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Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Elsa Marleny Tarquino Cabra Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ciencias y Educación Maestría en Educación Bogotá D.C., Colombia 2016 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Elsa Marleny Tarquino Cabra Trabajo de grado presentada para optar al título de: Magister en Educación con Énfasis en Ciencias de la Naturaleza y Tecnología Director: MSc. Giovanni Cardona Rodríguez Codirector Ph.D. Jaime Duván Reyes Roncancio Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ciencias y Educación Maestría en Educación Bogotá D.C., Colombia 2016 “Nosotros no queremos hacer una apología de la ciencia que profesamos. Queremos sí, rebajar la sublimidad de sus principios y de sus miras; queremos que el común entrevea las relaciones tan grandes como ocultas que tiene la Astronomía con la sociedad y con las necesidades del hombre” Francisco José de Caldas, 1808 Dedicada A mi madre y a mi hijo VI Título de la tesis o trabajo de investigación Agradecimientos A los profesores, MSc. Giovanni Cardona Rodríguez, asesor y Director y Ph.D. Jaime Diván Reyes Roncancio, Co-director del trabajo de grado, por su gran colaboración y sus valiosos aportes que permitieron el desarrollo y culminación de este proyecto. Al Dr. Néstor Camino. Director del Complejo Plaza del Cielo, por haber compartido sus conocimientos, sabiduría, y orientación en la enseñanza y didáctica de la Astronomía, bridándome herramientas pedagógicas que mejoran cada día mi labor docente Resumen En este documento se presenta la construcción, validación e implementación de una secuencia didáctica para la enseñanza de las dimensiones físicas en este caso longitud y masa del sistema tierra-luna con los estudiantes que pertenecen al club de astronomía de una institución educativa de la ciudad de Bogotá. Este trabajo está fundamentado en la línea de profundización de la Maestría en Educación con énfasis en Ciencias de la Naturaleza y la Tecnología. Inicialmente se aborda la enseñanza por investigación como una estrategia para el diseño y el desarrollo de la secuencia, posteriormente se describen aspectos teóricos de los procesos de medición y la observación de fenómenos astronómicos relacionados con las dimensiones en el sistema tierra-luna, caracterizando los contenidos históricos, físicos y matemáticos mediante la introducción de diversos procesos de investigación, generando en los estudiantes la necesidad de construir conjeturas a través de la interacción en grupos, el uso de diferentes representaciones; y actividades que se llevan a cabo dentro del proceso de enseñanza-aprendizaje; posibilitando un aprendizaje significativo en el aula A manera de conclusión se analizan los resultados teniendo en cuenta tres aspectos, a saber, i. la construcción de la secuencia didáctica, ii. La implementación en el club de astronomía y iii. Las reflexiones que surgieron en el desarrollo de la implementación didáctica. Palabras clave: Enseñanza, astronomía, aprendizaje por investigación, dimensiones, secuencia. Resumen y Abstract III Abstract In this document is presented the construction, validation and implementation of a didactic sequence for teaching the physic dimensions, in this case length and mass, of the Earth-Moon system with students conforming the astronomy club in an educational institution in Bogotá. This document is grounded on the deepening line from the Masters in Education emphasized in Natural Sciences and Technology. Initially teaching by research is addressed as a strategy for designing and implementing the sequence, later describing theoretical aspects from the measuring processes and observations of astronomical phenomena related to the dimensions in the Earth-Moon system, characterizing historical, physical and mathematical contents by introducing several research processes, generating in students the necessity for building conjectures though group interaction, using different representations and activities which are carried inside the teaching-learning process; enabling a significant learning in the classroom. As a conclusion the results are analyzed considering three aspects, namely, i. The construction of the didactic sequence, ii. The implementation in the astronomy club, and iii. The considerations that emerged in the development of didactic implementation. Keywords: Teaching, Astronomy, learning by research, dimensions, sequence Contenido III Contenido Pág. Resumen .......................................................................................................................... VII Abstract ............................................................................................................................. IX Lista de figuras ............................................................................................................... XIII Introducción ...................................................................................................................... 1 1. Capítulo I ..................................................................................................................... 5 1.1 Objetivos ........................................................................................................... 5 1.1.1 Objetivo General .................................................................................... 5 1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................. 5 1.2 Contexto del Problema ...................................................................................... 5 1.3 La Pregunta de Investigación ............................................................................ 8 1.4 Antecedentes Teóricos ..................................................................................... 9 1.4.1 Aprendizaje por Investigación ................................................................ 9 1.4.2 Didáctica de la Astronomía .................................................................. 12 1.4.3 Secuencia Didáctica ............................................................................. 15 1.4.4 Diarios de Campo ................................................................................. 16 1.4.5 La Historia de la Astronomía ................................................................ 18 1.4.5.1 Teorías Clásicas ................................................................................... 22 1.4.6 Física y Astronomía .............................................................................. 24 1.4.6.1 Leyes de Kepler ................................................................................... 24 1.4.6.1 La Ley de Gravitación Universal .......................................................... 26 2. Capítulo 2 .................................................................................................................. 30 2.1 Desarrollo Metodológico ................................................................................. 30 2.2 Diseño de la Investigación .............................................................................. 31 2.3 Delimitación ..................................................................................................... 32 2.4 Etapas de la Propuesta ................................................................................... 32 3. Capítulo 3 .................................................................................................................. 37 Resultados y Análisis de la Implementación.............................................................. 37 3.1 Resultados ...................................................................................................... 37 3.1.1 Diarios de Campo ................................................................................. 38 3.1.2 Secuencia Didáctica ............................................................................. 40 3.2 Análisis de la Implementación ......................................................................... 41 4. Capítulo 4 .................................................................................................................. 59 Reflexiones ................................................................................................................ 59 IV 4.1 Sobre el diseño de la propuesta ...................................................................... 59 4.2 Sobre la implementación ................................................................................. 61 4.3 Sobre el papel de la profesora ......................................................................... 64 5. Conclusiones y recomendaciones .......................................................................... 67 5.1 Conclusiones ................................................................................................... 67 5.2 Recomendaciones ........................................................................................... 68 A. Anexo: Diario de Campo .......................................................................................... 71 B. Anexo: Secuencia Didáctica .................................................................................... 77 Bibliografía ....................................................................................................................... 