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Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 1 Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior Experimental practices as a didactic strategy for understanding mechanical physics concepts in higher education students Manuel Alejandro López Gaitán1 Robert Anthony Morán Borbor2 Jorge Armando Niño Vega3 Resumen En este documento se muestran los resultados obtenidos tras la realización de una práctica de laboratorio experimental de la Ley de Hooke, el cual se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. El objetivo del estudio fue el comparar los resultados obtenidos entre las prácticas de laboratorio convencionales, es decir aquellas que se realizan empleando elementos como cronómetro, metro y báscula, entre otros, y las prácticas de laboratorio que emplean tecnologías inteligentes como lo son las tarjetas de adquisición de datos. Estos resultados se contrastaron con el análisis matemático que enuncia el principio del movimiento armónico simple con sistema masa resorte. La comparación permitió establecer que, haciendo uso de las tarjetas de adquisición de datos en las prácticas de laboratorio, los datos obtenidos en la experimentación son más precisos que los resultados arrojados en las prácticas convencionales. Se concluye que emplear este tipo de tarjetas en las prácticas experimentales es una estrategia didáctica de gran utilidad, ya que incrementan la motivación y permite al estudiante comprender, afianzar y aplicar mejor los conceptos vistos en la teoría. Palabras Clave: Prácticas experimentales, Estrategia Didáctica, Ley de Hooke, Movimiento Armónico Simple, Sistema Masa Resorte. Abstract This paper shows the results obtained after carrying out an experimental laboratory practice of Hooke's Law, which was carried out at Universidad Pedagógica and Tecnológica de Colombia headquarters. The aim of the study was to compare the results obtained between conventional laboratory practices, that is to say, those that are carried out using elements such as chronometer, meter and scale, among others, and laboratory practices that use smart technologies such as credit cards for data acquisition. These results were contrasted with the 1 Estudiante de Ingeniería Electromecánica, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Duitama, Colombia. E-mail: manuel.lopez04@uptc.edu.co 2 Estudiante de Licenciatura en Tecnología, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Duitama, Colombia. E-mail: robert.moran@uptc.edu.co 3 Licenciado en Tecnología, Estudiante de Maestría en TIC Aplicadas a las Ciencias de la Educación, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Duitama, Colombia. E-mail: jorgearmando.nino@uptc.edu.co Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 2 mathematical analysis that states the principle of simple harmonic motion with spring mass system. The comparison made it possible to establish that, using the data acquisition cards in the laboratory practices, the data obtained in the experimentation are more accurate than the results obtained in conventional practices. It is concluded that using this type of cards in experimental practices is a very useful didactic strategy, since they increase motivation and allow the student to understand, strengthen and apply better the concepts studied in theory. Keywords: Experimental practices, didactic strategy, Hooke's Law, simple harmonic movement, spring mass system. 1. INTRODUCCIÓN El estudio de la física permite identificar el comportamiento que tienen los diferentes fenómenos naturales que se presentan en el entorno, así como analizar y predecir sucesos de manera analítica y experimental (Concari, 2001; Duarte, Reyes-Caballero, & Fernández-Morales, 2013). La ley de Hooke, relacionada con el estudio de los esfuerzos de tracción a los que son sometidos diferentes cuerpos, es uno de los conceptos que se estudian en física básica; su aplicación usualmente implica determinar la constante de elasticidad de un resorte, como la relación entre la intensidad de la fuerza y la magnitud de su deformación (Pozzetti et al., 2016; Moreno-Anselmi, Reyes-Ortiz, & Ruíz-Acero, 2016). En los programas académicos