Perales Palacios, F. Javier

Sierra, J. L.

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1ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005. NÚMERO EXTRA. VII CONGRESOLOS TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN EN EL AULA DE FÍSICACON SIMULADORES INFORMÁTICOS:INTERACTIVE PHYSICS VERSUS MOBILEPERALES1, F. J. y SIERRA2, J. L.1 Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Granada.2 IES Hiponova. Montefrío. Granada.Palabras clave: Tecnología de la información y comunicación; Simulación por ordenador; Aprendizaje exploratorio;Interactive Physics.OBJETIVOS• Diseñar distintos simuladores en el entorno de Interactive Physics.• Diseñar actividades de investigación adecuadas para el alumnado de bachillerato y para los simuladoresutilizados en el aula.• Fomentar el aprendizaje cooperativo entre los estudiantes.• Introducir a los estudiantes en la cultura científica actual que concibe la simulación por ordenador comouna herramienta fundamental para la investigación y la experimentación.MARCO TEÓRICOUno de los objetivos clave en la enseñanza de la Física es establecer una relación entre los objetos, even-tos y fenómenos del mundo real y las teorías y modelos que permiten su interpretación al estudiante. Estosmundos remiten a esquematizaciones próximas pero diferentes: el mundo de los modelos y de los signoscon el mundo real de los objetos y eventos (Beaufils, 2000). En este contexto, la simulación por ordenadorpuede facilitar la conexión entre la realidad y los modelos explicativos, ya que incorpora procedimientosde cálculo numérico y de representación gráfica para reproducir algún aspecto de un fenómeno o disposi-tivo, analizado a la luz de un determinado modelo físico.Algunas de las ventajas destacables de la simulación por ordenador como recurso didáctico son las siguien-tes (Sierra, 2000):• Permite reproducir fenómenos naturales difícilmente observables de manera directa en la realidad, pormotivos diversos: peligrosidad, escala de tiempo, escala espacial  o carestía del montaje.• El alumno pone a prueba sus ideas previas acerca del fenómeno simulado mediante la emisión de hipó-tesis propias, lo cual redunda en una mayor autonomía del proceso de aprendizaje.• El alumno comprende mejor el modelo físico utilizado para explicar el fenómeno, al observar y compro-bar interactivamente la realidad que representa.• La simulación posibilita extraer una parte de la física que subyace en una determinada experiencia, sim-plificando su estudio, lo que facilita la comprensión del fenómeno.• El alumno puede modificar los distintos parámetros y condiciones iniciales que aparecen en el modelo2 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005. NÚMERO EXTRA. VII CONGRESOfísico del simulador, lo que ayuda a formular sus propias conclusiones a partir de distintas situaciones.• La simulación evita al alumno los cálculos numéricos complejos, lo que le permite concentrarse en losaspectos más conceptuales del problema.• La simulación ofrece al alumno una amplia variedad de datos relevantes, que facilita la verificación cua-litativa y cuantitativa de las leyes científicas.• Los problemas físicos con un trasfondo matemático complejo pueden ser tratados, haciéndolos asequi-bles al estudiante (sistemas no lineales, caos,..)Por otra parte, la simulación permite al alumno la adquisición de diversos contenidos (Sierra y Perales,1999):• Contenidos conceptuales, relacionados con fenómenos naturales físicamente inaccesibles, peligrosos, com-plejos, que necesitan montajes experimentales caros, que tienen lugar en intervalos espaciales y tempo-rales inusuales, etc.• Contenidos procedimentales: elaboración de conjeturas que pueden ser contrastadas; deducción de pre-dicciones a partir de experiencias, datos, etc; emisión de hipótesis a partir de una teoría; construcción derelaciones de dependencia entre las variables; realización de un proceso de control y de exclusión devariables; elaboración de una estrategia para la resolución de un problema; registro cualitativo y cuanti-tativo de datos; interpretación de observaciones, datos, medidas, etc; formulación de relaciones cualitati-vas; manipulación de modelos analógicos.