97 Contenido V Lista de figuras Pág. Figura 1-1: Perfil del Estudiante desde el Aprendizaje por Investigación. ................. 10 Figura 1-2: Perfil del Profesor desde el Aprendizaje por Investigación. ..................... 12 Figura 1-3: Las dimensiones desde la Historia de la Astronomía .............................. 20 Figura 1-4: Método de Aristarco para medir la Luna. (Tomado de Principia .............. 21 Figura 1-5: Método de Eratóstenes para medir la Tierra. .......................................... 22 Figura 1-6: Primera Ley de Kepler. ............................................................................ 25 Figura 1-7: Segunda Ley de Kepler. (http://renecillo93.blogspot.com.co/) ................ 25 Figura 1-8: Tercera Ley de Kepler. (http://extraclassvirtual.blogspot.com.co/) .......... 26 Figura 1-9: Determinación Constante de Gravitación G. ........................................... 29 Figura 2-1: Características de la Investigación Cualitativa. ....................................... 31 Figura 2-2: Etapas del plan de trabajo. ...................................................................... 33 Figura 2-3: Encuesta Inicial. ....................................................................................... 34 Figura 2-4: Resultado encuesta ................................................................................. 34 Figura 3-1: Organización de notas del diario de campo. ............................................ 38 Figura 3-2: Interpretando Método de Eratóstenes (Activida1, 2014) ......................... 42 Figura 3-3: Trazando el meridiano del lugar. (Actividad 2, 2014) .............................. 44 Figura 3-4: Midiendo el radio de la Tierra – Eratóstenes (Actividad 3, 2014) ............ 45 Figura 3-5: Explicación de los Equinoccios y Solsticios (Actividad 4, 2014) ............. 45 Figura 3-6: Mediciones con Google Earth (Actividad 5, 2014) ................................... 47 Figura 3-7: Trazo de radio de arco de Circunferencia ............................................... 49 Figura 3-8: Midiendo el radio de la Luna (Actividad 7, 2014) ..................................... 51 Figura 3-9: Midiendo el radio de la Luna- geometría y tamaños ................................ 51 Figura 3-10: Midiendo el radio de la Luna- opiniones de la actividad .......................... 52 Figura 3-11: Intensidad Gravitacional en la Luna ........................................................ 53 Figura 3-12: Midiendo la masa y densidad de la Luna ................................................ 56 Figura 3-13: Cálculos la masa y densidad de la Luna ................................................ 56 Figura 4-1: Análisis de la Implementación basado en (Camino 2016) ...................... 62 Figura 4-2: Ubicación espacial ................................................................................... 63 Figura 4-3: Elementos de trazado para las mediciones ............................................. 64 IV Introducción La Astronomía es considerada una ciencia integradora con otras disciplinas como física, química, biología, historia, matemática, entre otras; sin embargo no es abordada adecuadamente con la mayoría de los estudiantes en la escuela. Es necesario incorporar estrategias pedagógicas específicas de Astronomía en la educación escolar, tales como, la interconexión entre los datos observacionales disponibles en cada momento histórico y la elaboración de modelos teóricos, entre otros; con el objetivo de reducir la brecha entre lo que es enseñado y lo que se debe enseñar (Betancourt.2010), teniendo en cuenta que en nuestro país solo hay algunas propuestas para incluir la Astronomía como una asignatura básica, por el contrario se encuentra al interior de programas curriculares de las ciencias naturales y ciencias sociales en la educación básica y media, cuyos contenidos están dispersos, como aparece en la propuesta de estándares de ciencias: “Valiéndose de la curiosidad por los seres y los objetos que los rodean, en la escuela se pueden practicar competencias necesarias para la formación en ciencias naturales a partir de la observación y la interacción con el entorno; la recolección de información y la discusión con otros, hasta llegar a la conceptualización, la abstracción y la utilización de modelos explicativos y predictivos de los fenómenos observables y no observables del universo.”(Ministerio de Educación Nacional, 2004). Sin embargo, la poca formación de los profesores, en temas relacionados con la Astronomía tanto en lo teórico como didáctico, como lo señalan algunos autores (Camino, 1995; Summers y Mant, 1995; Atwood & Atwood, 1995, 1996; Navarrete, 1998) que describen las ideas de los profesores (en formación y activos) sobre los modelos astronómicos, señalando la existencia de similitudes entre dichos modelos y los que proponen los estudiantes. Con tales concepciones, en la enseñanza para explicar los fenómenos astronómicos, los profesores tienden a utilizar representaciones idealizadas y 2 Introducción lejos de lo observable cotidianamente, haciendo que los estudiantes tengan dificultades conceptuales de esta ciencia (Nardi, 2012). En el ámbito de la enseñanza de las ciencias, la astronomía es una ciencia que plantea problemas de enseñanza-aprendizaje. No hay duda, en la actualidad, de su importancia educativa, en cuanto a su carácter cultural (Lanciano, 1989; Nussbaum, 1990), y su incidencia en el conocimiento del entorno y valor práctico en el desenvolvimiento del sujeto en el mismo, a su capacidad para plantear problemas que han de ser resueltos mediante la utilización de actividades científicas, por tal motivo, Sharp & Moore (1993) recomiendan incluirla desde los primeros niveles de enseñanza. Ante este panorama, el papel del profesor y de la didáctica escolar, invita a la reflexión y a poner en marcha nuevas estrategias, de enfoquesalternativos basados en una pedagogía y didáctica de la Astronomía, que permitan la reflexión permanente de los acontecimientos del mundo, buscando profundizar en cada acción educativa las conexiones con otras áreas del conocimiento, en especial, con la historia de la ciencia y la cultura (Camino, 2012). También como lo menciona Nardi (2012) es importante que los procesos educativos coincidan con los tiempos de los fenómenos astronómicos a observar, como un papel diferenciador de otras ciencias. Además el conocimiento de las regularidades astronómicas es una pieza fundamental en el proceso de construcción y validación de los modelos astronómicos, es por esto que se busca diseñar y crear, acciones didácticas específicas que tiendan a la construcción de aprendizajes significativos, sobre temas puntuales, en contextos variados, a través de procesos de observación e investigación en la cual los profesores recuperen el papel de liderazgo en la formación de ciudadanos conscientes de los avances científicos y tecnológicos que cada día afectan la sociedad y la cultura. En este sentido, Cañal y Porlan (1987), mencionan que el aprendizaje por investigación se desarrolla en un método de construcción de aprendizaje que brinda a los estudiantes herramientas para el auto-aprendizaje, o como lo explica Mosquera (2011), contribuye a desarrollar propuestas constructivistas, en la enseñanza de las ciencias, donde los conocimientos científicos que se desarrollan, permitan la participación de los estudiantes Introducción 3 en la reconstrucción de los conocimientos que habitualmente se transmiten ya elaborados y a los docentes realizar investigaciones en didáctica de las ciencias tanto en el campo de las concepciones alternativas como en el de los trabajos prácticos y de observación, pues se ha demostrado que los estudiantes desarrollan mejor su comprensión conceptual y aprenden más acerca de la naturaleza de la ciencias, cuando participan en investigaciones científicas. Este documento presenta una propuesta metodológica de aprendizaje por investigación en temas relacionados con la Astronomía en particular con las dimensiones en el sistema Tierra-Luna. En el capítulo 1 se presentan los objetivos, la pregunta problema y los antecedentes que se dividen en cuatro apartados que fundamentan la propuesta; inicialmente se revisa el aprendizaje por investigación, en la enseñanza de la Astronomía, sus principales características y plan de implementación dentro de las acciones pedagógicas. Más adelante, se hace una revisión de los aspectos históricos de la Astronomía, con respecto a la evolución de los conceptos relacionados con las dimensiones, y la contribución histórica de las culturas para la construcción de dichos saberes y los conceptos físicos relacionados, el tercer apartado se caracteriza la didáctica de la Astronomía, como una estrategia de enseñanza que apunta a favorecer el aprendizaje significativo. Finalmente se establecen los criterios de la secuencia didáctica como propuesta de implementación. El capítulo 2, está dedicado al desarrollo de las concepciones teóricas relacionadas con el enfoque didáctico de aprendizaje por investigación y su articulación como referentes teóricos y metodológicos de la propuesta didáctica planteada, describiendo cada una de las etapas de la propuesta de innovación que permitieron diagnosticar, elaborar y ejecutar el plan de investigación. Posteriormente se presenta el desarrollo de la propuesta, que inicia con una caracterización del grupo de estudiantes que participaron en el proceso, luego se describen las etapas de construcción, validación y reconstrucción de los temas y actividades, hasta llegar a la organización del aprendizaje por Investigación en forma de secuencia didáctica. Así mismo se realiza un análisis de la estructura del diario de campo como instrumento de recolección, reconstrucción y organización de las experiencias del profesor. 