusto Franco Arbeláez rector del Colegio Newman por brindarme un espacio académico y laboral para el desarrollo de esta investigación educativa.

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Resumen

El Aprendizaje Activo en Óptica y Fotónica (ALOP) es una propuesta didáctica con patrocinio de la UNESCO que se implementa en países en desarrollo con el objeto de incentivar la innovación y la creatividad en la enseñanza y aprendizaje de la Física. En el Colegio Newman del municipio de Cajicá se implementó la enseñanza de la óptica geométrica desde la perspectiva del aprendizaje activo. Se construyeron herramientas didácticas como talleres de aprendizaje activo, clases demostrativas interactivas, test conceptuales y montajes experimentales con materiales de bajo costo y fácil consecución. La estrategia didáctica se aplicó a estudiantes de grado once (marzo a junio de 2011) evaluándose el efecto del modelo ALOP en relación con didácticas tradicionales. Se determinaron los modelos mentales de los estudiantes, los cambios conceptuales y las concepciones que persistieron. Parte de la evaluación se hizo con la estrategia de investigación-acción propuesta por ALOP con la dinámica Pre y Post Test en términos de la ganancia normalizada o fracción de mejoramiento posible obtenida para el grupo de 23 estudiantes. Palabras claves: Aprendizaje Activo, óptica geométrica, investigación, experimentos, talleres, test conceptual, ganancia normalizada.

Abstract

Active Learning of Optics and Photonics (ALOP) is a didactic proposal sponsored by the UNESCO which is implemented in developing countries in order to enhance innovation and creativity when teaching and learning Physics. The teaching of geometric optics was implemented at Newman School in Cajicá from the perspective of active learning. Didactic tools such as active learning workshops, interactive demonstrative classes, conceptual tests and experiments were designed by using low cost and reachable materials. This strategy was applied to eleventh grade students, from March to June 2011; evaluating the effect of the ALOP model as compared with traditional methodologies. Students’ previous concepts, changes and persistent conceptions were determined. Evaluation process was partly made by using action-research proposed by ALOP with pre and post testing in terms of the normalized gain and maximum improvement ratio obtained by the group of 23 students. Keywords: Active learning, geometric optics, research, experiments, workshops conceptual test, Normalized gain.

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Contenido

Pág. Resumen …………………………………………………………………………………………………………………………… V Lista de figuras …………………………………………………………………………………………………………………………. VII Lista de tablas ………………………………………………………………………………………………………………………… VIII Introducción …………………………………………………………………………………………………………………………… 1 Capítulo 1. Estado del arte ………………………………………………………………………………………….………. 3

1.1. Estándares y competencias de la óptica …………………………………………………………….. 4 1.2. Elementos de Aprendizaje Activo …………………………………………………………………………. 6

Capítulo 2. Aprendizaje Activo de la óptica en el Colegio Newman ………………………….………… 8 2.1. Etapas de implementación de ALOP …………………………………………………………………………. 9

2.1.1. Etapa de Capacitación ……………………………………………………………………………………… 9 2.1.2. Etapa de programación de actividades de Aprendizaje Activo ……………………….. 9 2.1.3. Etapa de diseño de experiencias y consecución del material ……………………… 14

2.1.4. Etapa de diseño de herramientas didácticas ………………………………………………. 15 2.1.5. Etapa de aplicación del modelo ALOP ..…………………………………….…………………… 16

2.2. Caracterización de las herramientas utilizadas para la implementación del Modelo ALOP …………………………………………………………………………………………………………………………. 16

Capítulo 3. Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) .……………………………………………… 21 Capítulo 4. Productos y Resultados .…………………………………………………………………………………… 25

4.1. Productos …………………………………………………………………………………………………………….. 25 4.2. Primeros Resultados ….…………………………………………………………………………………………….. 26 4.3. Las concepciones de los estudiantes ……………………………………………………………………….. 27 4.4. Resultados de la prueba TCOG ……………………………………………………………………………………. 30

Capítulo 5. Conclusiones y Perspectivas ………………………………………………………………….……. 33 Bibliografía …………………………………………………………………………………………………………………………. 35 A. Anexo Presentaciones de actividades de Aprendizaje Activo ………………………………….. 37 B. Anexo Talleres de Aprendizaje Activo ……………………………………………………………………….. 70 C. Anexo Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) ………………………………………………. 90 D. Anexo Resultados de la prueba TCOG ……………………………………………………………………... 100

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Lista de figuras

Pág.

Figura 2-1: Kit de óptica geométrica ….………………………………………………………………….… 15 Figura 2-2: Kit de óptica magnético ……………………………………………………..………………... 15 Figura 2-3: Mediciones en la reflexión de un rayo láser …………………………………………….… 17 Figura 2-4: Montaje experimental de la actividad de leyes de la refracción ……….… 18 Figura 2-5: Montaje experimental de la actividad Reflexión Interna Total ………………….….. 18 Figura 2-6: Montaje experimental de la actividad de formación de imágenes en lentes…….. 19 Figura 2-7: Banco óptico para actividad de lentes esféricas positivas y negativas ……….... 19 Figura 3-1: Defectos del ojo …….……………………………………………………………………………… 23 Figura 4-1: Frecuencia de aciertos por pregunta en TCOG …………………………………………….… 30

VIII

VIII

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1-1: Estándares y competencias de los fenómenos ópticos según el MEN…….…….….. 5 Tabla 2-1: Programación de Actividades de Aprendizaje Activo y Materiales………………….… 10 Tabla 3-1: Distribución de preguntas de TCOG...……………………………….…………………….……….. 21 Tabla 4-1: Categorización de ganancias normalizadas...………………………………………….………… 32

Introducción

En la actualidad existen numerosas tendencias en la enseñanza de la Física que ofrecen a partir de sus prácticas la posibilidad de lograr aprendizajes significativos. Sin embargo, también es frecuente que esas mismas prácticas conlleven a resultados inesperados. A menudo, propuestas didácticas fuertemente estructuradas, pero con débiles implementaciones llevadas al aula, dejan pobres cambios conceptuales en los estudiantes. Así las cosas, en la enseñanza de la Física si no se conceptualizan las ideas básicas, de ahí en adelante es nulo todo intento de enseñanza. En el “aprendizaje por descubrimiento”, se hace preeminencia en los procesos que sigue la Física sobre los contenidos de la misma. Se fundamenta en la creencia de que los “métodos” son más relevantes que los contenidos ya que los experimentos pueden proporcionar al estudiante lo fundamental de la ciencia. En este caso el trabajo de laboratorio es lo más importante. Pero se tiene el riesgo de hacer que los trabajos prácticos jueguen un papel solo ilustrativo y que se limite a seguir recetas sin que haya lugar a emitir hipótesis, diseñar experimentos alternativos y analizar resultados (Rachelson 1977; Tamir 1977). Los estudiantes obtienen poco beneficio de los experimentos realizados cuando los montajes están preparados y terminados (Leboutet 1973). En el aprendizaje por “resolución de problemas” se considera que los problemas planteados de manera teórica o práctica, privilegian la adquisición y desarrollo de las aptitudes científicas necesarias para el aprendizaje de la Física. Pero ocurre que los alumnos no aprenden a resolver problemas, sino que memorizan soluciones explicadas por el profesor: los alumnos solo "reconocen" problemas que ya han sido resueltos. Esta didáctica de resolución de problemas aleja a los estudiantes del trabajo científico, pues no hay cabida para dudar, ensayar, contrastar o interpretar resultados (Campanario y Moya 1999). En los métodos de “transmisión del conocimiento” solo hay referencia a la adquisición de conocimientos no al aprendizaje de conceptos. La verdadera asimilación de conocimientos exige, "relación, diferenciación y reconciliación integradora con los conceptos pertinentes que ya existían" y "cuanto más activo sea este proceso, tanto más significativos y útiles serán los conceptos asimilados” (Ausubel 1978). En todos estos métodos se evidencia la actitud pasiva del estudiante incluso en el trabajo experimental. Bachelard (1938) sugiere: “…el adolescente llega a la clase de física con conocimientos empíricos ya constituidos: se trata, pues, no de adquirir una cultura experimental, sino más bien de cambiar de cultura experimental, de derribar los obstáculos ya acumulados por la vida cotidiana". Entonces cabe preguntarse, ¿cuándo se conceptualiza en la Física? Por ahora se sostiene que una enseñanza de la Física inadecuada causa la persistencia de las preconcepciones de los estudiantes. Si la transmisión de conocimientos elaborados no hace posible el aprendizaje

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significativo de conceptos, las preconcepciones de los estudiantes persistirán. Se entienden las preconcepciones o pre-teorías como las ideas espontáneas que los alumnos tienen previamente al aprendizaje escolar y que son fruto de las experiencias cotidianas adquiridas socialmente y que constituyen el conocimiento precientífico. Driver (1986) habla de "esquemas conceptuales" más que de simples preconceptos aislados. Sobre su importancia, Ausubel (1978), afirma "… si yo tuviera que reducir toda la psicología educativa a un sólo principio, enunciaría este: averígüese lo que el alumno ya sabe y enséñese consecuentemente". Las preconcepciones tienen características comunes que las hacen difíciles de transformar: tienen cierta coherencia interna, son comunes en estudiantes independientemente de diferencias sociales y cronológicas, se parecen a ideas científicas que tuvieron vigencia en el pasado y a menudo son muy persistentes. Se necesita para el profesor de Ciencias una propuesta de aprendizaje que supere las deficiencias y vicios que generan los modelos expuestos anteriormente. La reciente perspectiva del “aprendizaje activo” que ha tenido especial interés en el aprendizaje de la Física, parece apuntar a los elementos neurálgicos de su enseñanza. El “aprendizaje activo” resalta el trabajo experimental sencillo y de bajo costo, con elementos de fácil consecución y que sin abandonar los procesos mentales propios del conocer científico, incentiva y estimula la construcción colectiva del saber, parte de las preconcepciones de los estudiantes y los guía en la transformación hacia los conocimientos científicos. El contexto teórico en que se desarrolla este trabajo de acción en el campo de la educación, se basa en los principios de este “aprendizaje activo”. En particular, se han tomado los lineamientos del modelo aplicado a la enseñanza de la óptica para los últimos cursos del bachillerato o para los primeros semestres de la formación universitaria. Esta aplicación del aprendizaje activo es reconocido en la comunidad educativa como Aprendizaje Activo de la óptica y la Fotónica o en inglés Active Learning in Optics and Photonics (ALOP). En este informe se desarrolla una descripción histórica y teórica de los principios del “aprendizaje activo”;se delinea el contexto didáctico y legislativo de la educación colombiana donde es posible implementar sus estrategias didácticas; se anexan la adaptaciones que se hicieron del modelo ALOP a talleres de aprendizaje activo de la óptica geométrica; se incluye la descripción, análisis y evaluación de la implementación y aplicación del modelo en una población de estudiantes de once grado; por último se presentan las conclusiones sobre el proceso de construcción y ejecución del proyecto de investigación en el aula.