• Contenidos actitudinales: reconocimiento de la influencia de los modelos en la elaboración del conoci-miento científico; reconocimiento del carácter provisional y perfectible de los modelos.La teoría constructivista del aprendizaje concibe al alumno como un agente activo en la adquisición deconocimiento. El modelo didáctico de aprendizaje por descubrimiento guiado asume esta premisa. Lainformación no es ofrecida a los alumnos de manera expositiva, sino que un entorno abierto de aprendiza-je promueve que sean los alumnos por sí mismos quienes construyan su propio conocimiento, mediante laindagación, la resolución de problemas, los razonamientos hipotético-deductivo e inductivo, etc.Njoo y de Jong (1991) consideran el aprendizaje exploratorio importante, ya que los contenidos conceptualespueden ser aprendidos mejor y con más profundidad, a la vez que se aprenden contenidos procedimentales.La simulación por ordenador se adapta adecuadamente a una estrategia de aprendizaje exploratorio, yaque oculta un modelo que debe descubrir el alumno.Además, la simulación sitúa al estudiante en un mundointermedio entre lo concreto y lo abstracto, que le ayuda a progresar de la fase concreta de su desarrollo ala fase formal (Valente y Neto, 1992).Sin embargo, los estudios sobre aprendizaje exploratorio con simulaciones por ordenador no arrojan éxi-tos concluyentes (Rivers y Vockell, 1987; Ronen, Langley y Ganiel, 1991; Gorsky y Finegold, 1992; Geban,Askar y Ozkan, 1992; Lewis, Stern y Linn, 1993; Jimoyiannis y Komis, 2001).Njoo y de Jong (1993) identifican dos razones para justificar la relativa ineficacia del simulador como recur-so didáctico: en primer lugar, los procesos implicados en el aprendizaje exploratorio son difíciles para losestudiantes, y por otra parte, éstos no son tan activos como asumimos y por tanto, aun teniendo las destre-zas necesarias, los alumnos no suelen aplicarlas.Desde otra perspectiva, Rezaei y Katz (2002) analizan la insuficiente eficacia didáctica de la simulación porordenador enfocando la atención sobre la calidad del software utilizado en el aula. Estos autores conside-ran que de entre los numerosos programas de simulación existentes en el mercado, tan sólo unos pocos sefundamentan en las teorías validadas sobre el aprendizaje y en la didáctica de las ciencias experimentales.Esta circunstancia puede ser superada si el simulador incorpora determinadas medidas instructivas:• Implementación de modelos de complejidad creciente (White, 1998).3ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005. NÚMERO EXTRA. VII CONGRESO• Prohibición a los alumnos de introducir ciertos valores a algunas variables.• Riqueza conceptual de los fenómenos simulados y variedad de los métodos de investigación demandadosal alumno.• Estímulo a los alumnos para llevar a cabo acciones exploratorias, lo cual está estrechamente vinculado ala complejidad del simulador.• Orientación en el modo de actuar del alumno, permitiéndole un margen de libertad adecuado que favo-rezca el desarrollo de un razonamiento divergente.• Sistemas de ayuda asociados al simulador sobre distintos aspectos (conceptos implicados en el problemapropuesto, utilización del programa y estrategias puestas en juego) encaminados a evitar que el alumnocon insuficiente conocimiento de la materia actúe de modo arbitrario y sin planificación.• Equilibrio entre medidas obligatorias (de cumplimiento obligado por los alumnos) y medidas no obliga-torias (los alumnos tienen el control sobre el uso de las medidas instruccionales).DESARROLLO DEL TEMADurante el curso académico 2001-02 se lleva a cabo una experiencia innovadora en el I.E.S. Abdera deAdra (Almería) consistente en la realización de pequeños trabajos de investigación sobre mecánica new-toniana por estudiantes de bachillerato con ayuda de distintos simuladores desarrollados en el entornocomercial Interactive Physics (2000). La actuación en el aula diseñada inicialmente como una innovacióneducativa, evolucionó hacia una investigación sobre la imagen dinámica en la enseñanza de la física(Perales, Sierra y Vílchez, 2002).El programa Interactive Physics constituye un micromundo que simula el movimiento de objetos someti-dos a las leyes de la mecánica newtoniana. El usuario define las características ambientales del micromun-do (gravedad, rozamiento, campos de fuerza, etc.) así como el número y las propiedades de los objetos(posición y velocidad iniciales, masa, tamaño, densidad, carga eléctrica, etc). Estos objetos pueden ser dediversa naturaleza: cuerpo de forma circular, rectangular o irregular; muelle; hilo; amortiguador; motor; sis-tema de poleas, etc.El usuario puede visualizar gráfica o numéricamente los valores de las propiedades de los objetos, así comomodificarlos mediante los correspondientes elementos de control.Los distintos programas de simulación creados requieren ser ejecutados en el entorno de InteractivePhysics. La simulación puede ser detenida en cualquier momento, avanzar o retroceder en el tiempo pasoa paso e incluso, ser llevada a un instante determinado. Sin embargo, estos simuladores presentan el incon-veniente, desde una perspectiva didáctica, de que no registran la actividad del alumno