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• Jesús Rojas

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LA UTILIZACIÓN DE FISICA INTERACTIVA PARA LA ENSEÑANZA DEL CONCEPTO CIENTÍFICO DE CALOR BARRERO, O. Heidy.1, ROJAS, B, Jesús.1, RUIZ, G. Oliverio .2 1. Estudiantes de Licenciatura de Matemáticas y Física, III semestre, Uniamazonia, Caquetá. 2. Profesor Catedrático, Problema de Calor y Temperatura. Uniamazonia RESUMEN Se muestra un estudio descriptivo sobre errores conceptuales que alumnos del grado décimo de una institución educativa tienen sobre los conceptos de calor, energía interna y temperatura. Los cuales se obtienen de la aplicación de un examen de diagnóstico y se clasifican de acuerdo con las investigaciones y bibliografía encontrada. A partir de los resultados, se propone una estrategia didáctica con simulaciones interactivas y videos para la superación de tales errores conceptuales. Palabras clave: Calor, energía interna, temperatura, error conceptual, enseñanza de la física, aprendizaje

ABSTRACT It displays a descriptive study of conceptual errors that tenth graders at a school have on the concepts of heat, internal energy and temperature. Which are derived from the application of a diagnostic test and are classified according to the research and literature found. From the results, we propose a teaching strategy with interactive simulations and videos to overcome such misconceptions.

Keywords: heat, internal energy, temperature, conceptual error, physics teaching, learning I.

INTRODUCCIÓN

La aparición de las TIC o NTI (Nuevas Tecnologías de la Información) ha propiciado un cambio social a gran escala. Cambio que conduce hacia una notable diversificación de las herramientas utilizables por el maestro para desempeñar su labor (Bartolomé 1989), y cambio que implica una necesaria y profunda modificación curricular orientada al desarrollo de habilidades que faciliten al alumno la adaptación a un mundo altamente tecnologizado. En investigaciones realizadas sobre las Tecnologías y la educación, se han puesto de manifiesto cuatro tipos de problemas que afectan al profesorado en esta situación de cambio (Marco y Linn 1989): El primero de estos problemas surge cuando el

profesor desconoce la herramienta que la tecnología pone a su disposición. El segundo problema surge de la fuerte resistencia al cambio por parte del profesorado. El tercer problema se refiere a la integración de la nueva tecnología en las actividades escolares. El cuarto problema se debe a la falta de nuevos métodos de valoración del aprendizaje adecuados a las modificaciones que las nuevas tecnologías introducen en el proceso de aprendizaje. Al presente, existe excesiva confusión con respecto a los conceptos científicos sobre la física del calor, especialmente en el ámbito del lenguaje formal. Las personas suelen decir frases como las siguientes ¡Qué caliente que está el agua!, ¡Hoy hace mucho calor, hay más de 30 grados!, cerremos la ventana que entra frío, el calor hizo que la puerta de hierro se hinchara, El calor de la estufa subió a las habitaciones de

la parte superior de la casa, etc. Si bien forman parte de un lenguaje cotidiano, estas expresiones tienen poca precisión científica, y es necesario aproximarse a una definición de los conceptos físicos que permita interpretar y diferenciar el significado de cada término que se utiliza desde el lenguaje científico.

“entra frio”¿será que estaremos facilitando la comprensión o dificultándola aún más?

Desde el punto de vista científico, el concepto de calor es central para la Física y más para la Termodinámica y ha sufrido cambios en su significado en el desarrollo de esta disciplina. Fue considerado una sustancia durante el siglo XVIII, una onda (en el marco de la teoría ondulatoria del calor, entre 1820 y 1830) y una forma de energía (interpretado de esta manera por Clausius y Joule hacia mediados del siglo XIX).

Es por ello que el propósito de este artículo es dilucidar en forma breve pero muy clara los significados de calor, energía interna y temperatura desde el punto de vista de la Física, y aplicar una estrategia didáctica desde el modelo constructivista, para lograr un cambio conceptual.

