Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO MAESTRÍA EN DOCENCIA PARA LA EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Los conocimientos matemáticos de límites algebraicos para el Nivel Medio Superior T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRA EN DOCENCIA PARA LA EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR (MATEMÁTICAS) PRESENTA: Mat. Itzalá Rosa Mendoza Guevara DIRECTORA DE TESIS: M. en D. Giselle Ochoa Hofmann FACULTAD DE CIENCIAS CIUDAD UNIVERSITARIA, CDMX. AGOSTO, 2019 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. ÍNDICE DEDICATORIAS i AGRADECIMIENTOS ii LISTA DE FIGURAS iii LISTA DE TABLAS iv RESUMEN v ABSTRACT vi INTRODUCCIÓN 1 I.1 Justificación 3 I.2 Objetivos 4 I.2.1 Objetivo general 4 I 2.2 Objetivos Específicos 4 I.3 Preguntas de Investigación 5 CAPÍTULO 1. Problema de Investigación 6 1.1 Problemática de la Enseñanza del Cálculo 6 1.2 Problemática en el Aprendizaje del Cálculo 8 1.2.1 Problemática en el tema de límites finitos 8 1.3 Problemática de la Educación Matemática en el Nivel Medio Superior 13 1.3.1 Panorama internacional 13 1.3.2 Panorama nacional 20 CAPÍTULO 2. Marco de la Secuencia Didáctica 24 2.1 Importancia de la Enseñanza del Cálculo 24 2.2 Importancia de los Límites en Cálculo 27 2.2.1 Desarrollo de habilidades matemáticas 29 2.2.2 Desarrollo de procesos cognitivos 31 2.2.3 Importancia de la visualización matemática 35 2.3 La Concepción del Límite en el Bachillerato 39 2.4 Metodología de la Secuencia Didáctica 45 2.4.1 Enfoque constructivista cognitivo de la secuencia 46 2.4.2 Primera situación: representaciones semióticas y enseñanza directa 51 2.4.3 Segunda situación: Uso de tecnología y modelo inductivo 55 2.4.4 Tercera situación: Recordatorio de procedimientos algebraicos previos 57 2.4.5 Cuarta situación: Enseñanza lúdica 59 CAPÍTULO 3. Planeación e Implementación de la Secuencia Didáctica 63 3.1 Población 63 3.2 Diseño y Planeación de la Secuencia 64 3.3 Implementación de la Secuencia 68 3.3.1 Examen diagnóstico 68 3.3.2 Primera situación: Concepto intuitivo de límite 70 3.3.3 Segunda situación: Propiedades de los límites 74 3.3.4 Tercera situación: Límites indeterminados 80 3.3.5 Cuarta situación Juego didáctico 90 3.3.6 Examen final 95 3.3.7 Encuesta de opinión 96 CAPÍTULO 4. Evaluación y Resultados de la Secuencia Didáctica 99 4.1 Evaluación de la Secuencia 99 4.2 Evaluación Diagnóstica 101 4.2.1 Resultados 102 4.3 Evaluación Formativa 103 4.3.1 Resultados 104 4.4 Evaluación Sumativa 108 4.4.1 Resultados 109 4.4.1.1 Examen de conocimientos previos (diagnóstico vs. final) 110 4.4.1.2 Examen de límites 113 4.5 Encuesta de Opinión 117 4.5.1 Resultados 118 CONCLUSIONES 123 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS A FUTURO 132 REFERENCIAS 133 ANEXOS 138 i DEDICATORIAS Para todos los que contribuyeron a la realización de este trabajo. ii AGRADECIMIENTOS A mi familia, por haberme apoyado durante todo este proyecto, y sobre todo por haberme soportado en mis días de mayor estrés. A mis compañeros, por haber compartido sus experiencias e ideas conmigo y por ser un gran apoyo en las incontables noches de desvelo semestre tras semestre. A mis maestros, por sus enseñanzas y consejos que me brindaron las herramientas necesarias para mejorar mi labor docente. A mi tutora, por siempre haber estado detrás de mí para guiarme a lo largo de todo el camino. Porque sin su ayuda seguramente no habría terminado este trabajo. Muchas gracias a todos. iii LISTA DE FIGURAS Imagen 2.1. Representación gráfica del límite de la función 54 Imagen 2.2. Ejemplo de gráfica realizada en GeoGebra 56 Imagen 2.3. Tablero del juego didáctico 60 Imagen 3.1. Implementación del examen diagnóstico 69 Imagen 3.2. Implementación de la primera situación 71 Imagen 3.3. Implementación de la segunda situación 76 Imagen 3.4. Implementación de la tercera situación 82 Imagen 3.5. Tablero del juego didáctico 91 Imagen 3.6. Tarjetas del juego didáctico 92 Imagen 3.7. Implementación de la cuarta situación 93 Imagen 3.8. Implementación del examen final 97 Imagen 4.1. Formulario para el examen diagnóstico 102 Gráfica 4.1. Resultados del examen diagnóstico 102 Imagen 4.2. Ejemplo de respuestas de los alumnos en la primera situación 104 Imagen 4.3. Ejemplos de respuestas de los alumnos en la segunda situación 105 Imagen 4.4. Ejemplos de respuestas de los alumnos en la tercera situación 106 Gráfica 4.2. Entrega de las actividades de clase 107 Imagen 4.5. Formulario para la primera parte del examen final 109 Gráfica 4.3. Resultados del examen final (conocimientos previos) 110 Gráfica 4.4. Comparación entre el examen diagnóstico y el examen final 111 Imagen 4.6. Respuesta al reactivo de racionalización del examen final 112 Gráfica 4.5. Cambio de nivel de conocimientos previos 113 Imagen 4.7. Reactivos de límites indeterminados del examen final 114 Imagen 4.8. Ejemplo de respuestas de los alumnos en los límites indeterminados del examen final 114 Imagen 4.9. Ejemplo de respuestas de los alumnos en las preguntas extras del examen final 115 Gráfica 4.6. Resultados del examen final (límites) 115 Imagen 4.10. Formulario para la encuesta de opinión 117 Gráfica 4.7. Exposición del profesor: Cantidad, Claridad 118 Gráfica 4.8. Complejidad de ejercicios: Exposición, Hojas de actividades 119 Gráfica 4.9. Aceptación de la exposición de la secuencia y algunas razones 119 Gráfica 4.10. Aceptación del uso de GeoGebra y algunas razones 120 Gráfica 4.11. Aceptación del juego final y algunas razones 120 Gráfica 4.12. Opinión general: Nivel de comprensión, Secuencia didáctica 121 iv LISTA DE TABLAS Tabla 1.1. Niveles de competencia matemática. Subescala: cambios y relaciones (PISA) 17 Tabla 1.2. Niveles de competencia matemática global (PISA) 18 Tabla 1.3. Niveles de logro en Matemáticas: cambios y relaciones (PLANEA) 21 Tabla 1.4. Niveles de logro en Matemáticas (PLANEA) 21 Tabla 2.1. Dimensiones y tipos de aprendizaje que ocurren en el aula 51 Tabla 2.2. Ejercicios de la categoría de cálculo de límites por factorización 60 Tabla 3.1. Descripción general de la secuencia didáctica 66 Tabla 3.2. Planeación del examen diagnóstico 69 Tabla 3.3. Planeación de la primera situación didáctica 72 Tabla 3.4. Planeación de la segunda situación didáctica 76 Tabla 3.5. Planeación de la tercera situación didáctica 82 Tabla 3.6. Planeación de la cuarta situación didáctica 93 Tabla 3.7. Planeación del examen final y la encuesta de opinión 97 Tabla 4.1. Síntesis de evaluación curricular 100 Tabla 4.2. Resultados del examen diagnóstico por tema 103 Tabla 4.3. Rúbrica para la evaluación de reactivos de límites indeterminados 105 Tabla 4.4. Resultados de las actividades por tema 108 Tabla 4.5. Resultados por tema del examen final (conocimientos previos) 111 Tabla 4.6. Resultados por tema del examen final (límites) 116 Tabla 4.7. Resultados de las calificaciones finales 116 Tabla 4.8. Elementos de la secuencia didáctica más y menos gustados por los alumnos 121 v RESUMEN En este trabajo de investigación se realiza un estudio de la problemática presente enel proceso de enseñanza-aprendizaje del tema de límites que forma parte del curso de Cálculo del último año de bachillerato. Debido a la importancia de este tema en la construcción de otros conceptos clave, como la derivada y la integral, es necesario consolidar los conocimientos del tema de límites algebraicos para el estudio del Cálculo. Por lo anterior se propuso una secuencia didáctica para la enseñanza de este tema en el que se hace énfasis en las representaciones semióticas del concepto de límite y con el apoyo de la tecnología para su visualización matemática, así como en el refuerzo de conocimientos previos del alumno como la factorización, los productos notables y la racionalización en el cálculo de límites indeterminados. Para finalizar se incluyó una actividad de carácter lúdico en la que los alumnos debieron utilizar los conocimientos que adquirieron a lo largo de la secuencia para obtener la mayor cantidad de puntos posibles. Esta secuencia didáctica se aplicó en un grupo del sexto año en la asignatura de Matemáticas VI para el Área II (Ciencias Biológicas y de la Salud) de la Escuela Nacional Preparatoria de la Universidad Nacional Autónoma de México durante el ciclo escolar 2017-2018. En los resultados se observa que dicha secuencia reforzó los conocimientos previos de un alto porcentaje de los alumnos. Asimismo, el uso de diferentes representaciones y el apoyo en la tecnología para la visualización matemática del límite de una función, ayudó en la consolidación de los conocimientos de este tema. Por otro lado, el juego didáctico sirvió como una retroalimentación de toda la información que se vio en las distintas situaciones didácticas en el que se promovió el trabajo colaborativo y la toma de decisiones. Palabras clave: Límites algebraicos, representaciones semióticas, visualización matemática, uso de tecnología, GeoGebra, refuerzo de conocimientos, factorización, productos notables, racionalización, enseñanza lúdica, constructivismo. vi ABSTRACT In this investigation work a study is made of the current problem in the teaching- learning process of the subject of limits that is part of the Calculus course of the last year of high school. Due to the importance of this topic in the construction of other key concepts, such as the derivative and the integral, it is necessary to consolidate the knowledge of the subject of algebraic limits for the study of Calculus. For the above, a didactic sequence was proposed for the teaching of this subject in which an emphasis is placed on the semiotic representations of the concept of limit and with the support of technology for its mathematical visualization, as well as on the reinforcement of previous knowledge of the student such as factorization, special products and rationalization in the calculation of indeterminate limits. Finally, an activity of a ludic nature was included in which the students had to use the knowledge they acquired throughout the sequence to obtain as many points as possible. This didactic sequence was applied in a group of sixth year in the subject of Mathematics VI for Area II (Biological and Health Sciences) of the National Preparatory School of National Autonomous University of Mexico during the 2017-2018 school year. In the results it is observed that said sequence reinforced the previous knowledge of a high percentage of the students. Likewise, the use of different representations and the support in the technology for the mathematical visualization of the limit of a function, helped in the consolidation of the knowledge of this subject. On the other hand, the didactic game served as a feedback of all the information that was seen in the different didactic situations in which collaborative work and decision-making was promoted. Keywords: Algebraic limits, semiotic representations, mathematic visualization, use of technology, GeoGebra, knowledge reinforcement, factorization, special products, rationalizing, ludic teaching, constructivism. 