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Ponencia de Dª. Ana Gómez y D. Ángel de Andrea: "Aprendizaje de la Física con Mathematica"
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Ponencia de Dª Ana Gómez Gómez y D. Ángel de Andrea González: "El aprendizaje de la Física con Mathematica" en las V Jornadas de integración de las TIC 2013
Buenas tardes, soy Ana Gómez y seguramente voy a subir un breve vídeo en la policía, la policía se basa en un software para poder intentar que alumnos de segundo de bachillerato trabajen el concepto de potencial, escalar, con precios eléctricos y magnéticos mediante la utilización de un aprendizaje basado en proyectos o un aprendizaje basado en problemas.
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lo hemos realizado los dos
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en curso pasado
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cada uno de los institutos simultáneamente
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con alumnos que con carácter
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al séptima hora
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imagino que es obvio
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que por carácter propiedéctico
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de esa materia y el vasto contenido que tiene
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no se puede abordar dentro del aula común
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y lo hemos realizado
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con seis alumnos en cada centro
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en grupos de tres alumnos
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cada uno
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con un ordenador portátil
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que era nuestro y otro del departamento
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con un software libre
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que nos bajamos de la red
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durante 15 días
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con una demo
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vamos a introducir un poco que uno de los objetivos
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de la física del segundo bachillerato es utilizar
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de manera habitual las TIC para realizar
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simulaciones, tratar datos y extraer
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y utilizar información
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hay trabajos de investigación
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y dinámica de las ciencias que deciden
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que la enseñanza de la física desde un punto de vista
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El aprendizaje significativo puede mejorar sustantivamente si así se aborda.
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Este aprendizaje, que ya es bastante habitual desde hace muchos años, establece vínculos sustantivos y no arbitrarios
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entre lo que hay que aprender, el nuevo contenido y lo que el alumno ya sabe.
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Por eso es cada vez más frecuente este aprendizaje para utilizarlo como un proceso de enseñanza
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y en este caso implementado con el ADP, el aprendizaje basado en proyectos o aprendizaje basado en problemas,
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que es una parte dentro del mismo mediante el uso de las TIC.
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Por eso en la enseñanza de física lo llevaba a cabo mediante la utilización de este software, que se llama Mathematica.
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Es una herramienta especializada en análisis numérico y cálculo simbólico y la hemos llevado, como he dicho, a cabo durante el curso pasado con un total de 12.
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Simultáneamente en los dos institutos de distintas direcciones de área territorial, tratándolos a la vez como si fuese un único proyecto.
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Eso se lo dejamos claro a los alumnos. Se les propuso después de finalizar la unidad didáctica de campo magnético, cuando ya habíamos abordado realidad, y aproximadamente un mes antes de finalizar el último trimestre.
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Los objetivos básicamente son analizar en profundidad el concepto de superficie equipotencial, línea equipotencial y línea de campo, dibujar con este programa líneas equipotenciales y líneas de campo de sistemas de fuente complejos,
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predecir el tipo de interacción, bien atractiva o repulsiva, a través de un diagrama de líneas de inducción magnética
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y detectar esquemas conceptuales alternativos de estos contenidos físicos expuestos que hay que reconocer que no están...
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Expresar mensajes científicos orales y escritos con propiedad, así como interpretar diagramas y expresiones matemáticas.
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Y por último, utilizar Matemática 8 para realizar simulaciones, tratar datos, evaluar su contenido, fundamentar los trabajos y adoptar decisiones.
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La metodología que hemos usado, como he comentado, desde el punto de vista del aprendizaje basado en proyectos,
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se propuso a los alumnos de ambos centros para que se comportaran como si fueran un único equipo de investigación.
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Ellos desarrollaron su trabajo en horario no lectivo, se reunían en el centro con un profesor responsable dos veces por semana
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para llevar a cabo esta propuesta en común, un feedback, duró 15 días.
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Para detectar las concepciones previas, los preconceptos posiblemente erróneos
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y los esquemas conceptuales alternativos con los que había que interactuar,
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les pasamos primero un pre-test.
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Posteriormente hicimos las experiencias que ahora vamos a describir
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y para finalizar, ellos cumplimentaron un post-test
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para evaluar el proceso de enseñanza-aprendizaje
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para compararlo con los resultados del retest.
