Metodologías activas para la enseñanza y el aprendizaje de la física: Estudio de caso de la formulación de conceptos de calor y temperatura

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ARTÍCULO ORIGINAL

VILANCULO, Jossias Arnaldo [1], MUTIMUCUIO, Inocente Vasco [2], SILVA, Carlos Santos [3]

VILANCULO, Jossias Arnaldo. MUTIMUCUIO, Inocente Vasco. SILVA, Carlos Santos. Metodologías activas para la enseñanza y el aprendizaje de la física: Caso de estudio de la formulación de conceptos de calor y temperatura. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 05, Ed. 09, Vol. 07, páginas 84-107. Septiembre de 2020. ISSN: 2448-0959, Enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/educacion-es/calor-y-temperatura

RESUMEN

La investigación forma parte de la enseñanza de la ciencia, cuyo objetivo es aportar enfoques didácticos que permitan una participación activa del alumno, permitiendo valorar las concepciones alternativas de los alumnos, permitiendo al alumno construir sus propios conocimientos. La investigación es parte de los supuestos teóricos de David Ausubel y fue desarrollada en una escuela mozambiqueña con estudiantes de noveno grado. La obra surge como una forma de aportar alternativas al método tradicional de enseñanza de la física predominantemente a todo el mundo. Dos clases de 101 alumnos fueron sometidas a un cuestionario elaborado por el investigador con el fin de identificar las concepciones alternativas de los alumnos en los conceptos de calor y temperatura. Luego se sometieron a una intervención didáctica sobre los conceptos de calor y temperatura utilizando la metodología activa en la clase experimental y tradicional en la clase de control, al final se aplicó una prueba posterior. Los resultados muestran que la estrategia utilizada en la clase experimental permitió una mayor participación de los estudiantes durante las clases y también notó una mejora sustancial en la formulación de conceptos de calor y temperatura, habiendo reducido significativamente las concepciones alternativas sobre estos conceptos.

Palabras clave: Enseñanza física, metodología activa, calor, temperatura.

1. INTRODUCCIÓN

En 1963, se celebró la primera conferencia interamericana sobre la enseñanza de la física, en la que Richard Feynman, físico estadounidense y ganador del Premio Nobel de Física 1965, ya era muy pesimista sobre la educación de la enseñanza de la física en cualquier lugar (PEREIRA, 2010). La preocupación de Feynman estaba en la forma en que se enseñaba la física en las escuelas y la preocupación de los estudiantes por estudiar sólo para memorizar y reproducir los contenidos el día de la prueba, sin molestarse en percibir la física.

Aunque han pasado décadas desde los hallazgos de Feynman hasta la actualidad, los problemas en la enseñanza de la física persisten. No es nuevo que en las escuelas de todo el mundo el método tradicional siga siendo predominante, donde el profesor va al aula se ocupa de decirle al alumno lo que debe saber y, por otro lado, el estudiante es responsable de escribir y buscar maneras de profundizar el contenido abordado. Como resultado, el estudiante sólo se preocupa por memorizar, no hay lugar para que aprenda y después de un corto tiempo se olvida de todo. La consecuencia de esto es la falta de motivación para aprender física y termina considerando la física como una ciencia difícil, que no tiene nada que ver con su realidad.

Según Barroso; Rubini y Siva (2018, p.2) “en el período comprendido entre los años 1970 y 1990, los investigadores de la enseñanza de la física se dieron cuenta de la necesidad de entender lo que los estudiantes trajeron como equipaje cultural y conceptual para que pudieran desarrollar procesos de aprendizaje en Física”. Este movimiento permitió un paso significativo en el desarrollo de la investigación en el área de la educación científica. Es durante este período que algunos investigadores asumen el papel de conocimientos previos o concepciones alternativas del estudiante en el aprendizaje de nuevos conceptos, con algunos asumiendo que deben ser reemplazados por conceptos científicos y otros defendiendo su alojamiento.

Más tarde, bajo la influencia de Vygotsky, las concepciones alternativas mantuvieron su importancia en el aprendizaje. El enfoque de Vygotsky no es reemplazar las concepciones alternativas en los estudiantes, sino tenerlas en cuenta. Hasta el día de hoy, los debates han estado en esta perspectiva.

Las concepciones alternativas son las ideas iniciales presentadas por los estudiantes y que difieren del conocimiento científico.

Sobre el origen de concepciones alternativas, investigadores como Caldeira y Martins (1990); Thomaz et al. (1994); Mutimucuio (1998); Hülsendeger, Costa y Cury (2006); Araújo y Souza (2015); Leo y Kalhil (2015); Krause y Scheid (2018) convergen en afirmar que los modelos que los individuos utilizan para explicar conceptos y fenómenos físicos del día a día se desarrollan desde la infancia, desde el momento en que el individuo entra en contacto con la naturaleza, otros a través del censo común, no se originan exclusivamente a partir de su aprendizaje escolar.