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Capítulo 1. Estado del arte

La óptica geométrica es un tópico de la Física que se desarrolla tradicionalmente en el último periodo escolar de grado once, es decir que pertenece al nivel de la Educación Media Vocacional (grados 10 y 11 del sistema educativo colombiano). El tema se centra justamente en el desarrollo expositivo de los fenómenos ópticos a partir de las leyes geométricas observables en los rayos luminosos. Para ello se acude a la idea intuitiva del rayo de luz y a partir de unos enunciados, dados en su forma terminada, se explica el comportamiento cuando interactúa con la materia y se desarrollan una serie de ejercicios donde se describen imágenes formadas en casos donde aparecen fuentes de luz, espejos, lentes y pantallas. Pero la pregunta es si se logra conceptualizar el modelo de rayos de la luz; si se logra comprender su comportamiento cuando interactúa con la materia y si se logran explicar los fenómenos observables de formación de imágenes. Hasta dónde puede un profesor garantizar que los estudiantes comprenden, diferencian y/o explican hechos físicos como: la naturaleza de la luz, los rayos luminosos, la formación de imágenes, la relación entre objetos e imágenes reales y virtuales, los colores presentes en la luz blanca, la dispersión de esos mismos colores al atravesar un prisma, la conducción de la luz en una fibra óptica. Un aprendizaje donde se siga con experimentos sencillos pero con la suficiente rigurosidad de las leyes geométricas de la reflexión, la refracción y la reflexión interna total, donde se puedan deducir metódicamente los mecanismos de formación de imágenes y donde no se deje en el campo de la referencia teórica las aplicaciones tecnológicas de prismas, fibras ópticas y el mismo comportamiento del ojo humano, puede dar cuenta de aprendizajes significativos. En definitiva, ¿cómo puede mediarse la enseñanza de los fenómenos de la óptica geométrica en grado once con una propuesta didáctica que garantice en los estudiantes la comprensión de la naturaleza y el comportamiento de la Luz desde el modelo de los rayos? La legislación educativa del país en cabeza del Ministerio de Educación Nacional (MEN) y el Instituto Colombiano para la Evaluación de la Educación (ICFES) plantea los límites cognitivos con los que se debe responder estas preguntas. Tanto los lineamientos del MEN como del ICFES, que se recopilan a continuación, enmarcan las exigencias para las instituciones educativas en lo que respecta a la enseñanza de la óptica.

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1.1. Estándares y competencias de la óptica

El Ministerio de Educación Nacional contempla la óptica dentro del componente de Eventos Ondulatorios, donde se consideran conceptos fundamentales para ser desarrollados los de propagación, reflexión, refracción, difracción e interferencia de las ondas y las preguntas que deben resolverse son: ¿qué caracteriza un movimiento ondulatorio? y ¿qué sucede cuando una onda actúa con un cuerpo o con otra onda? (FUNDAMENTACIÓN CONCEPTUAL DEL ÁREA DE CIENCIAS - ICFES – Marco teórico de las pruebas de Ciencias Naturales – ICFES - Mayo de 2007pág. 94 a 97).

El ICFES indica qué componentes y qué competencias se evalúan a través del diseño de pruebas de estado para la educación media (específicamente la prueba de SABER 11, prueba para estudiantes de once grado que aspiran a ingresar a la educación superior). Allí se desprende que en la física los componentes básicos o las categorías conceptuales o tópicos del área de la disciplina son la Mecánica Clásica, la Termodinámica, los Eventos Ondulatorios y los Eventos Electromagnéticos; y que las competencias o los procesos cognitivos que el estudiante debe realizar para resolver preguntas se agrupan en tres procesos:

1. Uso comprensivo del conocimiento científico: Capacidad para comprender y usar conceptos, teorías y modelos de las ciencias en la solución de problemas; establecimiento de relaciones entre conceptos y conocimientos adquiridos sobre fenómenos que se observan con frecuencia.

2. Explicación de fenómenos: Capacidad para construir explicaciones y comprender,

argumentos y modelos que den razón de fenómenos; establecimiento de la validez o coherencia de una afirmación o un argumento.

3. Indagación: Capacidad para plantear preguntas y procedimientos adecuados para

buscar, seleccionar, organizar e interpretar; información relevante para dar respuesta a esas preguntas.

De otro lado están los ESTÁNDARES BÁSICOS DE COMPETENCIAS EN CIENCIAS NATURALES, que el Ministerio de Educación Nacional señala como “aquello que todos los estudiantes del país, independientemente de la región en la que se encuentren, deben saber y saber hacer una vez finalizado su paso por un grupo de grados”. Desde el punto de vista procedimental, se considera que solo llevando a cabo acciones concretas de pensamiento y de producción puede un estudiante ser competente en ciencias. Ahora, estos procesos de pensamiento y producción se desglosan bajo tres grandes conjuntos de acciones:

i. Aproximación al conocimiento científico natural ii. Manejo de los conocimientos propios de las Ciencias Naturales iii. Desarrollo de compromisos personales y sociales.

Los fenómenos ópticos, tópico definido para esta investigación - acción, se enmarca en los estándares dentro dos conjuntos de grados (grupo de octavo - noveno y grupo de décimo – undécimo). En la siguiente tabla se relacionan las acciones concretas de pensamiento y producción que le competen a la física en estos conjuntos de grado.

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Tabla 1-1: Estándares y competencias de los fenómenos ópticos según el MEN

Al final de grado Noveno…. Identifico aplicaciones comerciales e

industriales del transporte de energía y de las interacciones de la materia.

Al final de grado Undécimo….

Un estudiante utiliza modelos físicos para explicar la transformación y conservación de la energía.

Identifica aplicaciones de modelos físicos en procesos industriales y en desarrollos tecnológicos y analiza críticamente las implicaciones de sus usos.

Aproximación al conocimiento científico natural

Manejo de los conocimientos propios

de las Ciencias Naturales.

Desarrollo de compromisos personales

y sociales

Formulo hipótesis con base en el conocimiento cotidiano, teorías y modelos científicos.

Identifico variables que influyen en los resultados de un experimento.

Propongo modelos para predecir los resultados de mis experimentos y simulaciones.

Realizo mediciones con instrumentos y equipos adecuados.

Establezco diferencias entre descripción, explicación y evidencia.

Establezco diferencias entre modelos, teorías, leyes e hipótesis.

Relaciono la información recopilada con los datos de mis experimentos y simulaciones.

Saco conclusiones de los experimentos que realizo, aunque no obtenga los resultados esperados.

Persisto en la búsqueda de respuestas a mis preguntas.

Propongo y sustento respuestas a mis preguntas y las comparo con las de otros y con las de teorías científicas.

Relaciono mis conclusiones con las presentadas por otros autores y formulo nuevas preguntas.

Explico el principio de conservación de la energía en ondas que cambian de medio de propagación.

Establezco relaciones entre frecuencia, amplitud, velocidad de propagación y longitud de onda en diversos tipos de ondas mecánicas.

Reconozco y diferencio modelos para explicarla naturaleza y el comportamiento de la luz.

Identifico aplicaciones de los diferentes modelos de la luz.

Escucho activamente a mis compañeros y compañeras, reconozco otros puntos de vista, los comparo con los míos y puedo modificar lo que pienso ante argumentos más sólidos.

Reconozco que los modelos de la ciencia cambian con el tiempo y que varios pueden ser válidos simultáneamente.

Cumplo mi función cuando trabajo en grupo y respeto las funciones de las demás personas.

Como se verá en la siguiente sección (1.2 Elementos del Aprendizaje Activo), hay un enorme parecido entre las acciones de los estándares de la aproximación al conocimiento científico y los

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momentos del modelo de Aprendizaje Activo. De esta manera surge la posibilidad de cristalizar los estándares básicos de competencias desde la perspectiva del Aprendizaje Activo. De acuerdo a los Estándares, los elementos conceptuales de la óptica pertenecen al conjunto de grados octavo–noveno, sin embargo tradicionalmente, como es este caso particular, su contenido se desarrolla en el grado once. Como se verá en el siguiente tema de este capítulo, detrás del modelo del Aprendizaje Activo hay una premisa sobre el conocimiento y su construcción colectiva que puede indagarse a través de los Desarrollos de compromisos personales y sociales que se describen en los Estándares.