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Y ahora ya dejo a Ángel que continúe.
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A continuación vamos a analizar los ítems que propusimos a nuestros alumnos con respecto al retest.
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Un retest que llevamos a cabo para detectar esquemas conceptuales alternativos
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y, cómo no, errores conceptuales en sí.
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El primer ítem que elegimos fue el siguiente.
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¿Es posible que una superficie de coeficiente potencial se corte a sí misma?
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¿Sería correcta la gráfica que se apunta en la figura para el caso de un sistema de dos cargas iguales?
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Pues bien, como sabéis, algunos de vosotros que seréis profesores de física de segundo de bachillerato,
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existe una serie de preconceptos erróneos en los alumnos,
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como por ejemplo que las líneas de campo eléctrico representan la trayectoria que podría seguir una partícula cargada en ese campo eléctrico.
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Este es un error bastante frecuente que se comete en los manuales de física, generalmente en los manuales de física de bachillerato.
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También es cierto que otro de los preconceptos que tienen los alumnos es que el potencial es algo que tiene un significado físico
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y que dos superficies equipotenciales se pueden cortar en un mismo punto.
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Pues bien, este era el ítem que nosotros propusimos en primer lugar a los alumnos,
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de forma que a continuación nos tenían que dar la respuesta correspondiente.
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Si pasamos al siguiente ítem, el siguiente ítem podríamos decir que es un clásico dentro del electromagnetismo,
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porque pone también esto que si la diferencia de potencial entre dos puntos del espacio es cero,
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La pregunta es, ¿se puede decir que también es nula la intensidad de campo eléctrico en dicha región?
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La verdad es que sí que hubo un porcentaje alto de alumnos que contestaron afirmativamente a esta pregunta.
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Veremos pues al ítem 3. El ítem 3 ya se centra en el tema del campo magnético.
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Bien, aquí simplemente les proponemos dos corrientes indefinidas, perpendiculares a un plano,
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de la figura
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y que se encuentran
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en el vacío. Se les pregunta
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cómo es la interacción que tendría
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lugar entre ellas, si atractiva
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o reclusiva. Y además
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les preguntamos
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por el sentido
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de la misma.
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Aquí los alumnos llevaron a cabo
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sus correspondientes
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respuestas, después de haber hecho
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una serie de reflexiones.
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A continuación
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El ítem 4 va por el mismo camino del ítem anterior, es decir, les vamos a dar también dos corrientes indefinidas y perpendiculares en el plano.
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Como podéis observar, aquí lo que les damos son las líneas de campo.
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Y también se les pregunta qué tipo de interacción tiene el lugar, si es reclusiva o reclusiva, y que dibujen el sentido de la misma.
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La respuesta, y vamos ya con el ítem 5.
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Con el índice 5 le damos esta figura.
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Y esta figura es, por decirlo de alguna manera, un tramo, un pequeño área de esta que tenemos aquí,
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centrándonos en la región del punto 0, C.
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Entonces, claro, cuando nosotros le damos esta figura, ponemos de manifiesto que esta figura no es más que el campo vectorial
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referente a la inducción magnética.
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Y claro, aquí lo que pueden ver es sencillamente, bueno, se puede más o menos activar una línea de campo, la diagonal, y otra línea de campo en la misma diagonal, ¿eh? Es decir, estamos preguntando si dos líneas de campo se pueden cortar en un mismo punto, ¿eh? Y si eso entraría en contradicción con la definición de campo vectorial.
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Si vamos, por ejemplo, a analizar ya los resultados del pretest, nos encontramos con lo siguiente.
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Como veis, aquí representamos el tanto por ciento de aciertos versus los ítems.
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Con respecto al ítem 1, que hacía referencia al tema de la superficie equipotencial, que se estrangulaba en un punto,
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en fin, el número de aciertos corresponde a un 8%.
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Con respecto al ítem 2, tenemos un 58% y ya para los restantes ítems que se corresponden con campo magnético tenemos tan solo un 18, 18 y un 7.
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Es decir, que parece ser que se le resiste el concepto de principio de superposición, tanto para campo eléctrico como para campo magnético.
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También es cierto que le resulta muy complicado construir mentalmente superficies equipotenciales.
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Son superficies dimensionales.