Hoy en día, se acuerda la importancia de valorar las concepciones alternativas en el proceso de enseñanza y aprendizaje. Ausubel, en su obra defiende el papel que el conocimiento que el estudiante adquiere a lo largo de sus experiencias interfiere en la comprensión de nuevos conceptos en el entorno escolar.

Con el fin de hacer su contribución al tema de la enseñanza de la física, el autor trae aquí un estudio realizado en una escuela mozambiqueña en el enfoque de los conceptos de calor y temperatura en el aula con estudiantes de noveno grado.

Según Faccin y Garcia (2017, p.19), “entender los conceptos de calor y temperatura se vuelve difícil, posiblemente, porque también se utilizan en la vida cotidiana con un significado diferente al aceptado científicamente”. Es común que alguien pronuncie palabras como “hoy es caliente”, como si el calor se midiera desde la temperatura, pero decir que hoy la temperatura es alta, o “en verano es muy caliente y en invierno muy frío”, como si el calor y el frío fueran términos contrarios, pero lo que significa que en verano la temperatura es muy alta y en invierno es muy baja.

A partir de estos conceptos, calor y temperatura, el autor aporta un enfoque utilizando una metodología activa, donde el alumno es el autor de sus propios conocimientos (BACICH y MORAN, 2018).

Las metodologías activas fortalecen la autonomía de los alumnos, con ellos, los estudiantes son capaces de construir y reconstruir sus conocimientos en lugar de recibirlos pasivamente del profesor, siendo más cuestionadores poder intervenir conscientemente y transformar la realidad (PUHL, 2017).

El Autor espera que con esta investigación haga su contribución al abordamiento de las clases de física utilizando metodologías activas, donde el estudiante es autónomo y autor de la construcción del conocimiento científico.

2. ACTIVIDADES EXPERIMENTALES Y LA IMPORTANTE TEORÍA DEL APRENDIZAJE DE AUSUBEL

David Paul Ausubel era un psicólogo estadounidense que se ocupaba de los estudios de los procesos de aprendizaje. Desarrolló una teoría que se conoció como la Teoría del Aprendizaje Significativo de Ausubel.

Según Ausubel; Novak y Hanesian (1968); Masini (2011) apud Silva (2020, p.2), “la teoría del aprendizaje significativo (ASD) describe cómo el individuo aprende a medida que se incorporan nuevos conocimientos en sus estructuras cognitivas, sobre la base de conocimientos previos relevantes”.

Según Silva (2020, p.2), “esta Teoría se originó a partir de la insatisfacción experimentada por Ausubel en su educación, que se caracterizó por la ausencia de condiciones que contribuyeron a su desarrollo profesional y al aprendizaje de nuevos conocimientos por parte de los otros estudiantes”.

Según Moreira (2011), Ausubel define el Aprendizaje Significativo con ser:

Un proceso a través del cual la nueva información (nuevos conocimientos) se relaciona de una manera no arbitraria y sustantiva (no literal) con la estructura cognitiva del alumno. Es en el curso del Aprendizaje Significativo que el significado lógico del material de aprendizaje se convierte en un significado psicológico para el sujeto. (MORREIRA, 2011)

Para Ausubel (1963) El aprendizaje significativo es el mecanismo humano, por excelencia, para adquirir y almacenar la gran cantidad de ideas e información representadas en cualquier campo del conocimiento.

Ausubel destaca los conocimientos previos como fundamentales para un aprendizaje significativo. Según este psicólogo, la enseñanza debe centrarse en lo que el alumno ya sabe, en sus estructuras cognitivas anteriores (subfunciones), de lo contrario no habrá aprendizaje significativo, sino aprendizaje mecánico.

Desde la perspectiva de Ausubel, el profesor debe preocuparse más bien por saber cuáles son los conocimientos previos de los estudiantes o concepciones alternativas sobre el concepto a abordar.  Este enfoque puede ser posible a través de actividades experimentales donde pueden ser problemáticas.

Las actividades experimentales constituyen materiales potencialmente significativos. Ausubel se refiere a materiales potencialmente significativos como otro elemento esencial para un aprendizaje significativo más allá del conocimiento previo.

A partir de las actividades experimentales propuestas, el profesor elabora preguntas problemáticas, donde el alumno al buscar soluciones a las preguntas planteadas por el profesor, tendrá la oportunidad de exponer sus concepciones alternativas.

