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1 UN ESTUDIO ACERCA DE LA CONSTRUCCIÓN DEL CONCEPTO DE FUNCIÓN, VISUALIZACIÓN. EN ALUMNOS DE UN CURSO DE CÁLCULO I . 2 UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA NACIONAL FRANCISCO MORAZÁN VICERRECTORIA DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DIRECCIÓN DE POSTGRADO UN ESTUDIO ACERCA DE LA CONSTRUCCCIÓN DEL CONCEPTO DE FUNCIÓN, VISUALIZACIÓN. EN ALUMNOS DE UN CURSO DE CÁLCULO I Tesis para obtener el título de Máster en Matemática Educativa Tesista Licenciada: MELBA ILENIA ZÚNIGA LÓPEZ Asesor de Tesis Dr. FERNANDO ANTONIO HITT ESPINOSA Tegucigalpa, M.D.C., Mayo, 2009 3 RECTORA MSc. Lea Azucena Cruz Cruz VICERRECTOR ACADÉMICO MSc. David Orlando Marín VICERRECTOR DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO Dr. Truman Bitelio Membreño VICERRECTOR DE EDUCACIÓN A DISTANCIA MSc. Gustavo Cerrato VICERRECTOR ADMINISTRATIVO MSc. Hermes Alduvín Díaz SECRETARIA GENERAL MSc. Iris Milagro Erazo Tábora DIRECTORA DE POSTGRADO Dra. Jenny Margoth Zelaya Tegucigalpa, Mayo, 2009 4 Mi agradecimiento a Dios y a la Virgen María por su protección, provisión y compañía incondicional. A autoridades de la U.P.N.F.M., director y alumnos de la UNICAH- Choluteca, compañeros de generación, catedráticos, amigos. 5 Lo dedico a A mi madre por su apoyo, por no cansarse de esperar. A mis hermanos, quienes a pesar de todo, son mis admiradores. A la memoria de mi padre, por su amor eterno y admiración, no importa cuánto tiempo pase, siempre te recordaré con amor, papá. 6 Mi especial reconocimiento, gratitud y admiración Al Doctor Fernando Antonio Hitt Espinosa, quien con mucha gentileza y escamoteando tiempo a sus múltiples compromisos académicos, proporcionó su colaboración, orientación, conocimientos, cada momento, resultando para algunos inexplicable. De igual manera a los integrantes de mi terna Ivy Green Arrechavala, Marco Antonio Santillan, Jose Adalid Gutierrez, Y les digo,… que sin ellos, sin su apoyo, sin su amor, sin su amistad, me hubiese sido más difícil lograrlo. Melba Ilenia Zúniga López 7 CONTENIDO páginas INTRODUCCION ……………………………………………………………….8-10 CAPITULO 1: Problema de investigación 1.1 Presentación ………………………………………………………………13-16 1.2 Justificación ……………………………………………………………...17-23 1.3 Objetivos de la Investigación ………………………………………………..23 1.4 Preguntas de Investigación …………………………………………………..23 CAPITULO 2: Marco Teórico 2.1 Enfoque Constructivista de la Enseñanza ………………………….27-29 2.2 Algo de Historia acerca del Concepto de Función ...………………29-34 2.2 Concepto de Función. Definición. Aspectos Cognitivos …..………34-44 2.3 Visualización Matemática …………………………………………….44-48 2.4 Representaciones Semióticas …...…………………………………..48-57 CAPITULO 3: Metodología de Investigación 3.1 Tipo de Investigación ……………………………………………………..60 3.2 Población y Muestra ………………………………………………………60 3.3 Metodología ……….……………………………………………………….60 3.4 Instrumentos de Investigación ..……………………………………..61-62 CAPITULO 4: Análisis e Interpretación de Resultados 4.1 Análisis e Interpretación de Resultados …………………………..65-136 CAPITULO 5: Conclusiones 5.1 Conclusiones………………………………………………………..134-137 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ANEXOS Ejercicio diagnóstico Actividades de Aprendizaje 8 INTRODUCCION La mirada del poeta proyecta en lo visible formas de objetos desconocidos, y su palabra dá a las nadas inasibles un lugar y un nombre. Le songe d’ une Nuit d’été, V, 1. Este proyecto de investigación surge a partir de sugeridas líneas de investigación entre las que se mencionan: historia de las ideas matemáticas, obstáculos epistemológicos, ambientes computacionales, técnicas y herramientas didácticas, estudios acerca de dificultades en el aprendizaje del álgebra, la geometría, el cálculo, resolución de problemas, sistemas de representaciones y visualización, entre otras. Para la realización de esta propuesta, se tiene como sustento los marcos teóricos de sistemas de representación semiótica y de visualización; y para ello se ha adoptado principalmente, las ideas sobre significados y experimentos referentes a sistemas de representación semiótica y de visualización expuestos por Hitt (1994-2008) y Duval (1993, 1995, 1998); particularmente. Sabemos que el concepto de función es de importancia fundamental en la enseñanza de las matemáticas, pues aparece en el pensum de secundaria y de los cursos de matemática I, precálculo, cálculo, por mencionar algunos, lo que es validado por Eisenberg (1992, p.174), quien expone: “la noción de funciones desarrolla un sentido en los estudiantes que debe ser el principal objetivo de los currículos de secundaria y bachillerato”. (citado por Hitt, 1998) Por medio de este estudio, se intenta mostrar las dificultades que presentan los estudiantes en la construcción del concepto matemático como es el de función, así como también las capacidades y debilidades en cuanto a tareas de interpretación, articulación de representaciones y de visualización, ya que en su enseñanza se ha tendido a sobrevalorar los procedimientos analíticos y de algoritmización (acercamiento procedural de la enseñanza), dejando de lado los argumentos visuales que son de apoyo en el aprendizaje significativo (acercamiento conceptual de la enseñanza), de igual manera se limita a un solo registro de representación; para lo 9 cual se diseñaron actividades que involucran dichas tareas que nos permiten explorar estas dificultades, capacidades y debilidades. Una de las características que ha llevado a dicho estudio es el hecho de que las representaciones (verbal, algebraica, gráfica, tabular) son sistemas simbólicos muy diferentes que se articulan de tal forma en cuanto a construir y definir conjuntamente el concepto matemático de función. Hacer un análisis de las preguntas planteadas, permite proponer este estudio que conlleve a mostrar errores cometidos por alumnos del curso de Cálculo I, que muestran una construcción deficiente del concepto de función. En general nuestra investigación, intenta elucidar sobre los procesos de visualización que realizan los estudiantes frente a una tarea dada en relación al concepto de función. Partiendo de lo anterior, surgen interrogantes acerca de ¿De qué naturaleza son los procesos de visualización de los alumnos con respecto del concepto de función? En forma específica, ¿Qué dificultades presentan los alumnos en las tareas de tratamiento y de conversión entre representaciones respecto a funciones? Haciendo mención de algunas. La presente tesis se estructura en 5 capítulos: problema de investigación, marco teórico, metodología de investigación, análisis e interpretación de resultados y conclusiones. El capítulo 1 “El problema de investigación”, presenta la manera en que se concibe el problema de investigación, ideas de cómo surge, en qué consiste la propuesta de estudio, qué se pretende con su realización y por qué se considera necesario llevar a cabo el estudio en mención. Así también se dan a conocer los objetivos que se persiguen y las preguntas sugeridas para encontrar respuesta a través de la realización de dicha investigación. El capítulo 2 “Marco Teórico”, resume las principales referencias teóricas del trabajo de investigación; de tal manera que considerándose en nuestro sistema educativo el enfoqueconstructivista como modelo de enseñanza, primeramente se presenta un extracto referente al enfoque en mención, seguidamente se expone acerca del 10 concepto en cuestión, algo de historia que conlleva a su definición, y aspectos acerca de su adquisición como conocimiento matemático significativo; y debido a que el tema de estudio está enfocado hacia la visualización, se ha creído conveniente y sobre todo necesario, hablar sobre esta teoría del pensamiento. De este modo, aquí encontraremos algunos puntos de vista sobre la visualización como un proceso del pensamiento matemático, revisando algunas posturas de teóricos sobre este menester, para después acercarnos y estudiar la teoría de semiosis, esto porque las representaciones semióticas están fuertemente ligadas con la visualización. El capítulo 3 “Metodología de investigación”, describe los aspectos de carácter metodológico del trabajo de investigación, cada una de las tareas que se han de realizar durante el proceso de investigación. De igual manera se explican los instrumentos aplicados para la recolección de datos que se utilizan en el proceso de investigación. En el capítulo 4 “Análisis e interpretación de resultados”, se muestran los datos generados en el proceso. Para este análisis se toma como punto de partida el conjunto de respuestas de los estudiantes a distintas tareas incluidas en las actividades asignadas. En el capítulo 5 “Conclusiones”, se da una interpretación de los resultados obtenidos de la investigación, en relación con los objetivos propuestos y del contexto en que se desarrolla en correspondencia con el marco de referencia. Termina listando todas las referencias bibliográficas utilizadas para el desarrollo de la investigación y, posteriormente aparecen los anexos que son de utilidad para el entendimiento de los datos, las ideas y resultados de este trabajo. 