1 INTRODUCCIÓN El tema en el que se centra la secuencia didáctica que se presenta en este trabajo de investigación, tiene lugar en el programa de estudios de la asignatura de Cálculo Diferencial del curso de Matemáticas del tercer año de bachillerato. Este es el primer acercamiento que los alumnos tienen a esta rama de las matemáticas, por lo que se suelen presentar algunas dificultades en su enseñanza y en su aprendizaje, entre las que se encuentran los errores algebraicos y la interpretación del límite. El primer tema al que se introduce al alumno en el estudio del Cálculo es el de límites, y en el que se centrará la secuencia didáctica, es fundamental en el curso ya que es el conocimiento previo necesario para el estudio de la continuidad, la derivada y la integral de una función. Para esto, se diseñó una secuencia didáctica compuesta por cuatro situaciones didácticas en las que se busca consolidar los conocimientos acerca del tema de límites algebraicos de los estudiantes del tercer año de bachillerato. Este trabajo se compone de cuatro capítulos. En el primer capítulo se describe la problemática actual que se presenta en el proceso de enseñanza-aprendizaje de Cálculo, y del tema de límites en específico. También se mencionan los elementos que conforman la problemática que rodea al proceso de enseñanza-aprendizaje en el tema de límites finitos, lo que puede llevar a cuestionar la pertinencia de este tema en el estudio del Cálculo en el Nivel Medio Superior. En el segundo capítulo se describe la importancia de la enseñanza de Cálculo en el bachillerato y el papel que juega el tema de límites dentro de la misma matemática, así como en el desarrollo de habilidades matemáticas y cognitivas del alumno. Asimismo, 2 se describen los distintos factores didácticos y pedagógicos que se tomaron en cuenta en la planeación de las cuatro situaciones didácticas que conforman la secuencia didáctica para el tema de límites algebraicos finitos. En el tercer capítulo se describe la población y el programa de estudios de la institución en la que se implementó la secuencia didáctica con la que se desea aminorar las dificultades que se presentan a lo largo del proceso de enseñanza y aprendizaje del tema de límites algebraicos. Asimismo, se incluye la planeación y ejemplos de los ejercicios que se aplicaron dentro de cada una de las situaciones que abarca esta secuencia. También se hace una descripción de la forma en que se llevó a cabo su implementación. Finalmente, en el cuarto capítulo se realiza la descripción del tipo de evaluación que se efectuó en la secuencia y de las técnicas e instrumentos que se utilizaron para dicha evaluación. Del mismo modo, se presentan los resultados que se obtuvieron al analizar los instrumentos de evaluación de cada una de las situaciones de esta secuencia didáctica, además de comparar los resultados que se obtuvieron en el examen diagnóstico con el examen final. También se incluyen los resultados de una encuesta de opinión hacia los alumnos respecto a dicha secuencia. Por último, en las conclusiones se hace un análisis de la efectividad de la secuencia didáctica, de sus áreas de oportunidad y del alcance de la investigación dados los resultados que se muestran en el capítulo cuatro. De igual forma en el anexo final se incluyen los materiales didácticos que se utilizaron para cada una de las situaciones didácticas, los instrumentos de evaluación y la encuesta de opinión para los alumnos. 3 I.1 Justificación El programa de Cálculo es uno de los que tienen mayores índices de reprobación en el bachillerato, un problema constante en la actualidad. Prueba de esto es la aparición de la asignatura de Matemáticas VI (Área 1 y 2) en la lista de asignaturas con alto porcentaje de reprobación en exámenes ordinarios de la ENP, con un 11% durante elciclo escolar 2016-20171. Por otro lado, los resultados de la aplicación del Examen Diagnóstico Académico (EDA) del Colegio de Ciencias y Humanidades de la UNAM, en el semestre 2017-1, muestran a la asignatura de Cálculo Integral y Diferencial I con un promedio de aciertos del 37%, siendo la asignatura con el menor promedio2. Esto pone en evidencia la necesidad de una mejora en la enseñanza de los temas que se incluyen en el programa de estudios de Cálculo, en el que se incluye el tema de Límites. Este tema es el primer acercamiento formal que tendrán los estudiantes para introducirse al Cálculo, por lo que es de gran importancia que los alumnos tengan una base sólida en este tema que les permita construir conceptos más complejos como la continuidad de una función y su derivada, los que a su vez podrá utilizar para la resolución de problemas de optimización. Por todo lo anterior, se pretende realizar una secuencia didáctica que aminore las problemáticas que presentan los alumnos al hacer énfasis en la visualización matemática del límite y, de este modo, mejorar el desempeño de los estudiantes en este tema. 1 Informe de Actividades 2016–2017. ENP, UNAM. (http://www.planeacion.unam.mx/informes/PDF/ENP-2016- 2017.pdf) 2 Informe 2017 Gestión Directiva. CCH, UNAM. (http://www.planeacion.unam.mx/informes/PDF/CCH-2017.pdf) 4 I.2 Objetivos I.2.1 Objetivo general. Consolidar los conocimientos acerca del tema de límites algebraicos de los estudiantes del tercer año de bachillerato, mediante la aplicación de una secuencia didáctica. I.2.2 Objetivos específicos. • Que el alumno identifique los límites laterales de una función en un determinado punto y que relacione estos límites con la existencia del límite de la función. • Que el alumno, a partir de una gráfica, pueda determinar la existencia del límite de una función en un punto determinado e identificar su valor. • Que el alumno pueda determinar la existencia del límite en un punto determinado a partir de la tabulación de una función, y que obtenga su valor. • Que el alumno aplique los teoremas del límite para obtener el valor del límite en un punto determinado. • Que el alumno obtenga el valor del límite de una función en un punto determinado únicamente mediante operaciones algebraicas. • Que el alumno pueda identificar cuándo un límite es indeterminado. • Que el alumno aplique diferentes métodos de factorización y de desarrollo de expresiones algebraicas para la resolución de límites indeterminados. • Que el alumno sea capaz de seleccionar el método de resolución adecuado a cada situación. 5 I.3 Preguntas de Investigación Al considerar toda esta problemática alrededor del concepto de límite, surgen algunas interrogantes: • ¿Por qué los estudiantes no pueden identificar correctamente los límites laterales de una función, y por qué los confunden con la existencia del límite de la función? • ¿Por qué no pueden determinar la existencia del límite e identificar su valor al tener la gráfica? • ¿Por qué tienen problemas para tabular las funciones y para calcular el valor del límite con los datos de la tabla? • ¿Qué consecuencias tienen los problemas con operaciones aritméticas y algebraicas en el cálculo del límite de la función? • ¿Qué causa la confusión de una indeterminación con la no existencia de un límite? • ¿Cómo afecta su habilidad para factorizar y desarrollar expresiones algebraicas en la obtención de límites indeterminados? • ¿Por qué confunden los diferentes métodos de resolución? El tema de límites es esencial en el estudio del Cálculo, por lo que es vital que los estudiantes lo comprendan. Sin embargo, éste se rodea de diversas problemáticas tanto en su enseñanza como en su aprendizaje, por lo que se deben tomar en cuenta al presentar el tema a los alumnos. 6 CAPÍTULO 1 PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN El tema en el que se centra la secuencia didáctica que se presenta en este trabajo tiene lugar en el programa de estudios de la asignatura de Matemáticas del tercer año de bachillerato: Cálculo Diferencial. Este es el primer acercamiento que tienen los alumnos a esta rama de las matemáticas, por lo que suelen presentar dificultades en su aprendizaje. El primer tema en el que se introduce al alumno al estudio del Cálculo es el tema de límites, el cual es fundamental en el curso, y el que será objeto de estudio en la secuencia didáctica. En este capítulo, se describe la problemática que se presenta en el proceso de enseñanza-aprendizaje de Cálculo, y del tema de límites en específico. 