1.2. Elementos del Aprendizaje Activo

David R. Sokoloff (Físico del Queens College de la Universidad de Nueva York, Doctor en Física Atómica, Molecular y Óptica del MIT 1972) profesor de Física de la Universidad de Oregon, desarrolló durante dos décadas de investigación en la comprensión de la óptica y la fotónica un método denominado Aprendizaje Activo (Active Learning in Optics and Photonics ALOP). Desde 1999 el profesor Sokoloff, junto con sus colegas Ronald Thornton y Laws Priscilla, desarrolló bajo el auspicio de la UNESCO talleres de bajo costo dirigidos a estudiantes de secundaria y primeros semestres de la universidad de países en vías de desarrollo. Los talleres se presentaron en países como: Ghana, Túnez, Marruecos, India, Tanzania, Brasil, México, Zambia y Camerún y recientemente Colombia, Chile y Perú. En estos talleres se destacan algunos trucos de óptica para su enseñanza y aprendizaje. En el año 2006, Sokoloff editó un Manual de Entrenamiento de Aprendizaje Activo de Óptica y Fotónica del que su versión en español aún está en revisión. Este trabajo patrocinado por la UNESCO es el producto con en el que se proyecta incentivar la innovación y la creatividad experimental en la enseñanza y aprendizaje de la física. En el manual se descubre que el método ALOP consiste en guiar a los estudiantes a través del auto aprendizaje a partir de colocarlos en posición de predecir, argumentar y analizar los resultados de prácticas experimentales cuidadosamente diseñadas y que requieran equipo muy sencillo y de fácil reproducción. Los talleres organizados por la UNESCO en los países mencionados han sido dirigidos a profesores de la educación media buscando que se capaciten en la metodología del aprendizaje activo, que la incorporen a sus prácticas docentes cotidianas y que luego las difundan en su medio. La presentación de este trabajo final de maestría es una prueba de ello. De una manera resumida, el modelo didáctico contempla los siguientes momentos por los cuales pasan los estudiantes bajo la guía del profesor:

en primer lugar se plantea una actividad o situación experimental como problema, luego se da un espacio para el análisis individual cuyo resultado debe ser la predicción de

cada estudiante respecto a lo que sucederá en la situación al ejecutarla,

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a continuación se da un tiempo de discusión en grupos de trabajo (3 o 4 estudiantes como máximo) donde ellos escuchen las posiciones de cada uno y logran llegar a un consenso,

más tarde un relator de cada grupo explica la predicción que acordaron, dando la oportunidad a todos los grupos de exponer, argumentar y contra argumentar las diferentes posiciones,

se realiza el trabajo experimental por parte de los estudiantes, en sesiones de laboratorio, o se muestran en sesión de experimentación demostrativa,

finalmente se mostrarán los resultados experimentales sometiéndolos a la discusión del curso completo, realizando sobre los resultados análisis (para entender ¿qué sucedió?), síntesis (¿cómo podemos entender lo que sucedió?) y extrapolación (¿dónde más podemos aplicar los resultados?).

Ahora puede verse la similitud, mencionada en la sección anterior, entre los momentos del modelo activo y las acciones de la aproximación al conocimiento científico natural de los estándares. Los talleres de ALOP han sido organizados por la UNESCO desde el 2003 en los países de África y América Latina mencionados. En Colombia, el Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia ha organizado dos encuentros: del 23 y el 27 de Junio de 2009 el primer ALOP y del 6 al 10 de Diciembre de 2010 el ALOP – SPN (ALOP Sedes de Presencia Nacional). El autor de este trabajo tuvo la oportunidad de participar en el segundo encuentro. En términos generales, la oportunidad de los talleres ALOP en la Universidad Nacional de Colombia fue una excelente coyuntura para desarrollar un proyecto de investigación educativa en la dirección de la aplicación del Aprendizaje Activo. Finalmente, bajo los dos contextos esbozados hasta aquí, uno en la dirección de la legislación educativa en Colombia y el otro en las propuestas didácticas del Aprendizaje Activo de los talleres de ALOP, surge la comunión de satisfacer las necesidades cognitivas del primero con las potencialidades de la implementación del segundo. Así las cosas, la enseñanza de los fenómenos de óptica geométrica a estudiantes de undécimo grado desde la perspectiva del Aprendizaje Activo, contiene experimentos sencillos y de bajo costo de los fenómenos de la óptica geométrica, que indagan al estudiante más allá de lo simplemente observable. En ellos los estudiantes tiene la oportunidad de predecir, argumentar, contra-argumentar, consensuar y donde también encuentra, a veces, resultados sorprendentes o apartados de sus preconcepciones y que lo obligan a replantear a partir de análisis, reflexión y extrapolación para ganar conocimientos significativos y científicos sobre la naturaleza y el comportamiento de la luz desde el modelo de los rayos. Las herramientas didácticas construidas, la metodología seguida y el propio proceso de investigación se describen en el siguiente capítulo.

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Capítulo 2. Aprendizaje Activo de la óptica en el Colegio Newman

En el campo de la educación los trabajos de investigación – acción tienen la finalidad de conocer que tanto aprenden los estudiantes de un tópico particular bajo la aplicación de una metodología definida. La manera de evaluar los resultados está fundamentada en el desarrollo de evaluaciones conceptuales que den cuenta de las dificultades o logros que tienen los estudiantes con los conocimientos más simples del tópico en cuestión, en dos momentos privilegiados: antes y después de la intervención de la metodología didáctica. Esta forma de investigar ha ganado varios adeptos principalmente en la enseñanza - aprendizaje de la física, hasta el punto de que existen varios Test para la evaluación de conceptos de la dinámica el Force Concept Inventory (FCI) y el Force and Motion Conceptual Evaluation (FMCE) (Hake 1998). En el caso de la óptica el proyecto ALOP ha desarrollado el test Evaluación Conceptual de Luz y Óptica (Light and Optics Conceptual Evaluation, LOCE). La prueba tiene en el manual de ALOP su última versión y ha sido altamente difundida y aplicada como para aceptar que muestra las dificultades conceptuales en el campo de la óptica casi para cualquier grupo de estudiantes de bachillerato o primeros semestres de formación universitaria. La manera como fueron diseñadas estas pruebas y la constante revisión que han tenido “permiten seguir los modelos mentales utilizados por los estudiantes, así como determinar el efecto de cambios curriculares en el aprendizaje estudiantil” (Manual de Entrenamiento de Aprendizaje Activo de Óptica y Fotónica pág.230). Uno de los elementos de la investigación – acción sugiere evaluar estas pruebas conceptuales en términos de la ganancia normalizada. Esta representa la fracción de mejoramiento posible que obtiene en promedio el grupo y su cálculo se hace en términos de los promedios del grupo cuando se aplica como Pre test y luego como Post test. El resultado de la ganancia se puede utilizar para evaluar qué están aprendiendo realmente los estudiantes, para reorientar la metodología de la instrucción o para la autoevaluación del profesor frente a su propia labor. La metodología definida para el trabajo de Aprendizaje Activo de la óptica geométrica en el Colegio Newman contiene elementos enmarcados en la investigación – acción. El objetivo general de la investigación - acción requirió llevar a cabo varias conductas como diseñar, aplicar y evaluar talleres bajo la perspectiva de ALOP, en el desarrollo de fenómenos de la óptica geométrica

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(reflexión, refracción y reflexión interna total) con estudiantes de once grado para lograr la comprensión de la naturaleza y el comportamiento de la luz desde el modelo de rayos. La población y ubicación donde se desarrolló la investigación corresponde a un grupo de 23 estudiantes de grado once de la Fundación Colegio Cardenal John Henry Newman (www.newmanschool.edu.co) ubicado en la vereda Río Grande, Predio el Candíl del municipio de Cajicá (Cundinamarca). Esta institución educativa de carácter privado, bilingüe y de calendario B, adscrita a la Unión de Colegios Bilingües (UCB), aportó todos los espacios académicos y materiales al autor para el desarrollo de la investigación.

2.1. Etapas de la implementación de ALOP

En el desarrollo del proyecto se contemplaron etapas definidas cada una por objetivos de estado, de manera que una vez conseguidos el de una etapa, dejaban el proceso de investigación en posibilidad de abordar la siguiente. A continuación se describen las etapas, los tiempos de ejecución y el estado de investigación que se logró en cada caso.

2.1.1. Etapa de Capacitación

Capacitación en las estrategias didácticas del Aprendizaje Activo de la Óptica y la Fotónica. Entre el 6 y el 10 de Diciembre de 2010, el autor participó en el ALOP –SPN, donde se tuvo la oportunidad de conocer, manejar y experimentar en el papel de estudiante el modelo del Aprendizaje Activo, siguiendo los talleres del Manual de Entrenamiento de Aprendizaje Activo de Óptica y Fotónica en su Edición Preliminar en Español editada por la UNESCO en el 2006.

2.1.2. Etapa de programación de actividades de Aprendizaje Activo

Definición de los temas y las actividades específicos de la óptica geométrica sobre los cuales se implementaron las herramientas de Aprendizaje Activo tomando como referencia el diseño que aparece en el Manual ALOP. Desarrollo de la etapa durante los meses de enero y febrero de 2011. Como resultado de esta etapa, la Tabla 2-1 indica:

En la primera columna, el nombre de la actividad, el número de referencia y la página en el Manual de Entrenamiento de ALOP, donde se encuentra un taller modelo. Las actividades no se desarrollaron siguiendo exactamente el Manual, este fue solo una referencia que garantiza la aplicación del modelo didáctico en sus principios fundamentales. Algunos cambios se dieron a partir de la existencia y posibilidad de contar con los materiales para su ejecución, la distribución de tiempos de clase y los logros de la planeación curricular de la asignatura en el colegio.

En la segunda columna, una aproximación a los objetivos de conocimiento que se planearon para lograr con las actividades. En estos objetivos de conocimiento se puede ver el carácter del modelo del Aprendizaje Activo: la experimentación, la observación, el análisis y la síntesis son conductas de construcción de conocimiento.

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En la tercera columna se describe, muy someramente, las etapas que se planean para el desarrollo de cada actividad.

En la cuarta columna se listan los materiales que son necesarios para las actividades, bien para cada grupo de trabajo o para la clase si es del tipo demostrativa. Como lo sugiere el modelo de aprendizaje activo, estos materiales son de bajo costo y fácil consecución.

En la última columna se señala si la actividad es experimental por grupos de trabajo (Taller de Aprendizaje Activo) o experimental demostrativa en clase comunitaria (Clase interactiva Demostrativa). Como se puede observar, se contemplaron cuatro Talleres de Aprendizaje Activo inicialmente programados para realizar en tiempos de 90 minutos cada uno y dos Clases Interactivas Demostrativas también de 90 minutos cada una.

Tabla 2-1: Programación de Actividades de Aprendizaje Activo y Materiales

Actividad Objetivo Etapas Materiales Observaciones

1-2 Rayos de luz

divergentes y paralelos (pág. 24)

Construir el concepto de rayo de luz

para fuentes de luz láser.

Predicciones sobre foco puntual y puntos. Construcción del

concepto de rayo de luz. Predicción de rayos

del láser. Demostración con

lámpara de haces paralelos.

Taller de aprendizaje activo 1: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones. Foco puntual de luz

intensa sobre cartón cartulina (LED blanco 3v) y 5 puntos señalados alrededor. Apuntador láser y

máquina de humo para ver trayectoria

Clase Interactiva

Demostrativa 90 min

3-1 Leyes de la reflexión

(pág. 29)

Observar y analizar el

fenómeno de la reflexión.