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En fin, también podrían dibujar las correspondientes líneas equipotenciales,
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pero también, si estamos hablando con sistemas de cargas más complejos,
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también les va a resultar de excesiva complejidad en algunos casos.
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¿Qué hacer al respecto?
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Es evidente que tiene una falta de capacidad de representación y razonamiento espacial.
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¿Cómo solventar esta falta de capacidad?
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La única forma que se nos ocurre hasta el momento, desde el punto de vista de las TIC,
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es introducir en el proceso de enseñanza y aprendizaje matemática.
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Vamos a ver qué es matemática.
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Bueno, matemática, yo no sé si los que estáis aquí en la sala
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Tenéis más o menos funciones de él o cierto conocimiento
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Matemática fue un programa que fue creado en 1988
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Por Stephen Wolfram
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Y la verdad es que en ese año sacó la primera versión
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Se trata de un paquete de software
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Que permite hacer cálculo simbólico, cálculo numérico
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Grafismo en dos dimensiones, en tres dimensiones
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En fin, la verdad es que es un paquete muy complejo, es un paquete de pago, pero si vosotros queréis instalarlo en vuestro centro, podéis adquirir una licencia institucional por el precio aproximadamente de unos 200 euros.
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en relación a matemática
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que como os he dicho es un programa bastante potente
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también os podría decir lo siguiente
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que consta de dos partes
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por un lado está el frontend
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que es la interfaz de comunicación con el usuario
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y por otro lado está el kernel
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que es el motor de carga
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una vez que os he comentado esto
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vamos a ver que comandos van a utilizar nuestros alumnos
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al utilizar
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matemática en esta experiencia
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por un lado el comando
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vectorplot, donde van a poder dibujar
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superficies y criterios iniciales
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luego vectorplot, que sirve para dibujar
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campos vectoriales en un plano
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scriptplot, que les permite
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dibujar líneas
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de campo, y por último
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un comando muy potente que es show
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y les va a permitir
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superponer gráficas
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anteriores
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y también
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como no, puesto que se trata de una experiencia basada en un aprendizaje colaborativo, pues
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también tienen Documentation Center, más que nada para que desde un punto de vista
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constructivista vayan encontrando aquellos comandos de los que carezcan de información.
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Vamos con la experiencia 1.
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¿Cuál es la importancia?
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Mirad, cuando tomando un contour plot, les propusimos el siguiente problema.
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Les dimos dos cargas puntuales positivas, aproximadamente un microcolombio, situadas en el vacío,
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en esos puntos de coordenadas en unidades del sistema internacional.
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Pues bien, lo primero que tienen que hacer los alumnos es identificar el problema.
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Y por ello, por ende, encontrar la función del potencial del sistema en el plano xy.
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Esto, la verdad, es que no es muy complicado para ellos, ¿verdad?
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Porque, concretamente, esto es uno de los conceptos con los que están acostumbrados a trabajar en el segundo bachillato.
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Y es cierto que aquí tenéis una función que va a depender de estas tres variables,
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pero claro está que hay una variable que vamos a dejar fija.
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Esa variable, pues como no, va a ser la variable c.
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Vamos ahora ya a meternos en el programa en sitio.
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Y aquí tenéis la interfaz.
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En la interfaz, como tal, aquí lo que hemos hecho ha sido editar,
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porque esto es como si fuese un editor de texto,
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la función que vamos a representar, que es la función que hemos visto antes,
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el potencial, aplicando el principio de superposición del sistema de dos cartas.
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Y esta va a ser la función a representar.
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¿Verdad? Aquí.
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Pues bien, si a esta función, que la llamamos potencial,
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la asignamos el valor correspondiente al constante de Coulomb en el vacío, la carga de un microcoulombio,
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la distancia de separación de un metro, y vamos a hacer la representación para igual a cero.
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Llevamos a cabo, bueno, introducimos una serie de comandos, como por ejemplo, plot points.
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Plot points es una opción dentro del punto plot que nos va a permitir afinar la precisión del dibujo.
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Y luego aquí tenemos también color function, que cuando lo representemos vais a ver.
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Una vez que nosotros hemos editado estas expresiones, hemos definido la función y luego establecemos el comando, fijaos lo que tenemos, la figura de la que habíamos hablado antes en el P3.