11 CAPITULO 1 12 PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 13 1.1 Presentación El presente es un estudio sobre el aprendizaje de diferentes aspectos relacionados con el concepto de función, realizada con alumnos del curso de Cálculo I de la Universidad Católica de Honduras, Campus Dios Espíritu Santo, de la ciudad de Choluteca; cuya finalidad principal es aportar al desarrollo del pensamiento matemático en el alumnado, en concreto sobre los razonamientos que utilizan y las estrategias que aplican los estudiantes para resolver cuestiones relacionadas con la construcción del concepto de función, visualización y la conversión de sus diferentes representaciones. Como lo señala Dreyfus (1990), uno de los campos de investigación actual se centra en el estudio de las dificultades que presentan los alumnos en procesos ligados a la visualización, tanto a los que se refieren a la interpretación que se hace a través de un gráfico por ejemplo, así como también de los distintos subconceptos ligados al concepto de función. (citado por Hitt, 2003) Tomamos entre otras, como referencias significativas, Hitt (1994, 1998, 2003, 2005, 2008); Duval (1993, 1995, 1998); De Guzmán (1996), Leinhardt (1990); Cuesta (2007); Santos y Agüero (2002); donde se revisan de manera exhaustiva las investigaciones sobre funciones centradas en visualización, representaciones semióticas, construcción de conceptos. Consideramos necesario entonces el preguntarnos y encontrar respuesta a: ¿Por qué debemos desarrollar habilidades en nuestros estudiantes sobre la visualización matemática? ¿Cómo induce, cómo genera el profesor la construcción del concepto de función en sus alumnos? Más aún ¿Qué importancia tienen las diferentes representaciones en la adquisición de este concepto? Y, ¿Qué habilidades poseen los alumnos para comprender dicho concepto? La visualización ha estado generalmente considerada sólo como un soporte que ayuda a la intuición y formación del concepto en el aprendizaje matemático, pero 14 desde hace pocos años, muchos matemáticos han reconocido la importancia del razonamiento visual no sólo en el descubrimiento, sino también en la descripción y justificación de resultados. Pues, la visualización también juega un papel importante en el desarrollo de las estructuras cognitivas del alumno y un papel esencial en el pensamiento matemático. Eisenberg y Dreyfus (1990) (citados por Hitt, 2003) nos han mostrado que existe una resistencia por parte de estudiantes y profesores a visualizar en matemáticas. Existen muchas investigaciones que nos muestran de manera contundente que los estudiantes de diferentes niveles educativos tienen una gran resistencia a utilizar diferentes representaciones que podrían ayudarlos tanto en la construcción de conocimiento matemático como en la resolución de problemas. Y, ¿Qué debemos entender por construcción, entonces? Al respecto Leinhardt (1990) dice que: “entendemos por construcción, aquella acción en la que el alumno debe generar una cosa nueva. Hay que tener en cuenta que, mientras una interpretación no requiere ninguna construcción, una construcción se apoya a menudo en algún tipo de interpretación (acción en la que el alumno obtiene significado o información a través de un lenguaje determinado)”. El estudio del concepto de función, su enseñanza y aprendizaje está propuesto en el currículo de nivel de secundaria y sigue siendo desarrollado en el nivel superior ocupando un lugar importante en la enseñanza, por lo que consideramos no debería presentar ningún obstáculo para su aprendizaje, para su comprensión. Sin embargo, experimentaciones han evidenciado que no se plantean situaciones didácticas orientadas a la construcción paso a paso de los numerosos conceptos relacionados con las funciones y al manejo simultáneo de los distintos lenguajes de representación de una función, sino lo que se hace generalmente es proporcionar al alumno una serie de pasos o procedimientos que permitan resolver ejercicios y problemas estandarizados. Siendo precisos, la representación de funciones todavía se reduce al trazado de la gráfica de una función dada en una expresión algebraica, representación que se hace siguiendo unos pasos previamente determinados (punto por punto, puntos de intersección, asíntotas, etc.) utilizando técnicas relativas a algoritmizar el paso del lenguaje algebraico a gráfico. 15 Si bien es cierto, en investigaciones sobre la enseñanza y aprendizaje de las matemáticas al estudiar un objeto matemático, se ha puesto en primer plano la incorporación de manera sistemática de diversas representaciones, pero tales estudios no han enfatizado en la operación de pasar de una representación a otra; a lo que Duval (1998) en su teoría sobre registros de representación semiótica llama a esa operación conversión, la cual involucra un cambio de registro, es una actividad cognitiva fundamentalmente necesaria para lograr una aprehensión conceptual de los objetos matemáticos. No podemos decir que esta operación de conversión no haya sido considerada en la enseñanza pero, en la particularidad del concepto de función se ha centrado como hemos mencionado en párrafos anteriores solamente en la conversión del registro algebraico al gráfico, es mas sólo en esa dirección, limitando de esta manera a lo que Duval define como tratamiento, siendo esto la operación de transformar una representación en otra dentro de un mismo registro. Por lo anterior, una de las intenciones en este estudio, en relación al concepto de función, es el promover la conversión del registro gráfico al registro algebraico, al registro verbal, siendo cada uno de estos en un momento un registro de partida y el otro un registro de llegada. Podemos considerar que el uso por los estudiantes de tratamientos propios de estos registros favoreceráno sólo una aprehensión perceptual de las funciones, sino también una aprensión operatoria y conceptual, siendo tales actividades un medio para promover un aprendizaje significativo en el estudiante. Se puede decir entonces que, esta investigación se fundamenta en procurar situaciones que den cuerpo a los contenidos propiamente matemáticos, en el tema que nos ocupa, lo cual consiste en la utilización del lenguaje natural, algebraico, tabular, gráfico, como elementos primordiales para lograr un conocimiento o aprehensión significativa del concepto de función y, siempre que sea posible utilizar más de un lenguaje a la vez y, hacer el paso de un lenguaje a otro, procurando en los alumnos tareas de interpretación, de conversión y de construcción del concepto, siendo esta la finalidad concreta y esperada. Lo anterior permite explorar qué dificultades afrontan los alumnos en cuanto a la construcción del concepto de función, puesto que dicho concepto es fundamental en el aprendizaje de estudios matemáticos posteriores, como ya se ha mencionado. Un 16 alumno que no ha desarrollado habilidades visuales ligadas a la construcción de conceptos, y en particular el que promueve este estudio, presentará grandes dificultades en el entendimiento, es mas podemos afirmar no podrá lograr entender cálculo, exponiendo esto como un claro ejemplo. Diversas experimentaciones realizadas por investigadores en matemática educativa y nuestra experiencia docente, nos permite confirmar que los estudiantes presentan mayor dificultad al pasar del registro gráfico al algebraico, al respecto Duval dice: Esta conversión exige que se discriminen las unidades significantes de cada registro, es decir, es necesario identificar bien en el registro gráfico las variables visuales pertinentes con sus diferentes valores y, en la escritura algebraica de una relación, las diferentes oposiciones paradigmáticas que dan significación, y no solamente un objeto, a los símbolos utilizados.(Duval, 1998) No sólo es importante entender las dificultades para manipular una de las representaciones, también lo es el análisis de las tareas de conversión entre representaciones que debemos proponer a nuestros estudiantes. Es por ello que exhortamos a los profesores de matemáticas para incorporar, promover y desarrollar el proceso de visualización en el aula con los estudiantes. 1.2 Justificación Refiriéndonos al concepto de función no nos cabe duda que es de importancia fundamental en la enseñanza de las matemáticas, es muy utilizado en la enseñanza media y superior, ya que es un concepto básico para cursos siguientes; por lo que profesores y alumnos deben saber que es indispensable su comprensión para el aprendizaje de conceptos más avanzados como en el caso del cálculo. Pero diferentes investigaciones muestran las dificultades que presenta para los alumnos su comprensión, implica pues, un motivo más para realizar dicho estudio que nos proporcione una alternativa para su aprendizaje. Investigaciones recientes que intentan explicar los fenómenos ligados al aprendizaje de las matemáticas han mostrado lo complejo que puede ser la adquisición de conocimientos. Las metodologías de investigación para analizar la construcción de conceptos matemáticos cada vez son más finas, y los resultados de investigación nos muestran que, en general, debemos abordar esta problemática desde varios puntos de vista. Uno, de corte general, que tiene que ver con la adquisición de conocimiento y 17 consideraciones teóricas sobre la construcción de conceptos matemáticos; y otro, que tiene que ver directamente con la complejidad intrínseca del concepto matemático en cuestión. (Hitt, 2003, p.214) Desde una perspectiva teórica, Duval señala que: Estamos en presencia de lo que se podría llamar la paradoja cognitiva del pensamiento matemático: por un lado la aprehensión de los objetos matemáticos no puede ser otra cosa que una aprehensión conceptual y, por otro lado, solamente por medio de las representaciones semióticas es posible una actividad sobre los objetos matemáticos. (Duval, 1998, p.175) De nuevo la interrogante: ¿Por qué debemos desarrollar habilidades en nuestros estudiantes sobre la visualización matemática? Supongamos que proponemos a nuestros estudiantes que resuelvan la siguiente ecuación(1): Nuestra experiencia nos indica que en general este tipo de ejercicios es difícil para los estudiantes de enseñanza media y en un buen porcentaje para los de universidad, ¿Por qué?; como ya se ha mencionado antes, los estudiantes están acostumbrados a trabajar en el sistema algebraico por lo que son propensos a cometer errores que dificultan sus procesos de resolución. Un ejemplo de actuación sería transformar la expresión , en la expresión x −1( )2 = x +1( )2 y obtener que , llegando a que y, de aquí inferir resultados contradictorios. Una gráfica como la de la figura (1) seguramente les plantearía la necesidad de revisar su proceso algebraico: FIGURA 1 1 Ejemplo tomado de Hitt, 2003. 