Las actividades experimentales se consideran estrategias didácticas singulares que contribuyen a un aprendizaje significativo en el aula. Históricamente desde la década de 1960, varios intentos de mejorar la calidad de la enseñanza de la ciencia se han basado en actividades experimentales (CATELANI y RINALDI, 2018).

Esta estrategia proporciona un cambio de actitud pasiva para el activo, tanto para el estudiante como para el profesor, porque el alumno deja de ser un mero observador de las clases y, comienza a argumentar, a pensar, a actuar, a interferir y a cuestionar (CATELANI y RINALDI, 2018).

Según Pereira (2010), el uso de actividades experimentales como estrategia didáctica para la enseñanza de la física debe seguir los siguientes pasos:

  • Propuesta del problema;
  • Encuesta de hipótesis;
  • Preparación del plan de trabajo, es decir, cómo se debe llevar a cabo la experiencia;
  • Montaje de la disposición experimental y recopilación de datos;
  • Análisis de datos;
  • Conclusiones.

Según el mismo autor, el plan de trabajo debe contener: objetivos, problema, hipótesis y solución del problema.

3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Aquí está una descripción del enfoque metodológico de la investigación, los instrumentos de recopilación de datos y las técnicas de análisis e interpretación de los resultados. Trabajamos con dos clases, una de control y otra experimental, que fueron sometidas a una prueba previa antes de la intervención y luego a una prueba posterior después de la intervención.

Desde el punto de vista de abordar el problema, la investigación es cualitativa y cuantitativa. Según Gerhaldt y Silvera (2000, p.31-41), la investigación cuantitativa y cualitativa presentan diferencias con los elementos fuertes de uno para complementar las debilidades del otro y viceversa”.

El enfoque cuantitativo, en la perspectiva de Silva y Menezes (2001, p.20) “significa traducir en números opiniones e información para clasificarlas y analizarlas”. En este caso, las concepciones alternativas de los alumnos se agruparán en tablas de frecuencia porcentuales para su análisis.

También es cualitativa porque la explicación e interpretación de los conceptos no requerirá técnicas estadísticas, sino más bien el entorno natural, donde la fuente directa para la recopilación de datos es el investigador y es el instrumento clave (SILVA y MENEZES, 2001).

En cuanto a los objetivos, es exploratorio, porque, como explica Severino (2017, p.91), “sólo busca generar información sobre un objeto en particular, delimitando así un campo de trabajo, mapeando las condiciones de manifestación de este objeto”.

El estudio se realizó a través de un cuestionario (pre-prueba y post-prueba) aplicado a los estudiantes en dos momentos diferentes. El objetivo era identificar las concepciones alternativas de los alumnos sobre los conceptos de calor, temperatura, dirección de transferencia espontánea de calor y equilibrio térmico y, a partir de ella, identificar el control y la clase experimental.

El instrumento antes de la solicitud fue aprobado por dos profesores especializados en la materia, por la forma en que el supervisor y co-supervisor y, leído antes de la aplicación por dos profesores de física de la escuela donde se desarrolló la investigación.

La muestra consistió en 101 estudiantes del noveno grado, ya que estos conceptos se abordan formalmente por primera vez en esta clase. Esta muestra proviene de 2 clases seleccionadas al azar en un universo de 9 clases del período diurno.

Las edades del grupo de muestra son entre 13 y 17 años. Antes de ser presentados, se permitió que los padres y/o tutores fueran permitidos en una reunión dirigida por los directores de la clase. Anteriormente, el investigador solicitó permiso a la junta escolar a través de una carta formal.

Para el análisis de los datos cualitativos, se decidió crear categorías jerárquicas de acuerdo con el nivel de elaboración de la respuesta de cada alumno, a excepción de las preguntas 1 y 5 que pedían los significados de calor y temperatura respectivamente en las lenguas maternas de los alumnos, habiendo sido analizadas según el modelo de la tabla 1, elaborada por el autor.

La categorización se inspiró en los modelos utilizados por otros investigadores en el área de la investigación científica (NEVES; CHARRET y CARVALHO, 2017; COVOLAN y SILVA, 2005; MOÇO y SERRANO, 2002). Así, se crearon tres categorías (A, B y C), donde la categoría “A” representa el nivel más alto de preparación de las respuestas y la categoría “C” el nivel más bajo de elaboración.

Para los datos cuantitativos, se utilizaron gráficos de barras.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 INFORME DE INTERVENCIÓN DIDÁCTICA

En esta sección se describe el entorno en el que se desarrollaron las clases en la clase experimental, donde buscamos desarrollar una metodología activa de enseñanza y aprendizaje basada en actividades experimentales. La estructura de la guía experimental siguió la propuesta de Pereira (2010).

