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El aprendizaje conceptual de la asignatura de F�sica a trav�s de una pr�ctica de laboratorio

 

The conceptual learning of the Physics subject through a laboratory practice

 

A aprendizagem conceitual da disciplina de F�sica atrav�s de uma pr�tica laboratorial

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: edonoso@unach.edu.ec

Ciencias de la educaci�n �

Art�culo de Investigaci�n

 

*Recibido: 16 de marzo de 2021 *Aceptado: 22 de abril de 2021 * Publicado: 10 de mayo de 2021

 

                               I.            Doctora en F�sica, Magister en Gesti�n Acad�mica Universitaria, Magister en Ciencias de la Educaci�n y Aprendizaje de la F�sica, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                            II.            Ingeniera Mec�nica, Magister en Ciencias de la Educaci�n Aprendizaje de la F�sica, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                         III.            Ingeniera Civil, Magister Universitario en Hidrolog�a y Gesti�n de los Recursos H�dricos, Magister en Gesti�n de Riesgos Laborales, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                         IV.            Licenciado en Ciencias de la Comunicaci�n, Unidad educativa Pensionado Americano, Riobamba, Ecuador.

Resumen

Los procesos cognitivos relacionados con las ciencias b�sicas a menudo presentan dificultades, una alternativa que permite mejorar el nivel de aprendizaje es la incorporaci�n de metodolog�as de ense�anza activas, tales como el uso de las tecnolog�as de la informaci�n y comunicaci�n. En la presente investigaci�n se realiza un an�lisis comparativo de los resultados de aprendizaje en el aspecto conceptual, por medio de un laboratorio virtual frente al laboratorio tradicional. Para el efecto se desarrolla una investigaci�n con un enfoque mixto y un dise�o cuasiexperimental, el cual a trav�s de una escala permite encontrar los valores de calificaci�n en estudiantes de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo, se realiza un muestreo probabil�stico estratificado, se aplica una prueba estad�stica para comprobar la hip�tesis, la cual sostiene que el laboratorio virtual mejora el nivel de dominio conceptual frente al uso del laboratorio tradicional en el proceso de aprendizaje. Los resultados indican que los estudiantes que utilizan el laboratorio virtual no tienen calificaciones significativamente diferentes a los que utilizan el laboratorio tradicional.

Palabras clave: Aprendizaje conceptual; laboratorio virtual; asignatura de F�sica; movimiento arm�nico simple.

 

Abstract

Los procesos cognitivos relacionados con las ciencias b�sicas a menudo presentan dificultades, una alternativa que permite mejorar el nivel de aprendizaje es la incorporaci�n de metodolog�as de ense�anza activas, tales como el uso de las tecnolog�as de la informaci�n y comunicaci�n. En la presente investigaci�n se realiza un an�lisis comparativo de los resultados de aprendizaje en el aspecto conceptual, por medio de un laboratorio virtual frente al laboratorio tradicional. Para el efecto se desarrolla una investigaci�n con un enfoque mixto y un dise�o cuasiexperimental, el cual a trav�s de una escala permite encontrar los valores de calificaci�n en estudiantes de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo, se realiza un muestreo probabil�stico estratificado, se aplica una prueba estad�stica para comprobar la hip�tesis, la cual sostiene que el laboratorio virtual mejora el nivel de dominio conceptual frente al uso del laboratorio tradicional en el proceso de aprendizaje. Los resultados indican que los estudiantes que utilizan el laboratorio virtual no tienen calificaciones significativamente diferentes a los que utilizan el laboratorio tradicional.

Palabras clave: Aprendizaje conceptual; laboratorio virtual; asignatura de F�sica; movimiento arm�nico simple.

 

Resumo

Os processos cognitivos relacionados com as ci�ncias b�sicas muitas vezes apresentam dificuldades.Uma alternativa que permite melhorar o n�vel de aprendizagem � a incorpora��o de metodologias ativas de ensino, como o uso de tecnologias de informa��o e comunica��o. Nesta pesquisa, � realizada uma an�lise comparativa dos resultados da aprendizagem no aspecto conceitual, por meio de um laborat�rio virtual em compara��o ao laborat�rio tradicional. Para o efeito, � desenvolvida uma investiga��o com abordagem mista e um desenho quase-experimental, que atrav�s de uma escala permite encontrar os valores de qualifica��o em alunos da carreira de Engenharia Civil da Universidade Nacional do Chimborazo, uma amostragem probabil�stica estratificada. realizada, um teste estat�stico � aplicado para verificar a hip�tese, que sustenta que o laborat�rio virtual melhora o n�vel de dom�nio conceitual em compara��o com a utiliza��o do laborat�rio tradicional no processo de aprendizagem. Os resultados indicam que os alunos que utilizam o laborat�rio virtual n�o apresentam notas significativamente diferentes daqueles que utilizam o laborat�rio tradicional.