Pero a partir de unas investigaciones a partir de la década de los 60 hasta la década de los 80, el calor es considerado como una forma (o proceso) de transferencia de energía.

El objetivo que pretendemos es conseguir la integración de las NTI (en este caso el vídeo, animaciones interactivas) en la práctica de un problema de aula para que los alumnos interrelacionen e integren distintas fuentes de información y métodos de trabajo.

Pero en Colombia, todavía se enseña con las ideas científicas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras décadas del siglo XIX, bajo la teoría del calórico. Es decir en nuestros Lineamientos Curriculares de Ciencias Naturales para la educación colombiana, dice que entre los grados séptimos, octavo y noveno, se debe enseñar el concepto de calor como “forma de energía”. Entonces si la idea de calor como proceso, y no como energía. Pero lo difícil es definir calor como proceso de transferencia de energía y no como algo almacenado en un reservorio. Lo almacenado es la energía interna. Pero ahora el asunto es si existen dificultades para que los alumnos del grado décimo, distingan calor de la temperatura y para que asimilen en punto de conservación de la energía, ¿se facilitaran o se complicaran las cosas al introducir la energía interna. No debemos olvidar que, a ese nivel no podemos hablar de funciones de estado ni de otros conceptos similares en el ámbito de la Termodinámica. Por lo tanto es incorrecto que un cuerpo “pierde calor”. Lo que pierde es energía interna, a partir de un proceso de transferencia que llamamos calor. Pero quien no dice estas palabras como

Pero si ya hace más de treinta años que se cambio el concepto de calor que no es una forma de energía, ¿Por qué continuamos utilizando este término?

Lograr una solución para estos problemas seguramente no va a ser una tarea fácil.

Uno de los aspectos que intentamos investigar fue la aportación del vídeo y animaciones interactivas en el proceso de enseñanza-aprendizaje en lo que respecta a: a) La mejora del lenguaje científico utilizado por los alumnos. Inconscientemente el profesor en su práctica docente diaria puede estar utilizando un lenguaje científico que adolezca de la precisión necesaria. b) La adquisición de conceptos científicos. Como dicen Viennot (1985) y Driver (1986), los estudiantes están ya en posesión de sus propios esquemas conceptuales al respecto, elaborados en un intento de explicación racional de sus experiencias cotidianas previas, y son muy reacios al cambio conceptual. ¿Puede ayudar el vídeo y las animaciones interactivas a que los alumnos modifiquen estos conceptos espontáneos hacia sus correspondientes conceptos científicos?

II. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN Este trabajo ha sido llevado a cabo con alumnos

del grado décimo 1 de la Institución Educativa Normal Superior. El centro está bien situado en la ciudad de Florencia-Caquetá y los 38 alumnos del aula en la que se llevó a cabo este trabajo proceden de un nivel social medio. Los temas en los que se utilizaron los vídeos y las animaciones estaban relacionados con el calor, energía interna y la temperatura. En concreto:

III.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos, para la aplicación del primer test, fueron:

Figura 1 Respuestas antes de la práctica didáctica

1) Diferencia precisa entre energía interna, calor y temperatura. 2) Cambios de estado y equilibrio térmico.

Hemos elegido estos temas con objeto de estudiar el apoyo que podían prestar las animaciones interactivas y los vídeos para el aprendizaje de conceptos complejos y frecuentemente mal entendidos. De hecho, en la década de los años setenta se plantearon discusiones en torno a la conveniencia o no de introducir conceptos de termodinámica en los currículos de enseñanza primaria y secundaria. En el estudio realizado por Cervantes (1987) encontraremos una revisión bibliográfica sobre los mismos. Para el análisis de la comprensión de los temas por parte de los alumnos, se elaboró un test de 15 preguntas de formulación cerrada (anexo 1). El material bibliográfico en el que nos basamos para la confección de este test se recoge en las referencias bibliográficas que cierran el artículo. El proceso seguido para la realización de la experiencia llevada a cabo ha sido el siguiente: Instituto Normal Superior 1. Aplicación del test. 2. Proyección de las animaciones interactivas y vídeo en el aula. 3. Explicación teórica por parte de nosotros. 4. Prueba final elaborada con preguntas diferentes a las del test, pero haciendo hincapié en los mismos conceptos. 5. Nueva aplicación del test.