4 Introducción En el capítulo 3, se detallan los resultados obtenidos en las secuencias didácticas realizadas por los estudiantes del club, después se presenta el desarrollo de la implementación en el aula, se realiza un análisis de la secuencia de la información recolectada en los diarios de campo. En el capítulo 4 se presentan las reflexiones que resultaron del diseño y la implementación de la propuesta, así como el papel del profesor como observador y dinamizador dentro de la propuesta de innovación, y se exponen, a manera de conclusión, las implicaciones del desarrollo de una propuesta alternativa de enseñanza, los rasgos más relevantes de la metodología, el diseño de la secuencia didáctica y los principales alcances y limitaciones de la propuesta de innovación en la enseñanza. 1. Capítulo I 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo General Desarrollar una propuesta de procesos de investigación científica en la escuela mediante el diseño e implementación de una secuencia didáctica, al trabajar temas propios de la Astronomía con un grupo de estudiantes del Club de Astronomía de una institución educativa de la ciudad de Bogotá. 1.1.2 Objetivos Específicos 1. Caracterizar e identificar el aprendizaje por investigación como una herramienta que permita implementar una propuesta didáctica para la enseñanza de situaciones relacionadas con la Astronomía. 2. Diseñar una secuencia didáctica en temas relacionados con la Astronomía, en particular con las dimensiones del sistema Tierra- Luna, que permita solucionar las dificultades que tienen los estudiantes de educación básica y media en el aprendizaje de ésta ciencia. 3. Implementar la secuencia didáctica en el Club de Astronomía de un colegio público de Bogotá. 4. Elaboración de informe final, donde se analizan los aportes y limitaciones de la propuesta metodológica. 1.2 Contexto del Problema La Astronomía y los temas relacionados con ella son la vanguardia de la ciencia y la tecnología, resolviendo cuestiones fundamentales sobre nuestra existencia y sobre el Universo en el que vivimos. Por esta razón, el plan estratégico para 2010-2020 de la 6 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Unión Astronómica Internacional (IAU) tiene como áreas clave la tecnología, la ciencia, la investigación, la cultura y la sociedad. La Astronomía ha tenido un papel muy importante en la historia, revolucionando constantemente el pensamiento humano. En el pasado, la Astronomía se usaba básicamente para la medida del tiempo, para marcar las distintas estaciones y para la navegación a través de los grandes océanos. La Astronomía es una ciencia muy antigua y por ello es parte de la historia de las culturas. Es una ventana a la inmensidad y la complejidad del espacio exterior, colocando a la Tierra en su lugar en el Universo. (IUA. 2012). Los problemas de la enseñanza de la Astronomía surgen generalmente porque es considerada una disciplina difícil de enseñar, y los profesores tradicionalmente tienen una aproximación a través de libros, películas, videos y modelos. Algunos docentes, pueden haber efectuado visitas a un observatorio o planetario, otros, pueden tal vez haber realizado una sesión de observación nocturna; pero sin embargo las dificultades que algunos docentes manifiestan es no tener suficientes actividades prácticas, la sensación de poseer conocimientos inadecuados, además suponen que es necesario disponer de equipos y material astronómico especializado, para que puedan introducir la enseñanza de la Astronomía en sus clases. En los últimos años, se ha realizado un gran número de investigaciones que muestran que estudiantes encuentran serias dificultades de aprendizaje en la comprensión de los modelos Sol-Tierra -Luna, Algunos de estos trabajos se han dedicado a analizar las ideas de los estudiantessobre la forma de la Tierra (Nussbaum, 1979; Baxter, 1989; Sharp, 1996; Sneider y Ohadi, 1998). Otros han investigado sobre los modelos que tienen los estudiantes de fenómenos astronómicos elementales, además han encontrado que estos utilizan unos modelos alternativos sobre la forma de la Tierra y el ciclo día- noche, que surgen al tratar de contrastar la información recibida en la escuela con sus propias ideas. (Schoon, 1992; Martínez Sebastià, 1998; Galili y Lavrik, 1998 citados por Galperin, 2013). El estudio de la dinámica del sistema solar hasta sus objetos más insignificantes, nos ayuda a entender en detalle las amenazas a nuestro planeta provenientes del espacio. Capítulo 1 7 Estos sucesos pueden tener un gran impacto en nuestro mundo, tal y como demostró el impacto de un meteorito sucedido en Chelyabinsk (Rusia) en 2013. Es importante la enseñanza de la Astronomía en la escuela, pues se han hecho estudios que evidencian que los estudiantes que tienen la posibilidad de hacer cursos de Astronomía, o materias relacionadas, en la escuela primaria o secundaria tienen más posibilidades de continuar en carreras científicas o tecnológicas y de seguir interesados con los descubrimientos científicos (National Research Council 1991). Esto no solamente beneficia al campo de la Astronomía, sino que se extiende a otras disciplinas científicas. Se ha presentado pocos estudios con respecto al proceso observacional de los estudiantes y a su interrelación con los modelos que estos proponen. Como señalan algunos autores (Albanese et al, 1997, citado en Bernat, S. 2004), el conocimiento de las regularidades astronómicas es una pieza fundamental en el proceso de construcción y validación de los modelos astronómicos, ya que ¿cómo se puede justificar los modelos en astronomía, si se desconocen las regularidades que deben ser explicadas? En particular, entre las dificultades evidenciadas entre los profesores, las explicaciones astronómicas de la luna, con sus fases y el movimiento espacial del Sol, la Luna y la Tierra involucrados fueron de los temas indagados con mayor dificultad. La Luna que percibimos desde nuestro lugar en la Tierra son vivencias astronómicas topocéntricas. Sin embargo para dar una explicación sobre su origen, hay que recurrir a un punto de vista situado en el espacio, en este sentido uno de los principales obstáculos en el aprendizaje de la Astronomía es aquel que está ligado a la visión espacial, es decir a la capacidad mental de ver y trabajar las tres dimensiones (Camino, 2004). Muy pocos profesores y estudiantes son capaces de identificar los días singulares y las regularidades en torno a ellos (Solsticios y equinoccios), lo cual va asociado a como se producen los cambios astronómicos a lo largo del año, en general desconocen otros modelos que pueden explicar los mismos fenómenos; además de no realizar procesos de observación sistemática que les permita explicar la regularidad de su ocurrencia. La enseñanza de la Astronomía en Colombia no está contemplada en los planes de estudio de la educación básica y media como una asignatura, se abordan algunos temas en las áreas de sociales y de ciencias naturales. El acercamiento a esta ciencia lo tienen 8 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía los niños y jóvenes en los Semilleros o clubes de ciencias que tienen los colegios públicos y privados o en algunas entidades como el Planetario de Bogotá, el parque Explora de Medellín con Astromae; Shaula grupo de divulgación en Ibagué y en Quibdó, entre otros. El Planetario de Bogotá hace anualmente una convocatoria dentro del Plan de Acción para el Programa Semilleros de Astronomía, que propende por la reorganización de los Clubes de Astronomía, el desarrollo de las competencias investigadoras en Ciencias y la incorporación permanente, pertinente y sostenida de proyectos innovadores en apoyo a los aprendizajes y la gestión académica de los Clubes o Grupos Astronómicos. (Convocatoria Planetario de Bogotá) 1.3 La Pregunta de Investigación En este trabajo se plantea la enseñanza de la Astronomía como una estrategia en la enseñanza de las ciencias. Su carácter interdisciplinar, el interés divulgativo que despierta, y la posibilidad de diseñar e incorporar recursos didácticos que motiven al estudiante a participar en trabajos colaborativos y de investigación escolar, pero ¿Cómo lograr materializar y fomentar esto en el aula?, específicamente, ¿Qué aspectos permiten el desarrollo de procesos de investigación científica en el aula en un grupo de estudiantes del club de astronomía de un colegio público de Bogotá, por medio de una estrategia pedagógica en temas relacionados con la Astronomía? La enseñanza de la astronomía presenta numerosos problemas, porque en esta ciencia las hipótesis se comprueban más por observación que por experimentos, y esta nunca se analiza, hasta el punto de que muchos estudiantes por ejemplo, no son conscientes de que la Luna se puede ver de día (Camino, 1998). Una posible razón para esta falta de observaciones es que los profesores no utilizamos el laboratorio de astronomía que todos los colegios disponen, el patio de la escuela (Ros, 2009). Además de los aspectos de la disciplina, deben tratarse los aspectos pedagógicos