Palavras-chave: Aprendizagem conceitual; laborat�rio virtual; Disciplina de f�sica; movimento harm�nico simples.

 

Introducci�n

La F�sica es una ciencia de vital importancia la cual se encuentra presente en gran parte de los �mbitos de la sociedad y su aprendizaje debe garantizar el entendimiento de la naturaleza tal como lo descubre el estudiante, siendo la clave del pensar humano y gu�a en el contexto socio cr�tico, esta tiene un rol preponderante en la formaci�n de ingenieros.

Uno de los aspectos importantes en el aprendizaje de la asignatura de F�sica, son los conceptuales que se refieren a la observaci�n y estudio acerca de una tem�tica, en la cual se relacionan conceptos, teor�as y resultados. Tambi�n hace referencia a perspectivas o enfoques te�ricos que conduce al establecimiento de las hip�tesis, sugiere formas de an�lisis, perspectivas a considerarse y ayuda a interpretar los resultados del estudio (Reidl, 2012).

El aspecto conceptual tiene que apoyarse en las pr�cticas de laboratorio, las cuales pueden ayudar al estudiante a desarrollar destrezas, utilizar herramientas e instrumentos, realizar experimentos, tratamiento de datos, a manejar conceptos b�sicos y sus aplicaciones, adem�s de entender desde la observaci�n directa y poder distinguir las inferencias entre la teor�a y la pr�ctica (Alejandro, Aceituno y Mujica, 2003).

Seg�n Alejandro (2004), las pr�cticas de laboratorio se desarrollan con el objetivo que el estudiante est� en contacto con los elementos, dispositivos e instrumentos requeridos para los experimentos, aplicando los conocimientos adquiridos previamente en un laboratorio real o utilizando simulaciones interactivas programadas con herramientas tecnol�gicas.

Una pr�ctica de laboratorio virtual es una simulaci�n de un experimento f�sico utilizando herramientas tecnol�gicas. Es un programa que pretende reproducir, con fines acad�micos o investigativos, un fen�meno natural mediante la visualizaci�n de las variables del mismo, por medio de la interacci�n en el tiempo de un algoritmo determinado (Alejandro y Perdomo, 2009). Ambas formas requieren la auto preparaci�n por parte de los estudiantes y la gu�a para pr�ctica del profesor.

El aprendizaje virtual ha modificado los paradigmas en la educaci�n, los est�ndares educativos han necesitado de un cambio y adaptaci�n, al igual que el rol de los profesores y estudiantes. Los profesores tienen que implementar nuevas t�cnicas o estrategias para promover en los estudiantes la responsabilidad en su aprendizaje seg�n sus necesidades (Vera, 2004). Seg�n Moreno (2017), citado en UNESCO (2008), �las TIC exigen que los profesores desempe�en nuevas funciones e integrarlas en el aula, fusionando las tecnolog�as con nuevas pedagog�as, adem�s de fomentar clases din�micas en el plano social, estimulando la interacci�n cooperativa, el aprendizaje colaborativo y trabajo de grupo�.

El movimiento arm�nico simple, es un fen�meno f�sico de tipo peri�dico el cual puede ser descrito a trav�s de las ecuaciones diferenciales homog�neas de segundo orden. Si la fuerza de restituci�n es directamente proporcional al desplazamiento con respecto al equilibrio, la oscilaci�n se denomina movimiento arm�nico simple. Este fen�meno esta descrito en t�rminos de una ecuaci�n diferencial de segundo orden (Maestre, Alfaro y Racedo, 2015).

Esta investigaci�n tuvo por objetivo analizar los resultados de aprendizaje de los aspectos conceptuales del movimiento arm�nico simple en la asignatura de f�sica a dos grupos de estudiantes, utilizando un laboratorio virtual y uno tradicional, con la finalidad de establecer cu�l es mejor, en el caso de existir una superioridad o establecer si no existe una diferencia significativa entre estos dos escenarios.

Como parte fundamental en esta investigaci�n se realiz� la recopilaci�n de informaci�n relevante e investigaciones previas acerca del aprendizaje virtual y uso de laboratorios virtuales en la asignatura de f�sica en la cual destacan las siguientes investigaciones:

�Laboratorios virtuales como escenario did�ctico en el aprendizaje de las Leyes de Newton�, (Iriarte y D�az, 2020), analiza referentes te�ricos y conceptuales acerca de la asignatura de F�sica y sobre la ense�anza virtual, presenta estrategias did�cticas basadas en laboratorios virtuales. Concluye que la ense�anza de la F�sica mediante laboratorios virtuales, propicia procesos cognitivos, procedimentales, metacognitivos y de autorregulaci�n del aprendizaje en los estudiantes.