de Licenciatura en Tecnología e Ingeniería electromecánica, de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, UPTC, comprender la Ley de Hooke resulta indispensable, pues este concepto, estudiado en física mecánica, es base para asignaturas como: resistencia de materiales, estática y mecánica. Teniendo en cuenta la importancia no solo de la ley de Hooke sino de las demás temáticas que se orientan en la asignatura de física mecánica, es necesario que el docente emplee estrategias didácticas que faciliten la comprensión de estos conceptos por parte de los estudiantes (Pinto- Salamanca, Sofroni-Esmeral, & Jiménez, 2015). En años recientes se han venido desarrollando investigaciones que emplean diversos materiales didácticos para la enseñanza de fenómenos físicos, como: prototipos didácticos, maquetas, materiales educativos computarizados, simuladores y plataformas virtuales, entre otros (Avella-Ibáñez, Sandoval-Valero, & Montañez- Torres, 2017; Cerón-Correa, Salazar-Jiménez, & Prieto-Ortíz, 2013; Castro-Galeano, Pinto- Salamanca, & Amaya-Quitián, 2014; Cuervo-Gómez, & Ballesteros-Ricaurte, 2017). Entre las múltiples estrategias didácticas que se han venido proponiendo en los últimos años para que los docentes transformen e innoven su labor, en el área de física mecánica en la UPTC los docentes hacen uso de las prácticas de laboratorio. Así, el estudiante no solo pone en práctica los conocimientos adquiridos, sino que a través de la interacción con el fenómeno físico, puede afianzar y retroalimentar conceptos que no fueron comprendidos en su totalidad en la teoría (Niño-Vega, Martínez-Díaz, & Fernández-Morales, 2016). El desarrollo de guías de laboratorio le Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 3 permite al estudiante, según el paradigma constructivista, construir su propio conocimiento al igual que incrementar su motivación por el deseo de seguir aprendiendo (Espinosa-Ríos, González-López, & Hernández-Ramírez, 2016; Rodríguez-Cepeda, 2016). Sin embargo, los estudiantes tienden a confundirse y al no observar la similitud entre la teoría y la práctica pierden el interés y el deseo por aprender, trayendo como consecuencia la pérdida de la asignatura o incluso su retiro del programa académico (Castellanos-Vega, & Rodríguez-Navas, 2017). En el presente trabajo se plantea una comparación entre el análisis matemático y la práctica experimental de la ley de Hooke a través del movimiento armónico simple, con sistema masa resorte. La práctica de laboratorio se realiza de modo convencional y de modo automatizado, empleando una tarjeta de adquisición de datos. En la siguiente sección se indica la metodología de la investigación, junto con los materiales y procedimiento utilizados. Luego se presentan los resultados y se brindan las conclusiones, donde se indica cual es el modelo experimental más adecuado para ser empleado como estrategia didáctica en la enseñanza de conceptos de física mecánica.2. METODOLOGÍA El tipo de investigación utilizado en este proyecto corresponde a una investigación acción, ya que consiste en una práctica reflexiva social en la que interactúan la teoría y la práctica con miras a establecer cambios apropiados en la situación estudiada (Silva-Cañaveral, 2016). Igualmente, los investigadores estuvieron involucrados en: la recolección de información, Diseño y elaboración de las guías de laboratorio, ejecución de las mismas en el laboratorio de física y el análisis de la información con los datos recolectados (Restrepo-Gómez, 2006). La investigación inició identificando y organizando los conceptos que se dificultan comprender de la ley de Hooke. Esta información permitió establecer el modelo de guía de laboratorio más adecuada para ser desarrollada por los estudiantes. Luego se diseñó y elaboró una guía de laboratorio para ser desarrollada de forma tradicional; es decir, para ser ejecutada haciendo uso de elementos convencionales, como: metro, báscula, cronómetro, entre otros. Igualmente se realizó la guía de laboratorio para ser desarrollada haciendo uso de una tarjeta de adquisición de datos PASCO Capstone UI5000. PASCO Capstone modelo UI-5000, es una tarjeta electrónica que permite la adquisición, visualización