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¿De acuerdo? Entonces se puede observar aquí un mapa de contorno de las superficies equipotenciales para el sistema de dos cargas.
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¿Qué observamos? ¿Qué tienen que observar los alumnos?
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Pues sencillamente que hay una superficie equipotencial correspondiente a esta fórmula del lóbulo
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que tiene forma de... bueno, sí, vamos, una fórmula bastante curiosa, ¿no?
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Yo diría más bien, no de pincho moruno, pero sí de orbital de tipo P, ¿verdad?
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Bueno, pues como veis hay una superficie equipotencial que se corta a sí misma en el punto 0, 0, 0.
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Es una cosa tan curiosa, ¿eh?
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Bien, en los manuales de corrientes de física de un bachillerato no se habla de que las superficies equipotenciales se puedan cortar a sí mismas, ¿no?
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Bien, entonces, ¿a qué conclusión tienen que llegar los alumnos?
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Pues sencillamente que una superficie equipotencial puede tener puntos múltiples donde el campo es nulo, ¿eh?
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Es fácil comprobar, y lo pueden comprobar, que aquí, justo en el punto medio, el campo, la intensidad del campo eléctrico se anula.
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Y claro, si aquí la intensidad del campo eléctrico se anula, es lógico pensar que aquí el potencial puede ser el mismo.
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Vamos con la experiencia 2.
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En la experiencia 2 lo que vamos a hacer es utilizar VectorPlot para representar,
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dadas las componentes cartesianas del sistema de carlas anterior,
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Vamos a dejar de presentar las líneas de campo L
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Mirad, definimos las funciones como podéis ver
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A continuación colocamos aquí el comando vector plot
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Y llamando a partir del vector plot las funciones obtenemos esta representación
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Con show lo que hemos hecho ha sido superponer ambas gráficas
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Y como veis, resulta que las líneas de campo van a ser perpendiculares a las superficies equipotenciales tal y como queríamos demostrar.
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Bien, y los alumnos también se tienen que percatar de lo siguiente, y es que si la diferencia entre dos puntos del espacio,
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la diferencia de potencia entre dos puntos del espacio es cero, no se puede afirmar que sea anulada la intensidad del campo eléctrico en dicha región.
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Voy a ir un poquito más deprisa.
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Bueno, aquí lo que hacemos a continuación con vector plot es exactamente lo mismo, pero referido ya al campo magnético.
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Les pedimos que, dadas dos corrientes indefinidas, perpendiculares a un plano y con intensidades de un amperio,
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de acuerdo y situadas en estos puntos de coordenadas,
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antes las condiciones les pedimos
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que lleven a cabo la representación
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con vector plot
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del campo magnético en cuestión
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y no es cierto que los alumnos
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a estas edades
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puesto que tienen que conocer
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un concepto que se estudia ya
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en los cursos de universidad
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el concepto de potencia magnética
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el vector
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necesitan conocer las expresiones
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del campo magnético correspondiente a este sistema
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para ello tienen que llevar a cabo
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una búsqueda exhaustiva
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tanto en manuales como en el universitario, que lo pueden encontrar en bibliotecas o bien a través de los buscadores corrientes que tenemos en la red.
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Las expresiones que encuentran son estas y a continuación llegan a la representación.
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Pero, ¿qué ocurre si yo, por ejemplo, ahora uno, como es lógico, o trazo en esta zona dos líneas de campo?
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¿Con qué nos encontramos?
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Nos encontramos con que dos líneas de campo se pueden cortar en un mismo punto, siempre y cuando lo hagan en un punto donde el vector de inducción magnética es cero.
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Fijaos que a veces, de forma imprecisa, se dice que dos líneas de campo no se pueden cortar en un mismo punto.
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Y eso no es del todo cierto. Se puede cortar, pero hay que añadir la coletilla, siempre y cuando sea en un punto donde la inducción magnética sea nula.
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la experiencia 4
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se basaba en utilizar
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otra función que era
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string plot
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y aquí como podéis ver
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lo que se hacía era también representar
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las líneas
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de dilución magnética para el sistema anterior
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y luego
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idem de idem
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voy a correr porque si no
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no me va a dar tiempo a terminar
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y a presentar los resultados
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lo mismo para dos líneas
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de corriente que tenían sentidos
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opuestos. Entonces, claro,
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aquí los alumnos se tienen que percatar que la densidad
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de líneas decrece desde
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las corrientes hasta el infinito.