y didácticos en los procesos de enseñanza-aprendizaje que permitan al estudiante tener una visión más amplia de esta ciencia desde su propia experiencia y el manejo de datos que le permita dar respuesta a sus interrogantes. Capítulo 1 9 Es posible plantear una propuesta de enseñanza que tenga en cuenta los aspectos históricos de la Astronomía y las propuestas realizadas por la investigación en didáctica de las ciencias. Estas hipótesis se encuentran fundamentadas tanto en la historia de las ciencias como en la didáctica de las ciencias 1.4 Antecedentes Teóricos 1.4.1 Aprendizaje por Investigación Aprendizaje por Investigación o (Research-Based Learning – RBL por sus siglas en inglés) es un enfoque didáctico que permite hacer uso de estrategias de aprendizaje activo para desarrollar en el estudiante acciones que le permitan realizar una investigación creativa en el mundo del conocimiento. En este sentido, Cañal (2007) plantea que el aprendizaje por investigación es una estrategia de enseñanza en la que, partiendo de la curiosidad y capacidad investigadora innata de todos los niños y niñas, el docente orienta la dinámica del aula hacia la exploración y reflexión conjunta en torno a las preguntas que los estudiantes se plantean sobre los componentes y los fenómenos característicos de su entorno y diseñando entre todos planes y estrategias que proporcionen los datos necesarios para la construcción colaborativa de soluciones a los interrogantes abordados, de manera que se satisfaga el deseo de saber y de comprender de los estudiantes. Según Porlán (1995), la investigación en el aula es una alternativa para poder flexibilizar el proceso de enseñanza y aprendizaje tratando de combinar inteligentemente lo que el profesor interpreta como conveniente y lo que el estudiante siente como interesante, es aquí en donde, al planear un proceso de investigación en el aula, éste, debe responder a problemas significativos en la vida del estudiante, que sean de su interés y relacionados con la realidad que lo rodea, para que pongan a prueba la construcción de nuevos conocimientos, actitudes y valores. Para Cañal (1997) la investigación en el aula debe permitir la reflexión crítica de los docentes, en torno a la enseñanza y profundizar en la fundamentación científica, práctica y didáctica en forma individual o con grupos de profesores con un interés común que aporten al desarrollo del currículo, haciendo propuestas de proyectos curriculares de 10 Desarrollo de Procesos de Investigaciónen la Escuela a partir de la Astronomía experimentación, evaluación, reformulación y mejora de las propuestas pedagógicas en la escuela. Del mismo modo, ésta se perfecciona progresivamente en la práctica, en el desarrollo de las estructuras conceptuales y operatorias del estudiante y es pensada como un instrumento al servicio de los objetivos generales de la educación; además como una mirada rigurosa que pretende construir, explicar o comprender el fenómeno educativo, en tanto se convierte a su vez en un proceso de aprendizaje para quienes participan en ella de tal modo que ese aprendizaje le permita considerar una acción informada y reflexiva sobre la propia práctica, comparada con una didáctica general. (Cañal & Porlán, 1987). Una manera de comprender la formación investigativa es que se configura como un proceso que pretende conocer la realidad y lograr mejorar la capacidad de indagación de los estudiantes; donde se ponga en juego la capacidad para aprender por si mismos con el deseo de resolver problemas. De acuerdo con Flores (2012), un estudiante comprometido en el aprendizaje por investigación, requiere del compromiso con el trabajo en equipo, de gran capacidad de aprender por cuenta propia; que sea un estudiante que le guste documentarse, que sepa trabajar individualmente y en equipo, que formule preguntas relevantes, y le guste resolver problemas. Desde el aprendizaje basado en la investigación se espera que el estudiante logre un perfil que le permita generar inferencias y conclusiones con el fin de que construya sus propias explicaciones. (Véase figura 1-1). Figura 1-1: Perfil del Estudiante desde el Aprendizaje por Investigación. Con creatividad y emprendimiento PERFIL DEL ESTUDIANTE DESDE EL APRNDIZAJE POR INVESTIGACIÓN Busca alternativas de solución Desarrolla trabajo autónomo Comprende significativamente conceptos Aprendizaje colaborativo Capítulo 1 11 El maestro investigador, reconstruye y adapta los conocimientos que trata de enseñar a los estudiantes; su función no será tanto administrar o dosificar contenidos, sino diseñar y desarrollar propuestas didácticas atractivas para que los estudiantes puedan conocer e intervenir críticamente en su proceso de aprendizaje. Su propósito es vincular los programas académicos con la enseñanza. Esta vinculación puede ocurrir ya sea como parte de la misión institucional de promover la interacción entre la enseñanza y la investigación, como rasgo distintivo de un programa curricular, como parte de la estrategia didáctica en un curso, o como complemento de una actividad específica dentro de un plan de enseñanza (Cañal, 1997). En consecuencia, la enseñanza de las ciencias adquiere su verdadera importancia, al permitir que los estudiantes desarrollen una cultura científica para abordar los problemas cotidianos, lo cual le llevará necesariamente al conocimiento científico de la realidad, y partiendo de él debe construir, con el apoyo y orientación de su maestro, el conocimiento científico que sólo tiene sentido en el contexto en el cual vive. Por lo tanto es necesario que el docente se empodere en la motivación que este ejerce sobre su estudiante, además de su interés por la investigación y la adquisición de conocimiento científico y el trabajo de las técnicas de investigación, particularmente de la indagación, búsqueda, creatividad, interrogación y del descubrimiento. La inclusión de proyectos de investigación en el aula contribuye a generar la necesidad de estructurar un currículo interdisciplinario con áreas diferentes a la de las ciencias naturales, como lo son matemáticas, lenguaje y tecnología, que permitan desarrollar pensamiento complejo, pensamiento crítico y asumir los modelos de comprensión del pensamiento científico. El objetivo último de la enseñanza de las ciencias naturales de acuerdo a lo que señalan los autores, (Cañal & Porlan, 1997) debe ser el de promover en los estudiantes la construcción de un modelo que le permita el aprendizaje de las ciencias, en particular de la Física y la Astronomía y, al mismo tiempo permitir que el estudiante se apropie no por la repetición de cosas ya hechas sino por el descubrimiento de sus propias capacidades. Asimismo, el aprendizaje de las ciencias tiene como referente concreto la investigación, que implica la exploración de nuevas situaciones en la que la predicción de lo que 12 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía sucede en dicha situación o la exploración de nuevas teorías para las que no se cuenta con explicaciones definitivas; tiene un componente social que se expresa no sólo en la construcción de conocimiento en comunidad, sino en el papel que desempeña el hacer científico en las transformaciones de una sociedad. Asesorar a un grupo de estudiantes en el desarrollo e implementación de un proyecto de investigación es una labor compleja e interesante a la vez. De acuerdo con Flores, (2012), para llevar a cabo eficazmente esta labor, el profesor debe reunir ciertas características, (ver figura 1-2) en cuanto a conocimientos, habilidades y actitudes. Figura 1-2: Perfil del Profesor desde el Aprendizaje por Investigación. Dialogo permanente Valora el Trabajo y aporte de los estudiantes Perfil del profesor Desde el Aprendizaje por investigación Contribuye a generar ideas, reflexiones y análisis de los estudiantes Fortalece el aprendizaje por descubrimiento Motiva el uso de diferentes fuentes de informacion 1.4.2 Didáctica de la Astronomía La didáctica se encarga de buscar métodos y técnicas para mejorar la enseñanza, además permite abordar, analizar y diseñar los esquemas, planes y estrategias destinados a focalizar y relacionar cada una de las etapas del aprendizaje. En la enseñanza de las Ciencias Naturales se requiere, como todas las áreas del conocimiento, de ciertas estrategias didácticas que le son propias. Galileo en el siglo XVII, planteo una forma diferente de ver la ciencia, al señalar la necesidad de la observación, priorizando la experiencia como parte fundamental en la construcción de ésta, (López. 