y análisis de datos. Esta tarjeta cuenta con doce puertos de entradas digitales y dos puertos DIN de salida; es alimentada por una fuente de 20 V a 6 A, y permite la comunicación y el intercambio de datos con los computadores a través del puerto USB (Toro-Pérez, 2017). Las guías de laboratorio se validaron con la ayuda de dos estudiantes semilleros de investigación de los programas de Licenciatura en Tecnología e ing. Electromecánica, de la UPTC. Los datos obtenidos tras la ejecución de las dos guías de laboratorio, se compararon con la solución analítica Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 4 de la ley de Hooke. Esto permitió establecer las bondades de cada guía, para su utilización en el laboratorio de física mecánica. Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 5 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Estructuración de las Guías de Laboratorio La revisión de literatura permitió identificar dos modelos de guías para las prácticas de laboratorio de física: tradicional y alternativa (Cardona-Buitrago, 2013). La tradicional se caracteriza por ser secuencial y poseer los siguientes elementos: título, objetivos, fundamentación teórica, materiales e instrumentos, desarrollo del experimento, conclusiones y preguntas de control (Parra-León, Duarte, & Fernández-Morales, 2014). Este tipo de guías de laboratorio, por estar enmarcadas en la linealidad, no permiten al estudiante retroalimentar conceptos que no se encuentren dentro de la guía (Parada-Hernández, & Suárez-Aguilar, 2014). En contraste, el modelo de guía alternativa cumple con el propósito de ser más flexible ya que no se estipula como tal un orden específico para las actividades. En este caso, el estudiante es libre de empezar a desarrollar el punto que desee; además, se proporcionan fuentes o recursos de consulta adicionales, donde se puede complementar la información (Angarita-Velandia, Fernández- Morales, & Duarte, 2016). Figura 1. Estructuración de las guías de laboratorio. En este caso se diseñó una guía de laboratorio estructurada tal y como se ilustra en la figura 1. Se parte de una pregunta o problemática a experimentar, y de allí se proponen cuatro secciones. La primera consiste en conocer las temáticas que son necesarias para el desarrollo de las guías, igualmente se ofrecen los recursos o medios para que puedan acceder a las temáticas. En la segunda sección se hace referencia a la experimentación u observación, para lo cual se plantea el procedimiento necesario para ejecutar la experimentación o las pautas a ser tenidas en cuenta Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 6 durante la observación. En la tercera sección se plantea el análisis y discusión, luego de haber realizado la práctica propuesta; para ello se plantean cuestionarios o talleres que se pueden resolver con los datos obtenidos tras la experimentación. En la cuarta sección se encuentran las conclusiones y aplicaciones: aquí se expresan los resultados obtenidos de tal forma que se resalten los objetivos del laboratorio, a la vez que se destacan posibles aplicaciones de la temática en la vida real. La temática trabajada en esta investigación es la ley de Hooke, a través del movimiento armónico simple con sistema masa resorte. Inicialmente se desarrolla un taller, en el cual los estudiantes resuelven de forma analítica diversos ejercicios que involucran la ley de Hooke. Esto permite a los estudiantes familiarizarse con las variables involucradas en esta ley, como son: frecuencia, periodo y velocidad angular. Luego, los estudiantes desarrollan las guías de laboratorio, tanto tradicional como la basada en la tarjeta de PASCO Capstone, donde los estudiantes realizan el experimento para determinar las variables calculadas analíticamente y establecer así el error en la medición con cada modelo. 3.2 Desarrollo de las guías de laboratorio En la Figura 2 se aprecia el esquema del sistema masa resorte, para el cual se realizaron los cálculos analíticos y se experimentó de forma tradicional. Figura 2. Esquema Sistema Masa-Resorte en la guía tradicional. Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 7 En la figura 2 se destacan las masas suspendidas de los resortes, que en este caso fueron: 52gr, 74.8gr y 103gr. La experimentación se llevó a cabo con dos resortes de diferente constante de elongación, a saber: el Resorte 1 tuvo una constante de elongación de 8,128 N/m y el Resorte 2 una constante de 6,747 N/m. El análisis matemático del esquema de la figura 2 permitió el cálculo del periodo con la ecuación (1): = 2 ∗ ; (1) Donde T es el periodo, m es la masa expresada en kilogramos y k es la constante del resorte, calculada con la ecuación (2): = ; (2) En donde F es la fuerza que se ejerce sobre el resorte; en este caso son las masas multiplicadas por el valor de la gravedad y X es la elongación del resorte, expresado en metros. En la guía de laboratorio tradicional, con el montaje de la figura 2, para determinar el periodo de modo experimental se tomó el tiempo que tardó el sistema masa resorte en realizar 10 oscilaciones con cada masa; luego se dividió el tiempo tomado sobre el número de oscilaciones. Adicionalmente, para reducir el margen de error, se tomaron varias veces los tiempos y al final se sacó el tiempo promedio. Para el desarrollo de la guía de laboratorio experimental, empleando la tarjeta de Pasco Capstone, se procedió a realizar el montaje que se ilustra en la figura 3. Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería,Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 8 Figura 3. Esquema Sistema Masa-Resorte con la tarjeta PASCO Para el desarrollo de la guía experimental se hizo uso del sensor de movimiento PS-2013A, con el fin de medir el desplazamiento, la velocidad y la aceleración del sistema masa resorte. Además, como la interfaz de Pasco Capstone brinda la posibilidad de obtener la velocidad angular con la que oscila cada resorte, como se ilustra en la figura 4, con esta velocidad se procedió a calcular los diferentes periodos. Figura 4. Gráfica de las variables entregadas por la interfaz de Pasco Para el cálculo del periodo se empleó la ecuación (3): = 2 ; (3) Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 9 Donde T es el periodo y w es la velocidad angular Una vez desarrolladas las dos prácticas de laboratorio: de modo tradicional y empleando la tarjeta de adquisición de datos, se procedió a tabular los periodos obtenidos luego de haber experimentado con el Resorte 1, ver Tabla 1. Igualmente se tabularon los periodos obtenidos con el Resorte 2, ver Tabla 2. MASA (Kg) Periodo Analítico Periodo Tradicional Periodo PASCO 0,052 0,547 0,498 0,536 0,0748 0,663 0,598 0,657 0,103 0,754 0,705 0,749 Tabla 1. Periodo analítico, tradicional y con PASCO obtenido con el Resorte 1. MASA (Kg) Periodo Analítico Periodo Tradicional Periodo PASCO 0,052 0,545 0,507 0,541 0,0748 0,655 0,599 0,649 0,103 0,772 0,686 0,768 Tabla 2. Periodo analítico, tradicional y con PASCO obtenido con el Resorte 2. 3.3 Comparación de resultados Una vez ejecutadas las guías de laboratorio planteadas, se procedió a realizar la comparación de sus resultados, con el fin de determinar cuál de las dos prácticas se aproxima más a los resultados obtenidos analíticamente. Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 10 Figura 5. Comparación de resultados analíticos, convencionales y PASCO: a) resorte 1, b) resorte 2. En la figura 5 se observan los resultados obtenidos analíticamente, representados por la línea de color verde; los datos obtenidos de modo convencional se representan por la línea de color amarillo; y los resultados obtenidos con la tarjeta de adquisición de datos, se representan por la línea azul. En la sección A se aprecia el comportamiento de cada una de las experimentaciones que se realizaron con el resorte 1 y en la sección B se ilustra la gráfica obtenida luego de haber experimentado con el resorte 2. La comparación de los datos anteriores indica que la práctica con la tarjeta de adquisición de datos es más precisa que la tradicional, ya que el margen de error fue de solo 0,73%, mientras que la práctica tradicional tuvo un margen de error del 5,43%, esto cuando los datos se comparan con el modelo analítico. Una de las principales consideraciones a tener en cuenta a la hora de efectuar este tipo de prácticas experimentales, es que algunas variables pueden ser afectadas por cambios climáticos