Esta propuesta encaja en la teoría de Ausubel del aprendizaje significativo, que defiende la valorización del conocimiento inicial del estudiante, en esta perspectiva, todas las actividades comienzan con una problemática, donde se pide al estudiante que formule hipótesis a través de sus conocimientos previos, que en esta investigación se llaman concepciones alternativas.

Actividad 1: Mida la temperatura del agua en tres cuencas diferentes

Objetivo: Verificar que no es fiable medir la temperatura por medio del tacto.

Problema: ¿Cómo saber si el agua está caliente o fría?

Formulación de hipótesis por parte de los estudiantes: El maestro pidió a los alumnos que pusieran las posibles respuestas a la pregunta planteada. Las hipótesis de los estudiantes eran las siguientes:

  • Lanzando los cuencos desde afuera.
  • Sumergir las manos en cada uno de los cuencos.
  • Usando el termómetro.

Pasos para resolver el problema: En esta actividad se pidió a dos estudiantes que sumergieran sus manos en un tazón con agua caliente y otro en agua fría, véase la Figura 1. Después de 30 segundos se quitaron las manos y se sumergieron en agua tibia, ver Figura 2. Te preguntaste cuánto tienes. Las respuestas fueron que para la mano que venía de agua caliente, tenían la sensación de frío y en la otra mano que provenían del agua caliente tenían una sensación de calor.

Figura 1: Tres cuencos con agua caliente, caliente y fría


Fuente: Autor

Figura 2: El momento en que uno de los estudiantes mojó ambas manos en los cuencos con agua caliente y fría, y luego los dos en agua tibia.

Fuente: Autor

Con estas actividades experimentales, los estudiantes llegaron a la conclusión de que el sentido del tacto puede darnos sensaciones equivocadas de temperatura, y por lo tanto no se recomienda para la medición de la temperatura.

Actividad 2: Mida la temperatura de un cuerpo.

Objetivo: Identificar el termómetro como un instrumento para la medición de la temperatura.

Problema: Tenemos dos cucharas casi iguales, una de metal y otra de madera. ¿Cómo evaluar la temperatura de las dos cucharas? Compare las dos temperaturas.

Formulación de hipótesis por parte de los estudiantes: Se pidió a los estudiantes que pusieran algunas hipótesis después de la discusión en grupos de dos a dos, lo que resultó en lo siguiente:

  • A tientas el objeto con la palma de su mano.
  • Poner el objeto en contacto con la frente.
  • Medición de la temperatura con el termómetro.
  • La cuchara de metal tiene menor temperatura en comparación con la cuchara de madera.

Pasos para resolver el problema:

A los estudiantes se les pidió que palpcharan dos cucharas, una metálica y otra de madera, y luego preguntaron cuál tenía la temperatura más baja. La mayoría de ellos respondieron que la cuchara de metal estaba a baja temperatura porque hacía más frío.

Después de la discusión, los estudiantes midieron las temperaturas de las dos cucharas usando el termómetro (Figura 3) y llegaron a la conclusión de que la temperatura era la misma.

Figura 3: El momento de medir las temperaturas de las cucharas de metal y madera.

Fuente: Autor

Conclusión: se concluyó que la tercera hipótesis es cierta, es decir, para medir la temperatura de un cuerpo se debe utilizar un instrumento llamado termómetro.

Actividad 3: Formulación del concepto de temperatura.

Objetivo: Establecer la temperatura.

Problema: ¿Qué es la temperatura? ¿Cuál es la relación entre la temperatura y el grado de agitación de las partículas?

Formulación de hipótesis por parte de los estudiantes: Sobre la cuestión del concepto de temperatura, los estudiantes respondieron lo siguiente:

  • La temperatura es la cantidad de calor.
  • La temperatura es energía interna.
  • La temperatura es el grado de agitación de las partículas.
  • La temperatura es el estado de calentamiento.

En cuanto a la relación entre la temperatura y el grado de agitación de las partículas, ningún estudiante respondió.

Pasos para resolver el problema:

El profesor exhibió tres vasos, uno con agua natural, el otro con una mezcla de agua y cubitos de hielo y finalmente el tercero con cubitos de hielo. Pidió a los estudiantes que describan el grado de agitación de las partículas con categorías más altas, moderadas e inferiores y, utilizando las mismas categorías, compararan las temperaturas en las tres tazas.

Los estudiantes fueron capaces de responder que en el vaso con agua natural, hay una mayor agitación de las partículas en comparación con los otros vasos y, a su vez en el vaso que contiene agua y cubitos de hielo, la agitación es mayor en comparación con el vaso con cubitos de hielo.