2008) Capítulo 1 13 La didáctica de la Astronomía desarrollada en proyectos de investigación en la escuela es importante la observación de fenómenos con diferentes métodos, la regularidad y la ocurrencia de fenómenos astronómicos y debe buscar la construcción de aprendizajes significativos para aquellos que están en procesos de aprendizaje, además teniendo en cuenta que la Astronomía es una disciplina autónoma, con gran potencialidad para contribuir a la transformación de la vida de las personas y las sociedades, permite hacer reflexión acerca de las prácticas docentes en el marco de la enseñanza de las Ciencias Naturales. La Didáctica de la Astronomía es una de las disciplinas que más exige a los educadores y a los investigadores en educación reflexionar sobre lo mucho que se moviliza en cada acción de enseñanza-aprendizaje que se puede desarrollar, cualquiera sea la edad de las personas que participen en las mismas, sus posibilidades y sus intereses. Es importante destacar que lo novedoso no es que se enseñe Astronomía en las escuelas; la Astronomía es una disciplina ancestral, que ha estado siempre dentro de las aulas. De acuerdo a Camino, (2011) lo novedoso, es como construir dentro de las aulas la Didáctica de la Astronomía como una disciplina nueva, ya que hace relativamente muy pocos años que ha comenzado a ser el “campo de gestación de investigaciones educativas específicas”. En este trabajo se asume la Didáctica de la Astronomía como una estrategia de enseñanza que apunta a favorecer el aprendizaje significativo de los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales, que actúan como núcleos integradores,durante los distintos momentos de enseñanza-aprendizaje que se llevó en el proceso de la implementación de la propuesta, donde surgieron preguntas, problemas, diferentes intereses y nuevas temáticas. La Didáctica de la Astronomía es la herramienta que nos brinda ciertos elementos para comenzar a reconstruir la relación con el cielo, retomando el diálogo entre lo vivencial y el conocimiento construido, a partir de nuestras experiencias en el proceso de enseñanza- aprendizaje y el desarrollo de las estrategias que se desarrollan en el aula. 14 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Parte importante de la propuesta didáctica radica en establecer relaciones entre el proceso educativo con los tiempos de los fenómenos astronómicos que se estudian. (Camino, 2011) Es decir, aprender en forma significativa requiere de un cierto tiempo, y de un diálogo interno entre lo aprendido y los procesos de aplicación, experimentación e implementación. Camino (2016) dice lo siguiente: El mundo natural es el aula privilegiada de la didáctica de la Astronomía, por lo que se deben generar estrategias, pues todo concepto, proceso, método, etc. propios de la Astronomía pueden ser enseñados y por tanto aprendidos, y no es a través de una didáctica común para todos, se deben crear y diseñar acciones didácticas específicas, sobre temas puntuales, con grupos específicos y en contextos variados a través de procesos de investigación en el espacio tridimensional y en periodos de tiempo extensos.(Conferencia Cali ) A pesar de las dificultades que se han evidenciado en la enseñanza de la Astronomía, es posible construir una propuesta enmarcada en un modelo didáctico que, como indica Solbes (2009), cumpla con la enseñanza desde un punto de vista histórico, de los intereses sociales y educativos, y que tenga en cuenta la observación, las concepciones, habilidades e intereses de los estudiantes para diseñar el ambiente de aprendizaje. Un desafío para quienes aplican la Didáctica de la Astronomía, es el de generar acciones didácticas específicas sin pérdida de la rigurosidad conceptual ni de la calidad educativa, en especial desde la observación rigurosa de fenómenos astronómicos cotidianos. Enseñar Astronomía nada tiene que ver con trivializar los contenidos conceptuales a trabajar ni rebajar la calidad pedagógica, se debe fortalecer el trabajo didáctico sobre aquellos conceptos que están en la base, en la fundamentación de todos los modelos explicativos antiguos y modernos, sin alejarse de la observación sistemática del cielo, es un desafío que, antes que alejarnos de la ciencia actual, nos hace comprenderla ya no en su “virtuosismo formal”, sino en sus fundamentos más elementales. (Camino, 2011). Capítulo 1 15 Para el profesor Néstor Camino, el mundo natural es un aula privilegiada de la didáctica de la Astronomía, en los aspectos fundamentales, no es única, es una de muchas concepciones, pues todos los conceptos, procesos y métodos, propios de la Astronomía pueden ser enseñados y consecuentemente aprendidos, además no debe ser una didáctica común para todo y para todos Se busca diseñar, crear, acciones didácticas específicas que tiendan a la construcción de aprendizajes significativos sobre temas puntuales con diferentes grupos, en contextos variados a través de procesos de investigación. La didáctica de la Astronomía debe desarrollarse en el espacio tridimensional y durante periodos de tiempo extensos, en contexto natural real y deben brindar a quienes aprenden situaciones vivencialmente significativas. (Conferencia 2a Escuela Latinoamericana de las Ciencias y la Astronomía, Universidad del Valle, Cali 2016 y entrevista personal) 1.4.3 Secuencia Didáctica Una secuencia didáctica es una serie de actividades articuladas, ordenadas y estructuradas para conseguir unos objetivos educativos y de aprendizaje con la mediación del docente (Tobón, 2010). Concretamente, se considera que la elaboración de secuencias didácticas integradas en procesos de formación, es un escenario potente para promover el diálogo genuino entre teoría educativa, pensamiento científico y enseñanza. En otras palabras, crear una secuencia didáctica, como experiencia formativa, supone un abordaje en espiral donde la construcción conceptual se desarrolla y retroalimenta a partir de la práctica de diseño y planificación didáctica (Martín y Cervi, 2006, Perrenoud, 2007). La secuencia didáctica sirve como instrumento de investigación didáctica en la medida que informa cómo evoluciona la planificación inicial y la utilidad de las estrategias seguidas, lo que permite, desde la misma acción, comprobar y fundamentar la eficacia del proceso y de las técnicas utilizadas; informa, además, al estudiante de las evoluciones y cambios alcanzados en esa experiencia didáctica. 16 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía La secuencia didáctica pretende fomentar la investigación en el estudiante, como la herramienta más adecuada para la construcción de conceptos, procedimientos y actitudes. Esta investigación, ha de enmarcarse en un modelo general de intervención en el aula e integrar el saber escolar, con los aportes del saber cotidiano y del saber científico, partiendo de la resolución de problemas; que permita que el estudiante vaya aproximando sus concepciones al conocimiento científico (Sanmartí. 2000). En este trabajo proponemos que el término secuencia didáctica en vez de ser equivalente a una lección o tema, sea considerado como un modelo alternativo de enseñanza que permite concretar todas las decisiones y opciones adoptadas en otras instancias de planificación educativa: finalidades, proyectos curriculares, todo lo que de alguna forma enmarca y justifica una cierta manera de entender y practicar la enseñanza y su comunicación. La secuencia didáctica orienta y facilita el desarrollo practico, se concibe como una propuesta flexible que puede y debe, adaptarse a la realidad concreta a la que intenta servir, de manera que sea susceptible un cierto grado de estructuración del proceso de enseñanza aprendizaje con objeto de evitar la improvisación y la dispersión, mediante un proceso reflexivo en el que participan los estudiantes, la docente, los contenidos de la asignatura y el contexto. Es además una buena herramienta que permite analizar e investigar la practica educativa. (Sánchez. 1993). Permite organizar los contenidos escolares y las actividades relativas al proceso completo de enseñanza aprendizaje de las ciencias, ya que integra contenidos mediante un quehacer interdisciplinario, a través de trabajo en equipo por parte de los estudiantes. La secuencia didáctica debe inculcar valores, actitudes y habilidades cognitivas para fomentar la representación de la propia experiencia y el conocimiento tanto en la escuela como en los demás escenarios en que interactúan los estudiantes. 1.4.4 Diarios de Campo El concepto de diario o cuaderno de campo está históricamente ligado a la observación participante y es el instrumento de registro de datos del investigador de campo, donde se anotan las observaciones (notas de campo) de forma completa, precisa y detallada (Taylor y Bogdan, 1987). Capítulo 1 17 El diario de campo, es considerado como una herramienta de gran utilidad para los maestros, no sólo como posibilidad de escribir y narrar anécdotas de lo que sucede en la clase, sino también como elemento para la investigación. Por tanto, éste no se centra solamente en hechos, sino también desde su estructura permite abordar experiencias significativas, tanto para el maestro como para sus estudiantes; y en este se hacen referencias tanto a lo disciplinar como a lo práctico. El hecho mismo de reflejar estas experienciaspor escrito favorece la adquisición y perfeccionamiento de competencias como: capacidad de observación, análisis, escritura, crítica, reconstrucción y la disciplina necesaria para convertir la práctica en una posibilidad investigativa que genere nuevo conocimiento y por ende, nuevas estrategias de intervención (Londoño, Ramírez, Fernández y Vélez, 2009). Porlán & Martín (1991) mencionan que el diario se debe iniciar desde lo general para llegar hasta lo concreto; en el primer nivel se explicitan situaciones de origen anecdótico que dan lugar a la construcción más profunda en la cual se describen las dinámicas propias dentro del aula de clase y el sistema escolar. Los diarios tienen, al menos, cuatro dimensiones que les permiten alcanzar una fuerte potencialidad expresiva: a) que requieren escribir; b) que implican reflexionar; c) que integran lo expresivo y lo referencial, y d) el carácter netamente histórico y longitudinal de la narración. Esto