1.1 Problemática en la Enseñanza del Cálculo Durante mucho tiempo se pensó que lo único que bastaba para poder enseñar matemáticas era tener el conocimiento disciplinar suficiente, por lo que el profesor se limitaba a presentar el contenido matemático de una manera formal, rigurosa y estructurada. Esto se consideraba suficiente para que los estudiantes pudieran adquirir los conocimientos deseados por lo que, en este modelo de enseñanza conductista, el papel del estudiante fue pasivo y se centró en su habilidad de resolución de ejercicios de corte algorítmico. Sin embargo, existen en la actualidad diversos trabajos de investigación que indican que este modelo tradicional presenta algunas desventajas. Zhang (citado en Salinas y Alanís, 2009) muestra en su investigación que las estrategias centradas en el profesor 7 disminuyen el interés del estudiante y propician un aprendizaje superficial basado en la memorización y la reproducción. Esto lleva a que los estudiantes no den sentido ni significado más amplio a los contenidos matemáticos que se les presentan. Actualmente, la problemática en la enseñanza del Cálculo ha propiciado un debate enfocado en qué es lo que debe enseñarse y cómo debe enseñarse. Sin embargo, como mencionan Salinas y Alanís (2009), no es suficiente estudiar las condiciones que dificultan o hacen posible la construcción del conocimiento (referente epistemológico), sino que se debe dar énfasis al carácter instrumental de las matemáticas en otras áreas de conocimiento (práctica social). Es por esto por lo que se desea lograr un acercamiento socioepistemológico que permita, de acuerdo con Cantoral y Farfán (citado en Salinas y Alanís, 2009), la incorporación de los componentes fundamentales en la construcción del conocimiento: su naturaleza epistemológica, la dimensión sociocultural, el aspecto cognitivo y el aspecto didáctico. Este acercamiento socioepistemológico permite que los estudiantes den sentido y significado al contenido matemático que les es presentado. Como lo explican Salinas y Alanís (2009): El acercamiento socioepistemológico llega a problematizar el saber matemático que es objeto de enseñanza; cuestiona el qué enseñar y lo declara como una variable a considerar en la investigación. A nuestro juicio, su cuestionamiento necesariamente está vinculado con la forma de acercar el conocimiento al estudiante (el cómo enseñar). Mediante el diseño de una situación que es puesta en escena dentro del aula escolar, se busca esclarecer el ejercicio de aquellas prácticas que en el estudiante se constituyen en argumentos y le permiten dotar de significado funcional a los contenidos matemáticos. La intención del diseño de escenarios didácticos se dirige a propiciar el accionar de prácticas en esa realidad social que se 8 construye en el aula, acentuando la importancia de la interacción entre estudiantes, el profesor y el conocimiento. (p.374) De este modo, en la búsqueda de nuevas alternativas de enseñanza se deberán tomar en cuenta los aspectos epistemológicos, sociales, cognitivos y didácticos que abarca la construcción del conocimiento matemático. 1.2 Problemática en el Aprendizaje del Cálculo La enseñanza del Cálculo siempre ha sufrido grandes dificultades debido a la complejidad de losconceptos matemáticos utilizados ya que éstos implican el uso de un pensamiento abstracto, algebraico y analítico, los cuales no siempre han sido desarrollados correctamente por los estudiantes. Además de esto, los alumnos deben de tener un correcto conocimiento de otros temas previos necesarios para comprender los conceptos del cálculo, los cuales no siempre se tienen o son erróneos. Uno de los conceptos más importantes en el curso de Cálculo, y uno de los que causan un mayor conflicto cognitivo en los estudiantes, es el de proceso infinito. Al ser el límite un concepto que se basa en estos procesos infinitos es de suponerse que existan problemáticas en su enseñanza-aprendizaje. 1.2.1 Problemática en el tema de límites finitos. Dada la importancia del tema de límites en Cálculo, han sido varios los investigadores en educación matemática que se han enfocado en la problemática en el proceso de enseñanza-aprendizaje de este tema. Algunos autores se han enfocado en 9 encontrar diferentes maneras de enseñar este concepto, como se observa en los trabajos realizados por Bucari, Bertero y Trípolo (2007); Contreras, García y Font (2012); Engler, Vrancken, Hecklein, Müller y Gregorini (2007), De la Barrera (2013) y Páez (2005). Es importante mencionar de igual forma las investigaciones realizadas por Blázquez y Ortega (2000, 2001), Hitt (2003a, 2003b), Hitt y Páez (2005) y Tall y Vinner (1981), en las que se describen algunas de las dificultades más comunes que presentan los alumnos en la construcción del concepto de límite y su resolución. Otros de los trabajos enfocados en las dificultades específicas del límite de una función son los realizados por Tall (1992) y por Vrancken; Gregorini; Engler; Muller y Hecklein (2006). Entre las dificultades más comunes que se describen en las investigaciones antes mencionadas, referentes al tema de límites, se encuentran las siguientes: • Tienen errores algebraicos y aritméticos simples. Muchos de los problemas presentados en la resolución de límites están relacionados con deficiencias que los alumnos han arrastrado desde cursos anteriores. Estas incluyen desde operaciones elementales (suma, resta, multiplicación, división), hasta factorización de polinomios. Esto obstaculiza el correcto desempeño en la resolución de límites, dada la importancia de este tipo de conocimientos elementales. • No entienden la representación gráfica del límite. En los estudiantes predomina una concepción mayormente algebraica del límite en la que sólo hay que sustituir valores en una función sin realmente interiorizar lo que significa gráficamente la idea del límite de una función. Es posible que estos estudiantes 10 puedan obtener el valor de un límite por métodos algebraicos, pero gráficamente no saben lo que estos cálculos representan, por lo que la resolución de límites se convierte en una simple mecanización sin significado. • No conciben la idea de cantidades infinitesimales. Este es uno de los problemas clave ya que, como consecuencia de esto, no pueden comprender ideas como “acercarse tanto como se quiera a un cierto valor”, la cual es necesaria para comprender correctamente el concepto de límite. • No comprenden la idea de límites laterales. Para los alumnos el límite siempre toma el mismo valor sin importar el lado por el que uno se acerque al punto deseado. Estos alumnos visualizan a las funciones como continuas, por lo que toman al límite como el valor de la función sin tomar en cuenta el comportamiento de la función a la izquierda o a la derecha. • No entienden cuándo no existe un límite. Uno de los problemas más comunes es que no se relaciona la idea de límites laterales con la existencia o no existencia del límite. Para los alumnos, si existe uno de los límites laterales, entonces también existe el límite sin importar si los límites laterales coinciden. De hecho, al haber relacionado equivocadamente el valor del límite con el de la función, los alumnos entonces relacionan la existencia del límite con la existencia del valor de la función en el punto deseado, olvidando por completo la importancia de los límites laterales. • No interpretan correctamente la indeterminación de un límite. Los estudiantes no entienden lo que significa el que un límite presente una 11 indeterminación. Las concepciones erróneas más comunes en este caso son que consideren que esta indeterminación como la no existencia del límite o como cero (parecido a la idea errónea de que un número dividido entre cero es igual a cero). Salta a la vista que la gran mayoría de estas dificultades están ligadas a la falta de desarrollo de habilidades de visualización matemática en los alumnos. Esta visualización matemática se refiere a la habilidad de entender, manipular y hacer la conversión entre las diferentes representaciones de un problema, lo que puede conducir a la solución del problema en cuestión (Hitt, 2003c). Como lo mencionan Zimmerman y Cunninghan (citado en Hitt, 1998): La visualización matemática es el proceso de formación de imágenes (mentalmente, o con lápiz y papel, o con la ayuda de tecnología) y el uso de tales imágenes en forma efectiva para el descubrimiento matemático y el entendimiento. (p. 28) Asimismo, al analizar todas estas dificultades y tomando en cuenta el gran número de estudiantes que las presentan, se puede inferir que la mayoría no son culpa del estudiante, sino de la forma en cómo el profesor enseña el tema referente a límites: mala elección o aplicación tanto de las estrategias de enseñanza como de los materiales didácticos utilizados. En este asunto es posible citar a Zimmermann (citado en Hitt, 2003c): Conceptualmente, el papel del pensamiento visual es tan fundamental para el aprendizaje del cálculo que es difícil imaginar un curso exitoso de cálculo que no enfatice los elementos visuales del tema. Esto es especialmente verdad si el curso tiene la intención de promover un entendimiento conceptual, el cual es ampliamente reconocido como carente en la mayoría de los cursos de cálculo como es actualmente enseñado. La manipulación algebraica ha sido 12 enfatizada en demasía y en el proceso el espíritu del cálculo se ha perdido. (p.217) Además de lo ya mencionado, muchas veces son los profesores los que tienen falsas creencias o conocimientos de la materia, resultado de un