Construir los conceptos de

Rayo incidente,

rayo reflejado y Normal.

Encontrar

Predicciones sobre rayos que se reflejan en un espejo plano a partir de fuentes de luz láser. Construcción de los

conceptos de: rayo incidente, rayo reflejado, recta Normal, ángulo de incidencia y ángulo de reflexión. Medidas de ángulos

Taller de aprendizaje activo 2: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones. Apuntador Láser Recipiente

semicircular con espejo plano Transportador y

Taller de aprendizaje

activo. 90 min

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Actividad Objetivo Etapas Materiales Observaciones

Experimentalmente las leyes de la reflexión.

de incidencia y ángulos de reflexión (tabla de datos experimentales). Primera ley de la

reflexión. Predicción sobre

cambios de planos de incidencia. Segunda ley de la

reflexión.

regla Fuente de luz

soporte magnético haz de rayos paralelos Modelos didácticos

de espejo curvo cóncavo y convexo Tablero magnético y

soportes

3-2 Ley de Snell de la Refracción (Pág. 31)

Deducir experimentalmente la ley

de Snell.

Construir el concepto de

índice de refracción de una sustancia.

Predicciones sobre rayos transmitidos en el segundo medio con fuente láser. Predicción de la

relación entre los ángulos de incidencia y el ángulo de refracción. Medición de ángulos

de incidencia y refracción y cálculos de seno de estos ángulos. Construcción del

concepto de índice de refracción de una sustancia a partir de la gráfica de seno del ángulo de incidencia vs seno del ángulo de refracción. Preguntas sobre plano

de transmisión en la refracción. Conclusiones sobre las

leyes de la refracción.

Taller de aprendizaje activo 3: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones. Apuntador Láser Recipiente

semicircular con sustancia turbia (gelatina sin sabor) Transportador, regla

y calculadora Área coordenada

para gráfica Hojas blancas

Taller de

aprendizaje activo. 90 min

4-1 Refracción en un medio menos denso

(Reflexión Interna Total)

(Pág. 33)

Demostrar cuando se

obtiene una reflexión

interna total.

Construir el concepto de

Predicciones sobre rayos transmitidos en un segundo medio con menor índice de refracción usando fuente láser. Predicción de la

existencia de un

Taller de aprendizaje activo 4: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones.

Taller de aprendizaje

activo. 90 min

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Actividad Objetivo Etapas Materiales Observaciones

ángulo crítico. ángulo límite para la transmisión de un rayo en estas condiciones. Medición de ángulos

de incidencia y ángulos de refracción hasta el ángulo límite. Construcción del

concepto de ángulo límite para una sustancia. Aplicaciones a la

conducción de un rayo de luz (simulación de una fibra óptica con agua saliendo lateralmente de un botellón).

Apuntador Láser Recipiente

semicircular con sustancia turbia Transportador, regla

y calculadora Botellón con agua

de salida lateral y láser de alta intensidad (verde)

6-1 Una Imagen real

simple (Imágenes en lentes) (Pág.

39)

Demostrar cómo se

forma una imagen con

lentes.

Diferenciar lentes

convergentes y divergentes.

Construir los conceptos de imagen real y

virtual.

Construcción del concepto de puntos de un objeto como fuentes puntuales de luz. Ubicación de los

puntos extremos de un objeto como fuentes puntuales de luz. Predicción de la

transmisión de los rayos desde cada punto extremo del objeto y su transmisión después de la lente. Ubicación de la

imagen de cada punto extremo del objeto. Ubicación de las

imágenes de los dos puntos extremos con filtro en uno de ellos para diferenciarlos. Predicción de las

características de la

Taller de aprendizaje activo 5: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones 2 Fuentes puntuales

(LED de 10 mm) Fuente de luz

soporte magnético haz de rayos paralelos Tablero magnético y

soportes Peine Modelos de lentes

cilíndricas positivas y negativas (convergentes y divergentes) Filtro azul Papel oscuro cubre

lente Regla

Clase Interactiva

Demostrativa 90 min

13

Actividad Objetivo Etapas Materiales Observaciones

imagen al acercar o alejar el objeto de la fuente. Predicción de los

cambios sufridos por la imagen cuando se cubre parcialmente la lente. Ubicación del foco de

lentes convergentes y divergentes con haz de rayos paralelos.

Investigación 1 Lentes esféricas positivas:

Actividades 1-1, 1-2 y 1-3

(Pág.85)

Investigación 2 Lentes esféricas

negativas: Actividad 2-1

y 2-2 (Pág. 88)

Aprender a diferenciar el

efecto de lentes

positivas y negativas.

Diferenciar las características

de las imágenes

formadas por lentes

positivas y negativas.

Determinar los cambios

en las imágenes cuando se varían las distancias

entre objetos y lentes.

Predicciones cualitativas con lentes positivas sobre movilidad y enfoque. Ubicación de la

distancia focal de una lente positiva y formación de la imagen de un objeto más allá de la distancia focal. Predicción de la

imagen de un objeto colocado a una distancia menor que la distancia focal de una lente positiva. Predicciones

cualitativas con lentes negativas sobre movilidad y enfoque. Predicción de la

imagen de un objeto colocado a cualquier distancia de una lente negativa. Aplicaciones de las

lentes en defectos ópticos del ojo humano.

Taller de aprendizaje activo 6: formatos para predicciones individuales y grupales, resolución de preguntas y redacción de conclusiones Fuentes de luz

colimada o linternas comunes Diapositiva objeto

(transparencia con filmina) Juego de lentes

positivas (+4D, +6D y +8D) y negativas (-4D, -6D y -8D) Porta lentes y porta

objetos (bloques de icopor) Cinta métrica Pantalla en acrílico Mesa de trabajo

Taller de aprendizaje

activo. 90 min

14

2.1.3. Etapa de diseño de experiencias y consecución del material

Al final de esta etapa se tiene el diseño de experimentos sencillos, con material de bajo costo sobre los fenómenos ópticos y cuyos resultados no son tan obvios para los estudiantes. Inclusive pueden tener resultados contrarios a sus predicciones facilitando el inicio de procesos de pensamiento al nivel del análisis, la síntesis y la deducción. Los experimentos para cada actividad quedaron definidos en la Tabal 2-1 y en esencia corresponden a los sugeridos por el Manual de ALOP. En la siguiente etapa se detallan los montajes experimentales seguidos en cada taller de Aprendizaje Activo. Por ahora, es importante listarlos materiales se utilizaron durante las seis sesiones de Aprendizaje Activo programadas. Conforme al espíritu de apoyo de la UNESCO al proyecto de ALOP, los materiales tuvieron un costo aproximado de $ 600 000 m/cte. y son suficientes para seis grupos con cuatro estudiantes cada grupo. Se puede afirmar que aproximadamente con $ 100 000 m/cte. se montó un banco óptico suficiente para el trabajo de cada grupo en la óptica geométrica. La Figura 2-1 muestra una fotografía de los materiales conseguidos entre febrero y marzo de 2011 con el aporte monetario del Colegio Newman. Estos corresponden a:

Seis fuentes de luz blanca: LED blanco de 10 mm a 3 voltios con juego de pilas AAA y porta pilas

Seis apuntadores láser de baja potencia (1.0mW) y un apuntador láser de alta potencia (verde de 50 mW).

Seis linternas comunes pequeñas recargables Seis recipientes semicirculares transparentes llenos con gelatina sin sabor 12 cm de

diámetro 5 cm de altura Seis espejitos planos de 12 cm x 5 cm para sujetar a la parte plana de los recipientes

anteriores Un Juego de filtros (verde, azul y rojo) Un peine Seis porta objetos (marcos de diapositiva) Seis porta lentes de fabricación casera (en lámina de Icopor) Seis diapositivas con objeto dibujado (flecha) Seis juegos de lentes. Cada juego contiene 3 lentes positivas (+4D, +6D y +8D) y 3

negativas (-4D, -6D y -8D) Seis láminas de Cartón cartulina tamaño carta (21 cm x 28 cm) Seis láminas de acrílico blanco tamaño carta (21 cm x 28 cm), 3 mm de espesor Botellón con salida lateral de agua Seis transportadores y seis reglas

Para las Actividades de Clase Interactiva Demostrativa se usó siguiente material existente en el laboratorio de física del colegio (ver fotografía en la Figura 2-2):

Fuente de luz haz de rayos paralelos con soporte magnético Tablero magnético y soportes de sujeción Modelos magnéticos de espejos planos y curvos y de lentes esféricas positivas y negativas Seis cintas métricas

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Figura 2-1: Kit de óptica geométrica

Figura 2-2: Kit de óptica magnético

2.1.4. Etapa de diseño de herramientas didácticas

En esta etapa durante los meses de Marzo, Abril y Mayo de 2011, se diseñaron las herramientas didácticas para el trabajo individual y grupal bajo la perspectiva del Aprendizaje Activo en Óptica y Fotónica, aplicables a los experimentos mencionados en las etapas anteriores. Para cada actividad programada para el Aprendizaje Activo (Tabla 2-1) se diseñó y construyó secuencialmente tres tipos de elementos: en primer lugar, una presentación de diapositivas en Power Point con las indicaciones de actividad, predicción, experimentación, análisis, discusión y síntesis; en segundo lugar los formatos con indicaciones para el trabajo individual y grupal que utilizaron los estudiantes y que aquí en adelante se denominan Talleres de Aprendizaje Activo y en tercer y último lugar, la prueba conceptual de óptica geométrica que se aplicó como pre test y post test. En el Anexo A se incluyen las impresiones de las seis presentaciones bajo el modelo ALOP:

1. Introducción a la óptica geométrica 2. Leyes de la reflexión 3. Leyes de la refracción 4. Reflexión Interna Total 5. Formación de imágenes en lentes 6. Lentes esféricas Positivas y Negativas

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El Anexo B corresponde a los talleres de Aprendizaje Activo (numerados del 1 al 6) utilizados por los estudiantes en el trabajo para consignar sus predicciones, respuestas y conclusiones individuales y grupales. Como Anexo C se encuentra el Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) utilizado para la evaluación de la aplicación del modelo ALOP. En la elaboración de esta prueba se siguió la sugerencia del manual de usar parte de las preguntas de la prueba Evaluación conceptual de luz y óptica, (Light and Optics Conceptual Evaluation, LOCE) y se crearon otras preguntas siguiendo los parámetros que sugiere el manual sobre los enunciados y los distractores de las mismas.