En cuanto a las temperaturas, algunos alumnos respondieron que el vaso de agua natural tiene una temperatura más alta, siguiendo el vaso de mezcla de cubitos de hielo y agua y, finalmente, con una temperatura más baja, el vaso con cubitos de hielo. Sin embargo, hay un pequeño número de estudiantes que han sido indecisos en las temperaturas de las tazas 2 y 3, respectivamente de la mezcla de cubitos de hielo + agua y cubitos de hielo.

Para disipar dudas, el maestro pidió a dos alumnos que midieron la temperatura de las tres tazas y llenaran la tabla, ver Tabla 1:

Figura 4: Los tres momentos de medición de la temperatura en los tres vasos con agua natural, agua + cubitos de hielo y cubitos de hielo

Fuente: Autor

Tabla 1: Datos experimentales en la formulación del concepto de temperatura.

Tazas 1 2 3
Grado de agitación de partículas Menor Moderado Mayor
Valor de temperatura 4º C 10º C 25º C

Fuente: Autor

Con esta actividad experimental los estudiantes fueron capaces de formular que la temperatura asewells el grado de agitación de las partículas.

A partir de los resultados de la medición, fue posible llegar a la siguiente conclusión: Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el grado de agitación.

La segunda clase sobre el concepto de calor, tenía la siguiente secuencia de actividades:

Actividad 4: Formulación del concepto de calor

Objetivo: Definir el concepto de calor.

Problema: ¿Qué es el calor? ¿Cuál es el significado del calor en tu lengua materna?

Formulación de hipótesis por parte de los estudiantes: En un grupo de dos por dos, se instruyó a los estudiantes que discutieron el concepto en portugués y luego en sus lenguas maternas. Las respuestas dadas por los estudiantes son las siguientes:

  • El calor es la variación de temperatura.
  • Calor significa alta temperatura.
  • El calor significa energía.
  • En el lenguaje tsuá el calor significa alta temperatura.
  • En lenguaje guitonga calor significa alta temperatura.
  • En la lengua chichope calor significa alta temperatura.

Sobre esta actividad, según Ausubel (2003), el ser humano presenta la tendencia a aprender más fácilmente un conjunto de conocimientos cuando se le presenta desde sus ideas más generales e inclusivas y desplegándose hasta las ideas más específicas y menos inclusivas, es decir, desde su lengua materna puede presentar ideas generales y, en portugués, ideas específicas.

Pasos para resolver el problema:

Se pidió a dos estudiantes que llevaran a cabo la actividad experimental a partir de los siguientes materiales: 4 tazas, agua fría y agua a temperatura ambiente, y termómetro. Los otros en grupos de dos estudiantes observaron y discutieron sus observaciones cada uno.

La misma cantidad de agua se colocó a temperatura ambiente en los dos vasos (Copa 1 y Copa 2); la temperatura inicial del agua se midió en los dos vasos; Se mezcló 1 taza y 2 de agua y se midió la temperatura final.

Figura 5: El momento de la actividad experimental para formular el concepto de calor

Fuente: Autor

Luego se colocó la misma cantidad de agua fría en un vaso y en otra agua caliente; (Copa 3 y Copa 4); la temperatura inicial se midió en los dos vasos; el agua de las tazas 3 y 4 se mezcló y se midió la temperatura de la mezcla.

Los resultados se completaron en la siguiente tabla.

Tabla 2: Datos experimentales para la formulación del concepto de calor

Contenedores T1 T2 T3
Copa 1 27º C 55º C 47º C
Copa 2 66º C
Copa 3 27º C 27º C 27º C
Copa 3 27º C

Fuente: Autor

Se pidió a los estudiantes que explicaran el fenómeno observado, respondiendo en grupos de 2 alumnos cada una las siguientes preguntas: ¿Por qué en la primera mezcla (copa 1 y taza 2) la temperatura varió? Porque en la segunda mezcla (taza 3 y taza 4) no hubo variación de temperatura de T1 a T2? y de T2 a T3?

En las mezclas de las tazas 3 y 4, casi todos los estudiantes tenían la misma opinión de que no había variación de temperatura porque las dos cantidades son la misma temperatura.

En el caso de las copas 1 y 2, aunque los alumnos comentaron que hubo una variación en la temperatura de T1 a T2 porque las dos cantidades estaban a diferentes temperaturas, difieren con respecto a los argumentos de variación de temperatura, como veremos a continuación algunas intervenciones de los estudiantes:

Estudiante 1: Hubo variación de temperatura porque el agua caliente transfirió la temperatura al agua fría.