Haciendo un análisis de las tendencias presentadas por los estudiantes después del desarrollo de las pruebas. Por supuesto, uno se da cuenta que el concepto que tuvo uno de los mayores crecimientos, es el que se refiere al concepto de calor. Se cree que esto se debe al hecho de que este concepto ha sido explorado en muchos textos, ejercicios y los experimentos. En relación con la energía interna y la temperatura , no se logró un buen resultado. Esto sugiere que hubo errores en las actividades, ya que dio menos importancia a estos conceptos. Al analizar las respuestas de los estudiantes, se constató que las ideas como el pensamiento de que la temperatura se transfiere de un cuerpo a otro y no consideran la temperatura como el número que se utiliza para traducir el estado de "caliente" o "frío" un cuerpo, aún queda después de la instrucción. Estas concepciones, junto con la complejidad de entender lo que significa la energía, fueron las principales dificultades encontradas.

Figura 2 Respuestas después la práctica didáctica

cuanto al léxico utilizado y a la interpretación del concepto. En las preguntas de aplicación del método científico a los hechos de la vida cotidiana es donde existe mayor dificultad de aprendizaje. Las preguntas relacionadas con los conceptos de energía térmica, calor y temperatura, que están muy bien expuestas y visualizadas en las animaciones, tienen unas mejoras considerables. Sin embargo, en conceptos y hechos experimentales como el mantenimiento de la temperatura en los cambios físicos, que también está muy bien expresado en la práctica, no se han dado los resultados esperados.

Figura 3 Comparación de respuestas

Asimismo se analizaron las preguntas correctas antes y después de la aplicación basada en cambio conceptual, para los ítems agrupados en la categoría de calor. En el pretest el 38% de las preguntas fueron correctas mientras que en la postest el porcentaje aumentó hasta un 55 %. En contraste a la otra categoría temperatura, se puede observar que en esta categoría calor sí hubo un mejoramiento en el cambio de las ideas previas sobre calor. Por ejemplo, en el siguiente ítem referente a las idea previa sobre calor: ¿ Si trato de imaginarme cuándo o dónde estaría presente el calor, pienso: a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo posee calor; b) Solamente en aquellos cuerpos que están calientes; c) En cuerpos de diferentes temperatura pero en contacto; d) Todas las proposiciones anteriores.

IV. ANALISIS DE LOS RESULTADOS En la figura 3 vemos una comparación de las respuestas en lo que respecta a un mejoramiento de las contestaciones o a un empeoramiento a pesar de haber insistido en los conceptos, realizando la práctica, es de observar que esta práctica por motivos de tiempo, se hizo en el lapso de una hora, algo que consideramos que es muy poco tiempo, para realizar esta práctica. Un análisis detallado nos indica que en general el aumento más espectacular está en las preguntas de concepto: los alumnos mejoran mucho en

En la preprueba un 36% de estudiantes seleccionaron la respuesta correcta (c), y este porcentaje aumentó al 88% en la postprueba. Este aumento indica un cambio en la preconcepción sobre calor en algunos estudiantes; mientras que para el resto la idea errónea del concepto sobre calor persiste, lo cual es una de las características de las ideas previas, la persistencia de la misma. Es de hacer notar que la proposición (a) es la idea previa con mayor selección por parte de los estudiantes, lo cual indica la asociación de calor con caliente, como una cualidad y no como un proceso. Asimismo, se efectuó un análisis estadístico

descriptivo para comparar la variación en las respuestas correctas entre los ítems de la pre y postprueba. Se observa que hay diferencia en el porcentaje de respuestas correctas con un aumento para la postprueba, pero con bajo porcentaje de diferencia del 17 % lo que indica que el tratamiento con la estrategia basada en el cambio conceptual tuvo influencia en la transformación de algunas ideas previas en el grupo. Sin embargo, la baja diferencia entre los porcentajes de la preprueba (38%) y postprueba (55 %) indica que algunas de las ideas previas persisten acorde con lo reportado en la literatura.

diferente temperatura por el cual estos pueden variar su Energía interna (Fernández Uría, 1986). De acuerdo con esta justificación, la Estrategia Didáctica se desarrolla en seis actividades: I. II. III. IV. V.