permite después de pasado un tiempo, tener una visión amplia de la evolución de los procesos pedagógicos del profesor, además puede constituirse en un instrumento de evaluación de las actividades en el aula, así como de las habilidades de pensamiento y reflexión, o como insumo para nuevas investigaciones. En el diario prevalece la idea de transformar la práctica educativa, volver más crítico el quehacer docente. El diario emerge como un medio que permite autoevaluar el trabajo, e innovarlo de manera creativa, y versátil. Dentro del ámbito de la investigación educativa los diarios pueden emplearse tanto con una finalidad más estrictamente investigadora como que con una finalidad más orientadora al desarrollo personal y profesional de los profesores. (Flores, 2014) 18 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Escribir el diario es un acto de transformación de las percepciones, pensamientos y sentimientos en forma escrita, proceso que no se limita al registro de notas, de sucesos o hechos anecdóticos, sino que implica la elaboración de ideas a partir de la comprensión de la realidad, donde esa comprensión, como ya se ha visto, está permeada por factores personales y socioculturales. Para Zabalza (2011) escribir sobre lo que uno está haciendo como profesor, es un proceso excelente para hacerse consiente de nuestros patrones de trabajo. Es una forma de “descentramiento” reflexivo que nos permite ver en perspectiva nuestro modo particular de actuar, es además una forma de aprender. En este trabajo el diario de campo como estrategia pedagógica, se escogió para registrar las observaciones de clase, se inició el proceso narrativo que incluye algunas ideas textuales de los estudiantes. Al finalizar cada diario de campo se hace un recuento y reflexión sobre el desarrollo de la actividad; teniendo en cuenta los registros durante el desarrollo de la clase y la evocación posterior a la misma. Para Porlán, R. & Martín, J. (1991). El Diario deja de ser exclusivamente un registro escrito del proceso desarrollado en la clase; a medida que avanzan las actividades tiende a convertirse en el eje organizador de una investigación de procesos pedagógicos; recogiendo información previamente establecida, analizándola y categorizándola, contrastando datos obtenidos de fuentes diversas, comparándolos con lo previsto en el diseño y estableciendo conclusiones que reorienten el curso de la práctica y nos permitan validar y reconstruir nuestro propio conocimiento pedagógico-profesional. 1.4.5 La Historia de la Astronomía La historia de las ciencias, cobra relevancia ya que dota a los maestros de herramientas e ideas sobre aspectos importantes para la enseñanza de su área de conocimiento en particular. Además, posibilita el reconocimiento de la naturaleza cambiante de la ciencia, que las leyes, teorías, modelos, conceptos, no surgen por descubrimiento ni por azar, sino que obedecen a un desarrollo académico que está mediado por situaciones propias de las relaciones humanas y de la sociedad en general. Tanto el saber disciplinar como Capítulo 1 19 la historia de la Astronomía, son de gran importancia para la formación de maestros, pues aportan elementos significativos para el desarrollo del espíritu investigador. La historia de la astronomía es uno de los procesos más complejos de toda la historia de la ciencia. Llegar hasta el conocimiento en el que nos encontramos nos ha costado miles de años, habiendo tenido que pasar por toda una serie de hipótesis, observaciones, experimentos y conjeturas. La Astronomía, la más antigua de las Ciencias, ha estado presente y formando parte de la identidad cultural de todos los pueblos. Desde el mito a las más modernas concepciones cosmológicas sobre el Universo, a través de los sistemas geocéntrico y heliocéntrico, conceptos astronómicos y datos de observación han sido de conocimiento común. La representación y el conocimiento del cielo y los objetos que vemos en él no son ajenos a esta situación, es conocido que el estudio de la Astronomía tiene su inicios en las civilizaciones más antiguas, donde respondiendo a una necesidad de supervivencia establecieron las épocas adecuadas para cosechar y recoger de acuerdo a la construcción de características comunes en el movimiento de objetos en el cielo, fenómeno que más tarde y respondiendo al instinto nómada propio de dichas civilizaciones fue útil también para orientarse en largos viajes. La astronomía como la conocemos hoy es una ciencia principalmente observacional, al respecto Portilla (2001) manifiesta que la astronomía busca explicar el universo en cuanto a su composición, estructura, origen, entre otros aspectos, desde un enfoque científico, es decir que los procedimientos y metodologías deben ser sustentadas desde las leyes físicas y químicas hasta ahora descubiertas y desde las bases matemáticas que las sustenten. Procesos que se tienen en cuenta para el diseño de la propuesta de investigación (Ver fig. 1-3) 20 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Figura 1-3: Las dimensiones desde la Historia de la Astronomía CAMBIO DE MODELO Revolución Científica Siglos XVI y XVII Cambio de paradigma (Thomas Kuhn) Cambio Conceptual y Metodológico Aristarco de Samos Eratóstenes Hiparco de Nicea Nicolás Copérnico Concepciones Aristotélica- Escolástica Concepciones del Universo Sistema Geocéntrico Aristóteles Ptolomeo Sistema Heliocéntrico Principio de autoridad Siglo IV aC a Siglo XVI Tamaño de la tierra y la Luna Masa de la Luna Datos Reales Explorer 35 Galileo Galilei Johannes Kepler Isaac Newton Concepción Newtoniana-Macanisista Observaciones y evidencias científicas La ciencia y en particular la Astronomía, dio sus primeros pasos con los comienzos de la civilización griega con las observaciones de hombres como Tales y Anaximandro, y luego llegaron los estudios y las observaciones más elaborados de Eratóstenes, Aristarco, Aristóteles y Ptolomeo, este último vigente durante casi 20 siglos. Al lado de la teoría geocéntrica aparecieron otras como la de Aristarco de Samos (310 a 250 a. C.). Según él el Sol (Helios) se hallaba en el centro y alrededor de él giran en círculo los planetas, entre ellos la Tierra. Como Anaxágoras, tenía ideas sobre los tamaños relativos del Sol, la Luna y la Tierra. El diámetro del Sol tenía que ser cerca de siete veces el diámetro de la Tierra, una cifra muy alejada de la moderna pero que incorpora la idea correcta, es decir, que la Tierra es mucho más pequeña que el Sol. Encontró además, que la Luna es el único astro que puede eclipsar otros astros incluyendo las estrellas (Fig. 1-4). Para medir el tamaño de la luna y la distancia a la tierra comparó el tamaño dela sombra de la Tierra con el de la Luna durante un eclipse Lunar; y estimo que el diámetro de la sombra de la Tierra era aproximadamente el doble del diámetro lunar. (Roy. 1994) Capítulo 1 21 Figura 1-4: Método de Aristarco para medir la Luna. (Tomado de Principia Technologica. http://principiatechnologica.com/2013/05/21/distancia-y-dimensiones-de-la- luna-aristarco-de-samos/) Los griegos fueron también los primeros en intentar medir distancias en el cosmos. Aristarco, aplicando métodos de paralaje, al proyectar la sombra de la Tierra sobre la Luna eclipsada, y que la Luna en los eclipses mostraba el mismo tamaño aparente del Sol, halló que la razón de las distancias Luna-Sol era de 1/19. El diámetro de la Luna, según él, era 0,36 veces la de la Tierra, y el del Sol 6,75 el de ésta, pues ambas cantidades deben guardar la misma proporción de las distancias. Fue Eratóstenes, (Cirene, c. 284 a.J.C.-Alejandría, c.192 a.J.C.) Astrónomo, geógrafo, matemático y filósofo griego, quien por primera vez se atreviera a medir la circunferencia de la tierra. Eratóstenes realizó las observaciones en Alejandría el mismo día a la misma hora, descubriendo que la luz del Sol se veía reflejada en un pozo de agua el mismo día y a la misma hora. ÉL Asumió de manera correcta que si como el Sol se encontraba a gran distancia, sus rayos cuando tocaban la tierra deberían llegar en forma paralela, si esta era plana como se creía en aquellas épocas y no se deberían encontrar diferencias entre las sombras proyectadas por los objetos a la misma hora del mismo día, independientemente de donde se encontraran. Sin embargo, al demostrarse que si lo hacían, (la sombra dejada por la torre de Siena actual Aswan, formaba 7 grados con la vertical) dedujo que la tierra no era plana y utilizando la distancia conocida entre las dos ciudades y el ángulo medido de las sombras calculó la circunferencia de la tierra en aproximadamente 250 estadios (40.000 kilómetros), bastante exacto para la época y sus instrumentos rudimentarios. (Aaboe.1964) 22 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Una vez que hubo determinado la distancia d y estableciendo una sencilla relación entre los ángulos y las distancias en la circunferencia: (Fig. 1-5) (1.1) Despejando el valor de la circunferencia "C" (1.2) Figura 1-5: Método de Eratóstenes para medir la Tierra. (Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/155/htm/sec_7.htm) Calculando así Eratóstenes de manera matemáticamente muy sencilla la circunferencia de la Tierra "C" y de ella dedujo su diámetro y su radio con la fórmula (1.3) 1.4.5.1 Teorías Clásicas El primer intento serio de explicar los movimientos de los planetas lo realizó Claudio Ptolomeo (siglo II d.C.), quien diseñó un modelo del sistema solar donde los planetas, entre estos el Sol y la Luna, giraban alrededor de la Tierra. Sin embargo, no resultó tan fácil para Ptolomeo explicar las órbitas de los planetas, por lo que tuvo que introducir epiciclos, lo que significó incluir un sistema de círculos en el que un planeta se mueve alrededor de un círculo pequeño cuyo centro lo hace alrededor de otro círculo pequeño cuyo centro lo hace alrededor de otro círculo más grande centrado en la Tierra. (Sotelo. 