�Recursos multimedia para la ense�anza on-line de la F�sica�, (Franco, Bel�ndez, y Ablanque, 2013), presentan un an�lisis hist�rico de la ense�anza tradicional a la ense�anza mediada por las TICs, presenta las caracter�sticas, ventajas, desventajas, de las metodolog�as did�cticas utilizadas en la ense�anza, adem�s de recursos interactivos para la ense�anza virtual de la F�sica, como la utilizaci�n de videos y herramientas de software para las pr�cticas de laboratorio y simulaciones.

�Un Objeto Virtual de Aprendizaje (OVA) para el Movimiento Arm�nico Simple (M.A.S) y sus Aplicaciones� (Cabrera, 2014), realizan una aplicaci�n multimedia, en la que se desarrollan los aspectos visuales, estructura y navegaci�n de un OVA, por medio de un laboratorio virtual. Se mencionan aspectos conceptuales y concluyen que los OVAs son estrategias did�cticas que sirven como herramientas para facilitar el aprendizaje del estudiante por medio de la tecnolog�a.

�Laboratorios reales versus laboratorios virtuales, en la ense�anza de la f�sica� (Franky, 2009), analiza aspectos conceptuales y comparativos de las potencialidades que generan los laboratorios tradicionales, y las posibilidades pedag�gicas de los laboratorios virtuales, mediante el an�lisis de resultados a un grupo de estudiantes, presentan una hip�tesis de estudio en la que mencionan que los estudiantes que reciben instrucci�n usando la simulaci�n computarizada presentan una descontextualizaci�n del aprendizaje, m�s favorables que aquellos estudiantes que usan el laboratorio tradicional.

�Importancia de los laboratorios remotos y virtuales en la educaci�n superior�, (Herrera, Triana y Mesa, 2020), mencionan que la modalidad virtual y las Tics actualmente han tomado gran relevancia como herramienta fundamental en la educaci�n, debido a la pandemia de la COVID-19, presentan una revisi�n bibliogr�fica de los trabajos y principales proyectos referentes en el campo de laboratorios remotos y virtuales, en �reas de ciencias e ingenier�a. Adem�s de analizar aspectos relevantes para su efectividad en la educaci�n superior.

�Las TICs en el aprendizaje de la F�sica� (Loor, Chiquito y Rodr�guez, 2017), presentan aplicaciones de las TICs que pueden utilizarse para mejorar la ense�anza de la asignatura de f�sica. Por medio de una revisi�n exhaustiva en buscadores acad�micos analizaron un gran n�mero de contenidos, que permiti� destacar que la aplicaci�n de las TICs requiere un enfoque cognitivo, concluyen que es necesario m�s investigaciones sobre el uso y experiencias en el desarrollo de laboratorios remotos y virtuales.

�Simulaciones computacionales en la ense�anza de la F�sica: una revisi�n cr�tica de los �ltimos a�os� (Velasco y Buteler, 2017), realizan una revisi�n bibliograf�a sobre investigaci�n en simulaciones computacionales para la ense�anza de la F�sica. Los art�culos y documentos se clasificaron en tres categor�as: dise�o, proceso, impacto. Enfatizando en tres puntos de inter�s: la interactividad, el realismo y la complejidad. Concluyen que las simulaciones presentan caracter�sticas que pueden favorecer el aprendizaje y son una herramienta indispensable en la actualidad.

�El E-Learning en el desarrollo del Pensamiento cient�fico escolar en el aula de F�sica� (Montoya, 2019), realizaron un an�lisis de un ambiente de aprendizaje mediado por las Tecnolog�as de la Informaci�n y la Comunicaci�n en los procesos de ense�anza-aprendizaje en el �rea de la F�sica, a partir del desarrollo del pensamiento cient�fico escolar, con propuestas de los elementos y condiciones necesarios para su implementaci�n y contribuyendo con aportes para futuras investigaciones.

Las investigaciones previas analizadas destacan la importancia de la utilizaci�n de las TICs, en los procesos de aprendizaje. Tambi�n mencionan que en la actualidad la ense�anza la asignatura de F�sica se realiza de manera virtual y tradicional, los profesores han implementado el uso de laboratorios virtuales, simulaciones y herramientas tecnolog�as en actividades necesarias para la formaci�n de los estudiantes en las carreras de ingenier�a. Sin embargo, no se realiza una propuesta que analice y evidencie la efectividad en el aprendizaje de los estudiantes mediante estos dos laboratorios o escenarios de aprendizaje planteados en este trabajo.