problema de aprendizaje en su formación, las cuales transmiten a los alumnos y que derivarán en dificultades y errores en estos últimos, y se crea de esta forma un círculo vicioso en el que se transmitirán estos errores una y otra vez. Nava y Reyes (2009) realizaron un estudio en el que encontraron que un gran porcentaje de los profesores participantes presentan los mismos problemas que los alumnos. Algunas veces, como menciona Hitt (2003a), son los profesores los que propician obstáculos de aprendizaje. Al tratar de simplificar un poco la complejidad del límite, se cometen errores que a la larga sólo causarán un conflicto cognitivo en el estudiante. Esta es una de las razones por las que es esencial que el docente de cálculo tenga un conocimiento pleno de su materia, para que no se influya de manera negativa en el desempeño del estudiante. Se puede entonces separar las dificultades en la enseñanza-aprendizaje del concepto de límite en dos tipos. Por un lado, se tiene la complejidad natural de este concepto, y por el otro, están todas las problemáticas y confusiones que puede promover el docente en sus alumnos. Cada una de estas ramas tiene sus particularidades por lo que deberán abordarse de manera individual. No hay que olvidar tampoco que, como se mencionó anteriormente, algunos de los problemas que se presentan en los alumnos están ligados con deficiencias que han 13 acarreado a lo largo de su trayectoria escolar. Es por esto por lo que es necesario analizar la situaciónactual del desempeño de los alumnos en el área de las matemáticas, tanto a nivel nacional como internacional. 1.3 Problemática de la Educación Matemática en el Nivel Medio Superior La Educación Matemática, tanto a nivel nacional como internacional, enfrenta una gran problemática que no se limita a un solo nivel educativo. Los estudiantes presentan un bajo aprovechamiento en la asignatura de matemáticas en los 3 niveles educativos: Básico (preescolar, primaria y secundaria), Medio Superior (bachillerato) y Superior (profesional y posgrado). Esto ha llevado a diversas organizaciones a enfocarse en este problema y llevar a cabo evaluaciones que ayuden a las instituciones educativas a tomar las medidas necesarias que puedan llevar a los estudiantes a mejorar su desempeño académico. Dado que este trabajo se centra en un tema perteneciente al currículo de Matemáticas del Nivel Medio Superior, las evaluaciones nacionales e internacionales que se mencionen serán las enfocadas específicamente en este nivel educativo. 1.3.1 Panorama internacional. Una de las evaluaciones de mayor relevancia a nivel internacional en la actualidad, es la prueba PISA (Programme for International Student Assessment) realizada por la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE)3. Ésta es aplicada 3 Programme for International Student Assessment. (PISA) (http://www.oecd.org/pisa/) 14 por primera vez en el año 2000 con la colaboración de 28 países miembros de la OCDE, entre los que se encontraba México, junto con cuatro países no miembros. Esta prueba evalúa la formación académica de estudiantes de entre 15 y 16 años, sin importar su grado escolar. La prueba PISA abarca las áreas de lectura, matemáticas y ciencias, en las que se hace un énfasis en el dominio de los procesos, la comprensión de los conceptos y la habilidad de actuar en diversas situaciones. Es decir, la prueba PISA no evalúa el aprendizaje de contenidos, sino el grado de desarrollo de competencias específicas. El concepto de competencia utilizado en PISA, así como por el Instituto Nacional para la Evaluación de la Educación (INEE) en México, se refiere a la capacidad del estudiante para poner en práctica las habilidades y conocimientos adquiridos en su trayectoria académica en distintas situaciones de la vida diaria. De esta forma, PISA pretende examinar el grado de preparación de los jóvenes para la vida adulta. Una de las competencias que se evalúa en la prueba PISA es la matemática. De acuerdo con la OCDE, ésta se refiere la capacidad del alumno para razonar, analizar y comunicar operaciones matemáticas, por lo que implica la capacidad de utilizar el razonamiento matemático en la solución de problemas de la vida diaria4. Los problemas matemáticos presentados en PISA se conforman entonces de tres componentes: proceso (reproducción, conexión, reflexión), contenido (cantidad, espacio y forma, cambio y relaciones, probabilidad) y situación (personal, educativa o laboral, publica, científica). 4 El programa PISA de la OCDE qué es y para qué sirve. (http://www.oecd.org/pisa/39730818.pdf) 15 Respecto a los contenidos matemáticos abordados por la prueba PISA, estos se definen de la siguiente forma5: • Cantidad: Se centra en la habilidad de cuantificar como forma de organizar el mundo. Implica la comprensión de los tamaños relativos, el reconocimiento de patrones numéricos y el uso de los números para representar cantidades y atributos cuantificables de los objetos del mundo real (cantidades y medidas). Además, cantidad tiene que ver con el procesamiento y la comprensión de números que se presentan de diferentes maneras. Un aspecto importante es el razonamiento cuantitativo. Componentes esenciales del razonamiento cuantitativo son el sentido del número, la representación de los números mediante diferentes maneras, la comprensión del significado de las operaciones, la noción de la magnitud de los números, los cálculos matemáticos, la aritmética mental y la estimación. • Espacio y forma: Se refiere a la habilidad para identificar semejanzas y diferencias al analizar los componentes de una estructura y reconocer las formas en diferentes representaciones y dimensiones. Esto significa que deben poder entender la posición relativa de los objetos. Deben ser conscientes de cómo se ven las cosas y por qué se ven así. Deben saber moverse a través del espacio y de las construcciones y las formas. Esto es, los estudiantes deben ser capaces de comprender las relaciones entre las formas y las imágenes o representaciones visuales, como las que existen entre una ciudad real y las fotografías y mapas de la misma. Deben comprender cómo se pueden representar en dos dimensiones los objetos tridimensionales, cómo se forman e interpretan las sombras, qué se entiende por perspectiva y cómo funciona. • Cambio y relaciones: Implica la capacidad de los alumnos para representar cambios de una forma comprensible; para comprender los tipos fundamentales de cambio; para reconocer tipos de cambios concretos cuando suceden; para aplicar estas técnicas al mundo exterior; y para controlar un universo cambiante. Además, 5 Pisa para Docentes: La evaluación como oportunidad de aprendizaje. (http://www.educacionbc.edu.mx/departamentos/evaluacion/descargas/Archivos/PISA_docentes.pdf) 16 comprende la capacidad de los alumnos para representar las relaciones de diversas maneras: simbólica, algebraica, tabular y geométrica. Diferentes representaciones pueden servir para variados propósitos y tener diferentes propiedades. De esta manera, la capacidad de pasar de un tipo de representación a otro es a menudo de gran importancia para desenvolverse en situaciones y tareas concretas. • Probabilidad: Implica dos tópicos relacionados: datos y probabilidad, los cuales son objeto de estudio de las matemáticas. Los conceptos y actividades matemáticas más importantes en esta área son la recolección de datos, el análisis de datos y su organización o visualización, la probabilidad y la inferencia. Es así como, aun cuando los temas de Cálculo no forman parte de la prueba PISA, éstos pueden ser vinculados al contenido de cambio y relaciones incluido en ésta. Un par de ejemplos de esto son las razones de cambio que servirán para la construcción de la derivada; y las diferentes representaciones de una función (geométrica, algebraica, tabular) y la relación entre ellas, las que se utilizarán para trabajar con el concepto de límite. De esta forma, un nivel bajo de competencia en esta área podría ser, de no atenderse este problema, un indicador de futuras dificultades en el aprendizaje del Cálculo, incluido el tema de límites. Para llevar a cabo la evaluación de la competencia matemática, se han establecido seis niveles de desempeño para cada uno de los componentes de contenido (subescalas). Tomando en cuenta lo dicho en el párrafo anterior, el desempeño del estudiante en el tema de límites puede ser evaluado con la escala de competencia en el contenido de cambio y relaciones, debido a que se trabaja con las diferentes representaciones del límite (geométrica, tabular y algebraica) y se necesita una cierta 17 habilidad de razonamiento e interpretación de datos por parte del estudiante. En la tabla 1.1. se describe esta subescala de competencia matemática. Tabla 1.1. Niveles de competencia matemática. Subescala: Cambio y relaciones (PISA). Nivel Características 6 Usar comprensión significativa y habilidades de razonamiento y argumentación abstractas. Tener conocimiento técnico y de convenciones para solucionar problemas y generalizar soluciones matemáticas a problemas complejos del mundo real. 5 Resolver problemas, usando el álgebra avanzada, modelos y expresiones matemáticas formales. Asociar representaciones matemáticas formales a situaciones complejas del mundo real. Usarhabilidades de solución de problemas complejos y de multinivel. Reflexionar y comunicar razonamientos y argumentaciones. 4 Entender y trabajar con representaciones múltiples, incluyendo modelos matemáticos explícitos de situaciones del mundo real para resolver problemas prácticos. Tener flexibilidad en la interpretación y razonamiento en contextos no familiares; y comunicar las explicaciones y argumentaciones resultantes. 