Estudiante 2: Hubo variación de temperatura debido a la transferencia de la temperatura fría al agua caliente, por lo tanto, habiendo bajado a 55º C.

Estudiante 3: Transfiera el calor al agua fría.

Estudiante 4: Hubo transferencia de calor de agua fría a agua caliente.

A los estudiantes se les preguntó qué hizo que la temperatura variara. El investigador explicó a los estudiantes que la entidad que causó la variación de temperatura era la energía (en tránsito) en forma de calor debido a la diferencia de temperatura. Se ha vuelto a pensar que esta transferencia sólo se produce cuando dos cuerpos o sustancias con diferentes temperaturas se ponen en contacto.

Después de todo, ¿qué es el calor? Después de varias definiciones, los estudiantes llegaron a la conclusión de que el calor es la cantidad de energía en tránsito debido a la diferencia de temperaturas.

Se pidió a los estudiantes que examinaran si el concepto de calidez en las lenguas maternas traduce o no el concepto científico, y se llegó a la conclusión de que en las lenguas maternas, el concepto de calor significa alta temperatura, contrastando así con el concepto científico del calor.

Se formularon las siguientes preguntas para la resolución de grupo como una forma de consolidación: Considera dos cubitos de hielo que inicialmente se reúnen a diferentes temperaturas como se ilustra a continuación. Se ponen en contacto.

¿Habrá transferencia de algo entre los dos bloques? Si es así, ¿qué se transfiere entre los dos bloques de hielo? Justificar.

El profesor explicó a los alumnos que en este caso también hay transferencia de calor porque estamos poniendo en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, es decir, la transferencia de calor se produce no sólo para cuerpos calentados sino también para cuerpos fríos, siempre y cuando estén a diferentes temperaturas.

La 3a clase sobre equilibrio térmico y dirección de transferencia de calor espontánea se desarrolló con las siguientes actividades:

Actividad 5: Equilibrio térmico y dirección de transferencia de calor espontánea

Objetivos: Definir el equilibrio térmico e identificar la dirección de la transferencia de calor espontánea.

Problema: Considere un bloque (tuerca de un coche) calentado a 106º C que se inserta en un vaso con agua a la temperatura inicial 20º C. ¿Cuál será la dirección de la transferencia de calor? ¿Cuándo se detiene la transferencia de calor? La temperatura final del sistema será: a. Mayor que 106º C; B. 106º C; c. 20º C; d. Mayor de 20 C y menos de 106º C.

Formulación de hipótesis por parte de los estudiantes:

Las respuestas de los alumnos fueron las siguientes:

  • La dirección de la transferencia de calor será el agua al bloque.
  • La dirección de transferencia de calor será desde el bloque hasta el agua.
  • La transferencia de calor a cuando el sistema está a la misma temperatura.
  • La temperatura final del sistema será de 20º C.
  • La temperatura final del sistema será superior a 106º C.
  • La temperatura final del sistema será superior a 20º C y inferior a 106º C.

Pasos para resolver el problema:

Usando un calentador, un bloque (tuerca de un coche) se calentó durante 5 minutos, cuando los estudiantes respondieron a las preguntas del problema. Se pidió a dos estudiantes que midieran la temperatura inicial del bloque calentado, la temperatura inicial del agua en un vaso, y luego insertaran el bloque calentado en el vaso con agua, ver Figura 6. Observe los valores leídos por el termómetro hasta que la temperatura deje de variar.

Figura 6: El dispositivo experimental para la formulación del concepto de equilibrio térmico.

Fuente: Autor

Conclusión: La actividad permitió a los estudiantes concluir que la dirección de la transferencia espontánea de calor es desde el cuerpo con mayor temperatura al cuerpo con temperatura más baja, esta transferencia a cuando los dos cuerpos alcanzan la misma temperatura, es decir, el equilibrio térmico.

4.2 RESULTADOS DE CONCEPCIONES ALTERNATIVAS EN PRUEBAS PREVIAS Y POSTERIORES A LA PRUEBA

La categorización de los resultados posteriores a la prueba se presenta en las siguientes tablas:

Cuadro 3: Los resultados del análisis de las respuestas de los alumnos sobre el concepto de calor, la pregunta número 2 (en la prueba previa) y la pregunta número 1 (en la prueba posterior).

 Tipo Porcentaje de estudiantes (%)  Concepciones alternativas identificadas
Pretest Prueba
A 21 72 Calor significa alta temperatura.

El calor es una sustancia, un líquido.

El calor es contrario al frío.

B 14 15
C 65 13

Fuente: Autor

Tabla 4: Análisis de las respuestas de los estudiantes sobre el concepto de calor por TC (Clase de control-Turma de controlo)

Tipo  Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Pretest Prueba
A 20 22 Calor significa alta temperatura.