2012) Capítulo 1 23 Nicolás Copérnico (1473-1543), astrónomo polaco, formuló su teoría sobre el movimiento de la Tierra basado en las ideas ya propuestas por el astrónomo griego Aristarco de Samos (siglo III a.C). Copérnico planteó que el Sol se encuentra en el centro del universo, de tal manera que la Tierra y los demás planetas describen círculos alrededor del Sol por lo que llegó a contradecir las ideas aristotélicas del movimiento. El esquema aristotélico de movimiento “natural” hacia la Tierra o hacia los cielos descansaba firmemente sobre la suposición de que la Tierra era el centro fijo del universo (Hawking. 1988) citado por (Sotelo. 2012) Galileo Galilei (1564-1642), fue uno de los principales científicos a principio del siglo XVII. Logró refutar lo expuesto por Aristóteles y comprobar lo dicho por Copérnico. A partir de los experimentos realizados por Galileo se fue demoliendo la hipótesis de Aristóteles acerca de la caída de los cuerpos, puesto que Galileo dejó caer objetos de varios pesos desde lo más alto de la Torre Inclinada de Pisa, y luego comparó las caídas. Encontró que un cuerpo A con el doble del peso de otro cuerpo B no caía con rapidez doble (véase figura 3.3). A excepción del pequeño efecto del aire, encontró que los objetos de distinto peso, cuando se sueltan al mismo tiempo, llegan al suelo en el mismo momento (Hernández, 2004). Johannes Kepler (1571-1630) matemático y astrónomo alemán en un principio consideró que el movimiento de los planetas debía cumplir las leyes pitagóricas de la armonía. Esta teoría es conocida como la música o la armonía de las esferas celestes, de esta manera aceptaba el modelo copernicano y quiso demostrar que la distancia de los planetas al sol, venían dadas por esferas en el interior de poliedros. Pero, sobre 1600 acepta la propuesta del astrónomo Tycho Brahe quien dirigía, en ese entonces, el mejor centro de observación astronómica y que por lo tanto pudo concertar datos observacionales mucho más precisos que los manejados por Copérnico. A la vista de tales datos Kepler se dio cuenta de que el movimiento de los planetas no podía ser explicado por su modelo de poliedros perfectos y armonía de esferas. Entonces, dirigió su mirada hacia las elipses como una posibilidad de explicar el movimiento planetario. Lo que lo llevó a su estudio y finalmente a formular sus tres famosas leyes. (Hernández, 2004). 24 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Isaac Newton (1643-1727) físico, filósofo, teólogo y matemático inglés, aportó en el desarrollo de la física y, más específicamente de la mecánica clásica, basándose en las leyes planteadas por Kepler sobre el movimiento de los planetas como también de los descubrimientos de Galileo con sus observaciones astronómicas, el principio de inercia y de la ley que rige la caída de los cuerpos. Las teorías de Newton. Sus leyes del movimiento, como el espacio newtoniano era el espacio tridimensional de la geometría clásica euclidiana. En la mecánica newtoniana todos los acontecimientos físicos se reducen al movimiento de puntos materiales en el espacio, causado por su mutua atracción: la fuerza de la gravedad. Explicó los rasgos básicos del sistema solar, pero descuidando, por ejemplo, la influencia gravitatoria entre los planetas la de la Gravitación Universal, que marcaron uno de los mayores hitos en la historia de la ciencia. Cambió las ideas establecidas, y acertó plenamente en sus hipótesis. (Alonso. 1979) 1.4.6 Física y Astronomía La contribución al nuevo modelo fueron las observaciones astronómicas de Galileo (1564-1642) publicadas en latín en el libro Sidereus Nuncius (El mensajero celestial, 1610). Las observaciones realizadas con el telescopio construido por él, supusieron un importante apoyo a la teoría heliocéntrica porque muestran que los cuerpos celestes no aparecían como perfectos e inmutables, que no todos giraban en torno a la Tierra y que las estrellas se encuentran muy alejadas. Al publicarlas Galileo, fue advertido por la Inquisición, que le prohibió publicar sobre dicho tema. 1.4.6.1 Leyes de Kepler Estas leyes han tenido un significadoespecial en el estudio de los astros, ya que permitieron describir su movimiento; fueron deducidas empíricamente por Johannes Kepler (1571-1630) a partir del estudio del movimiento de los planetas, para lo cual se sirvió de las precisas observaciones realizadas por Tycho Brahe (1546-1601). Capítulo 1 25 La primera de estas leyes puede enunciarse de la siguiente manera: Los planetas en su desplazamiento alrededor del Sol describen elipses, con el Sol ubicado en uno de sus focos. (Fig.1-6). Figura 1-6: Primera Ley de Kepler. Debe tenerse en cuenta que las elipses planetarias son muy poco excéntricas (es decir, la figura se aparta poco de la circunferencia) y la diferencia entre las posiciones extremas de un planeta son mínimas (a la máxima distancia de un planeta al Sol se denomina afelio y la mínima perihelio). La Tierra, por ejemplo, en su mínima distancia al Sol se halla a 147 millones de km, mientras que en su máxima lejanía no supera los 152 millones de km. La segunda ley, puede expresarse como: Las áreas barridas por el segmento que une al Sol con el planeta (radio vector) son proporcionales a los tiempos empleados para describirlas. (Fig. 1-7). Figura 1-7: Segunda Ley de Kepler. (http://renecillo93.blogspot.com.co/) Esta ley implica que el radio vector barre áreas iguales en tiempos iguales; esto indica que la velocidad orbital es variable a lo largo de la trayectoria del astro siendo máxima en 26 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía el perihelio y mínima en el afelio (la velocidad del astro sería constante si la órbita fuera un círculo perfecto). Por ejemplo, la Tierra viaja a 30,75 km/seg en el perihelio y "baja" a 28,76 km/sg en el afelio. La tercera ley, finalmente, dice que: el cuadrado del período de revolución de cada planeta es proporcional al cubo de la distancia media del planeta al Sol. (Fig. 1-8) Figura 1-8: Tercera Ley de Kepler. (http://extraclassvirtual.blogspot.com.co/) La tercera ley permite deducir que los planetas más lejanos al Sol orbitan a menor velocidad que los cercanos; dice que el período de revolución depende de la distancia al Sol. Pero esto sólo es válido si la masa de cada uno de los planetas es despreciable en comparación al Sol. Si se quisiera calcular el período de revolución de astros de otro sistema planetario, se debería aplicar otra expresión comúnmente denominada tercera ley de Kepler generalizada. Esta ley generalizada tiene en cuenta la masa del planeta y extiende la tercera ley clásica a los sistemas planetarios con una estrella central de masa diferente a la del Sol. (Alonso, 1979). 1.4.6.1 La Ley de Gravitación Universal En los cincuenta años siguientes los científicos siguieron abordando el problema de la gravitación. En el siglo XVII Descartes, que identificaba la materia con el volumen, negaba que pudiese existir el vacío. Consideraba que había tres clases diferentes de materia en el universo. El elemento fuego formaba el Sol y las estrellas. El espacio interestelar lo constituía el aire o elemento etéreo. Los planetas y satélites pertenecían a la tercera clase: el elemento tierra. El Sol ocupaba el centro de un vórtice o remolino Capítulo 1 27 formado por la primera clase de materia. El movimiento de rotación de dicho vórtice arrastraba a la Tierra y a los planetas. También son reseñables los trabajos de Huygens en astronomía, que construyó un telescopio con el que descubrió Titán, un satélite de Saturno, y aclaró que las protuberancias laterales de este planeta, vistas y dibujadas por Galileo, eran los anillos. Los científicos ingleses Halley, Hooke y Wreen a partir de la fuerza centrípeta de Huygens y de la tercera ley de Kepler, dedujeron que la fuerza que actuaba sobre los planetas era inversa del cuadrado de la distancia, pero no pudieron deducir la órbita que debería seguir un planeta sometido a dicha fuerza. Cuando Newton pensó cuidadosamente sobre el movimiento, se dio cuenta de que alguna fuerza debe tirar de la luna hacia el centro de la Tierra. Si no hubiera tal fuerza, la luna continuará moviéndose en línea recta y dejaría la Tierra para siempre. Se puede rodear la Tierra sólo si la Tierra la atrae. La visión de Newton fue reconocer que la fuerza que mantiene la Luna en su órbita es la misma que la fuerza que hace que las manzanas caigan de los árboles – la gravedad. (Seeds. 