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Es decir, si nos observamos aquí, podemos ver que
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la densidad se hace menor
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cuando nos situamos aquí y vamos hacia acá,
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o bien cuando estamos aquí y vamos hacia abajo.
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Entonces, teniendo en cuenta
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las experiencias 4 y 5,
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los alumnos tienen que llegar a la conclusión
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de que la fuerza magnética
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sobre una corriente se dirige
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de la zona de densidad de líneas de campo elevada a la de densidad baja.
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Bueno, pasamos de nuevo al test inicial, el test-test, ahora como post-test después de
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haber realizado las experiencias a los alumnos. Y nos encontramos con estos porcentajes. Si
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nosotros analizamos los porcentajes en cuestión, pues se puede ver que tenemos un 100%, algunos
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que ahora responde de forma incorrecta, en el ítem 2 un 25% de respuestas erróneas,
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ítem 3 lo mismo, y en el ítem 4 exactamente que en el ítem 3. Y luego ya en el ítem
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5 vamos a obtener exactamente el mismo porcentaje de respuestas erróneas. Aquí tenemos una
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comparativa, tanto del P3 como del POS-TES, y claro, es evidente que los resultados han
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mejorado considerablemente. Es más, hemos podido ver que además la matemática puede
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ser una herramienta muy útil para romper esquemas conceptuales alternativos. Y por
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otro lado, es cierto que los resultados son mejorables, claro que sí, referente a la
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gráfica comparativa, pero también es cierto que el principio de superposición, tanto
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aplicado a campo eléctrico como a potencial, o a campo magnético, resulta ser un concepto
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bastante complejo en nuestros alumnos de segundo edad. Y ya, si no tienen nada más
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es decir, muchísimas gracias
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y damos paso
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no seáis tímidos
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nos podéis hacer todo tipo de preguntas
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bien es cierto que dada la amplitud
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de la comunicación
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con los últimos apartados
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se han explicado de una forma bastante acelerada
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pero bueno
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aquí estamos
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si queréis que os contestemos
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alguna duda en relación a la aplicación
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de matemática o física
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Fijaos que se puede extender a muchos estándares de la física, es decir, incluso para la unidad correspondiente al movimiento vibratorio, donde puede representar las emociones en función de la posición y del tiempo.
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También química, es decir, si nosotros tenemos que representar orbitales o no.
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Y bueno, esto lo podemos extrapolar a la hora que va a ser nuestro compañero, que va a hablar de la unidad aumentada, lo podemos extrapolar a ese ámbito tan interesante.
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Y hemos comentado, aunque por supuesto hay que tener en cuenta que en el centro de bachillerato no existe esta articulación de los entes en unidad que cada vez permanece entero,
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pero justamente con esto se nos quedaría muchísimo de su visión espacial, que sí que es cierto que avalece un total de interés.
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Sí, sí, tienes razón. Claro que se debería introducir para todos, pero nosotros lo pensamos con carácter voluntario,
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porque no está el centro de complejidad
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y entonces necesitábamos
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candidatos que se quisieran involucrar
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y bueno, lo dejamos un poco así
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abierto y respondieron
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los que quisieron
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que fueran como un tercio, más o menos
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de los candidatos
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con ese que no le hemos llevado
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- Dª. Ana Gómez Gómez y D. Ángel de Andrea González
- Subido por:
- tic.ismie
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
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- Fecha:
- 18 de junio de 2013 - 15:28
- Visibilidad:
- Público
- Enlace Relacionado:
- Consejería de Educación, Juventud y Deporte
- Centro:
- ISMIE
- Descripción ampliada:
- Ponencia de Dª Ana Gómez Gómez y D. Ángel de Andrea González: "El aprendizaje de la Física con Mathematica" en las V Jornadas de integración de las TIC en la Enseñanza 2013.
- Duración:
- 22′ 53″
- Relación de aspecto:
- 4:3 Hasta 2009 fue el estándar utilizado en la televisión PAL; muchas pantallas de ordenador y televisores usan este estándar, erróneamente llamado cuadrado, cuando en la realidad es rectangular o wide.
- Resolución:
- 640x480 píxeles
- Tamaño:
- 163.69 MBytes