El calor es directamente proporcional a la temperatura.

El calor se asocia sólo con cuerpos calentados.

El calor es una sustancia, un líquido.

El calor es contrario al frío.

B 15 7
C 75 71

Fuente: Autor

Comparando las dos tablas en la post-prueba, se observa que en la clase experimental los estudiantes tuvieron mejor elaboración del concepto de calor, habiendo obtenido el 72% en la categoría A frente al 22% de la clase de control. Aunque persisten las concepciones alternativas, la clase experimental tuvo un porcentaje menor (13%) en comparación con la clase de control (71%). En relación con el análisis antes y después de la intervención didáctica, no hay dos clases que notaron una mejora significativa en la elaboración de conceptos científicos en la clase experimental.

El resultado del análisis de la pregunta número 2 a través de los cuadros 5 y 6 cuya expresión es la siguiente: “Asociamos la existencia de calor en las siguientes situaciones: I-A cualquier cuerpo en movimiento, porque todo el cuerpo en movimiento tiene calor; II-Sólo para cuerpos calientes; III- Situaciones en las que dos cuerpos entran en contacto, con diferentes temperaturas.” Esta pregunta sólo se evaluó en la prueba posterior.

Cuadro 5: Análisis de las respuestas de los estudiantes a la pregunta número 3 del TE (Clase experimental-Turma experimental)

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 92 Calor significa alta temperatura.

Los cuerpos en movimiento tienen calor.

B 3
C 5

Fuente: Autor

Tabla 6: Análisis de las respuestas de los estudiantes a la pregunta de TC número 3

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 68 Calor significa alta temperatura.

Los cuerpos en movimiento tienen calor.

B 12
C 30

Fuente: Autor

En esta cuestión, la diferencia entre las dos clases es evidente, con la clase experimental alcanzando el 92% de los conceptos con un nivel de elaboración científica frente al 68% de la clase de control. El nivel de dificultades o con concepciones alternativas es del 13% en la clase experimental frente al 30% en la clase de control.

Los cuadros 7 y 8 muestran el análisis del concepto de temperatura, pregunta número 4 (en la prueba previa) y pregunta número 3 (en la prueba posterior).

Tabla 7: Análisis de las respuestas de los estudiantes sobre el concepto de temperatura en TE

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 12 89 Temperatura como medida de calor.

La temperatura como algo que se transfiere de un cuerpo a otro.

B 10 6
C 78 5

Fuente: Autor

Tabla 8: Análisis de las respuestas de los estudiantes sobre el concepto de temperatura en TC

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 15 82 Temperatura como medida de calor.

La temperatura como algo que se transfiere de un cuerpo a otro.

B 27 15
C 58 3

Fuente: Autor

En cuanto al concepto de temperatura, el estudio muestra que en ambas clases hubo una mejora significativa en la elaboración del concepto. La diferencia porcentual es menor, siendo 89% en la clase experimental y 82% en la clase de control. En cuanto a las concepciones alternativas mostradas, las dos clases tienen un porcentaje menor, sin embargo, la clase de control tiene un porcentaje menor (2%) en relación con la clase experimental (2%). Sin embargo, esta diferencia no es significativa en la destitura del método utilizado.

El resultado del análisis de las preguntas 4.1 (post-prueba) y 7.1 (en la prueba previa) se muestra en los cuadros 9 y 10 infra. La pregunta que se hizo a los estudiantes fue: “Tienes un bloque de metal inicialmente a 75o C y un calorímetro que contiene agua a 20o C. A continuación, el bloque metálico A se inserta en el calorímetro, de acuerdo con la siguiente figura:

¿Qué se transfiere entre el bloque metálico A y el agua del calorímetro?”

Tabla 9: Análisis de las respuestas de los estudiantes en TE

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 31 95 Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
B 24 0
C 45 5

Fuente: Autor

Tabla 10: Análisis de las respuestas de los estudiantes en TC

Tipo Porcentaje de estudiantes (%) Concepciones alternativas identificadas
Antes Después
A 52 80 La temperatura como algo que se transfiere de un cuerpo a otro.
B 35 12
C 13 8

Fuente: Autor

Las dos tablas muestran que el 95% y el 80% de los estudiantes, respectivamente, en las clases Experimental y Control definen el concepto de temperatura. En cuanto a las concepciones alternativas mostradas, sólo el 5% de los alumnos de la clase experimental y el 8% de la clase de control también confunden la temperatura como algo que se transfiere de un cuerpo a otro, es decir, confunden la temperatura con el calor. En ambas clases hubo mejoras en la formulación de conceptos, habiendo reducido la frecuencia de concepciones alternativas, con mayor incidencia en la clase experimental.