2.1.5. Etapa de aplicación del modelo ALOP

Durante el mes de Mayo se aplicó el modelo ALOP a los estudiantes de grado once del colegio Newman, siguiendo este modo de proceder:

Aplicación de la prueba Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) como conducta de entrada o Pre Test, con la advertencia a los estudiantes, como lo sugiere en Manual de ALOP, de que no tiene carácter evaluativo para su record de notas. El Pre Test se aplicó en tres etapas, cada una al iniciar un conjunto de dos actividades de Aprendizaje Activo.

Aplicación del modelo ALOP en sesiones de 90 minutos para la mayoría de ellas. Dos de ellas requirieron una clase extra: la actividad tres Leyes de la Refracción y la cuatro Reflexión Interna Total.

Aplicación de la prueba Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) como conducta

final o Post Test. En esta ocasión la prueba se aplicó completamente en una sesión de 90 minutos. Los estudiantes conocieron con anticipación la programación y el carácter evaluativo de esta prueba aunque desconocían que se trataba del conjunto de los Pre Test presentados. El carácter de la prueba, su diseño y resultados merece un capítulo aparte en este trabajo.

2.2. Caracterización de las herramientas utilizadas para la implementación del modelo ALOP.

Actividad 1 - Introducción a la óptica geométrica: las actividades de Aprendizaje Activo programadas tenían, en su conjunto, el propósito de guiar al estudiante para que inicialmente comprendiera, que se puede estudiar la luz proveniente de una fuente puntual a partir de un modelo de rayos. El apuntador láser y su uso constituyeron la fuente de luz real comparable con la idea de rayo. Aunque ver rayos de luz láser dispersos por gases no es una situación ajena a los estudiantes, resultó agradable para ellos experimentarlo en el salón de clase para un fin académico. El diseño de esta primera actividad (ver Anexo A) obedece a este interés.

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Actividad 2 - Leyes de la reflexión: El uso del modelo de rayos para estudiar la interacción entre la luz y los objetos que la desvía marcó el diseño de la segunda actividad. En esta actividad se utilizó la medición como conducta decisoria para establecer relaciones de carácter cuantitativo (Figura 2-3 las fotografías ilustran los tipos de medición y su mecanismo). Por un lado, medir ángulos de incidencia y de reflexión con la precisión que da un rayo de luz láser fácilmente lleva a los estudiantes a establecer su igualdad. Por otro lado, para establecer la idea de planos de incidencia en el fenómeno de la reflexión se usa el hecho de medir en varios puntos la altura (respecto a la superficie de la mesa de trabajo) del rayo incidente y del rayo reflejado. La fotografía central y la de la derecha en la Figura 2-3 muestran como una simple regla semitransparente da cuenta de este hecho. Figura 2-3: Mediciones en la reflexión de un rayo láser

Actividad 3 - Leyes de la refracción: En el diseño de la tercera actividad de Aprendizaje Activo, se tuvo en cuenta dos elementos importantes: la observación detallada para establecer relaciones cualitativas (intensidad de los rayos) y la medición para establecer relaciones cuantitativas (ángulos y planos de incidencia). En esta actividad el primer objetivo es conducir al estudiante a la observación de las intensidades de los rayos incidente (proveniente del apuntador láser), refractado (transmitido a la gelatina del recipiente semicircular) y reflejado (devuelto al medio de incidencia). Se pretende que el estudiante observe que cuando un rayo de luz incide en una sustancia transparente, parte se refleja y parte se transmite. El segundo objetivo de la Actividad 3, es el de definir el índice de refracción de una sustancia a partir de la relación matemática entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción. La idea es llevar al estudiante a tomar conciencia de que estos ángulos no son iguales pero que existe una relación cuantitativa y que la medición, algunos cálculos y una gráfica permiten llegar a ella (véase la parte final de la Actividad 3 en el Anexo A). Como tercer objetivo de la Actividad 3, se establece la definición de planos de incidencia y transmisión y la equivalencia entre estos para el rayo incidente y el refractado. Para ello se utiliza la misma conducta de medir alturas de los rayos sobre la superficie de la mesa de trabajo, antes que entre el rayo a la gelatina y saliendo de ésta. La Figura 2-4 muestra fotografías con el montaje experimental de toda la actividad.

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Figura 2-4: Montaje experimental de la actividad de leyes de la refracción

Actividad 4 - Reflexión Interna Total: En la cuarta actividad (Anexo A) se pretende que los estudiantes comprendan la propiedad reversible de la refracción. Es decir que un rayo de luz pasa de la gelatina al aire por el mismo camino si pasa del aire a la gelatina, siempre y cuando coincidan las direcciones iniciales. A partir de esta situación se lleva al estudiante a caer en cuenta que existe un ángulo límite cuando un rayo de luz pasa de un medio de mayor a uno de menor índice de refracción. La observación de las intensidades de los rayos antes de alcanzar el ángulo límite y después de alcanzarlo, lo llevaran a la definición de la Reflexión Interna Total. La Figura 2-5 muestra fotografías del montaje experimental para esta actividad. Figura 2-5: Montaje experimental de la actividad Reflexión Interna Total

Actividad 5 - Formación de imágenes en lentes: (ver Anexo A) se pretende llevar al estudiante a entender el mecanismo de la formación de imágenes reales por la refracción de rayos provenientes del objeto hacia la lente. La actividad se ordena para que el estudiante, primero, tome conciencia de que cada punto del objeto es una fuente de rayos en todas las direcciones, segundo, que la porción de rayos que incide en la lente se refractan según la ley de Snell y, tercero, los rayos que emergen de la lente provenientes de un punto coinciden también en un punto para formar su imagen. Este recorrido se planeo colocando lamparitas en los puntos extremos de un objeto (cabeza y pie) y mediante un filtro (azul) diferenciando la procedencia de cada porción de rayos. En la práctica las lamparitas fueron sustituidas por sendas fuentes de luz

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dentro de tarros para su fácil manipulación. La Figura 2-6 muestra diferentes momentos del montaje experimental. Figura 2-6: Montaje experimental de la actividad de formación de imágenes en lentes

En el diseño de la Actividad 5, se usa un peine para recordarle al estudiante que la luz proveniente de un punto del objeto es un infinito número de rayos que se refractan cada uno de ellos siguiendo la ley de Snell (primera fotografía de la Figura 2-6). El acercar o alejar el objeto a la lente y ver su efecto se logra marcando cada punto donde se forma la imagen con una X o X’ (segunda fotografía de la Figura 2-6). Así el estudiante inicia las relaciones que existen entre distancia del objeto y la imagen a la lente y las relaciones entre los tamaños del objeto y su correspondientes imagen (altura de la flecha y distancia entre X y X’ respectivamente en la actividad). Actividad 6 - Lentes esféricas Positivas y Negativas: Para esta actividad (Anexo A) se montó un banco óptico muy sencillo, compuesto por: una fuente de luz (linterna), una transparencia objeto (filmina en marco de diapositiva), una pantalla (lámina de acrílico blanco), seis lentes (tres positivas, tres negativas) y una cinta métrica (Figura 2-7). Figura 2-7: Banco óptico para actividad de lentes esféricas positivas y negativas

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En la Actividad 6, lo primero que se busca es familiarizar a los estudiantes con el hecho de que hay dos tipos de lentes según el comportamiento que tienen con los rayos (convergentes o positivas y divergentes y negativas). Para ello se les pide que observen con unas y otras a puntos cercanos o lejanos, moviéndolas de un lado a otro o haciéndolas girar sobre sus ejes. Luego, con el banco óptico de material de bajo costo se lleva al estudiante a relacionar el poder de convergencia de una lente (Potencia medida en Dioptrías) con su distancia focal (medida en metros) de manera que comparando los resultados de dos de ellas (+ 6D y +8D) pueda predecir lo que sucede con una de +4D. En este caso el estudiante mide distancias del objeto y la imagen a la lente, mide tamaños del objeto y la imagen (figura en la transparencia y en la pantalla respectivamente) y caracteriza la imagen en términos de mayor o menor que el objeto y derecha o invertida respecto a su orientación. Al final de la Actividad 6 se le pide al estudiante que intente hacer lo mismo cambiando la lente convergente por una divergente, de manera que se encuentre con la sorpresa de que no logra “ubicar la imagen”. Esta situación genera la discusión alrededor de ¿dónde o por qué no se forma imagen o por qué no se puede ver en pantalla? Aquí la intervención de profesor acerca de las imágenes formadas por lentes divergentes es importante para clarificar los conceptos de imagen real y virtual.

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Capítulo 3. Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG)

Como se mencionó en la sección 2.1.4, todas las actividades de Aprendizaje Activo tienen como marco de evaluación la aplicación de una prueba conceptual antes y después de su ejecución. La prueba denominada Test Conceptual de Óptica Geométrica (TCOG) aparece en el Anexo C. Para el diseño de la prueba se atendió a la sugerencia del Manual de ALOP de utilizar parte de la prueba estandarizada que aparece al final del mismo. La prueba aquí utilizada consta de 35 preguntas de carácter conceptual. 21 de la preguntas fueron tomadas de LOCE y 14 son nuevas preguntas. La prueba se aplicó como Pre Test (conducta de entrada a las actividades) en tres etapas. Cada vez antes de dos actividades. Esto se hizo con el objeto de no generar estrés en los estudiantes frente a la prueba. Las dosis cortas de pocas preguntas repartidas en todo el tiempo de implementación del modelo, permitió que los estudiantes respondieran a ellas con sus modelos mentales iniciales o preconcepciones. La Tabla 3-1 indica la repartición de preguntas en cada aplicación del Pre Test y las actividades que fueron antecedidas en cada caso. Tabla 3-1: Distribución de preguntas de TCOG

Actividades Preguntas de LOCE

Preguntas nuevas

Total

1. Introducción a la óptica geométrica 2. Leyes de la reflexión

7 5 12

3. Leyes de la refracción 4. Reflexión Interna Total

5 4 9

5. Formación de imágenes en lentes 6. Lentes esféricas Positivas y Negativas

9 5 14

La distribución de estas preguntas se debe al contenido de las preguntas. Es decir las primeras doce preguntas hacen referencia a dos hechos, la propagación de la luz en línea recta y el uso del modelo de rayos para la explicación de la reflexión y formación de imágenes en espejos planos. Las siguientes nueve preguntas (13 a 21) hacen referencia a los fenómenos de refracción y reflexión interna total y a su aplicación en situaciones cotidianas como los espejismos y la descomposición de la luz. Las últimas catorce preguntas (22 a 35) tienen que ver con las

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propiedades de las lentes positivas y negativas, su relación con la formación de imágenes y su uso en la corrección de defectos ópticos. Las catorce preguntas nuevas se diseñaron teniendo en cuenta las recomendaciones del Manual de ALOP. Es decir, de manera que indagaran conceptualmente a los estudiantes sobre una situación específica de la óptica geométrica, que tuvieran distractores que expresaran los modelos mentales desde donde es posible que los estudiantes respondieran. Algunas de las nuevas preguntas de TCOG merecen una explicación más amplia. La pregunta 3, pretende indagar al estudiante sobre su comprensión entre fuentes de luz puntual y fuente de luz láser, implicando el riesgo que tiene el manejo del láser.