18 Hasta ahora nos hemos referido a la dificultad en los estudiantes, pero a continuación presentaremos un ejemplo claro de experimentación educativa, (en donde la visualización es un elemento primordial para el aprendizaje) que nos muestra dificultades que tienen los profesores, veamos: En una experimentación (2) con una muestra de 9 profesores de enseñanza media, se les solicitó que diseñaran una clase del tema que ellos quisieran, sin utilizar notas o libros. Uno de los 9, que participaron en esa experimentación, seleccionó el tema de función lineal. He aquí lo que presentó: Propuesta del profesor (transcripción fiel) Que el alumno determine la representación algebraica del siguiente problema: “La edad del padre de Juan es el doble de la edad de este dentro de 5 años” y= edad del padre de Juan; (variable dependiente) x= edad de Juan; (variable independiente) Modelo algebraico logrando que el alumno indique esto; tan solo una de sus compañeras enunció dicho problema, con lo que ellos mismos determinaron que la edad del padre estaba en función de la edad del hijo. Estableciendo la representación algebraica del problema, podremos asignarle a Juan una serie de edades de la siguiente forma: Si Juan no ha nacido ¿Cuál es la edad de su padre? Así que para cuando Juan tiene, 10, 15, 20 años ¿Cuál será la edad del padre? Para cuando Juan tiene 10 años la edad de su padre es de 25 años. Para cuando Juan tiene 15 años la edad de su padre será de 35 años Para cuando Juan cumpla 20 años mayor de edad, la edad de su padre será de 45 años. Por medio del ejemplo anterior lo podremos interpretar gráficamente por medio de parejas ordenadas, donde: Obteniendo los siguientes puntos y denotándolos por: Interpretación El enunciado tal como se presenta parece más cercano a una interpretación algebraica como , que difiere de la proporcionada por el profesor. Pero el punto más importante es que en realidad el profesor está planteando una ecuación y no una función. ¿Tendrá claro el profesor la diferencia entre ecuación y función? Por la manera que el profesor presenta su ejemplo, pareciera que está proporcionando un ejemplo que efectivamente él desarrolló en el aula. ¡Si Juan tiene un año, el padre tendrá 6 años! El 2 Ejemplo tomado de Hitt, 2005, págs.83-85 19 Elaborando una gráfica en el sistema cartesiano, de la forma: 1 110 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 Obteniendo el siguiente diagrama sagital: Regla de CorrespondenciaD cD 2x+5 De tal forma que la gráfica obtenida corresponde a una gráfica de una línea Recta a la cual se le llamará “Función lineal”, de la misma forma se observará que para cada valor de le corresponde al menos una , con lo que se le puede inducir que corresponde a una función inyectiva; los valores de D (dominio) van de uno menor a uno mayor de tal forma que decimos que la función es creciente, y como para cada valor que le asignemos a , existe un valor para , con lo cual la definimos como continua para , continua. Podremos dejar que el alumno encuentre y grafique: - La analogía de grados Centígrados a grados Fahrenheit, Graficándola y enunciando una serie de características de este ejemplo. - “Un móvil desarrolla una velocidad de cinco veces su distancia recorrida, menos cuatro metros en un tiempo determinado”, etcétera. profesor ha proporcionado un ejemplo irreal carente de lógica. El profesor pasa de caso discreto al continuo sin explicación alguna. ¿Qué significado le podemos dar a las edades negativas? El profesor regresa a una representación discreta sin explicar el por qué de ello. El profesor se contradice con la definición de función: “…para cada elemento del dominio le corresponde uno y solo un elemento del codominio…” Su definición de continuidad la considera equivalente a que la función esté definida en cada punto. Ambigüedad en el enunciado 0 5 10 15 20 5 15 25 35 45 20 Al parecer este profesor no se percata de las contradicciones lógicas en las que continuamente se encontraba, (¡un padre que a la edad de 6 años tenga un hijo de 1!) en resumen: “producto de la enseñanza, tendremos alumnos que frente a una contradicción, no generaran un conflicto cognitivo (reconocimiento de que algo anda mal) y su desempeño será bajo en la resolución de problemas”. (Hitt, 2005, p. 85) Los 2 ejemplos dados anteriormente nos permiten ver claramente que en efecto si existen dificultades en la comprensión del concepto de función, lo cual genera mayores conflictos en el entendimiento del cálculo, a lo que Hitt (1996) argumenta: “La dificultad que tienen los alumnos y algunos profesores de enseñanza media para desarrollar un entendimiento profundo del concepto de función es que generalmente se restringen a una manipulación algebraica que produce una limitación en su comprensión”. Los obstáculos para operar con la visualización por parte de los estudiantes al momento de estudiar algún concepto matemático, y en particular el de función, muestran la importancia de desarrollar la habilidad visual. Y, si tomamos en consideración los lineamientos teóricos de Duval (1993, 1995,1998), podemos ver que, para la construcción de conceptos matemáticos no es suficiente trabajar las actividades dentro de un solo sistema de representación, sino también realizar tareas de conversión de una representación a otra, es decir, la construcción es explicada a través de los registros de representación procurando la articulación entre las representaciones de esos registros, siendo estas las que propiciarán la construcción de conceptos matemáticos. Dicho de otra manera, debemos comprender que es absolutamente necesario contar con actividades de conversión de por lo menos dos registros de representación para que las representaciones en juego, proporcionen un soporte a la construcción del concepto en cuestión. Siendo así, el concepto de función es presto a ello, pues entran en juego el registro de representación de lengua natural, el de las expresiones algebraicas, tabulares, gráficas. Pero las investigaciones en educación matemática nos hacen saber que en general la representación algebraica es la preferida por los profesores. 21 En relación al concepto que nos involucra para el estudio, y muy particularmente refiriéndose a funciones lineales Duval (citado por Hitt, 2003), introduce la noción de variable visual y nos convence de la habilidad que inconscientemente hemos desarrollado sobre las variables visuales para analizar una gráfica y poder determinar su correspondiente expresión algebraica. Es decir, un estudiante que está en proceso de construcción de un concepto como el de recta y su representación algebraica, tendrá muchos problemas de aprendizaje si el profesor solamente solicita tareas de conversión de una expresión algebraica a su correspondiente gráfica. Que además, este proceso de graficar punto a punto causará un obstáculo para cuando se quiera leer una gráfica para encontrar su correspondiente expresión algebraica. Ya que, para este proceso inverso, es necesario que el alumno haya desarrollado la habilidad de una visión global del comportamiento de las rectas en su forma gráfica que tiene que ver precisamente con el carácter de las variables visuales de las que señala Duval (1988). Como bien lo señalan Eisenberg y Dreyfus (1991) que, aunque existen muchos partidarios de los beneficios que se pueden obtener de la visualización de los conceptos matemáticos, muchos estudiantes son renuentes a aceptarla, prefieren el trabajo algorítmico “más” que el pensamiento visual, aducen, que el pensamiento visual requiere de poner en juego procesos cognitivos superiores a los que demanda el pensamiento algorítmico. (citados por Hitt, 2003) Lo anterior nos sugiere la necesidad de buscar valorar la enseñanza y aprendizaje de las matemáticas, específicamente el concepto de función, a través de la conversión de representaciones de los registros algebraico, verbal, tabular, gráfico; proponiendo actividades que se puedan realizar con los alumnos, en las cuales manifiesten habilidades en el desarrollo de tareas que conlleven a visualizar y realizar las diferentes representaciones. Además, el uso de diferentes representaciones puede aclarar diferentes aspectos de un concepto o de sus relaciones con otros conceptos, modelar o interpretar fenómenos físicos, sociales y matemáticos. Por todo, nuestro interés específico se sitúa en la necesidad de realizar un estudio acerca del grado de visualización del concepto de función y sus diferentes representaciones, que tienen los alumnos del curso de Cálculo I de la Universidad Católica de Honduras, Campus Dios Espíritu Santo, de la ciudad de Choluteca, para 22 de esta manera contar con un argumento teórico que permita posteriormente generar propuestas didácticas, que conlleven a un proceso de enseñanza y aprendizaje de las matemáticas con adquisición de conocimientos significativos. 