3 Resolver problemas que impliquen trabajar con representaciones múltiples (textos, gráficas, tablas, fórmulas) que incluyan cierta interpretación y razonamiento en contextos familiares, así como la comunicación de argumentaciones. 2 Trabajar con algoritmos, fórmulas y procedimientos simples en la solución de problemas; asociar texto a una representación sencilla (gráfica, tabla, fórmula); usar habilidades básicas de interpretación y razonamiento. 1 Localizar información relevante en una tabla o gráfica sencilla; seguir instrucciones directas y simples, al leer información de una tabla o gráfica en una forma familiar o estándar; realizar cálculos simples que impliquen relaciones entre dos variables familiares. Fuente: INEE (2005). Pisa para Docentes: La evaluación como oportunidad de aprendizaje. p. 32-33. Del mismo modo, son seis los niveles de competencia matemática establecidos en la escala global, dados de acuerdo con el puntaje obtenido en la sección de matemáticas de la prueba PISA, los cuales se describen en la tabla 1.2. Es con esta escala que la OCDE midió el desempeño promedio de los estudiantes que realizaron la prueba, y proporcionó de esta forma información que puede ser pertinente para la educación matemática. 18 Tabla 1.2. Niveles de competencia matemática global (PISA). Nivel Puntaje Características 6 (> 668) Los estudiantes son capaces de conceptualizar, generalizar y utilizar información basada en sus investigaciones y en su elaboración de modelos para resolver problemas complejos. Pueden relacionar diferentes fuentes de información. Demuestran pensamiento y razonamiento matemático avanzado. Pueden aplicar sus conocimientos y destrezas en matemáticas para enfrentar situaciones novedosas. Pueden formular y comunicar con precisión sus acciones y reflexiones. 5 (607–668) Los estudiantes pueden desarrollar y trabajar con modelos para situaciones complejas. Pueden seleccionar, comparar y evaluar estrategias adecuadas de solución de problemas complejos relacionados con estos modelos. Pueden trabajar de manera estratégica al usar ampliamente habilidades de razonamiento bien desarrolladas, representaciones de asociación y caracterizaciones simbólicas y formales. 4 (545–606) Los estudiantes son capaces de trabajar efectivamente con modelos explícitos para situaciones complejas concretas. Pueden seleccionar e integrar diferentes representaciones, incluyendo símbolos y asociándolos directamente a situaciones del mundo real. Pueden usar habilidades bien desarrolladas y razonar flexiblemente con cierta comprensión en estos contextos. Pueden construir y comunicar explicaciones y argumentos. 3 (483–544) Los estudiantes son capaces de ejecutar procedimientos descritos claramente, incluyendo aquellos que requieren decisiones secuenciales. Pueden seleccionar y aplicar estrategias simples de solución de problemas. Pueden interpretar y usar representaciones basadas en diferentes fuentes de información, así como razonar directamente a partir de ellas. Pueden generar comunicaciones breves para reportar sus interpretaciones, resultados y razonamientos. 2 (421–482) Los estudiantes pueden interpretar y reconocer situaciones en contextos que requieren únicamente de inferencias directas. Pueden extraer información relevante de una sola fuente y hacer uso de un solo tipo de representación. Pueden emplear algoritmos, fórmulas, convenciones o procedimientos básicos. Son capaces de hacer interpretaciones literales de los resultados. 1 (358–420) Los estudiantes son capaces de contestar preguntas que impliquen contextos familiares donde toda la información relevante esté presente y las preguntas estén claramente definidas. Son capaces de identificar información y desarrollar procedimientos rutinarios conforme a instrucciones directas en situaciones explícitas. Pueden llevar a cabo acciones que sean obvias y seguirlas inmediatamente a partir de un estímulo dado. Debajo de 1 (< 358) Los estudiantes no son capaces de realizar las tareas de matemáticas más elementales que pide PISA. Fuente: OCDE (2006). El programa PISA de la OCDE qué es y para qué sirve. p.15-16. 19 La evaluación PISA se realiza de manera cíclica, cada tres años, y cada aplicación se enfoca en un área temática concreta. Por ejemplo, la prueba del año 2000 se enfocó en la lectura, la del 2003 en matemáticas y la del 2006 en ciencias, completando así la primera fase de nueve años. La segunda fase de evaluaciones se aplicó en los años 2009 (lectura), 2012 (matemáticas) y 2015 (ciencias). De esta manera es posible comparar, por ejemplo, los resultados de las pruebas del 2003 y del 2012, debido a que en ambas el enfoque se concentró en matemáticas. De acuerdo con los resultados de la prueba PISA realizada en el 2012, México aumentó 28 puntos en matemáticas entre PISA 2003 (385 puntos) y PISA 2012 (413 puntos), acercándose un poco más al promedio de la OCDE de 494 puntos. Sin embargo, el 55% de los alumnos mexicanos no alcanzó el nivel de competencias básicas en matemáticas (nivel 2), comparado con el promedio de la OCDE de 23%. También se observa que menos del 1% de los estudiantes mexicanos logró alcanzar los niveles 5 y 6 de competencia, muy alejado del promedio OCDE de 13%6. Otro resultado que preocupa de la prueba del 2012 indica que el nivel de ansiedad de los estudiantes mexicanos hacia las matemáticas es alto. Más del 75% afirma tener preocupación por dificultades en clase de matemáticas, y casi la mitad siente ansiedad al resolver problemas matemáticos. El nivel de ansiedad hacia las matemáticas fue el más alto de entre todos los países de la OCDE. En los resultados de PISA 2015, México tuvo un promedio de 408 puntos en matemáticas (promedio OCDE: 490 puntos), un puntaje menor al obtenido en PISA 2012. 6 Resultados de PISA 2012 (México). (https://www.oecd.org/pisa/keyfindings/PISA-2012-results-mexico-ESP.pdf) 20 Para este año, el porcentaje de estudiantes que no alcanzaron el nivel básico de competencia matemática subió al 57% (promedio OCDE: 23%). Así mismo, el promedio de los estudiantes mexicanos que alcanzaron los niveles más altos de competencia disminuyó a un 0.3% (promedio OCDE: 10.7%)7. Al observar los resultados de esta prueba PISA a lo largo de los años, es necesario que se tomen otras medidas no sólo para mejorar las competencias matemáticas de los estudiantes de nivel medio superior, sino para disminuir el nivel de ansiedad que esta asignatura genera en ellos. 1.3.2 Panorama nacional. En México, la Secretaría de Educación Pública (SEP), en coordinación con el INEE, es la encargada de aplicar la prueba PLANEA (Plan Nacional para la Evaluación de los Aprendizajes) a estudiantes del último grado de la Educación Media Superior de manera anual desde el año 2015. El propósito de esta prueba es conocer el nivel de dominio que los estudiantes tienen de un conjunto de aprendizajes esenciales pertenecientes a dos áreas de competencia: Lenguaje y Comunicación, y Matemáticas.8 En el caso de Matemáticas, se evalúan cuatro contenidos temáticos: Sentido numérico y pensamiento algebraico, Cambios y relaciones, Forma, espacio y medida, y Manejo de la información. Del mismo modo que en la prueba PISA, el Cálculo (incluido el tema de límites) puede relacionarse con el contenido temático cambios y relaciones 7 Resultados de PISA 2015 (México). (http://www.oecd.org/pisa/pisa-2015-Mexico-ESP.pdf)8 Planea en Educación Media Superior. (http://planea.sep.gob.mx/ms/) 21 del examen PLANEA. Los niveles de logro para este contenido temático se muestran entonces en la tabla 1.3. Tabla 1.3. Niveles de logro en Matemáticas: Cambios y relaciones (PLANEA 2017). Nivel Características IV Realizan la resta de funciones y evalúan números negativos en ellas. Determinan el dominio y el rango de una función, así como el valor de la pendiente y la ecuación de una recta a partir de su gráfica. III Determinan si los datos de una tabla presentan relaciones de proporcionalidad. Resuelven problemas de proporcionalidad. Interpretan las relaciones y parámetros de la función lineal dentro una situación. Realizan la suma de funciones y evalúan números positivos en ellas. II Resuelven problemas de valor faltante en tablas de proporcionalidad inversa. Identifican la función lineal que modela a un fenómeno. I Los estudiantes resuelven problemas de valor faltante en tablas de proporcionalidad directa. Identifican el valor máximo que alcanza un fenómeno a partir de su gráfica. Sin embargo, tienen dificultades para reconocer y establecer, algebraica o gráficamente, la relación de dependencia de dos variables Fuente: SEP (2017). PLANEA. Resultados nacionales 2017. Educación Media Superior. Los resultados de esta prueba se agrupan en cuatro niveles de logro que representan qué tanto se han apropiado los estudiantes de los aprendizajes esenciales. Estos niveles son acumulativos, es decir, aquellos estudiantes que han adquirido los aprendizajes de un determinado nivel de logro poseen también el de todos los niveles previos. En la tabla 1.4. se describen los niveles de logro para Matemáticas. Tabla 1.4. Niveles de logro en Matemáticas (PLANEA 2017). Nivel Características IV Dominan las reglas para transformar y operar con el lenguaje matemático (por ejemplo, las leyes de los signos); expresan en lenguaje matemático las relaciones que existen entre dos variables de una situación o fenómeno; y determinan algunas de sus características (por ejemplo, deducen la ecuación de la línea recta a partir de su gráfica). III Emplean el lenguaje matemático para resolver problemas que requieren del cálculo de valores desconocidos, y para analizar situaciones de proporcionalidad. II Expresan en lenguaje matemático situaciones donde se desconoce un valor o las relaciones de proporcionalidad entre dos variables, y resuelven problemas que implican proporciones entre cantidades (por ejemplo, el cálculo de porcentajes). I Tienen dificultades para realizar operaciones con fracciones y operaciones que combinen incógnitas o variables (representadas con letras), así como para establecer y analizar relaciones entre dos variables. Fuente: SEP (2017). PLANEA. Resultados nacionales 2017. Educación Media Superior. 