2010) Desde su estudio de la obra de Galileo, Kepler y otros, Newton extrajo tres leyes que relacionan el movimiento de un cuerpo; luego en 1687 publicaría en los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, (Principios Matemáticos de la Filosofía Natural). Tomando el movimiento de la Luna alrededor de la tierra como un movimiento circular uniforme, la Luna, está sometida a una aceleración centrípeta que curva su trayectoria, la aceleración es un vector que está dirigido hacia el centro de la órbita. (1.4) (1.5) (1.6) Al sustituir el valor de la velocidad (ecuación 1.6) en la expresión de la aceleración (ecuación 1.4) se tiene 28 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía (1.7) Al aplicar la Tercera ley de Kepler a la ecuación 1.7 (1.8) (1.9) (1.10) La segunda Ley de Newton dice: (1.11) La dirección y el sentido del vector Fuerza, coinciden con la del vector aceleración (1.12) La constante de la ecuación anterior es igual al producto de G (constante de gravitación universal) por M la masa de la tierra. (1.13) A pesar de la debilidad de las fuerzas gravitatorias para cuerpos utilizables en el laboratorio, unos cien años después, Cavendish (1731-1810) realizó la verificación experimental directa de la ley de Newton midiendo la atracción entre dos esferas de plomo mediante una balanza de torsión y, luego, determinó la constante de la gravitación universal G, aunque realmente, el experimento de Cavendish buscaba calcular la densidad de la Tierra y no la constante universal, como suele atribuírsele. Moreno, (2000) Citado en Palomar, (2013). (figura. 1-9) Capítulo 1 29 Figura 1-9: Determinación Constante de Gravitación G. Una vez conocido el valor de G, es posible determinar la masa de la Tierra. Por ello se dice que Cavendish fue el primer hombre que “pesó” la Tierra. Además, con la tercera ley de Kepler se puede calcular la del Sol o cualquier planeta con satélites (cuyo periodo y distancia con respecto al planeta sea conocido). 30 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía 2. Capítulo 2 2.1 Desarrollo Metodológico En este capítulo se presenta la metodología que se tuvo en cuenta para el diseño e implementación dela secuencia didáctica dentro del club de astronomía, se resalta la metodología cualitativa de carácter descriptivo como estrategia de interpretación de los resultados. El trabajo se enmarca dentro la investigación cualitativa, de corte descriptivo, debido a que trata de analizar casos concretos teniendo en cuenta su peculiaridad y sus contextos; donde los actores participantes dan significado a los fenómenos, a los acontecimientos, a las experiencias, a las vivencias, y es justamente este el punto de partida central de esta investigación (Flick 2007). La toma de datos se hace dentro de la metodología de aprendizaje por investigación, en la que se privilegia el uso y diseño de modelos que permite explorar e interpretar los saberes previos y relacionarlos con los adquiridos a partir de los procesos de indagación y observación de fenómenos astronómicos. La investigación cualitativa, expone en detalle las teorías y técnicas, que soportan el proceso de investigación, también hace un fuerte énfasis en mostrar que el proceso no ocurre absolutamente lineal, y que lo que está en el centro de la investigación y del proceder del investigador es la interpretación, ya que en definitiva es la que va orientando la toma de decisiones dentro de los procesos de aprendizaje. (Flick, 2007) Capítulo 1 31 Figura 2-1: Características de la Investigación Cualitativa. En una investigación cualitativa, Strauss y Corbin (1990), citado por Vasilachis de Gialdino, (1992) dicen que los tres componentes más importantes son los datos, cuyas fuentes más comunes son, para ellos, la entrevista y la observación; los diferentes procedimientos analíticos e interpretativos de esos datos para arribar a resultados o teorías; y, por último, los informes escritos o verbales. Esos datos deben guardar relación con la pregunta de investigación; ser recolectados intencionalmente y, cuando corresponda, ser recogidos en situaciones naturales. Este proyecto se inscribe, además, dentro del campo de la investigación educativa, a partir del enfoque didáctico de Aprendizaje por investigación, ya que brinda información que permite entender los procesos que se llevan a cabo en la formación de los estudiantes, establece criterios en la toma de decisiones en cuanto a la enseñanza, así mismo desarrolla conocimientos para mejorar la práctica docente. 2.2 Diseño de la Investigación La presente investigación cualitativa se desarrolla dentro del enfoque participativo, el cual pertenece al paradigma cualitativo interpretativo. Éste paradigma considera que la realidad es construida por las personas en la situación que se estudia. Cabe destacar que el enfoque permite que el análisis de datos se centre en el fenómeno seleccionado por la investigadora para interpretar independientemente del número de escenarios o 32 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía participantes en el proceso, se puede utilizar para generar nuevos conceptos, modelos, teorías. McKernan (1999) citado por Moreira (2002) Erickson (1986), citado por Moreira (2002) conocido investigador en educación, prefiere el término investigación interpretativa para referirse a toda una familia de enfoques de investigación participativa observacional, en vez de investigación cualitativa, por ser más incluyente, por evitar la idea de que sea esencialmente no cuantitativa y por apuntar al interés central de esa investigación que es el significado humano en un contexto social y su dilucidación y exposición por el investigador. Para él, la investigación interpretativa involucra a) intensa y larga participación en el contexto investigado, b) cuidadosos registros de lo que ocurre en dicho contexto juntamente con otras fuentes de evidencia (ej: apuntes, documentos, ejemplos de cosas hechas por los sujetos, grabaciones en audio o en video) y c) análisis reflexivo de todos esos registros y evidencias así como descripción detallada (ej utilizando la narrativa y transcripciones literales de verbalizaciones de los sujetos). 2.3 Delimitación La propuesta didáctica fue implementada en el colegio Robert F. Kennedy, institución educativa distrital de Bogotá, con 16 estudiantes de los grados 9°, 10° y 11° como participantes y 12 de los grados 6,° 7° y 8° como observadores, de la Jornada Mañana, que pertenecen al Club de Astronomía de la institución. Quienes asisten al club porque les ha gustado las actividades de ciencias, en particular de Astronomía que se realizan, generalmente en horario extra clase. 2.4 Etapas de la Propuesta Durante la primera etapa de la investigación se hizo una revisión, selección y análisis de fuentes documentales y experiencias relevantes directamente relacionadas con el tema de investigación. Se sistematiza la información y se definen las categorías pertinentes para el desarrollo del proceso tales como: Tema de Astronomía y Física, Estrategia metodológica, Estrategia didáctica, y se diseña un plan de trabajo que comprende las siguientes etapas (ver Fig. 2-2). Capítulo 1 33 Figura 2-2: Etapas del plan de trabajo. En la segunda etapa, es importante resaltar que antes de diseñar la secuencia didáctica, se preguntó a un grupo de estudiantes de diferentes edades a manera de preselección de la población que participaría en el proceso; se aplica encuesta que permite cualificar la temática y la estrategia didáctica sobre la percepción que ellos tenían del sol, la tierra y la luna, (Ver Figura. 2-3.) esto para conocer si el tema y las actividades eran adecuadas, claras e interesantes para los estudiantes y permitían el desarrollo de conocimientos. Con esta información se inició el proceso de reflexión sobre la pertinencia, que dio lugar al diseño de las actividades y por lo tanto a la secuencia didáctica teniendo en cuenta los fenómenos astronómicos a observar, las instrucciones, materiales y lo que los estudiantes podían realizar, describir y aprender. El análisis de las respuestas que dieron los estudiantes se detallan a continuación. (Se prioriza la observación de fenómenos astronómicos para su análisis y utilización en todos los módulos). 34 Desarrollo de Procesos de Investigación en la Escuela a partir de la Astronomía Figura 2-3: Encuesta Inicial. Figura 2-4: Resultado encuesta Se logra la discusión y validación del Tema Didáctica de la Astronomía en un encuentro personal con el autor escogido Dr. Néstor Camino, doctor en ciencias y especialista en didáctica de la Astronomía, quien hace aportes muy valiosos al proceso de investigación; en donde se propone respetar las ideas previas y cotidianas de los estudiantes y a partir de la propuesta didáctica se logre que esos saberes previos faciliten la reconstrucción en experiencias científicas cada vez más elaboradas y que encuentren la relación de la Astronomía con otras ciencias. Es importante también que en el diseño de las secuencias didácticas se tenga en cuenta que los estudiantes puedan crear un espacio de trabajo colectivo, que despierte el interés por la investigación. En la tercera etapa se hace un análisis de los resultados de la encuesta que permite tener una versión ajustada de acuerdo con los comentarios, el análisis y los aportes recibidos después de las revisiones. El instrumento inicial es ajustado y diseñado teniendo en cuenta los objetivos planteados y la pregunta de investigación. 0 20 40 Número de Estudiantes 26 39 15 Sol-Tierra-Luna Tierra-Sol-Luna Tierra-Luna Sol Capítulo 1 35 En la cuarta etapa, se hace la implementación de la secuencia didáctica con los estudiantes del club de astronomía del Colegio de los grados 9°, 10° y 11° teniendo en cuenta los tiempos principalmente de los fenómenos astronómicos a observar, los tiempos para el desarrollo de las actividades
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