1.3 Objetivos de la Investigación El objetivo principal de este trabajo de investigación, es conocer cómo los estudiantes del curso de Cálculo I de la Universidad Católica de Honduras, Campus Dios Espíritu Santo, visualizan el concepto de función y su capacidad en los procesos de conversión en sus diferentes representaciones. Los objetivos específicos que persigue esta investigación son: Explorar y realizar un análisis acerca de las dificultades de los alumnos en cuanto a tareas de interpretación, de conversión y de construcción asociadas con funciones y sus representaciones verbal, algebraica, tabular, gráfica. Explorar y analizar las razones estructurales de los problemas de comprensión de los alumnos, sus capacidades de razonamiento, de análisis y de visualización. 1.4 Preguntas de Investigación ¿Qué dificultades presentan los alumnos de nivel superior sobre las tareas de interpretación, de conversión y de construcción asociadas con funciones y sus diferentes representaciones? ¿Cuáles son las capacidades y debilidades que manifiestan los alumnos del nivel superior en cuanto a la comprensión, razonamiento, análisis y visualización respecto a funciones y sus representaciones?23 CAPITULO 2 24 MARCO TEÓRICO 25 2. 1 Enfoque Constructivista. El tener conciencia del proceso educativo y de una dualidad que compete al mismo, por un lado la necesidad de explicitar una teoría científica que lo argumente y por otro una práctica que tome forma clara y precisa de las ideas, se ha dado hasta hace poco. De lo que resulta interesante saber cómo aprende el ser humano, de manera particular, cómo se logra el aprendizaje en nuestros alumnos. Desde el punto de vista constructivista el aprendizaje no tiene nada que ver con memorizar, automatizar, repetir, sino más bien aprender consiste en poner en juego o desarrollar las competencias que lo han hecho posible desde sus inicios como son: deducir, inferir, conjeturar, descubrir, resolver, argumentar, etc. En matemática educativa contamos con aportaciones teóricas que intentan explicar la construcción del conocimiento matemático desde posturas didácticas, cognitivas, sociales, lingüístico o antropológico entre otras. Los teóricos argumentan que debemos conocer como se aprende para de ahí derivar estrategias que propicien el aprendizaje. Ausubel (2002) dice: “El potencial cognitivo humano a diferencia de un ordenador no puede manejar con mucha eficacia información que se enlaza con él de manera literal.” Considera que, la condición más importante para que el aprendizaje sea significativo es que pueda relacionarse, de modo no arbitrario y sustancial, con lo que el alumno ya sabe. Esto implica que nunca se construye a partir de cero, sino sobre la base del saber que se ha construido hasta el momento y de las estructuras mentales alcanzadas. Así mismo, como lo menciona Catsigeras y Curione (2005): “paradójicamente la mayoría de las dificultades en el aprendizaje de los contenidos del curso de Cálculo… se encuentra en aquellos contenidos de la asignatura que son revisión de los últimos años de enseñanza secundaria.” (p.1) 26 Lo anterior, adquiere particular relevancia en el aprendizaje de la Matemática en el ámbito universitario, siendo el de nuestro interés, pues se requiere tanto de parte del alumno como del docente estrategias que promuevan el enlace significativo de los conceptos y subconceptos. Las teorías constructivistas del aprendizaje conciben el conocimiento como resultado de la interacción entre la nueva información y la información previa, construyendo modelos de interpretar la nueva información y no solo recibirla. El constructivismo parte de la idea de la construcción, para explicar o interpretar la manera como las personas adquieren el conocimiento. Dicho proceso de construcción depende según Carretero (1993, p.21) de dos aspectos fundamentales: � De los conocimientos previos o representación que se tenga de la nueva información o la tarea a resolver. � De la actividad externa o interna que el aprendiz realice al respecto. (citado por Díaz, F. 2002, p. 27) Diversos autores Piaget, Vigotsky, Ausubel entre otros; han postulado que es mediante la realización de aprendizajes significativos que el alumno construye. Se puede decir entonces que: La construcción del conocimiento escolar es un proceso de elaboración, en el sentido de que el alumno selecciona, organiza y transforma la información que recibe de muy diversas fuentes, estableciendo relaciones entre dicha información y sus ideas o conocimientos previos. Así, aprender un contenido quiere decir que el alumno le atribuye un significado, construye una representación mental por medio de imágenes o proposiciones verbales, o bien elabora una especie de teoría o modelo mental como marco explicativo de dicho conocimiento. (Díaz, 2002, p.32) De igual manera Díaz (idem) dice que: “el aprendizaje significativo es aquel que conduce la creación de estructuras de conocimiento mediante la relación sustantiva entre la nueva información y las ideas previas de los estudiantes.” Castorina (1995) plantea: “las ideas previas pueden ser un obstáculo o también pueden ser ideas precursoras.” (citado por Catsigeras, 2005, p.2) Al introducir el concepto de función en el aula suelen aparecer, en forma más o menos consciente diversos conflictos cognitivos con ideas cotidianas y previas. 27 Los errores que aparecen en forma repetida, que además merecen según Pontini (*), una consideración por parte del docente, son los que conocemos como obstáculos3 cognitivos. Estos obstáculos, según Brousseau, pueden ser el resultado de diferentes causas y por ello se les diferencia según su origen de la siguiente manera: o Obstáculos ontogénicos: son aquellos que provienen de las limitaciones del sujeto en un momento dado del desarrollo. o Obstáculos didácticos: son aquellos que parecen depender de las decisiones del docente o del sistema educativo. o Obstáculos epistemológicos: están ligados al conocimiento mismo. Se pueden encontrar en la evolución histórica de los conceptos matemáticos. Para el alumno, construir el sentido de un objeto matemático (concepto de función) implica desplegar un conjunto de prácticas en las cuales tenga la oportunidad de realizar diferentes tipos de tareas con relación a ese objeto. 2.2 Algo de Historia acerca del Concepto de Función Siendo este estudio sobre el concepto de función, hemos tomado a bien hacer un bosquejo un tanto resumido de los orígenes del concepto en cuestión, pues el hecho de lograr comprender algo, así como de entenderlo, nos conlleva a escudriñar su origen, su razón de ser, es así que para estudiar un contenido de cualquier disciplina se recomienda un poco de historia que le refiera. En Teacher’s Difficulties with the Construction of Continuous and Discontinuous Functions, (Hitt, 1994) se presenta una breve historia de el concepto de función, del cual retomamos algunos aspectos en este trabajo. De igual manera tomamos información de una fuente de internet (http://seti.astroseti.org/setiathome). Desde tiempos anteriores, se ha argumentado que uno de los más usados conceptos en matemáticas y sus aplicaciones es el de función. El desarrollo de este concepto, como a menudo sucede en matemáticas, ha seguido diferentes etapas. Originalmente se da como una relación entre números y sus cuadrados, entre números y sus raíces cuadradas, etc. encontrando muestras en tablas babilónicas que datan 2000 años A.C. (Youschkevitch, 1976, p.40). Otro aspecto importante data del siglo XIV cuando 3 En Didáctica de la Matemática la noción de obstáculo la introduce Brousseau. 28 Thomas Bradwardine discute acerca de la importancia del concepto de función en “Tractus de Proportionibus” de 1939. No muy tarde Nicole Oresme (1323-1382) trabaja en las reglas para trabajar con funciones. A continuación se intenta hacer un acercamiento más detallado de la evolución del concepto de función: Primeramente tenemos a los babilonios, y al hacer una revisión de las matemáticas babilónicas se han encontrado tablas de cuadrados de los números naturales, cubos de los números naturales y recíprocos de los números naturales. Estas tablas sin duda definen funciones de N sobre N o de N sobre R. Refiriéndose a lo anterior en 1945, Bell escribió: “puede ser demasiado generoso dar crédito a los antiguos babilonios de tener el instinto de función, ya que una función ha sido definida sucesivamente como una tabla o como una correspondencia”. Tal referencia parte de ver a los matemáticos antiguos desde una óptica moderna; por lo que se debe rechazar la sugerencia de que el concepto de función estuviera presente en las matemáticas babilónicas, aunque se puede ver que estudiaban funciones específicas. Y, los griegos no se pueden dejar de mencionar, pues vemos eltrabajo de Ptolomeo, él, computó cuerdas de un círculo lo que quiere decir que computó funciones trigonométricas, lo que nos hace pensar que si estaba calculando funciones trigonométricas entonces, debió haber comprendido el concepto de función. Pero al respecto, O Petersen (1974) escribió lo siguiente: “si concebimos una función no como una fórmula sino como una relación más general que asocia elementos de un conjunto con los