V. ESTRATEGIA DIDACTICA Este diseño tuvo como base una estrategia didáctica basada en cambio conceptual, , partiendo que los alumnos lleguen a elaborar unas concepciones sobre Calor, energía interna y Temperatura más acordes con las ideas científicas. Esta estrategia se desarrolla a través de siete momentos o actividades que corresponden al aprendizaje constructivista.

VI. VII. VI.

CONCLUSIONES

En conclusión a nuestro estudio sobre los errores conceptuales, se desprende que:  

El desarrollo conceptual de esta práctica responde a las siguientes ideas básicas: 







Iniciar el tema con el concepto de equilibrio térmico dada la dificultad que presenta para los alumnos de este nivel (Tiberghien, 1985), introduciendo la temperatura como una magnitud experimental. Aplicar el principio de Conservación de la Energía a un sistema aislado para establecer el concepto de Energía interna como una magnitud de tipo microscópico de la cual solo pueden observarse sus variaciones a través de las variaciones de temperatura. Este punto sirve de enlace con las Unidades anteriores. Establecer la diferenciación entre Temperatura y Energía interna a partir del estudio de los cambios de estado, procesos en los que se suministra Energía al sistema y no se observa variación de su temperatura. Diferenciar los conceptos científicos de Calor y Energía interna mediante la introducción del Calor como un proceso de transferencia de Energía entre dos sistemas a

Distinguir entre calor y temperatura Equilibrio térmico Energía interna. ¿Qué variables influyen en la variación de la Energía interna? ¿Siempre que varía la Energía interna varía la Temperatura? ¿A qué se llama Calor en Física? Ampliación del estudio con unas evaluaciones interactivas.

 

el calor generalmente es asociado a una fuente o un estado el alumno utiliza ya sea el término calor o temperatura para designar “caliente”el vocablo calor tiene, para los alumnos un sentido restrictivo; designa la temperatura de algo caliente los alumnos establecen una escala de temperatura en función de sus sensaciones

Pero para ellos la temperatura contiene también una noción de cantidad de calor o de frio, la temperatura les indica la cantidad de frío o de calor que contiene un objeto. Aunque no utilicen siempre la palabra “cantidad”, es, no obstante, la idea expresada. Resumiendo, la temperatura designa para los educandos un estado pero también encierra una idea de cantidad. En un entorno educativo en el que el acento se pone en el proceso de aprendizaje, en la adquisición de competencias que transformen al estudiante en personas preparadas en su faceta personal, social y profesional, las nuevas tecnologías de la información y la comunicación

(TIC) van ganando terreno a los métodos tradicionales de enseñanza. Creemos que las animaciones interactivas pueden constituir una estrategia de aprendizaje importante y muy útil en física, que enseñe a los alumnos a aprender a aprender, a construir de forma autónoma y colaborativa las estructuras mentales que les lleven a avanzar en el proceso de aprendizaje. El papel del profesor en este caso debe comenzar por diseñar (o seleccionar) las animaciones o simulaciones adecuados en cada momento, ayudar a que se formen grupos de trabajo, responder de forma precisa e inmediata a las dudas que se planteen y, por último, estudiar en cada momento los resultados obtenidos al emplear esta estrategia con el fin de actuar sobre el proceso en el futuro.

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VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Conceptual.

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ANEXO I

El siguiente cuestionario tiene fines exclusivamente estadísticos; no influirá en tu calificación. Contéstalo de manera anónima y por ti mismo. Los resultados serán de utilidad para mejorar los procesos educativos en la Institución, por lo que es importante tu colaboración. Gracias. 1. a. b. c.