Pregunta 3: En una caja opaca se deposita una fuente de luz roja muy intensa y luego se abre un pequeño agujero por donde se observa que sale una luz. Para saber si se trata de una lámpara o de un apuntador láser la mejor opción es:

A. Espolvorear talco y si se observa el rayo entonces, la fuente es un apuntador láser. B. Espolvorear talco y si se observa el rayo entonces, la fuente es una Lámpara. C. Agitar la caja y si se sigue observando la luz, la fuente es una lámpara. D. Agitar la caja y si se sigue observando la luz, la fuente es un apuntador láser. E. Mirar directamente a través del agujero para ver la fuente de luz

Evidentemente las opciones D y E permiten evaluar la fuente de luz dentro de la caja, pero como la pregunta se hace en el sentido de cuál es la mejor opción, eso determina que hay que descartar la que incluya riesgos para el observador. El objetivo de esta pregunta era el de crear un ambiente de cuidado con el manejo de fuentes de luz láser, pues en varias actividades este elemento sería indispensable. En casi todas las presentaciones (Anexo A) aparece en las diapositivas la advertencia. Las preguntas 11 y 12 tienen un mismo origen cotidiano: es muy posible que alguna vez cada persona que haya tenido en su mano un espejo plano a la luz del día, juegue recogiendo y dirigiendo los rayos del sol a su antojo (pág. 4 de TCOG). Allí hay dos situaciones; el caso estático, ¿cómo logro apuntar a cierto lugar? y el caso dinámico ¿qué sucede con los rayos reflejados cuando giro el espejo? Para responder a estas preguntas en el Pre Test, el estudiante tiene que responder con cierto grado de lógica y sensibilidad, pero con la comprensión de la Reflexión puede hacerlo con exactitud en el Post Test. En la pregunta 21 un rayo de luz atraviesa una lámina de caras paralelas. Esta situación no representa para el estudiante un problema de simetría. Simplemente el ángulo de emergencia 3 puede ser mayor igual o menor que el ángulo de ingreso 1.

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Pregunta 21. Un rayo de luz incide sobre una cara de un bloque

de vidrio con un ángulo 1 respecto a la normal. Atraviesa el

vidrio y sale por la cara opuesta con un ángulo 3. La relación entre estos ángulos cuando las caras son paralelas es:

A. 1<3

B. 1>3

C. 1=3 D. Depende del espesor de la lámina

Sin embargo, la solución a la pregunta una vez se conoce las leyes de la refracción y se ha entendido su propiedad de reversibilidad es inmediata. Las preguntas 32 y 33 hacen referencia a los defectos ópticos de la miopía y la hipermetropía y a la corrección de ellas con lentes positivas y negativas. Es evidente que estos defectos del ojo son situaciones corrientes en la vida de los estudiantes o de alguien cercano a ellos. Probablemente nunca se han preguntado cómo hacen los lentes que le formula el optómetra para corregir el defecto y cuál es ese elemento dentro de la formula que diferencia un defecto del otro. La idea de estas preguntas es crear esa relación para ser clarificada con las actividades donde se estudian las propiedades convergentes y divergentes de las lentes. Se espera que cuando el estudiante comprenda el comportamiento de las lentes positivas y negativas y entienda el defecto óptico de la miopía y la hipermetropía (Figura 3-1), establezca la relación correcta de la corrección. Figura 3-1: Defectos del ojo

En la mayoría de las situaciones se considera que el poder convergente de una lente permanece constante mientras conserve su forma y dimensiones. Pero es claro que esto está marcado por las características ópticas de dos medios: el del material del que está hecha la lente y el medio que la rodea. Lo usual es que el segundo medio es el aire. Pero cuando este es diferente, la relación entre los índices de refracciones cambia y la distancia focal de la lente se altera. La ecuación del fabricante de lentes permite predecir lo que sucede en la pregunta 53:

Pregunta 35. Se mide la distancia focal de una lente convergente de vidrio en dos situaciones diferentes: al aire (rodeada de aire) y luego sumergida en agua (rodeada de agua). La distancia focal es:

A. mayor al aire que sumergida en agua.

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B. menor al aire que sumergida en agua. C. igual al aire que sumergida en agua. D. La lente en el agua no converge rayos paralelos

En el desarrollo de la actividad 6. Lentes Esféricas Positivas y Negativas es importante que se haga referencia a la ecuación del fabricante de lentes para relacionar el poder convergente de una lente, su diseño geométrico y los índices de refracción del material de la lente y el medio que la rodea. Los resultados de la aplicación de la prueba TCOG, se muestra, discuten y analizan en el siguiente capítulo.

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Capítulo 4. Productos y Resultados

En este trabajo los resultados y los productos son dos tipos de elementos diferentes. Los productos se entienden como todos aquellos bienes materiales o intangibles que ahora forman parte del inventario material o académico del profesor o del colegio como fruto del proceso de investigación. Por otro lado, se entienden los resultados como el conjunto de datos y la interpretación de los mismos como fruto de la intervención didáctica.

4.1. Productos

Es evidente que la planeación, programación y ejecución del proyecto dejan como productos una serie de bienes que en principio se incorporan al currículo del Colegio Newman y a través de este trabajo final de maestría se incorporan al dominio público de la comunidad educativa. El material experimental utilizado durante el proyecto, si bien es sencillo y de bajo costo, tiene la capacidad de brindar experiencias significativas en el estudio de la óptica geométrica. Este proyecto ha permitido comprobar que se pueden lograr altas metas cognitivas con sencillos montajes experimentales. Claro, también depende ello que se acompañe con un modelo didáctico que aproveche las potencialidades del material. Parte importante de los productos, aunque su valor no es material, corresponde al conjunto de herramientas didácticas diseñadas para aplicar el modelo ALOP. Es decir, las seis actividades en presentación de diapositivas, los talleres de Aprendizaje Activo del estudiante donde se recoge su accionar y todas las recomendaciones sobre su uso. Claro este material es susceptible de mejorar año tras año o por cualquier interesado en el tema. La prueba TCOG es un bien más, producto de la investigación. Pero en particular las preguntas nuevas que se incorporan a la comunidad educativa para su juzgamiento. Algo más importante que todo lo anterior, lo constituye la capacitación en la didáctica del Aprendizaje Activo que gana el autor, como producto de un trabajo continuado en la comprensión de sus principios y elementos. Desde la experiencia en el papel de estudiante que sigue las actividades del modelo ALOP, hasta la experiencia de docente que programa y dirige actividades para un grupo de escolares. Esto cumple con uno de los objetivos de la UNESCO y de este proyecto.

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4.2. Primeros Resultados

Un resultado importante de este trabajo, aunque subjetivo, es la percepción de los estudiantes sobre el “nuevo” modelo didáctico con el que se desarrolló la clase de Física en el tópico de la óptica geométrica. Con este propósito se programó una sesión en la que ellos pudieran expresar su sentir. Se preparó para esa ocasión tres preguntas que tenían el ánimo de orientar el dialogo más que el de encontrar una respuesta unánime y rigurosa. A continuación se transcriben las preguntas y una redacción sobre las respuestas más significativas y/o frecuentes.

¿Qué impresión dejó en ustedes esta forma diferente de desarrollar la clase de física? “…es interesante porque es mejor ver las cosas que imaginarlas…” “… es bueno que cuando uno hace una predicción puede ver inmediatamente si resulta o no…” “…el método es más didáctico, alegre y activo…” “…hace falta la clase corriente para desarrollar talleres de problemas con ecuaciones…” “…se debe complementar con los talleres…” “…algunas cosas que se preguntan son muy obvias…” “…las hojas de predicciones y respuestas muestran el resultado de las predicciones…”

¿Qué criterios le merecen estas cuatro actividades: Pre Test, Clases Demostrativas, Talleres experimentales por grupos, Post Test? “…sería bueno corregir el pre test y hacer un post test diferente…” “…sobre las dos formas de clase (demostrativa y por grupos), ambas son necesarias…” “…si hay relación entre los temas de las actividades y las preguntas del test…”

¿Qué recomendaría para mejorar las actividades?

“…No decir que el pre test no es evaluable porque se pierde interés…” “…actividades más rápidas, a veces son muy lentas y uno se distrae fácilmente…” “…hacerlas actividades más complejas, que exijan más…”

Sin el ánimo de juzgar la percepción de los estudiantes sobre la didáctica, algunos resultados importantes surgen del dialogo planteado.

Es notorio que varios estudiantes calificaran el modelo de clase con la palabra activo. Evidentemente, el Aprendizaje Activo tiene una significación para el estudiante, por encima de lo epistemológico, que tiene que ver directamente con su conducta en clase. En ese sentido, se logró involucrar la acción como un elemento de aprendizaje.

La mayoría de los estudiantes destacaron el poder del método de predecir e inmediatamente corroborar sus predicciones. Abandonar el campo de las conjeturas sin

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solución o prueba no les resulta (a los estudiantes) atractivo en la construcción de los conocimientos.

Para algunos estudiantes hizo falta la clase “tradicional”, expositiva probablemente o aquella en que se resuelven problemas y se usan ecuaciones. Esta resistencia al cambio puede interpretarse como obvia, pues es difícil mostrar en seis sesiones de clase diferente, las ventajas que tiene un modelo nuevo frente a varios años de práctica con un modelo tradicional.