elementos de otro conjunto, es obvio que las funciones en ese sentido abundan en el Almagesto”. Ptolomeo lidió con las funciones pero es poco probable que comprendiera el concepto de Función. Así, de tal manera, nos acercamos a trabajos de Galileo, quien estaba empezando a entender el concepto con mayor claridad, sus estudios sobre el movimiento contienen la clara comprensión de una relación entre variables. En 1638, estudió el problema de dos círculos concéntricos con centro O, el círculo más grande A con diámetro del doble que el círculo más pequeño B, pero al tomar cualquier punto P sobre el círculo A entonces PA corta al círculo B en un punto; así, Galileo había construido una 29 función que mapeaba cada punto de A sobre un punto de B. También produjo la correspondencia uno a uno estándar entre los enteros positivos y sus cuadrados, la cual en términos modernos daba una bisección entre N y un subconjunto propio. Casi al mismo tiempo que Galileo desarrollaba estas ideas, Descartes, introducía el álgebra y la geometría en La Geometrie. Afirma que una curva puede dibujarse al permitir que una línea tome un número infinito de valores distintos. Esto de nuevo lleva al concepto de función a la construcción de una curva ya que Descartes está pensando en términos de la magnitud de una expresión algebraica que toma infinitos valores como en que la magnitud a partir de la cual se compone la expresión toma un infinito número de valores. Lo anterior, nos permite decir que el concepto de función se desarrolló con el paso del tiempo, desde la antigüedad, lo cual es importante entender que su significado fue cambiando y también fue siendo definido con precisión. Como tantos términos matemáticos, la palabra función fue usada por primera vez con su significado no matemático. Leibniz (1673) escribió: “… otros tipos de líneas que, dada una figura, llevan a cabo alguna función”. Johann Bernolulli (1694), en una carta a Leibniz, describe una función como: “… una cantidad formada de alguna manera a partir de cantidades indeterminadas y constantes”. Se puede decir que en 1748 el concepto de función, tuvo un mayor avance, esto debido a Euler quien publicó Introductio in analisyn infinitorum, y escribe una definición de función como sigue: “una función de una cantidad variable es una expresión analítica compuesta de cualquier manera a partir de la cantidad variable y de números o de cantidades”. Esto es, él considera la función de x como una simple expresión o fórmula que contiene x como una variable. (fig. 2) FIGURA. 2 Function complying with Euler’s definition of 1748 30 Sin embargo, el trabajo de Euler presentaba una dificultad la cual generaría confusión ya que no logró distinguir entre una función y su representación. Pero ya para 1755, Euler en su publicación Institutiones Calculi Differentialis define una función de una manera totalmente general, dando lo que razonablemente se puede afirmar era una definición verdaderamente moderna de Función: si algunas cantidades dependen de otras de tal modo que si estas últimas cambian también lo hacen las primeras, entonces las primeras cantidades se llaman funciones de las segundas. El primer problema con la definición de Euler, fue señalada en 1780, un ejemplo claro fue dado por Cauchy en 1844. Sin embargo, una objeción más seria vino del trabajo de Fourier quien afirmó en 1805 que Euler estaba equivocado. El trabajo de Fourier no fue aceptado de inmediato, y matemáticos prominentes como Lagrange no lo aceptaron en ese momento. La confusión respecto a las funciones se había debido a una falta de comprensión de la diferencia entre “función” y su representación. Otros matemáticos dieron sus propias versiones respecto a la definición de Función: Condorcet (1778); Arbogast (1791) (citado por Grattan-Guinness, 1970, p.18); Lacroix (1797); Cauchy (1821) (citado por Monna, 1972, p.61-62); Lobachevsky (1838); Dirichlet (1840) quien introduce el concepto moderno de función, solventando los problemas encontrados en trabajos de Fourier, aclarando así la diferencia entre una función y su representación. Dirichlet dice: “y es una función de una variable x, definida en el intervalo a<x<b, si para todo valor de la variable x en ese intervalo está correspondido un valor definido de la variable y”. (Dirichlet, 1840, citado en Kleiner, 1989, p.291). (citado por Hitt, 1994) Pero entonces cabe preguntarse ¿De dónde han tomado el concepto las definiciones más modernas? Goursat, en 1923, dio la definición que aparece en la mayoría de los libros de textos hoy en día: “Se dice que y es una función de x si a cada valor de x le corresponde un valor de y. Esta correspondencia se indica mediante la ecuación ”. Así pues, hoy en día, aparecen diferentes definiciones de función en los siguientes términos: • Función definida en términos de variables 31 • Función definida en términos pares • Función definida en términos de reglas de correspondencia Y, finalmente ahora aparece en los libros de texto por la particularidad en el uso de computadora • Función definida en términos de INPUT-OUTPUT Hemos visto que desde un punto de vista histórico, el concepto de función se construyó durante varios siglos. Ello desde un punto de vista de la noción de obstáculo epistemológico es un indicativo para intentar entender los problemas de aprendizaje de este concepto en el aula de matemáticas. A continuación nos centraremos en los aspectos cognitivos del aprendizaje del concepto de función. 2.3 CONCEPTO DE FUNCIÓN. Definición. Aspectos Cognitivos El concepto de función, está presente de manera muy natural e intuitiva, y a pesar de ello, nuestros alumnos preguntan: ¿Qué tienen que ver las matemáticas con la vida real? Más aún, y de manera muy particular ¿Cómo puede suceder eso, si se ha dicho que función, es un concepto muy complejo? Pero, así es, hemos de decir que en el lenguaje de nuestra vida cotidiana, intuitivamente correspondiendo a una idea, está presente el concepto de función; por ejemplo, al referirnos a los impuestos que pagan las personas estos están (o deberían estar) en función de los ingresos, los resultados obtenidos en los exámenes son en función del tiempo dedicado a estudiar, el consumo de gasolina en un viaje es en función de (“depende de”) los kilómetros recorridos, el número de diputados al congreso obtenidos por un partido político después de unas elecciones es en función del número de votos obtenidos, el área de un cuadrado es en función del lado, la ganancia depende del precio del artículo, etc. Lo anterior lo hemos expuesto de manera coloquial, pero no por ello deja de ser matemática. Ahora con la formalidad a la que se acostumbra, veamos la tabla (1), la que nos permitirá examinar los datos que relacionan un número “x” perteneciente al conjunto con su duplo (“2x”) Desde el punto de vista matemático se trata de una función que transforma el conjunto de números en otro conjunto de números . 32 Tabla 1 Se dice que esta función actúa de la forma y que la imagen de -2 es -4, y la de 3 es 6. Expresado de la forma entonces es: . Además de la expresión analítica de una función , se suelen utilizar gráficas para visualizarlas y entenderlas en forma más rápida y significativa. Entonces tenemoscomo resultado la siguiente representación gráfica de los datos dados en la tabla (1): 1 1 2 3 4 5 6 2 3-1-2-3 -1 -2 -3 -4 Se dice entonces que, el conjunto en que se define la función se llama dominio o campo de existencia de la función; se designa por . El número perteneciente al dominio de la función recibe el nombre de variable independiente. Al número , asociado por al valor se le llama variable dependiente. La imagen de se designa por . Luego X -3 -2 -1 0 1 2 3 2x -6 -4 -2 0 2 4 6 ¿Tiene sentido en este ejemplo unir los puntos con una recta? -3 * -2 * -1 * 0* 1* 2 * 3 * -6 * -4 * -2 * 0 * 2 * 4 * 6 * 33 La variable, es una magnitud que varía y que puede tener un valor cualquiera de los comprendidos en un conjunto, de modo que, por ejemplo, el número de viajeros en la excursión (ver Anexo Actividad 7) es una variable y puede tomar valores enteros positivos pero nunca mayores que 15. De tal manera que, función4 de manera genérica y abreviada se dice es: “una variable y está en función de otra variable x si por cada valor de x se obtiene un único valor de y. Se puede afirmar también que cada valor x tiene asociado un valor y. Se dice entonces que: “y depende de x”; “ y está en función de x”. Otra manera es: “y es la imagen de x”; “ x es la preimagen de y”. Esta idea se puede simbolizar como: ; Como se define antes, son dos los tipos de variables: a) Variable independiente: es aquella que asume valores y cambia de un valor a otro sin depender de la otra variable; b) Variable dependiente: es aquella que también cambia pero los cambios de un valor a otro dependen de los cambios que se producen en la otra variable. La relación de dependencia es un tipo especial de relación entre las variables, por ejemplo podemos observar que (ver Anexos, idem): por cada valor de la variable “cantidad de excursionistas” se obtiene un valor de la variable “pago individual”; es decir en cada situación los cambios en la variable independiente provocan cambio en la variable dependiente, de tal forma que por cada valor de la variable independiente se obtiene (se puede calcular) solo un valor de la variable dependiente. Por esa razón afirmamos que la variable dependiente está en función de (depende) la variable independiente. Así podemos decir que el “costo de fabricación” está en función de (depende) del “número de unidades fabricadas” ; la “ganancia” está en función de (depende) del “precio de venta”. 