ni pueden ofrecerleayuda sensible al contexto para la investigación.Los fenómenos simulados en el entorno Interactive Physics son: el movimiento vertical de cuerpos, el movi-miento en un plano inclinado, el péndulo simple, los movimientos horizontal y parabólico, así como la com-posición de movimientos.El estudiante puede modificar las variables ambientales de gravedad y rozamiento con el aire, así comodiversas variables de los cuerpos como: la masa, la velocidad inicial, la elasticidad, la longitud, el coeficien-te de rozamiento estático y cinético, etc.El simulador visualiza las gráficas en tiempo real de distintas magnitudes del móvil frente al tiempo, como:la posición, la velocidad, la aceleración, la energía cinética y la potencial gravitatoria.Con objeto de evaluar el aprendizaje adquirido por los 25 estudiantes de primer curso de bachillerato par-ticipantes en la experiencia, se seleccionan las siguientes variables:4 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005. NÚMERO EXTRA. VII CONGRESO• Conocimiento conceptual: obtenido a partir del cuestionario sobre conceptos de mecánica newtonianadiseñado por Sierra (2003).• Actitud hacia la ciencia: obtenida a partir de un test de escala tipo Likert elaborado y validado porPenichet y Mato (1999).• Conocimiento de informática: obtenido a partir de un test elaborado por Sierra (2003) para evaluar elnivel de conocimiento del alumnado sobre distintos programas informáticos.• Nivel de razonamiento lógico: obtenido a partir del test de razonamiento lógico elaborado y validado porAcevedo y Oliva (1995).• Rendimiento académico: obtenido de las calificaciones en la asignatura de Física y Química.Inicialmente los alumnos se familiarizan con los simuladores y cumplimentan los pre-tests sobre conceptosy actitudes científicas, así como los tests de conocimentos informáticos y de razonamiento lógico. El profe-sor distribuye un programa-guía de actividades de investigación específicas para cada simulador, que losestudiantes resuelven trabajando en parejas durante varias sesiones. Cada alumno elabora un informe decada investigación, registrando sus hipótesis y la estrategia experimental de contrastación antes de experi-mentar con el simulador.Al finalizar cada actividad, el alumno incluye las conclusiones y la solución del problema en el informe deinvestigación. Las últimas sesiones son dedicadas a cumplimentar los post-tests sobre conceptos y actitu-des.La realización de trabajos de investigación por los estudiantes con apoyo de simuladores por ordenadorcontinúa durante el siguiente curso académico en el mismo instituto. En esta ocasión el grupo experimen-tal está integrado por 19 alumnos de primer curso de bachillerato y el entorno de simulación es Mobile,desarrollado por Sierra (2003) para superar las limitaciones didácticas detectadas en Interactive Physics.El diseño experimental de esta segunda fase de la investigación educativa coincide con el aplicado en lafase inicial.CONCLUSIONESCuando los estudiantes se inician en la realización de trabajos de investigación y experimentan con el simu-lador tienden en ocasiones a modificar variables del fenómeno que no son relevantes para contrastar sushipótesis. Por tanto, los entornos informáticos de simulación más eficaces desde el punto de vista didácticoson los que implementan una diversidad suficiente de modelos físicos, con distinto nivel de complejidad,como sucede en el programa Mobile. Así, cada modelo físico implementado se asocia con una determina-da pantalla informativa para el estudiante, de manera que la secuencia de tareas propuestas requiere queel alumno experimente con distintos modelos de dificultad progresiva.La muestra estudiada permite afirmar que los estudiantes experimentando con el programa Mobile mejo-ran su conocimiento de los conceptos de mecánica newtoniana significativamente más que cuando traba-jan con el software comercial Interactive Physics.Por otra parte, algunos alumnos reconocen ser incapaces de explicar ciertas observaciones efectuadas en lapantalla del ordenador que refutan sus hipótesis iniciales acerca del fenómeno investigado. En estas situa-ciones, los simuladores didácticos más eficaces ofrecen al alumno distintos niveles de ayuda específica paracada trabajo de investigación que se aborde.5ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005. NÚMERO EXTRA. VII CONGRESOREFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASACEVEDO, J.A. y OLIVA, J.M. (1995). 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Los trabajos de investigación en el aula de Física con simuladores informáticos : Interactive Physics versus mobile

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