22 De acuerdo con los resultados de la prueba PLANEA 2017 se encontró que, en matemáticas, 6 de cada 10 estudiantes se ubica en el nivel I (66%); casi 2 de cada 10 se ubican en el nivel II (23 %); en el nivel III, sólo 8 de cada 100 estudiantes (8%); y en el nivel IV, casi 3 estudiantes de cada 100 (2.5%)9. El perfil de la prueba PLANEA en Educación Media Superior realizada en el año 2017 se alinea a la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS), publicada en el 2008 por la Subsecretaría de Educación Media Superior (SEMS). Esta reforma consiste en la Creación del Sistema Nacional del Bachillerato (SNB) con base en cuatro pilares10: 1. Construcción de un Marco Curricular Común. 2. Definición y reconocimiento de las opciones de la oferta de la EMS. 3. Profesionalización de los servicios educativos. 4. Certificación Nacional Complementaria. Con esto, se busca la homogeneidad del bachillerato en México, al establecer las competencias disciplinares básicas características que deberán abarcar los diferentes subsistemas de Educación Media Superior del país. Como lo explica Lozano (2009): En la actualidad esta Reforma se encuentra en marcha y pretende a corto plazo implementar el Sistema de Educación Media Superior, a fin de lograr la universalización del bachillerato, mejorar la calidad educativa mediante la construcción de un espacio que dé pertinencia a los planes de estudio y en el cual se permita, por lo tanto, el tránsito y la movilidad de los estudiantes entre esos espacios; todo eso fundamentado en competencias genéricas que constituyan el perfil del egresado del Sistema. Igualmente, se pretende, para el caso de los docentes, fortalecer su formación, capacitación, actualización y 9 PLANEA. Resultados nacionales 2017. Educación Media Superior. (http://planea.sep.gob.mx/content/general/docs/2017/ResultadosNacionalesPlaneaMS2017.pdf) 10 La Reforma Integral de la Educación Media Superior (http://cosdac.sems.gob.mx/portal/index.php/riems) 23 movilidad, en un marco de respeto a la diversidad de las diferentes modalidades. (p.126) De esta forma, la prueba PLANEA ayuda a identificar la inequidad entre los distintos sistemas de educación media superior. Como se plantea en los resultados PLANEA 2017: “Idealmente, sin importar las condiciones de origen y la escuela a la que asistan, todos los estudiantes deberían aprender un conjunto de contenidos curriculares básicos”. Asimismo, el análisis de estos resultados permite conocer tanto los aciertos como los retos en los que se deberá seguir trabajando. En el capítulo siguiente, se describirá la importancia del estudio del Cálculo en el bachillerato y, en especial, del tema de límites. Asimismo, se describirán los modelos educativos que se utilizan en algunos de los sistemas de educación media superior y el papel que tiene la enseñanza del límite en cada uno de ellos. 24 CAPÍTULO 2 MARCO DE LA SECUENCIA DIDÁCTICA En el capítulo anterior se mencionaron los elementos que conforman la problemática que rodea al proceso de enseñanza-aprendizaje en el tema de límites finitos. Esta problemática puede llevar a cuestionar la pertinencia de este tema en el estudio del Cálculo, o inclusive si es necesaria la enseñanza de esta rama de las matemáticas en el nivel medio superior. Es por esta razón que en este capítulo se describe la importancia de la enseñanza de Cálculo en el bachillerato y el papel que juega el tema de límites dentro de la misma matemática, así como en el desarrollo de habilidades matemáticas y cognitivas del alumno. La trascendencia de este tema dentro del mismo Cálculo hace que sea necesaria una atención especial en su enseñanza. Es por esto por lo que se diseñó una secuencia didáctica para el tema de límites algebraicos finitos, misma que se compone de cuatro situaciones didácticas, en las que se tomaron en cuenta diversos factores didácticos y pedagógicos en su planeación, y los cuales se explican más adelante en este capítulo. 2.1 Importancia de la Enseñanza del Cálculo La asignatura de Cálculo Diferencial e Integral es una de las últimas que se les presenta a los estudiantes a lo largo de la Educación Media Superior, al ser impartida en el tercer y último año de bachillerato. Es una materia de gran importancia para el currículo escolar, debido a que es en ésta en la que los alumnos deberán aplicar todos los 25 conocimientos matemáticos que han adquirido a lo largo de su trayectoria escolar, además de trabajar con conceptos más abstractos y de utilizar un lenguaje matemático más formal. Es decir, el curso de Cálculo funciona como una división entre la matemática elemental y la matemática avanzada (Cantoral, 1993). Los estudiantes utilizan los conocimientos aritméticos, algebraicos y geométricos que ya poseen y, a la vez, se les presentan conceptos nuevos como los procesos infinitos, las situaciones límite, la derivada y la integral. Estos últimos se consideran los dos conceptos fundamentales del Cálculo, los cuales giran en torno a las ideas de variación(derivada) y de acumulación (integral). La presentación de todos estos nuevos conceptos hace necesaria la introducción de nuevos simbolismos, estrategias y concepciones que estarán ligados al enfoque de estudio. Así, el estudio del Cálculo puede ser abordado de maneras muy distintas, las cuales dependerán de los objetivos de aprendizaje que se deseen alcanzar en cada uno de los programas de estudio de los diferentes subsistemas de la Educación Media Superior. Por ello, Cantoral (1993) habla de dos tipos de enfoque en la enseñanza del Cálculo: el simbólico y el formal. Por un lado, se puede ver al Cálculo como un aparato simbólico que opera sobre variables (enfoque simbólico), por lo que los temas tratados en el programa incluirían la relación entre variables, la razón de cambio, derivación, integración y sus aplicaciones; éste es el enfoque que toma el programa de Cálculo del Colegio de Ciencias y Humanidades de la UNAM11. Por otro lado, si se considera al Cálculo como un aparato formal que actúa sobre funciones reales (enfoque formal), entonces el criterio ε-δ de límites formaría parte de los temas del programa, y con este 11 Programas de Estudio. Área de Matemáticas. Cálculo I–II. CCH, México. 2016. 26 último se construirían los conceptos de continuidad, derivada, integral y convergencia, además de poder presentar con mayor formalidad los teoremas más importantes, incluyendo el teorema Fundamental del Cálculo; éste es el caso del enfoque del programa de Cálculo de la Escuela Nacional Preparatoria de la UNAM12. Una tercera posibilidad es combinar elementos de ambos acercamientos, de manera que exista un equilibrio entre formalidad y simbolismo. Esta situación hace necesario que se analice la importancia de cada uno de los contenidos temáticos y si deberán de ser o no incluidos en el currículo. Para ésto, de acuerdo con Cantoral, existen cuatro tipos de currículo, cada uno con una función específica: el currículo deseado (diseñado por especialistas y expertos curriculares), el currículo planteado (modificado por el profesor de acuerdo con su experiencia y criterio), el currículo logrado (lo que el alumno se apropia y que realmente aprendió) y el currículo útil (lo que la sociedad considera necesario). Lo que se desea entonces es que los contenidos que se propongan en el currículo, en este caso de Cálculo, sean los mismos que los profesores enseñan a sus alumnos, que sean los que realmente aprenden éstos últimos y que los que les servirán en la vida cotidiana. Es decir, el objetivo es que los alumnos puedan aplicar en la vida diaria los conocimientos que se adquieren en el curso de Cálculo. Un claro ejemplo de esto son las aplicaciones de la derivada (en problemas de optimización) y de la integral (en construcción de modelos para la predicción de comportamientos). No obstante, para poder aplicar correctamente estos procedimientos, se necesita haber comprendido con 12 Programas de Estudio. Área de Matemáticas, Matemáticas VI. ENP, UNAM. 1996. 27 anterioridad los conceptos de derivada e integral, para los cuales son necesarios los límites, además de los procedimientos algebraicos y geométricos que se relacionan a éstos. En otras palabras, sin la previa comprensión de estos conceptos no será posible alcanzar el objetivo de una aplicación del Cálculo a la vida cotidiana. Esto indica que, en el curso de Cálculo, primero se debe construir una base matemática sólida en los alumnos para que posteriormente puedan aplicar sus conocimientos en la resolución de problemas presentes en la vida cotidiana. 