Los resultados de la presente investigaci�n fueron avalados durante la tesis de maestr�a denominada �An�lisis comparativo del uso del laboratorio virtual con el tradicional para el aprendizaje del movimiento arm�nico simple con los estudiantes de segundo semestre paralelos �A� y �B� de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo�.

 

Metodolog�a

La investigaci�n tiene un enfoque mixto, debido a que se utiliza un dise�o cuasiexperimental realizado en dos escenarios: en un laboratorio virtual y uno tradicional, los mismos se miden con una escala cualitativa (baja, media y alta) que se traduce con valores num�ricos de 0, 0.5 y 1 respectivamente. El tipo de investigaci�n es descriptiva, porque explica de qu� forma se dio el aprendizaje del movimiento arm�nico simple al realizar el an�lisis comparativo del uso de los dos tipos de laboratorios. Esta investigaci�n sigue un orden sistem�tico dado por el proceso de la investigaci�n cuantitativa el cual es el siguiente:

1.      El planteamiento del problema, revisi�n de literatura y el alcance del estudio se encuentran detallados en la secci�n de �Introducci�n� de este documento.

2.      Se plantea la siguiente hip�tesis: El uso del laboratorio virtual (variable independiente) mejora el nivel de dominio conceptual en el aprendizaje del movimiento arm�nico simple (variable dependiente) de los estudiantes de segundo semestre de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo. Se plantea las dos hip�tesis estad�sticas:

�         H0: El uso del laboratorio virtual no mejora el nivel de dominio conceptual frente al uso del laboratorio tradicional en el estudio del movimiento arm�nico simple de los estudiantes de segundo semestre de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo.

�         H1: El uso del laboratorio virtual mejora el nivel de dominio conceptual frente al uso del laboratorio tradicional en el estudio del movimiento arm�nico simple de los estudiantes de Segundo Semestres de la Carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo.

�         Se considera un nivel de significancia de Alfa: 0,05 = 5%.

3.      El dise�o de la investigaci�n, es cuasiexperimental, dado los dos grupos de estudiantes que no son asignados al azar, sino que son establecidos previamente por el investigador (Urquizo, 2005).

4.      Selecci�n de la muestra, para determinar el tama�o de la muestra probabil�stica, se aplica muestreo estratificado proporcional, esto debido a que se conoce la poblaci�n de 60 estudiantes, objeto de estudio, con ello se obtendr�n dos estratos. En virtud que la asignatura de F�sica y el cap�tulo del movimiento arm�nico simple se imparte en el segundo semestre de la carrera de Ingenier�a Civil, se obtiene una muestra de 60 individuos, de los cuales los que corresponden al paralelo �A� son 38 individuos para el grupo del experimento con el laboratorio tradicional y al �B� 22 individuos para el laboratorio virtual. El c�lculo de la muestra est� definido por la siguiente f�rmula:

5.      Recolecci�n de los datos, se utiliz� la t�cnica de la observaci�n con el instrumento de ficha de observaci�n, se evalu� el desempe�o de cada estudiante en la realizaci�n de 8 pr�cticas de laboratorio y sus respectivos informes, con distintas tem�ticas relacionadas al aprendizaje del movimiento arm�nico simple. La r�brica aplicada para la evaluaci�n del aprendizaje de los aspectos conceptuales calific� los criterios que se indican en la tabla 1 y 2.

 

Tabla 1: R�brica de evaluaci�n aplicada al aspecto conceptual de aprendizaje en la elaboraci�n de la pr�ctica

 

Tabla 2: R�brica de evaluaci�n aplicada al aspecto conceptual de aprendizaje en el informe de la pr�ctica

 

6.      An�lisis de los datos, para lo cual se utiliz� el m�todo anal�tico y m�todo sint�tico, debido a que el estudio de la informaci�n proporcionada permiti� sintetizar el comportamiento del fen�meno estudiado. Para la prueba de hip�tesis por su naturaleza de los datos se aplic� el m�todo estad�stico z para muestras independientes. Previo a la prueba de cada una de las hip�tesis se realizaron las respectivas pruebas de normalidad, utilizando la prueba de Kolmogorov-Smirnov.

7.      Para los resultados, se utiliz� el m�todo inductivo - deductivo porque permite llegar a las conclusiones generales de condiciones particulares acerca del dominio conceptual en el aprendizaje del movimiento arm�nico simple de los estudiantes de segundo semestre de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo.