Con diferentes palabras y en diferentes momentos, los estudiantes expresaron que alguna parte de las actividades resultaban simples o lentas u obvias. No es una característica del modelo, pero si puede ser un extremo en el que se puede caer si el diseño de las herramientas de trabajo no responden a un conocimiento claro de los principios de la didáctica. El modelo se basa en el Aprendizaje Activo y no en el Activismo. A partir de estas reflexiones pedagógicas, queda para el profesor la tarea de rediseñar de acuerdo a la experiencia.

Que los estudiantes vean una relación directa y clara entre los conceptos trabajados en clase y aquellos por los que se indaga en el test, es un resultado afortunado. Es decir, que a criterio de los estudiantes, la evaluación no resultó ser una conducta final ajena al proceso que se siguió en la clase. A menudo, los estudiantes no ven relación entre el desarrollo de las clases que dictan sus profesores y las preguntas con las que los evalúan, principalmente en las ciencias exactas y naturales. La preparación de la evaluación debe ser pieza fundamental en cualquier modelo didáctico porque en principio ellos (los modelos) no vienen con aquella (evaluación). En esta ocasión ALOP ofrece, además de su test los criterios para elaborar pruebas.

4.3. Las concepciones de los estudiantes

En el desarrollo de las actividades los estudiantes tuvieron la oportunidad de expresar por escrito o de forma oral sus predicciones sobre las actividades experimentales propuestas o sus respuestas a las preguntas contenidas en los talleres. Así mismo, redactaron las conclusiones a las que, en conjunto, llegaron después de cada discusión. Puede afirmarse que de esta se manera quedaron explícitos los modelos mentales desde donde los estudiantes construyen, individual o colectivamente, sus explicaciones o concepciones. La presentación de estos resultados puede ser interpretada como la caracterización de una determinada población: los estudiantes de grado once del Colegio Newman. Pero también pueden ser vistos en su sentido más general, como la evidencia de ciertos esquemas de pensamiento presentes y cultivados a través de una historia educativa común. En este último sentido se describen y analizan a continuación las afirmaciones más generalizadas y significativas de los estudiantes en cada una de las Actividades de Aprendizaje Activo.

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Actividad 1. La mayor parte de los grupos expresaron gráficamente la forma como la luz proveniente de una fuente puntual alcanza diferentes puntos a su alrededor, mediante una onda de frente esférico con centro en la fuente. Sin embargo a la hora de describir la trayectoria que sigue la luz desde la fuente a cada punto utilizan la expresión “en línea recta”. En este caso hay una mezcla entre dos modelos, por un lado la idea de que la luz se comporta como una onda (similar al sonido en su forma) y por otro lado la idea primaria del modelo de rayo. La clave para que los estudiantes construyeran este paralelo (luz - sonido) la encontraron en la disminución de la intensidad respecto a la distancia de la fuente en ambos sentidos. Evidentemente el modelo de la luz como una onda no es el apropiado cuando se van a estudiar los fenómenos de la reflexión en espejos y la refracción en lentes, pero es más “cómoda” para los estudiantes cuando quieren explicar los efectos de disminución de la intensidad con la distancia. Este es el esquema mental que la primera actividad quiso poner de relieve y clarificar antes de entrar de lleno a la óptica geométrica. El modelo de rayos imperó a partir del trabajo con el apuntador láser y las explicaciones ondulatorias definitivamente desaparecieron en el resto de las actividades. Actividad 2. Por los resultados del taller que corresponde a esta actividad, la ley de la reflexión que hace referencia a la igualdad entre el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión, tiene entre los estudiantes un amplio conocimiento y dominio. Es decir, para todos resulta muy evidente esta situación aunque de entrada no se defina con respecto a quien se miden estos ángulos. Hubo en un par de ocasiones la referencia al rebote que tiene una pelota contra una pared, como el argumento por analogía. Parece que el esquema de la reflexión de un rayo de luz le es familiar al estudiante y en sus palabras “obvio”. El argumento con el que explicaron las diferencias entre el ángulo de incidencia y el de reflexión en las mediciones que se hicieron, apuntaron al espesor o grosor del rayo láser. Incluso algunos grupos expresaron que el “margen de error” (diferencia entre las medidas) estaba dentro del esperado (grosor del rayo). Esto constituye un criterio con aproximación científica aceptable para estudiantes del bachillerato. La determinación del plano de incidencia a partir de medir las alturas de rayo de luz sobre la mesa en varios puntos de su trayectoria, fue una actividad que rápidamente asimilaron los estudiantes. Esta representación del plano de incidencia resultó para los estudiantes como una construcción concreta a pesar de que el plano, en sí mismo, es una idea abstracta. Actividad 3. En el montaje experimental de esta actividad, los estudiantes tienen la posibilidad de observar la reflexión y la refracción de la luz cuando incide desde el aire a un medio transparente. Fue claro para ellos que la intensidad del rayo incidente se repartía entre el rayo reflejado y el transmitido. Es un problema de “repartición de la energía”, la intensidad del rayo reflejado + intensidad del rayo transmitido = intensidad del rayo incidente. La universalidad que tiene en la escuela el enunciado de la conservación de la energía, ha ganado en los esquemas mentales de los estudiantes un lugar preponderante que les permite explicar toda situación donde se manifieste algún tipo de equilibrio cuantitativo. Este caso no fue la excepción. Actividad 4. Cuando se les pidió a los estudiantes que hicieran incidir un rayo de luz que saliendo de la gelatina se transmitiera al aire, no fue para ellos simple predecir la existencia de un ángulo límite. Siempre se manifestó la persistencia de la relación entre los ángulos: a mayor ángulo de

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incidencia mayor ángulo de transmisión. Es posible que aquí se manifieste la creencia de los estudiantes acerca de la persistencia de las relaciones cuantitativas en las leyes. No siempre comprenden o se les enseña que ciertas leyes tienen límites de aplicación. Por eso no es fácil que puedan predecir en una situación específica como esta. Actividad 5. Como en la actividad 3 en la que los estudiantes no lograron predecir una situación límite (la del ángulo crítico), tampoco en esta actividad pudieron establecer que a medida que las fuentes de luz se acercan a la lente semicilíndrica, hay un punto en que los rayos se transmiten paralelos y no se forma la imagen del punto del que provienen. Nuevamente los casos límite de un comportamiento dado, representan un obstáculo en la predicción de los estudiantes. Es dado en los estudiantes que cambien palabras por representaciones gráficas cuando tienen que explicar algo. Esto se debe a que en el uso de las explicaciones escritas u orales en la física no les son frecuentes. Usualmente sus respuestas son numéricas o cálculos o gráficas, la explicación es importante pero no usual en la clase. El Aprendizaje Activo involucra a estudiantes y profesores en una conversación que tiene tintes científicos de la que no están acostumbrados los primeros. Actividad 6. Cuando se mira a través de una lente, la imagen se forma en el ojo del observador, de modo que la distancia imagen es la distancia entre la lente y el objeto, no entre la lente y el objeto observado. Esta confusión, simple aparentemente, genera discrepancias entre los argumentos de los estudiantes cuando se discute relaciones entre distancia objeto y distancia imagen. Hasta que no es claro cuál distancia es cual, no se encuentran puntos comunes. En esta actividad surge este inconveniente. En general, si se discute puntos de vista desde diferentes sistemas de referencia, es muy posible que no se obtengan acuerdos, aún en el caso de que en el fondo se piense de la misma forma. Clarificar los conceptos en toda discusión se hace necesario para asegurarse que se están utilizando en el mismo sentido. Como para dar un ejemplo más de esta dificultad, en esta misma actividad hubo necesidad de aclarar la frase “capacidad de convergencia” cuando se relacionó con la potencia de una lente positiva. Si se entiende “capacidad de convergencia” en el sentido en que esta es mayor cuanto más cerca (y no más lejos) hace converger los rayos paralelos. El hecho de que no se pueda recoger imagen en pantalla cuando se utiliza una lente negativa, es explicado por los estudiantes como una consecuencia de la divergencia. Hasta ahí pareciera que el modelo mental es correcto, pero si se les pide que amplíen esta afirmación, la explicación no es tan correcta: algo así como que las imágenes que se convergen (no los rayos) son las que se forman en la pantalla y las imágenes que se divergen (no los rayos) no se pueden recoger en la pantalla. Aquí hay un problema de asignarle el comportamiento de convergencia o divergencia a quien no lo tiene: la imagen. Según esto, en palabras de los estudiantes la imagen que se diverge, se forma pero no se puede recoger en pantalla (?).

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4.4. Resultados de la Prueba TCOG

Para la mejor comprensión del análisis expuesto en esta sección conviene remitirse constantemente al Anexo C donde se transcribe toda la prueba TCOG y al Anexo D donde se muestran los resultados por estudiante. En la Figura 4-1 se muestra una gráfica con la frecuencia de aciertos que el grupo de 23

estudiantes alcanzó en cada una de las 35 preguntas en el Pre Test (barras azules) y en Post Test

(barras rojas). La posición 36 corresponde al promedio en cada prueba.