4 Definiciones tomadas de Tesis Doctoral, Cuesta (2007). 34 Un aspecto importante en el comportamiento de una función, es reconocer y estudiar como varía la variable dependiente cuando cambia la variable independiente, a esto le llamamos Variación de una función, para lo cual mostramos el siguiente ejemplo5: Precio por revista 10 20 30 40 45 50 60 70 80 Ganancia total 0 600 1000 1200 1225 1200 1000 600 0 A partir de los datos proporcionados podemos observar el siguiente comportamiento; cuando el precio de venta aumenta 10 lempiras, la ganancia aumenta su valor de 0 a 600 lempiras es decir, que el aumento de la variable independiente (precio) provoca un aumento de la variable dependiente (ganancia); en el intervalo de 10 a 45 lempiras los aumentos en el precio provocan aumentos en la ganancia hasta el punto donde el precio es de 45 lempiras y la ganancia es de 1225; cuando el precio de venta aumenta de 45 lempiras a 50 lempiras la ganancia disminuye de 1225 a 1200 lempiras, es decir que el aumento de la variable independiente (precio) provoca una disminución en la variable dependiente (ganancia); en el intervalo de 45 a 80 lempiras los aumentos en el precio provocan disminución en la ganacia hasta el punto donde el precio es de 80 lempiras y la ganancia es de 0 lempiras. Podemos decir entonces que una función puede en un intervalo estar creciendo y en otro, por el contrario estar decreciendo, a esto lo conocemos como sigue: � Crecimiento de la función: se dice que la función crece si los aumentos de los valores en la variable independiente provocan un aumento de los valores de la variable dependiente; � Decrecimiento de la función: se dice que la función decrece si los aumentos de los valores de la variable independiente provocan una disminución de los valores de la variable dependiente. Existen funciones que solo crecen, existen funciones que solamente decrecen, otras que van creciendo y después decrecen, otras que van decreciendo y después crecen; siendo estas las que tratamos en este estudio, pero cabe mencionar que también existen otras. 5 Ejemplo tomado de Cuesta, 2007. Tesis Doctoral 35 Para explicar algo que es recordado en nuestra memoria, cuando escuchamos o vemos el nombre de un concepto, Tall y Vinner (1981) (Tall, 1991, p.68), introducen el constructo esquema conceptual (concept image) y dicen: … es algo no verbal asociado en nuestra mente con el nombre del concepto. Puede ser una representación visual del concepto en el caso de que tenga representaciones visuales o una colección de expresiones o experiencias. Las representaciones visuales, las figuras mentales, las impresiones y, las experiencias asociadas con el nombre del concepto pueden ser traducidas verbalmente. Pero es importante recordar que las expresiones verbales no son la primera cosa evocada en nuestra memoria,… Cuando escuchas la palabra “función”, puedes asociar la expresión , puedes visualizar la gráfica de una función, puedes pensar en funciones específicas tales como ó , etc.”.(citado por Cuesta, 2007, p. 22) Si partimos del hecho que a los alumnos ya se les ha enseñado el tema de funciones, (desde noveno grado en nuestro sistema educativo), entonces como dice Hitt (1997) suponemos que los alumnos han construido el concepto de función. Entonces surge la interrogante ¿Cuándo hemos de decir que un alumno ha construido un concepto matemático, y de manera particular el concepto de función? Respondemos, primeramente con lo dicho por De la Rosa (2000): … “Podríamos decir que un alumno tiene integrado un concepto matemático cuando cuenta con las imágenes conceptuales de los diferentes registros de representación, capaces de utilizarlos o seleccionar el más pertinente cuando se enfrentan a la resolución de problemas”. Ampliamos nuestra respuesta, con lo que al respecto Hitt (1997, p.195) menciona: “… que el conocimiento de un concepto es estable en el alumno, si este es capaz de articular sin contradicciones diferentes representaciones del mismo, así como recurrir a ellas en forma espontánea durante la resolución de problemas”, pero agrega, que tal construcción conceptual, le debe permitir a este alumno lo siguiente (adaptado de la clasificación de Taghard, 1991, pp. 104-105) (citado por Hitt, 2003): 1. Clasificar: su concepto de función les debe permitir establecer qué relaciones son funciones y cuáles no. 36 2. Comprender: su concepto de función debe ser un concepto susceptible de ser aprendido. 3. Memorizar: su concepto de función debe ser recordado tanto en lo global como en ejemplos particulares. 4. Inferencia deductiva: su concepto de función debe permitir hacer deducciones. 5. Explicaciones: su concepto de función debe permitir la generación de explicaciones acerca de la relación entre pre imagen y la imagen, por ejemplo. 6. Resolución de problemas: su concepto de función debe permitir la aplicación de estrategias y el uso de las diferentes representaciones para resolver problemas. 7. Generalización: su concepto de función debe permitir el aprendizaje de nuevos hechos relacionados. 8. Inferencia analógica: su concepto de función debe permitirel razonar la conversión de una forma de representación a otra. 9. Comprensión de textos: su concepto de función debe permitir la comprensión de frases, expresiones, figuras. 10. Producción: su concepto de función debe permitir la construcción de representaciones semióticas y mentales tanto para su uso personal como para su comunicación y para otros. Como dice Hitt (2003), en este ambiente donde las ideas intuitivas y la producción de representaciones semióticas no oficiales (producciones semióticas que probablemente no son las que usualmente utilizamos en el pizarrón y los libros) y, la discusión tanto grupal como general son esenciales en la construcción del conocimiento, se considera que la construcción de conceptos sigue una estructura como se muestra en la siguiente figura (3): Construcción de un Concepto 37 Nueva Nueva Nueva Nueva CCCConcepciónoncepciónoncepciónoncepción Figura 3 En su artículo “Dificultades en la articulación de diferentes representaciones relativas al concepto de función”, Hitt (1998), hace referencia a un estudio realizado por Monk (1992, pp.181-182), de problemas presentados a estudiantes donde el enunciado del problema no indica de una manera directa o indirecta el sistema o sistemas de representación requeridos para resolverlo, dicho estudio muestra diferentes niveles de comprensión del concepto de función, permitiéndole identificar los siguientes niveles en la construcción de un concepto particular de función: Nivel 1. Ideas imprecisas acerca de un concepto (mezcla incoherente de diferentes representaciones del concepto). Nivel 2. Identificación de diferentes representaciones de un concepto. Identificación de sistemas de representación. Nivel 3. Translación con preservación de significado desde un sistema de representación a otro. Nivel 4. Articulación coherente entre dos sistemas de representación. Nivel 5. Articulación coherente de diferentes sistemas de representación en la solución de un problema. Para complementar la respuesta a la interrogante expuesta con anterioridad, tomamos lo que Duval (1993) dice: “la comprensión integral de un contenido conceptual está basada en la coordinación de al menos dos registros de representación, y esta coordinación queda de manifiesto por medio del uso rápido y la espontaneidad de la conversión cognitiva”. (p.46) Para Janvier (1987) (citado por Cuesta, 2007), el aprendizaje consiste en un proceso acumulativo basado fundamentalmente en la capacidad de manejar un conjunto de ConcepciónConcepciónConcepciónConcepción Construcción Mental Producción semiótica Diseño de actividades que promuevan conflictos cognitivos A B C D X Y Z 38 representaciones y examina la representación del concepto de función, cuando argumenta sobre: i) La interpretación: que consiste en pasar de la gráfica de una situación a su descripción verbal, por ejemplo. Y como menciona Leinhardt (1990), por interpretación nos referimos a la acción por la cual el estudiante obtiene el sentido o el significado de una gráfica, o de una porción de ella, de una ecuación funcional o de una situación. La interpretación puede ser global y general o local y específica. De aquí que puede decidir resultados de un patrón (que pasa a la x al aumentar y), o de razón (¿Cómo cambian las bacterias después de cada 5 horas a una temperatura?) o el determinar cuándo se encuentran eventos o condiciones específicas (¿Cuál es el valor mínimo? ¿en qué punto el auto toma una curva?), y ii) La construcción: que consiste por ejemplo, en pasar de la descripción verbal de una situación a la gráfica y/o tabla. Al respecto Leinhardt (idem) dice que “construcción” se refiere a construir una gráfica o graficar puntos a partir de datos (o a partir de una función dada por su regla de correspondencia o de una tabla) o construir una función algebraica para una gráfica. Como señalaron Dreyfus y Eisenberg (1982) (citados por Cuestas, idem), las dificultades en el aprendizaje del concepto de función son causadas por: • Su relación con otros conceptos matemáticos como dominio, imagen, crecimiento, decrecimiento, extremos; todos ellos necesarios para determinar el concepto de función. • La relación que posee el concepto de función con otros campos de las matemáticas como el álgebra