Si trato de imaginarme cuándo o dónde estaría presente el calor, pienso: En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo posee calor; Solamente en aquellos cuerpos que están «calientes»; En situaciones en las que siempre ocurre transferencia de energía de un cuerpo a otro.

2.

Según yo entiendo, el calor es:

a.

Energía en movimiento (o cinética) de las moléculas; Energía que se pone en juego sólo cuando hay una diferencia de temperatura; La energía contenida en un cuerpo.

b. c. 3.

En el interior de una habitación que no haya sido calentada o enfriada durante varios días:

a.

La temperatura de los objetos de metal es inferior a la de los objetos de madera; La temperatura de todos los objetos es la misma; Ningún objeto tiene la misma temperatura que otro.

b. c.

4.

El agua (a 0°C) que se forma cuando se funde un cubito de hielo (también a 0°C), contiene:

a. b. c.

Más energía que el hielo; Menos energía que el hielo; Igual cantidad de energía que el hielo

5.

Se coloca un cubito de hielo a 0oC en un recipiente con agua que también está a 0oC. Entonces:

a. b. c.

6.

El agua cede calor al hielo; Ni el agua ni el hielo tienen calor porque están a 0°C: Ninguno de los dos puede ceder calor al otro. Si pienso en dos bolitas (esferas) idénticas, una que está en un horno caliente y la otra que está en una nevera, ¿Qué diferencia

hay entre ellas si las saco al mismo tiempo del horno y de la nevera? a. b. c.

Contienen distinta cantidad de calor; Tienen distinta temperatura; Una esfera contiene calor y la otra no.

7.

Si coloco en un vaso con agua un cubito de hielo a 5OC y en otro vaso idéntico, con la misma cantidad de agua, tres cubitos de hielo a 5OC, ¿En qué situación el agua se enfría más?

a. b. c.

En el vaso donde se colocan tres cubitos; En el vaso donde se coloca un cubito; Se enfría igual en los dos vasos.

8.

Dos esferas del mismo material pero de diferentes masas quedan durante mucho tiempo en un mismo horno. Al sacarlas, se las pone inmediatamente en contacto. En ese caso:

a.

Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de menor masa; Pasa calor de la esfera de menor masa a la de mayor masa; Ninguna de las esferas cede calor a la otra.

b. c. 9.

Las mismas esferas anteriores se dejan ahora en una heladera durante mucho tiempo. Luego, igual que antes, se las saca y se las pone inmediatamente en contacto. En esta nueva situación:

a. b.

Ninguna de las esferas posee calor; Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de menor masa; Ninguna de las esferas puede ceder calor a la otra.

c.

10. Cuando una porción de agua que está hirviendo pasa al estado de vapor, cambia: a. b. c.

Su energía interna; El calor que contiene; Su temperatura.

11. Cuando se transporta calor desde una punta a la otra de una barra metálica, pienso que lo más correcto sería decir que: a. b. c.

El calor pasa a través de la barra, casi como si fuera un líquido; Se transporta energía por el movimiento desordenado de átomos o moléculas; La energía pasa a través pero no pasa nada con los átomos ni con las moléculas.

12. Según lo que yo pienso, la energía interna de un cuerpo tendría que ver con: a. b. c.

El calor que posee el cuerpo; La energía de sus átomos y moléculas; La masa que posee.

13. ¿Puede un objeto estar más caliente que otro si tienen la misma temperatura? a. No, porque la temperatura nos indica la cantidad de calor, entonces la misma temperatura significa misma cantidad de calor b. Sí, porque puede ser que uno tenga más masa que otro y por tanto más calor pero no más temperatura c. Sí, porque calor y temperatura son cosas diferentes

14. Para que se pueda hablar de calor. a. b. c.

Es suficiente un único sistema (cuerpo) Son necesarios, por lo menos, dos sistemas Es suficiente un único sistema, pero tiene que estar «caliente»

15. Para que se pueda admitir la existencia de calor debe haber: a. b. c.

Una diferencia de temperaturas Una diferencia de masas Una diferencia de energías.