2.2 Importancia de los Límites en Cálculo En el Cálculo, existen dos conceptos muy importantes: límite y función. Mediante éstos, es posible realizar la construcción de conceptos más complejos como la continuidad (la existencia del límite en un punto), la derivada (el método de los cuatro pasos) y la integral (el límite de las sumas de las áreas bajo una curva). Esto se debe a que el propósito de la función es representar cambios, lo que lleva a la construcción de conceptos como razón de cambio (derivación) y crecimiento acumulativo (integración). De no haber una buena comprensión del concepto de límite, no será posible tener un aprendizaje significativo de los conceptos que utilicen al límite para su construcción, y aún menos de los procedimientos para la aplicación de éstos en la vida cotidiana. Es por esto por lo que es vital que se tenga una atención especial a este tema. Es decir, el concepto de límite es el conocimiento previo necesario para el estudio de la continuidad, la derivada y la integral de una función, lo que conforma el núcleo del programa de Cálculo. Y sin estos conceptos será imposible alcanzar el objetivo de una aplicación del Cálculo a la vida cotidiana del alumno. 28 Sin embargo, aun cuando el objetivo de todo el curso de Cálculo sea llegar a una aplicación en el mundo real, esto no significa que cada uno de los temas que conforman el programa de esta asignatura pueda llevarse a cabo mediante enseñanza situada, y este es el caso en el tema de límites. Si bien es posible hacer una analogía con un ejemplo de algún límite de la vida cotidiana, como el ejemplo del límite de velocidad que se utiliza en la secuencia didáctica, esto no es suficiente para considerar este tema como uno que pueda ser contextualizado. Aun así, esto no disminuye la importancia que tiene este tema dentro del Cálculo mismo, ya que su valor se encuentra en la construcción de otros conceptos clave y no en su aplicación práctica. Esto lo reafirma Ángel Díaz Barriga (2003) en su trabajo: Por otra parte, quienes interpretan el campo curricular desde las diversas perspectivas de la vida cotidiana, descubren una insospechada riqueza en la vida escolar que reclama ser conocida. Sus diversos instrumentos de aproximación les permiten dar cuenta de una serie de acontecimientos sobre los cuáles no se ha reflexionado. Ello los lleva a buscar modelos de conceptualización de esta realidad que en ocasiones resultan “abigarrados”; sin embargo, establecen un rigor conceptual en un lugar donde lo que impera es el acontecimiento educativo en sí. En estricto sentido debemos reconocer que no siempre logran esta tarea; tampoco ofrecen un análisis que permita una mejor comprensión del acontecimiento educativo. En parte porque las conceptualizaciones densas al final de cuentas impiden iluminar lo que acontece en el aula, y porque en ocasiones se pierden en la descripción de sus observaciones con interpretaciones simples y puntuales a hechos complejos. Ciertamente consideran “absurda” la pretensión de establecer una organización curricular, pues sus estudios muestran que existe una “contra- organización” que surge en el aula, en la relación cotidiana entre docentes y estudiantes. De igual forma extienden comentarios críticos que desconocen cualquier otra opción curricular. (p.9) De esta forma, no todos los temas se prestarán para ser situados o contextualizados, por lo que se deberán elegir otros métodos de enseñanza que den al alumno un sentido y significado de éstos, pero ya no en la vida cotidiana, sino dentro de la misma matemática. Esto es, su importancia radicará en su valor puramente 29 matemático (la aplicación que tienen dentro de la misma matemática) y en las habilidades que estos temas puedan desarrollar en los alumnos. 2.2.1 Desarrollo de habilidades matemáticas. Al aprender Cálculo se desarrolla en los alumnos una forma de pensamiento y de lenguaje muy particular ya que se analizan diferentes tipos de relaciones, se utilizan diferentes sistemas de representación, se plantean conjeturas y se argumenta la validez de éstas. Esto propicia que se puedan aplicar distintos recursos y estrategias que permitan la apropiación de los conceptos y procesos matemáticos en los tres contextos de aprendizaje: el puramente matemático,el del mundo real y el hipotético. En este aspecto, la RIEMS describe ocho competencias disciplinares básicas y extendidas que se abordan en este campo disciplinar13, de las cuales dos (argumentación e interpretación) serán de particular importancia para el trabajo de la secuencia didáctica: 1. Construir e interpretar modelos matemáticos mediante la aplicación de procedimientos aritméticos, geométricos y variacionales, para la comprensión y análisis de situaciones reales, hipotéticas o formales. 2. Formular y resolver problemas matemáticos, aplicando diferentes enfoques. 3. Explicar e interpretar los resultados obtenidos mediante procedimientos matemáticos y contrastar con modelos establecidos o situaciones reales. 4. Argumentar la solución obtenida de un problema con métodos numéricos, gráficos, analíticos o variacionales, mediante lenguaje verbal, matemático y el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. 5. Analizar las relaciones entre dos o más variables de un proceso social o natural para determinar o estimar su comportamiento. 6. Cuantificar, representar y contrastar experimental o matemáticamente las magnitudes del espacio y las propiedades físicas de los objetos que lo rodean. 13 Programa de Estudios de Matemáticas. Bachillerato Tecnológico. Componentes de formación básica y propedéutica. SEP, México. 2013. p. 10. 30 7. Elegir un enfoque determinista o uno aleatorio para el estudio de un proceso o fenómeno, y argumentar su pertinencia. 8. Interpretar tablas, gráficas, mapas, diagramas y textos con símbolos matemáticos y científicos. Estas competencias representan las habilidades que pueden ser desarrolladas por los estudiantes en los contenidos de los distintos cursos de matemáticas del bachillerato, entre los que se encuentra el programa de Cálculo. En específico, el tema de Límites en el que se basa la secuencia didáctica se relaciona con la argumentación de la solución de un problema mediante métodos numéricos, gráficos y algebraicos para la obtención del límite de una función, lo que lleva a la interpretación de tablas, gráficas y texto matemático. En la secuencia didáctica, se abordan estas habilidades al trabajar con diferentes representaciones del concepto de límite (gráfica, tabular y algebraica) y los distintos métodos de obtención del límite para cada caso. Al ser este listado propuesto por la RIEMS, se espera que en los distintos subsistemas de la EMS se desarrollen las mismas habilidades. Por ejemplo, en el caso del programa del Colegio de Ciencias y Humanidades de la UNAM, son seis las habilidades a desarrollar que se enlistan en el programa de estudios de Cálculo14, de las cuales dos (formalización matemática y visualización espacial) serán las involucradas en la secuencia didáctica: • Estimación: identificar el rango de valores en los que puede estar un resultado, redondear cantidades para facilitar operaciones y contar así con una apreciación del resultado de estas. • Generalización: percibir relaciones, formas y estructuras; distinguir lo relevante de lo irrelevante y lo común de lo diferente. 14 Programas de Estudio. Área de Matemáticas. Cálculo I–II. CCH, México. 2016. p. 8. 31 • Formalizar “material matemático”: operar con estructuras más que con el contexto de una situación, operar con numerales y símbolos, combinando reglas y estrategias. • Reversibilidad de pensamiento: invertir una secuencia de operaciones o un proceso de pensamiento. • Flexibilidad de pensamiento: disponibilidad para abandonar estereotipos o procedimientos en los que se ha tenido éxito para utilizar otros nuevos. • Visualización espacial: percibir esquemas geométricos contenidos en otros más complejos, o bien adelantar mentalmente el tipo de figura resultante al aplicar algún movimiento o transformación a una figura dada. Como se mencionó, el tema de Límites se relaciona especialmente con dos de las habilidades anteriores, la formalización matemática y la visualización espacial. Para su desarrollo, en la secuencia didáctica se utiliza tanto el lenguaje matemático (resolución algebraica), como su representación gráfica (visualización con GeoGebra) para la construcción del concepto de límite y sus teoremas. Mediante la aplicación de esta secuencia didáctica, se espera desarrollar en los alumnos estas habilidades matemáticas. Esto es esencial no sólo en el aspecto educativo o matemático, ya que estas habilidades les servirán a los alumnos para afrontar las problemáticas de la vida cotidiana. 2.2.2 Desarrollo de procesos cognitivos. El estudio del Cálculo (y del límite) no sólo desarrolla habilidades matemáticas en los estudiantes, también están involucrados procesos cognitivos que afectarán el grado de aprendizaje de los contenidos temáticos. Estos procesos mentales podrán desarrollarse al mismo tiempo que sus habilidades matemáticas. Sin embargo, como 32 estos procesos no pueden observarse directamente, se deberán analizar diferentes aspectos que proporcionen información de éstos. Uno de los aspectos en los que se hace especial énfasis es en estudiar las dificultades de aprendizaje de los estudiantes: identificar las causas para determinar una solución. En el caso específico del Cálculo, al estar fundamentado sobre los conceptos de función y límite, será de gran ayuda entender las dificultades inherentes de estos dos conceptos. Asimismo, es necesario conocer las dificultades u obstáculos generales hacia las matemáticas entre las que se encuentran: “el poco uso de la visualización y la estimación numérica, el estudio de estrategias en la resolución de problemas, el razonamiento bajo hipótesis y el papel de los métodos e ideas del cálculo en la modelación matemática” (Cantoral, 1993, p.9). Algunas de estas dificultades son las que se pretenden aminorar entre los estudiantes al aplicar la secuencia didáctica, en especial el problema de visualización matemática del que se hablará con mayor detalle posteriormente. Uno de los aspectos