Figura 4-1: Frecuencia de aciertos por pregunta en TCOG

En 22 de las 35 preguntas el número de aciertos aumento en el Post Test respecto al Pre Test. A simple vista podría afirmarse que el efecto de las actividades de Aprendizaje Activo mejoró los conceptos que tienen los estudiantes sobre la óptica geométrica. Sin embargo, los promedios de aciertos incluidos en la posición 36 de la Figura 4-1 muestran que esta mejoría es en realidad pequeña. Algunas preguntas son de destacar: bien sea por sus bajos o altos resultados o bajos o altos cambios. Por ejemplo las preguntas 4, 5, 18, 28 y 29 obtuvieron muy pocos aciertos o incluso ninguno. La pregunta 5 indaga por la formación de una imagen virtual en un espejo plano y a pesar de que los estudiantes estén familiarizados con esta situación, no logran comprender dónde se forma la

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imagen (detrás o sobre el espejo). Para ellos es “normal” que las imágenes se formen en la superficie de los objetos que reflejan la luz. La mayoría respondió con las opciones que dan cuenta de este esquema mental. En la pregunta 18 (formación de espejismos) a pesar de incluir una explicación adicional de la relación entre las capas de aire caliente y en índice de refracción, no logró aciertos la comprensión de los estudiantes (ni en el Pre Test ni en el Post Test). La opción más seleccionada fue exactamente la de enunciado contrario a la opción cierta. Definitivamente con las actividades no caló en los estudiantes el hecho experimental de que cubrir una parte de lente cuando se recoge una imagen con él, solo afecta la intensidad de la imagen. En las preguntas 28 y 29 se plantea esta situación y en la mayoría de los casos los estudiantes se fueron por la opción de que se forma parte de la imagen o definitivamente no se forma. Las preguntas 2, 3, 8, 9, 12 y 16 obtuvieron menos aciertos en el Post Test que en el Pre Test. Aunque en ambas pruebas los aciertos son pocos y las diferencias son de apenas uno o dos aciertos. Puede interpretarse esto como que las deficiencias conceptuales sobre las que refieren estas preguntas, se mantuvieron a pesar de las actividades desarrolladas. En la pregunta tres, en la que se indaga por el tipo de fuente de luz encerrada en una caja, los estudiantes se fueron por la opción que afirma que el polvo o humo esparcido permite distinguir el tipo de fuente de luz. La actividad en clase en la que se observó el rayo de láser con la máquina de humo, no solo sorprendió a los estudiantes sino que generó un modelo conceptual equivocado: solo los rayos de láser se ven con polvo o humo. Frente a la pregunta nueve, en la que un objeto se separa de un espejo plano y se pregunta qué sucede con el tamaño de la imagen, la mayor parte de los estudiantes consideran (Pre y Post Test) que el tamaño de la imagen se reduce. Es usual entre los estudiantes pensar que frente a un espejo si se alejan su imagen se hace más pequeña. Esta forma de pensar persistió y seguramente fue la que utilizaron para responder a la pregunta. Las preguntas 6, 26, 27, 32 y 33 obtuvieron un incremento significativo en el número de aciertos. Son los casos en que los modelos conceptuales de los estudiantes se movieron hacia los conceptos científicos. En la pregunta 26 se pregunta por la imagen que forma una lente convergente cuando se cambia el tamaño de la lente (26) o se mueve la pantalla (27). Las respuestas acertadas de los estudiantes muestran dos cosas: que entienden que el tamaño de una lente siempre que conserve su potencia no afecta la imagen (pregunta 26) y que la formación de una imagen nítida se logra en un sitio específico dadas las condiciones de distancia entre objeto y lente (pregunta 27). Las preguntas 32 y 33 hacen referencia al tipo de lente que corrigen la miopía y la hipermetropía. Parece ser que la actividad 6 de Aprendizaje Activo permitió que los estudiantes comprendieran este mecanismo de corrección visual. Probablemente la cercanía en el tiempo entre la actividad y la aplicación del Post Test o la referencia directa del tema a los defectos visuales particulares ayudaron a la formación del esquema mental.

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Un análisis más juicioso sobre los modelos mentales de los estudiantes podría hacerse a partir del Post Test, pero la literatura especializada que describe los métodos estadísticos utiliza patrones que no caracterizan este caso (Bao y Redish 2001). Al inicio del Capítulo 2 se anunció que el criterio más general para evaluar los resultados de la prueba TCOG es con la ganancia normalizada. Con los promedios de las respuestas correctas en el Pre Test y el Post Test (ver Anexo D) se calcula la ganancia normalizada mediante la Ecuación 1:

g = %Prom Post Test − % Prom Pre Test

100 − %Prom Pre Test

Que con los valores obtenidos arroja una ganancia normalizada de:

g = 35,8 − 27,1

100 − 27,1 = 0,12

La ganancia normalizada permite comparar el logro del modelo didáctico entre varias poblaciones, independientemente del estado inicial de la población afectada. Hake (1988) propone una categorización por zonas de ganancia normalizada que se muestra en la Tabla 4-1. Tabla 4-1: Categorización de ganancias normalizadas

Categoría Ganancia

Baja g ≤ 0,3

Media 0,3 < g < 0,7

Alta g ≥ 0,7

Esta tabla ubica la experiencia en la categoría baja, es decir permite afirmar que el modelo didáctico aplicado no representó un cambio conceptual en los estudiantes más allá de donde podría lograrse con las clases tradicionales expositivas de la óptica geométrica. Esta situación conlleva dos formas de mirar el resultado:

Primero, como que efectivamente el modelo del aprendizaje activo para la enseñanza de la óptica geométrica, no tuvo en esta experiencia el resultado esperado.

Segundo, que el diseño de la prueba excedió en exigencias la ganancia conceptual esperada en las clases del modelo de aprendizaje activo.

Tercero, una combinación de las dos razones anteriores. La manifestación clara por parte de los estudiantes de que algunas actividades eran algo redundantes y no les ofrecía retos significativos, apoya la primera razón. Los resultados propios del Post Test, apoyan la segunda razón. Finalmente el contexto de los estudiantes en el que se aplicó el modelo didáctico y el Post Test, no es el más conveniente. Durante la finalización del año escolar, los estudiantes de grado once tienen una serie de actividades extracurriculares que interfiere notablemente con el desarrollo normal de sus procesos académico. Actividades como excursión, prom y presentación a universidades son propias del nivel socio económico del Colegio Newman y en esta ocasión estuvieron programadas en medio de la implementación del modelo.

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Capítulo 5. Conclusiones y Perspectivas La enseñanza de los fenómenos de la óptica geométrica (modelo de rayos de la luz) no

está contemplada de manera diferencial dentro del marco legislativo de educación en el país. Las Competencias y Estándares que el MEN y el ICFES determinan, propenden más por un estudio desde el modelo ondulatorio desconociendo la posibilidad y facilidad del modelo geométrico.

Existe concordancia entre las Competencias que establece la legislación educativa del país y los resultados conceptuales y actitudinales que persigue el modelo del Aprendizaje Activo. Esta concordancia se da en los niveles de acercamiento, aplicación y construcción colectiva del conocimiento científico.

Cuando un profesor de física se involucra en el conocimiento, manejo e implementación del Aprendizaje Activo de Óptica y Fotónica (ALOP), el modelo didáctico le ofrece una perspectiva pedagógica aplicable a otros tópicos de la enseñanza de la física. El Aprendizaje Activo tiene una base epistemológica que hace significativo el proceso enseñanza – aprendizaje en cualquier tema, de manera que una vez conocido sus principios pedagógicos, se convierte en una herramienta de trabajo posible de extender a todo el quehacer docente.

Para aplicar el modelo ALOP, el profesor de física debe programar, planear y diseñar las herramientas didácticas de manera que en ellas se conjuguen los requerimientos conceptuales de la óptica con los principios didácticos del modelo. Si esto no se logra, se obtiene una mala implementación de un buen modelo de enseñanza. A menudo, en la labor docente buenas ideas se echan a perder por deficientes prácticas docentes.

El principio austero que subyace la experimentación en el modelo ALOP, implica para el profesor de física retos en dos sentidos: por un lado, cómo lograr la máxima versatilidad y potencialidad experimental con materiales sencillos y de bajo costo y, por otro lado, cómo contextualizar el trabajo experimental con estos materiales de forma que se convierta en un aprendizaje significativo. En esto radica el afán de la UNESCO de apoyar el proyecto ALOP en los países en desarrollo, porque así se promueve la creatividad y el ingenio.

En el modelo tradicional de enseñanza de la física, el profesor expone la ciencia, mientras que el estudiante, en actitud pasiva, recibe y repite la instrucción para formar los

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conceptos y la estructura de la ciencia. En el modelo Activo, el estudiante se involucra en la construcción del propio conocimiento a partir de la experiencia que le da la cotidianidad y mediado por los planteamientos que le propone el profesor.

El rol del profesor que trabaja en el Aprendizaje Activo de la física, es el de un diseñador y administrador de experiencias del aula de clases que tengan estas características: guían al estudiante en la autoconstrucción del conocimiento, involucran los modelos iniciales de pensamiento, producen cambios en la estructura conceptual de la ciencia y facilita las interacciones sociales.

El modelo ALOP de la enseñanza de la óptica requiere la perfecta articulación de todos los elementos didácticos: montaje de significativos experimentos con material de sencillo de bajo costo y adquisición, diseño de actividades de clase donde se construya colectiva y conceptualmente la teoría desde las pre concepciones y el análisis de resultados y, finalmente, una herramienta de evaluación que mida objetivamente el estado inicial y el estado final de los modelos de pensamiento de los estudiantes.

El contexto y la extensión donde se aplique un modelo de Aprendizaje Activo determinan la calidad y efectividad de los resultados que se obtengan a nivel de cambios conceptuales en los estudiantes. Grupos de trabajo comprometidos en los procesos del aula de clase y una extensa secuencia de actividades que profundice en los conceptos son necesarios para dar cuenta de cambios significativos.

El trabajo de investigación en el aula de clase es una oportunidad para que el profesor conozca los modelos de pensamiento desde donde aprenden sus estudiantes, reoriente el proceso de enseñanza – aprendizaje de su asignatura, evalúe con herramientas concretas los objetivos alcanzados en la instrucción.

La implementación del modelo ALOP en el Colegio Newman dejó como resultados una serie de herramientas didácticas susceptibles de mejoramiento en dos aspectos: adecuación de las actividades hacia una mayor profundización conceptual y extensión del número de actividades involucrando más fenómenos de la óptica y su aplicación.

La evaluación del modelo ALOP implementado en el Colegio Newman arrojó resultados tanto positivos como negativos. Por un lado se ganó en la motivación y reconocimiento de los estudiantes hacia una forma diferente de afrontar el proceso de enseñanza – aprendizaje y se logró, para el profesor, el reconocimiento de los cambios conceptuales o la persistencia de modelos mentales sobre fenómenos de la óptica geométrica. Por otro lado, el resultado de la prueba visto desde la estrategia de Hake (ganancia normalizada) dejó la experiencia en una categoría baja de efecto pedagógico.

La investigación en el aula de clase es una estrategia de cualificación del profesor que lo pone en situación de reflexión pedagógica, lo invita a la exploración de nuevas formas de enseñar la ciencia y lo acerca al sentir de sus estudiantes desde su práctica docente.

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