y la geometría. • La existencia de una amplia gama de lenguajes de representación del concepto de función: descripción verbal, tabla de valores, gráficas, expresiones y diagramas. Leinhardt (1990, p.2) dice que: “las representaciones algebraica y gráfica son dos sistemas simbólicos muy diferentes que se articulan de tal forma en cuanto a 39 construir y definir conjuntamente el concepto matemático de función”… “las dificultades sobre funciones y gráficas son reportadas en la literatura en la medida que se relacionan con rasgos particulares o clases de funciones y gráficas asociadas con problemas de aprendizaje”. Además, agrega que los conceptos erróneos y las dificultades son discutidas bajo los siguientes subtítulos: a) lo que es y no es una función; b) correspondencia; c) linealidad; d) representaciones de funciones; e) lectura relativa e interpretación; e) notación. ¿A qué se le llama concepto erróneo? Según Leinhardt (idem), son características del conocimiento de un estudiante acerca de una pieza específica del conocimiento de matemáticas que puede o no haber sido enseñada. Sigue diciendo que, un concepto erróneo puede desarrollarse como resultado de sobregeneralizar un concepto esencialmente correcto, o puede deberse a la interferencia del conocimiento cotidiano. Además dice que, para calificarlo como tal, un concepto erróneo debe tener un sistema de ideas razonablemente bien formuladas, no simplemente una justificación para un error. Así, aunque el concepto erróneo no necesita ser toda una teoría, debería ser repetible y/o explícito. Por ejemplo, la tendencia de los estudiantes a interpretar las graficas icónicamente puede relacionarse con sus intuiciones; otro sería la tendencia de los estudiantes a reconocer como funciones solo las correspondencias biunívocas. (Leinhardt, 1990, p.6) ¿Qué es y que no es una función?, varios estudios han sugerido que los estudiantes poseen ideas inexactas del aspecto que deben presentar las gráficas de funciones (Vinner y Dreyfus, 1989, entre otros), la mayoría de estos descubrimientos surgen de tareas de clasificación ejecutados dentro del marco de la definición moderna y sugieren que los estudiantes tienen una visión demasiado restringida de las formas que pueden tomar las gráficas de las funciones. A menudo los estudiantes identifican como gráficas de funciones solo aquellas gráficas que exhiben un patrón obvio o rectilíneo. (Leinhardt, idem, pp. 40, 41) En muchos casos los estudiantes pueden “saber” la definición exacta y formal de una función (e.g., una correspondencia entre dos conjuntos que asigna a cada elemento del primer conjunto exactamente un elemento del segundo conjunto), pero fallan en aplicarla al decidir si una gráfica representa o no a una función. 40 En gran medida la clasificación de los diferentes tipos de relaciones por parte de los estudiantes depende tanto de la definición formal de una función que se les haya enseñado como de la “imagen conceptual” que hayan desarrollado basándose en ejemplos que les hayan sido expuestos (Vinner, 1983) (A lo que Vinner se refiere como imagen conceptual se acerca a lo que los psicólogos del conocimiento se refieren como esquemas). (Leinhardt, 1990, p.20) Para Leinhardt (idem), ni las funciones ni las gráficas deben ser tratadas como conceptos aislados, son por una parte sistemas comunicativos y por otra, una construcción y organización de ideas matemáticas. Son dos sistemas simbólicos que se usan para arrojarse luz uno alotro. Este rasgo provoca demandas al principiante en términos de nuevas ideas, unicidad notacional y correspondencias simbólicas. Cuando Leinhardt (idem) se refiere a cada una de las tareas que se proponen a los alumnos, dice que éstas pueden presentarse en una variedad de contextos, a lo que nos referimos como la situación, a menudo llamado “la situación problema del problema” por la National Council of Teachers of Mathematics,(1989), el cual puede ser más o menos contextualizado o abstracto, hace referencia a que los estudios realizados han incluido tareas contextualizadas las cuales a menudo están basadas en la presunción de que es más fácil para los estudiantes tratar con problemas que se construyen sobre situaciones familiares (e.g., ya sean situaciones que han experimentado o con las que pueden relacionarse de una forma significativa) que tratar con situaciones abstractas. (p.27) Dos de los tipos más comunes de situaciones contextualizadas que aparecen en la literatura tienden a caer en una de dos categorías: viaje, tal como una bicicleta viajando en una colina, un auto de carreras circulando en una pista, gráficas distancia-tiempo (Bell y Janvier, 1981) o crecimiento, tal como el crecimiento de una bacteria a diferentes temperaturas, la estatura promedio de muchachos a diferentes edades (Bell y Janvier, 1981). Los investigadores a menudo diseñan sus tareas seleccionando casos extremos o situaciones particularmente confusas a fin de verificar si los estudiantes, son distraídos por características irrelevantes, o confundidos por vínculos superficiales o visuales. (Leinhardt, 1990, p.28) Sigue diciendo que la mayor parte de los estudios enfocan su atención principalmente en gráficas y funciones contextualizadas (Bell y Janvier 1981) o en 41 gráficas y funciones abstractas (Dreyfus y Eisenberg 1983). Pocos estudios se enfocan en tareas basadas en una situación contextualizada y en tareas que se construyen sobre una situación abstracta (Dreyfus y Eisenberg, 1982). La situación específica que se selecciona para una tarea dicta hasta cierto punto el tipo de variables involucradas en la tarea. (p.29) En cuanto a la noción de variable, dice, es fundamental para comprender muchas relaciones funcionales y representaciones gráficas. Hay varios significados y aspectos de una variable que pueden discutirse (Schoenfeld y Arcavi, 1988). Una de las interpretaciones de variable es relativamente estática y enfatiza a la variable como una herramienta para generalizar o describir patrones, este acercamiento estático a la variable usualmente está asociado con símbolos algebraicos (e.g., letras que generalizan). Otra de las interpretaciones de variable le da un sentido más dinámico que, en esencia, captura la variabilidad y los cambios simultáneos en una variable en comparación con otra (Janvier, 1981). El acercamiento dinámico a la variable puede representarse en un número de formas (e.g., una notación funcional, una gráfica). Sin tener en cuenta el significado asociado con la noción de variable, se da poca atención en la literatura a la naturaleza o forma de las variables conectadas con la tarea. Hemos de connotar que centramos el tema de estudio en la construcción del concepto de función, enfocado hacia la visualización, por lo que se cree conveniente y sobre todo necesario, hablar acerca de esta teoría del pensamiento. 2.4 VISUALIZACIÓN MATEMATICA Hitt (1998) y De Guzmán (1996), hacen mención de la importancia que está adquiriendo la visualización en el quehacer matemático, ya que por décadas ha estado relegada a un segundo plano, pues ha sido tratada por algunos con sospecha y por otros con desconfianza, y se renueva en proporciones inimaginables, pues los avances psicopedagógicos han mostrado la importancia de crear imágenes mentales apropiadas para la formación de conceptos. De Guzmán, en su libro “El Rincón de la pizarra. Ensayos de Visualización en análisis matemático, (1996), plantea y da respuesta a ¿Qué se entiende por 42 Visualización? apropiándose de esta teoría, considerándosele así pues, como uno de sus defensores, difusores, por no decir el mayor de todos. Dice que: “la visualización en matemáticas no es lo mismo que lo que algunas corrientes de sicólogos llaman visualización”… “la visualización en matemáticas pretende otra cosa. Las ideas, conceptos y métodos de las matemáticas presentan una gran riqueza de contenidos visuales, representables intuitivamente, geométricamente, cuya utilización resulta muy provechosa, tanto en las tareas de presentación y manejo de tales conceptos y métodos como en la manipulación con ellos para la resolución de los problemas del campo”. (De Guzmán, 1996, p.15) Sigue diciendo De Guzmán (1996) que: “la visualización aparece así como algo profundamente natural tanto en el nacimiento del pensamiento matemático como en el descubrimiento de nuevas relaciones entre los objetos matemáticos, y también naturalmente en la transmisión y comunicación propia del quehacer matemático.” (p.17) Hace alusión, que incluso, lo que nosotros llamamos «visión», dicho de manera más sencilla «mirar», resulta también un proceso de igual manera complejo, que involucra el cerebro humano. Además, establece que la visualización no es una visión inmediata de las relaciones, sino una interpretación de lo que se presenta a nuestra contemplación que solamente podremos realizar eficazmente si hemos aprendido a leer adecuadamente el tipo de comunicación que la sustenta. Para De Guzmán (citado por Hitt, 2003), la visualización matemática de un problema juega un papel importante y tiene que ver con entender un enunciado mediante la puesta en juego de diferentes representaciones de la situación en cuestión y ello nos permite realizar una acción que posiblemente puede conducir hacia la solución del problema. Desde este punto de vista, en un primer acercamiento, no solamente es importante entender las dificultades para manipular cada una de esas representaciones, también lo es el análisis de las tareas de conversión