esenciales, es que se deben de tomar en cuenta los distintos estilos cognitivos utilizados en el aprendizaje de los alumnos, esto es, las diferencias en los modos o estilos de actuación cognitiva que se presentan en la comprensión y en la resolución de problemas cognitivos (Zapata, 2010). Estas diferencias en los estilos cognitivos se deben a que cada uno de los estudiantes es distinto y se inclina por un estilo en particular, lo que implica que cada uno de ellos capta la información de un modo y a un ritmo distinto. Es decir, se debe tener siempre presente que no todos los estudiantes aprenden de la misma manera y que esto puede afectar su desempeño. Como explica Zapata (2010), el profesor debe ajustar periódicamente sus procedimientos 33 en el salón de clases con el objetivo de atender estas diferencias individuales en los alumnos. Esta es una de las razones por la cual en esta secuencia didáctica se pretende salir de la enseñanza tradicional centrada en el profesor y utilizar otros métodos de enseñanza que permitan cubrir una mayor cantidad de estilos cognitivos. Para esto, en la secuencia didáctica la exposición verbal del profesor (estilo auditivo) se auxilia de materiales visuales (estilo visual) como las gráficas que realiza el profesor y las que manipulan los mismos alumnos en GeoGebra (estilo kinestésico). También se busca que el estudiante utilice tanto el pensamiento deductivo como el inductivo, un ejemplo de esto en la secuencia es en la presentación de las propiedades de los límites (que deberán inducir mediante diversos ejemplos) y cómo se utilizan para obtener el límite de una función. Con esto se desea que, independientemente del estilo cognitivo del alumno, éste sea capaz de adquirir el conocimiento que se le requiere transmitir. Otro aspecto importante es el desarrollo del pensamiento matemático avanzadoque es necesario en un curso de Cálculo, ya que éste implica también el desarrollo de la reflexión y la creatividad del alumno, además de la justificación de sus procedimientos, ya sean matemáticos o no. Este pensamiento reflexivo y creativo del alumno se desarrolla al propiciar que éste analice la problemática, que busque y proponga soluciones para resolverla. Por ejemplo, en la resolución de límites indeterminados el estudiante deberá analizar el significado de la indeterminación y buscar otros métodos de resolución que permitan obtener el límite deseado. Como lo explica Cantoral: La justificación está vinculada con la prueba, se ocupa de ordenar esos aspectos creativos en secuencias lógicas con al menos dos objetivos: verificar la naturaleza de esas realizaciones mentales y comunicarlo a una comunidad. 34 El pensamiento matemático avanzado no trata exclusivamente de cómo se argumenta y justifica en matemáticas. (p.17) Este tipo de pensamiento avanzado implica diversas dificultades, por lo que los profesores simplifican la teoría para presentársela al alumno de la manera más intuitiva posible. Es decir, se le presenta a los alumnos una versión diluida del contenido matemático, y se espera que esto permita al alumno comprenderlo de mejor forma. Sin embargo, muchas veces el término intuitivo se confunde con una simple falta de rigurosidad matemática que puede provocar un problema mayor (Tall, 1985). Así, un desarrollo cognitivo apropiado deberá llevar a demostraciones que sean intuitivas, pero lo suficientemente rigurosas (en el sentido de utilizar el lenguaje matemático correcto en cada paso del proceso) para permitir al estudiante comprender la información que se le presente y sus diferentes representaciones. En el caso de la secuencia didáctica, el concepto de límite se le presenta al alumno de una manera intuitiva (en términos de visualización al trabajar con la representación geométrica, algebraica y tabular del límite y la relación entre ellas), pero también de una forma rigurosa al justificar cada paso mediante el lenguaje algebraico. Esto significa que lo ideal es lograr un equilibrio en tres aspectos clave del Cálculo: el representativo (dibujar gráficas), el axiomático (definir conceptos) y el simbólico (manipular fórmulas); esto incluye de igual forma a los límites. Como explica Tall (2008), las matemáticas se construyen en tres diferentes mundos: el conceptual-representativo (percepción de propiedades en el mundo real), axiomático-formal (definiciones y demostraciones) y el proceptual-simbólico (procesos y conceptos). Aun cuando la secuencia didáctica en algún momento está presente en cada uno de estos mundos, es 35 en este último mundo proceptual-simbólico en el que se llevará a cabo la mayor parte de dicha secuencia, al enfocarse en la presentación del concepto de límite y los procesos que se llevan a cabo para su cálculo. Una de las formas de cubrir las características de estos mundos, es utilizar software gráfico que permita visualizar cómo se construyen los conceptos y cómo se relacionan con su representación gráfica, de manera que esto propicie una mejor comprensión de los conceptos para que, a su vez, pueda realizar los procedimientos relacionados con ese concepto. 2.2.3 Importancia de la visualización matemática. Como se mencionó en el primer capítulo, la gran mayoría de los problemas en el proceso de enseñanza-aprendizaje del tema de límites se relaciona con problemas de visualización matemática, es decir, la habilidad de los alumnos para entender, manipular y hacer la conversión entre las diferentes representaciones de un concepto o problema. Es por esta razón que es preciso prevenir este problema en la medida de lo posible, ya que como se dijo antes, esto también dependerá de los estilos cognitivos de los estudiantes. La visualización se refiere a la representación de un concepto abstracto e inaccesible a la visión, por lo que requiere dar características visuales a algo que no lo es. La visualización es entonces, una actividad cognitiva que es intrínsecamente semiótica, es decir, no es física ni mental (Duval, 1999). Una representación semiótica muestra las relaciones o la organización de relaciones entre unidades 36 representacionales, y éstas pueden ser figuras en dos o tres dimensiones, coordenadas, proposiciones o palabras. Duval (1999) considera como esencial el uso de sistemas de representación semiótica para el pensamiento matemático, ya que la única forma de tener acceso a los objetos matemáticos es mediante la producción de algunas representaciones semióticas. Además de esto, también explica que cada una de las representaciones es parcial respecto al concepto que representan, por lo que es imperativa la interacción entre estas representaciones para la construcción de los conceptos matemáticos. Dicho de otro modo, ninguna de las diferentes representaciones de un concepto alcanza a exponer todas sus características. Esta es una de las razones por las que en la secuencia didáctica se utilizan tres representaciones del concepto de límite: la gráfica, la tabular y la algebraica. Respecto al aprendizaje en matemáticas, Duval afirma que éste no progresará de manera adecuada si los estudiantes no comprenden cómo funcionan los diferentes registros de representación semiótica. De este modo determina los tres requerimientos para el aprendizaje de las matemáticas, sin los cuales no se dará una verdadera comprensión matemática: 1. Comparar representaciones similares con el mismo registro para distinguir valores relevantes dentro de un entendimiento matemático. 2. Convertir una representación de un registro a otro. 3. Distinguir su funcionamiento para entender el proceso matemático que se lleva a cabo en el registro. Esto significa que no sólo basta con comprender cada una de las representaciones de un concepto, sino que es necesario hacer una correlación entre ellas, de tal forma 37 que los estudiantes puedan trabajar con cualquier representación semiótica y cambiar de representación de ser necesario. En caso anterior para límites, los estudiantes deberán ser capaces de utilizar, comparar y hacer conversiones entre las representaciones gráfica, tabular y algebraica. Es por esto por lo que es vital que los estudiantes desarrollen habilidades relacionadas con la visualización matemática, con las que puedan complementar al sistema de representación algebraica que se utiliza mayormente en la actualidad. Adicionalmente, el uso de diferentes representaciones tiene un papel fundamental en la resolución de problemas. Como mencionan Zimmermann y Cunningham (citados en Hitt, 1998): …en la visualización matemática lo que interesa es precisamente la habilidad del estudiante para dibujar un diagrama apropiado (con lápiz y papel, o en algunos casos, con computadora) para representar un concepto matemático o problema y para usar el diagrama para el logro del entendimiento, y como una ayuda en la resolución de problemas. (p.26) Para lograr que los estudiantes usen diferentes representaciones de un concepto matemático, y que puedan pasar de una representación a otra, una herramienta de gran utilidad es el uso de la tecnología. No obstante, el simple hecho de usar tecnología no implica que los estudiantes serán capaces de hacer conversiones entre estas representaciones. El uso de la tecnología debe ser reflexivo y creativo, de modo que permita dar un significado concreto a las nociones matemáticas y que, por lo tanto, la construcción de los conceptos se de a través de la coordinación de diferentes sistemas semióticos de representaciones del concepto en cuestión (Hitt, 1998, 2003c). Esto implica que el papel del docente es fundamental en este aspecto ya que, sin la guía 38 adecuada para los alumnos, el uso de la tecnología deja de ser una herramienta para
Compartir