4.3 RESULTADO DE RENDIMIENTO POR CLASE, PRE-PRUEBA Y POST-PRUEBA

Los gráficos de la Figura 1 muestran la situación inicial de los alumnos antes de someterse a la intervención didáctica en las clases 10 (clase de control) y 11 (clase experimental).

Figura 7: Gráfico comparativo de las pruebas previas de la clase experimental y de control


Fuente: Autor

Mirando los datos del gráfico aunque la clase de control tiene un porcentaje ligeramente mayor de datos positivos y negativos que la clase experimental, esta diferencia no es significativa, como se demostrará más adelante. Es decir, las dos clases estaban en el mismo nivel en relación con el contenido evaluado.

Después de la aplicación de la prueba previa, las dos clases fueron sometidas a una intervención didáctica, utilizando diferentes estrategias de enseñanza, habiendo sido sometidas a una prueba posterior. El resultado se muestra en el gráfico 2 a continuación:

Figura 8: Gráfico comparativo de las pruebas posteriores de la clase experimental y de control


Fuente: Autor

Comparando los dos gráficos, la diferencia entre el porcentaje de positivos en la prueba posterior en la clase experimental es notable. Aunque en la clase de control también ha habido un aumento en el porcentaje de positivos, este aumento no es sustancial. De esta evidencia se puede suponer que la estrategia utilizada contribuyó significativamente a un mayor porcentaje de positivo.

5. CONSIDERACIONES GENERALES

El ser humano, al nacer, entra en contacto con el medio ambiente que lo rodea. Este contacto hace que haya un todo entre el ser humano y la naturaleza. Es a través de todo esto que el ser humano interpreta los fenómenos de la naturaleza antes del contacto formal con la escuela, de ahí que el estudiante al llegar al aula ya tiene algunos conocimientos previos.

Al introducir nuevos conceptos en el aula, el profesor debe tener la noción de la existencia de concepciones alternativas en los alumnos y crear situaciones para que se exploren en el aula para que los alumnos tengan la posibilidad de diferenciar los conocimientos científicos y no científicos.

Cuando se ignoran las concepciones alternativas, no habrá un aprendizaje significativo de los conceptos.

La investigación muestra que el aprendizaje significativo tiene lugar cuando hay apreciación de las concepciones alternativas de los estudiantes, verificando así la premisa de Ausubel cuando dice “el factor más importante para que el alumno asimile nuevos conocimientos es el kilo que conoce”.

Existen concepciones alternativas en muchos conceptos de física, y la termodinámica es el área donde los estudiantes han tenido muchas concepciones alternativas. En cuanto a los conceptos de calor y temperatura, las concepciones más comunes de los estudiantes son:

  • Calor significa alta temperatura.
  • El calor es directamente proporcional a la temperatura.
  • El calor se asocia sólo con cuerpos calentados.
  • El calor es una sustancia, un líquido.
  • El calor es contrario al frío.
  • La temperatura es sinónimo de calor.
  • Temperatura como medida de calor.
  • La temperatura se puede transferir,
  • La temperatura como algo que se transfiere de un cuerpo a otro.
  • Los cuerpos fríos no contienen calor.
  • La temperatura depende de la naturaleza del material.
  • La dirección de la transferencia espontánea de calor es del cuerpo con masa a cuerpo de masa inferior.
  • En cuerpos refrigerados (por debajo del grado cero no hay transferencia de calor
  • La temperatura es movida por el sentido del tacto.
  • Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas entran en contacto, la temperatura final siempre será la temperatura media aritmética de los dos cuerpos.
  • La temperatura final de dos cuerpos en contacto con diferentes temperaturas de arranque se dará por la suma de las dos temperaturas.

Se concluye que en las lenguas maternas de los estudiantes indear (xitswua, gitonga y cicopi), no hay diferencia en términos para designar el calor y la temperatura, las concepciones alternativas más comunes de los estudiantes tienen como causas de persistencia incluso después de la enseñanza formal de lo siguiente: el lenguaje, donde los conceptos se explican utilizando el sentido común para simplificar su comprensión, cultura, donde los modelos que el individuo utiliza para explicar conceptos se desarrollan desde la infancia , no provenientes de su aprendizaje escolar.

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[1] Máster en Educación / Enseñanza física. Licenciado en Enseñanza de Matemáticas y Física.

[2] consejero. Profesor Doctor.

[3] Co-asesor. Profesor Doctor.

Enviado: Julio, 2020.

Aprobado: Septiembre de 2020.

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