 

Resultados

Se exponen los resultados estad�sticos de frecuencia en rangos de calificaciones durante la elaboraci�n de la pr�ctica en el laboratorio virtual, tradicional y en la entrega del respectivo informe. En la tabla 3, se presentan las frecuencias absolutas y relativas, las mismas que se encuentran clasificadas en rangos desde cero (calificaci�n m�s baja) a cuatro (calificaci�n m�s alta), valores que se han obtenido a partir de la sumatoria de las calificaciones de los estudiantes participantes durante el procedimiento experimental, los aspectos conceptuales aplicados y al desempe�o del estudiante en base a conocimientos demostrados. Se puede destacar que el 65% de estudiantes que realizaron la pr�ctica en el laboratorio virtual obtuvieron calificaciones de 2,01 a 3 (alta), frente a un 39% que realizaron la misma en el laboratorio tradicional, existe una diferencia de 26 puntos porcentuales para este rango de calificaci�n, indicando una superioridad del laboratorio virtual frente al tradicional.

 

Tabla 3: Estad�stico de frecuencia en rangos de calificaciones durante la elaboraci�n de la pr�ctica

 

En la tabla 4, se puede destacar que en el informe de pr�cticas �nicamente el 20% de estudiantes que utilizaron el laboratorio virtual obtuvieron la calificaci�n en el rango m�s alto (3.01 a 4), frente a un 45% que utilizaron el laboratorio tradicional. Estos datos indicar�an en contraste a los resultados de las calificaciones durante el procedimiento de elaboraci�n de la pr�ctica, que el laboratorio tradicional supera al laboratorio virtual en el informe de pr�cticas experimentales.

 

Tabla 4: Estad�stico de frecuencia en rangos de calificaciones en el informe de la pr�ctica

 

La tabla 5, muestra los primeros valores considerados para la comprobaci�n de la hip�tesis estad�stica, para la aplicaci�n de los aspectos conceptuales de aprendizaje, tanto para el laboratorio virtual como para el laboratorio tradicional, en esta se puede observar la sumatoria de los valores calificados durante la pr�ctica y en la entrega de su respectivo informe final.

 

Tabla 5: Datos para la aplicaci�n de la prueba de hip�tesis z

 

Una vez que se ha aplicado la prueba de normalidad Kolmogorov-Smirnov, mediante el software estad�stico SPSS, el resultado obtenido en la comprobaci�n de la hip�tesis es de p=0.200, dado que este resultado es mayor al valor de alfa=0.05, se rechaza la hip�tesis alternativa (H1), por lo que se acepta la hip�tesis nula, la misma que indica que no existe una diferencia significativa en el uso del laboratorio virtual frente al tradicional, por lo tanto no mejora el nivel de dominio y aplicaci�n de aspectos conceptuales en las practicas experimentales frente al uso del laboratorio tradicional, considerando el estudio del movimiento arm�nico simple de los estudiantes de segundo semestre de la carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo.

 

Conclusiones

Durante la revisi�n de los resultados del estad�stico de frecuencia en rangos de calificaciones y considerando los rangos de puntuaci�n m�s altas, durante la elaboraci�n de la pr�ctica se puede destacar una cierta superioridad del laboratorio virtual frente al tradicional, sin embargo, en contraste en las calificaciones del informe de la pr�ctica se puede observar que el laboratorio tradicional supera al laboratorio virtual, por lo tanto tomando en cuenta estos resultados, no se puede concluir ganador a uno de los dos escenarios.

As� tambi�n, haciendo uso de los datos de la sumatoria de las calificaciones en el �mbito conceptual, utilizando la prueba estad�stica z, se comprob� que los estudiantes que utilizan el laboratorio virtual no tienen calificaciones significativamente diferentes a los que utilizan el laboratorio tradicional, concluyendo que el uso del laboratorio virtual no mejora significativamente el nivel de dominio conceptual de los estudiantes de segundo semestre de Ingenier�a Civil de la Universidad Nacional de Chimborazo.

Los resultados presentados en esta investigaci�n son importantes, debido a que a pesar que no se ha podido observar una diferencia significativa entre los dos escenarios de prueba (virtual y tradicional), si conlleva a establecer la importancia de un laboratorio virtual en la ense�anza de la f�sica en el �mbito conceptual y que considerando la situaci�n que viven hoy en d�a el mundo debido a la pandemia provocada por el COVID-19, se torna una alternativa v�lida para el proceso de ense�anza aprendizaje de la asignatura de F�sica para los estudiantes de ingenier�a. ���

 

Referencias

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� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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