y por la ubicación geográfica, entre otros. Ejemplo de ello es el valor de la gravedad, ya que en la mayoría de los casos es tomada como 9,81 m/s, pero su valor en Duitama, Boyacá, es de 9,747 m/s, mientras que en Buenos Aires es de 9,794 m/s (PTB, 2007). Por tanto los resultados calculados frente a los experimentales, no siempre serán semejantes. Los resultados permiten corroborar que las prácticas experimentales que emplean tarjetas inteligentes, posibilitan la obtención de valores más cercanos a los calculados analíticamente (Altamirano-Santillán, Vallejo-Vallejo, & Cruz-Hurtado, 2017); además, el proceso experimental se centra en la manipulación y análisis de los datos más que en su obtención (Barrera-Mesa, Fernández-Morales, & Duarte, 2017). Sin embargo, las prácticas tradicionales, aunque menos precisas en cuanto a los valores obtenidos, hacen énfasis en la importancia de la manipulación de los instrumentos de medida y en las fuentes de error, lo cual es de vital importancia en el Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 11 desarrollo de las competencias científicas de los estudiantes (Mora-Mendoza, Sarmiento-Santos, & Casallas-Caicedo, 2014; Albornoz, 2014). 4. CONCLUSIONES El diseño y la estructura de las guías de laboratorio que se emplearon en esta investigación, pueden servir como modelo para la realización de diferentes guías de práctica del área de física y otras donde se requiera trabajo de laboratorio. Los resultados obtenidos tras la ejecución de esta investigación, permiten concluir que las prácticas de laboratorio pueden ser empleadas como estrategia didáctica que facilite el proceso de enseñanza-aprendizaje. Sin embargo, es necesario contar con materiales adecuados para la experimentación, de modo que la precisión de los datos obtenidos sea adecuada para fortalecer el aprendizaje de los conceptos. El emplear la tarjeta de adquisición de datos Pasco Capstone UI500 permitió no solo obtener datos precisos en las pruebas experimentales, sino que despertó el interés por emplear este tipo de material en las prácticas de laboratorio. Esto debido a que su interfaz es muy intuitiva y no se necesitan conocimientos en programación, ya que estas tarjetas no lo requieren. Como trabajo futuro, se propone la elaboración de diferentes guías de laboratorio experimentales que puedan ser desarrolladas haciendo uso de tarjetas de adquisición de datos. Estas guías no solo abarcarán temas relacionados con física mecánica, sino que podrán considerar otras temáticas de física, como la electricidad y la óptica. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a los grupos de investigación Didáctica para la Enseñanza de la Ciencia y la Tecnología en Niños (DECTEN) y al Grupo de Energía y Aplicación de Nuevas Tecnologías (GEANT), por haber apoyado con la infraestructura para las prácticas. El primer autor agradece a la Dirección de Investigaciones de la UPTC, por la Beca por Investigación concedida durante el primer semestre de 2018. REFERENCIAS Albornoz, M. (2014). Cultura científica para los ciudadanos y cultura ciudadana para los científicos. Revista Luciérnaga - Comunicación, 6 (11), 71-77. Recuperado de: http://revistas.elpoli.edu.co/index.php/luc/article/view/390 Manuel Alejandro López Gaitán; Robert Anthony Morán Borbor; Jorge Armando Niño Vega. Prácticas experimentales como estrategia didáctica para la comprensión de conceptos de física mecánica en estudiantes de educación superior. Revista Infometric@ - Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas. Vol. 1 No.1 Enero-Junio 2018 12 Altamirano-Santillán, E., Vallejo-Vallejo, G., & Cruz-Hurtado, J. (2017). Monitoreo volcánico usando plataformas Arduino y Simulink. Revista de Investigación, Desarrollo e Innovación, 7(2), 317-329. doi:https://doi.org/10.19053/20278306.v7.n2.2017.6073 Avella-Ibáñez, C. P., Sandoval-Valero, E. M., & Montañez-Torres, C. (2017). Selección de herramientas web para la creación de actividades de aprendizaje en Cibermutua. Revista de investigación, Desarrollo e Innovación, 8(1), 107-120. doi: 10.19053/20278306.v8.n1.2017.7372 Barrera-Mesa, C. E., Fernández-Morales, F. H., & Duarte, J. E. (2017). 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