entre representaciones que debemos proponer a nuestros alumnos. (p.215) En cuanto a este menester, Hitt (2003) establece una diferencia entre percibir y visualizar, dice que: la percepción la tomaremos como la función por la que la mente de un individuo organiza sus sensaciones y se forma una representación interna de 43 los objetos externos, en cambio, la visualización tiene que ver con un conocimiento directo e intuitivo. Por ejemplo dice, podemos percibir una mosca que vuela y no prestamos atención a ese hecho, sin embargo, al querer atravesar una calle y vemos un coche que viene hacia nosotros, realizamos un acto de conocimiento directo en términos de evaluar su velocidad y decidir si es conveniente atravesar o no la calle. Esto último, visualizar, generalmente lo hacemos inconscientemente. (p.217) Resulta común, que la noción de visualización sea confundida con la de visión, pero al respecto Duval (1999) dice: “la visualización se refiere a una actividad cognitiva que es intrínsecamente semiótica, es decir ni mental, ni física”. Arcavi (1999), admite haber combinado las definiciones de Zimmermann (1991, p.3) y de Hershkowitz (1989, p.75) declarando: “la visualización es la capacidad, el proceso y el producto de creación, interpretación, empleo y reflexión sobre cuadros, imágenes, diagramas, en nuestras mentes, en papel o con herramientas tecnológicas, con el propósito de representar y comunicar información, pensando y desarrollando ideas desconocidas y anticipando el entendimiento”. (citados por Oropeza y Lezama p.56) La visualización no puede ser entendida como el simple acto de ver, sino como “la habilidad para representar, transformar, generar, comunicar, documentar y reflejar información visual en el pensamiento y el lenguaje del que aprende”… “pues visualizaruna función, por ejemplo, no significa simplemente verla, mirar o contemplar su gráfica, de hecho es posible visualizarla sin verla”… “de modo que realizar la actividad de visualización requiere de la utilización de nociones matemáticas asociadas a los ámbitos numérico, gráfico, algebraico o verbal, pero exige también el uso de un lenguaje común para explicar ciertos fenómenos e incluso describir experiencias vivenciales” … “la visualización trata entonces con el funcionamiento de las estructuras cognitivas que se emplean para resolver problemas, con las relaciones abstractas que se formulan entre las diferentes representaciones de un objeto matemático a fin de operar con ellas y obtener un resultado.” (Cantoral y Montiel, 2003, p.694) Por los párrafos anteriores, vemos cuan ligadas están las representaciones semióticas con la visualización matemática, es por ello que no podemos dejar de tratar tal tópico. 44 2.5 Representaciones Semióticas En su artículo “Registros de Representación Semiótica y Funcionamiento Cognitivo del Pensamiento”, Duval se refiere a la existencia de una palabra importante y marginal en matemáticas, es la palabra REPRESENTACIÓN, escribe que frecuentemente se le emplea bajo su forma verbal «representar», y dice: Una escritura, una notación, un símbolo, representan un objeto matemático: un número, una función,… lo mismo los trazos, las figuras, representan objetos matemáticos: un segmento, un punto, un círculo,… lo cual quiere decir que jamás se deben confundir a los objetos con su representación… la distinción entre un objeto y su representación es, pues, un punto estratégico para la comprensión de matemáticas. (Duval, 1993, p. 1). Define dos representaciones: a) Representaciones mentales: cubren al conjunto de imágenes y globalmente a las concepciones que un individuo puede tener sobre un objeto, sobre una situación o sobre lo que les está asociado, según él, es a la que se presta mayor atención. b) Representaciones semióticas: son producciones constituidas por el empleo de signos que pertenecen a un sistema de representación, el cual tiene sus propios constreñimientos de significancia y de funcionamiento. Dice Duval (1993) que las representaciones semióticas no solamente cumplen con la función de comunicación, sino que juegan un papel primordial en: el desarrollo de las representaciones mentales, el cumplimiento de diferentes funciones cognitivas, la producción de conocimientos. No obstante, las diferentes representaciones semióticas de un objeto matemático son absolutamente necesarias pues, los objetos matemáticos no son directamente accesibles. Duval (1999), atribuye la especificidad de las representaciones semióticas a que: “son relativas a un sistema particular de signos: el lenguaje, la escritura algebraica o los gráficos cartesianos, y en que pueden ser convertidas en representaciones “equivalentes” en otro sistema semiótico, pero pudiendo tomar significaciones diferentes para el sujeto que las utiliza.” 45 Según Duval (1999), los sistemas semióticos deben cumplir las tres actividades cognitivas inherentes a toda representación para devenir un “registro de representaciones”, siendo estas: i) La presencia de una representación identificable: consiste en hacer una selección de los rasgos y datos del objeto a representar en un sistema determinado, lo cual depende de las reglas de formación que son propias del registro semiótico en el cual se produce la representación. ii) El tratamiento de una representación: tal actividad nos hace pensar en una transformación, la que se lleva a cabo dentro del mismo registro donde ha sido formada dicha representación. El tratamiento es una transformación interna a un registro. Naturalmente existen reglas de tratamiento propias de cada registro. Su naturaleza y número varían considerablemente de un registro a otro (Duval, 1999). Así en el caso de un lenguaje algebraico, tenemos por ejemplo, un binomio elevado al cuadrado , el cual está en un registro como una expresión algebraica. La expresión puede verse como un producto de binomios ( ) siguiendo con el mismo registro: expresión algebraica; provocando de tal forma transformaciones de tratamiento. iii) La conversión de una representación: al hablar de la conversión de una representación, nos referimos a la transformación de dicha representación a una representación de otro registro. La conversión es una transformación externa al registro de partida. Con el lenguaje gráfico podemos considerar el ejemplo de la función, vemos que una expresión algebraica al ser transformada a otro registro puede representar una parábola en los ejes coordenados o bien, también podemos transformarla a un registro de tabulación donde nos daremos cuenta que el codominio es el cuadrado de cada elemento del dominio; o bien, si la transformamos a una representación de parejas ordenados, observaremos que las ordenadas son el cuadrado de las abscisas. Así, notamos, que a pesar de que los registros de representación sean diferentes, la idea de que allí hay una función (o relación) no se abandona. Por lo tanto, la conversión es una 46 actividad cognitiva diferente e independiente de la del tratamiento. (Duval, 1999) Registro algebraico Registro gráfico 1 1 2-1-2 2 3 4 Registro tabular Registro de pares ordenados Y entonces, ¿Cómo será que lo representaremos en lengua natural? He aquí se retoma la interrogante ¿Qué importancia tiene las diferentes representaciones en la adquisición de un concepto? De la Rosa, en uno de sus artículos (Hitt y Hernández, 2000), cita entre otros a: Duval (1999); Hitt (1996); Zimmerman y Cunningham (1991); Eisenberg y Dreyfus (1991); como autores que han mencionado la importancia de las diferentes representaciones semióticas en la adquisición de un concepto matemático; y a la vez enfatiza “… la necesidad de contar con varios sistemas semióticos de representación para el pensamiento humano, ya que cada sistema proporciona medios específicos de representación y procesamiento para el pensamiento matemático.” “… un concepto X -2 -1 0 1 2 y 4 2 0 2 4 47 matemático visto en sus diferentes representaciones, proporcionará información específica, y por lo tanto el concepto estará más íntegro”. (De la Rosa, 2000) Hitt (2000), dice que: la investigación en educación matemática ha señalado la importancia del uso de varias representaciones en el aula para la formación de conceptos. El trabajo de Duval (1998) considera imprescindible las tareas de conversión entre representaciones para la formación de conceptos. Los problemas del aprendizaje, desde ese punto de vista puede ser explicado en términos de que los profesores de matemáticas hacen un fuerte énfasis en los procesos algebraicos restringiendo su enseñanza a un solo tipo de representación que es la algebraica. Es usual que el profesor le solicite el paso de una representación a otra, como sucede en la graficación de funciones, pero, ¿es común que un profesor solicite que dada la representación gráfica de una función deduzca una expresión algebraica? Duval (1988) señala que: “la conversión del sistema algebraico al gráfico es más fácil que el inverso es decir del gráfico al algebraico”… También afirma que: “para la ecuación de la recta, lo que importa en la escritura , es el coeficiente y la constante y que para las rectas no paralelas a los ejes hay solamente 18 representaciones gráficas que son distintas visualmente de manera significativa y para el caso de paralelismo a uno de los ejes, hay desaparición de la variable que se refiere a este eje. Según Duval (1998), la conversión de la representación gráfica hacia la escritura algebraica exige que se discriminen
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