UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE CIENCIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA

MONTAJE DE SENSORES Y PROGRAMACION DE MICROCONTROLADORES CON UNA PROPUESTA DIDÁCTICA FUNDADA EN LA ENSEÑANZA DE LA CIENCIAS BASADA EN INDAGACIÓN (ECBI) PARA EL ESTUDIO DE LA FÍSICA EN EDUCACIÓN MEDIA

ANGÉLICA ANDREA DIAZ FUENTES RODRIGO ANTONIO JERALDO ROMERO ANDREAS EISBAR TAPIA LORCA

Profesores Guías: Jorge Pablo Ferrer Meli. Licenciado en Física Nelson Eduardo Mayorga Sariego. Licenciado en Educación de Física. Seminario para optar al Grado Académico de Licenciada/o en Educación de Física y Matemática

Santiago – Chile 2013

233651 © ANGÉLICA ANDREA DÍAZ FUENTES RODRIGO ANTONIO JERALDO ROMERO ANDREAS EISBAR TAPIA LORCA Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.

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MONTAJE DE SENSORES Y PROGRAMACION DE MICROCONTROLADORES CON UNA PROPUESTA DIDÁCTICA FUNDADA EN LA ENSEÑANZA DE LA CIENCIAS BASADA EN INDAGACIÓN (ECBI) PARA EL ESTUDIO DE LA FÍSICA EN EDUCACIÓN MEDIA

ANGÉLICA ANDREA DIAZ FUENTES RODRIGO ANTONIO JERALDO ROMERO ANDREAS EISBAR TAPIA LORCA Este trabajo de Graduación fue elaborado bajo la supervisión de los profesores guía Sr. Jorge Ferrer Meli y el Sr. Nelson Eduardo Mayorga Sariego del Departamento de Física y ha sido aprobado por los miembros de la comisión Calificadora, Sr. Leonardo Antonio Caballero Alvial y Sr. Manuel Alejandro Galaz Pérez. ___________________________ Leonardo Caballero Alvial Comisión Calificadora

___________________________ Manuel Galaz Pérez Comisión Calificadora

___________________________ Jorge Ferrer Meli Profesor Guía

___________________________ Yolanda Vargas Hernández Directora

___________________________ Nelson Mayorga Sariego Profesor Guía

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“Cuéntame y lo olvidaré, muéstrame y lo recordaré, involúcrame y lo aprenderé” Confucio

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Agradecimientos Al comenzar con estos agradecimientos, no puedo dejar de detenerme en lo que han sido estos casi cinco años de vida universitaria: hay tanto que decir… y mucho más que recordar. La finalización de este proceso, no es más que el inicio de otros tantos proyectos a nivel profesional, como a nivel personal. Gracias a ti Rodrigo, por ser en estos más de cuatro años, más que una pareja, un amigo. Gracias por la contención, por aguantarme todas las mañas y pataletas, pero por sobre todo por quererme como lo haces. No hubiese llegado hasta estas instancias sin tu ayuda. Gracias a ti mamá, por tenerme comida y la cama calentita cada vez que llegaba de la Universidad; por amarme de forma incondicional, por el apoyo y por todas esas noches que te quedaste conmigo acompañando mi estudio. Gracias a ti papá, por ser como eres conmigo, por todos los desayunos de la mañana y por presentarme desafíos en mi corta vida, más que mal, estoy terminando esto gracias a eso. Gracias Hernán, mi cabro chico, mi hermano; por aguantarme todos los enojos y por apoyarme directa o indirectamente en este proceso. Gracias a ustedes niñas, Liss, Myriam y Cata, porque a pesar de que nuestros caminos se separaron para poder cumplir nuestras metas, siempre han estado ahí, aunque muchas veces yo no lo note. Gracias por escucharme o leerme cuando más lo necesite, pero por sobre todo, por la amistad y confianza. Gracias a ti Javiera, por la amistad durante todos estos años; no nos vemos, pero el cariño y la confianza siguen intactos desde Primero Medio. Agradezco en forma especial a mis profesores guías, Jorge y Nelson, por todas las orientaciones, consejos, tirones de orejas y apoyo durante en todo este proceso. Gracias por ayudarme a mantener la calma y serenidad en los

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momentos difíciles, y por sobre todo por entregar lo mejor de ustedes en este proyecto. Te agradezco Andreas, compañero de seminario, porque a pesar de las diferencias de temperamentos, siempre te mantuviste firme, cuando quería dejar todo botado. Y muchísimas gracias a todas esas personas que me han acompañado a lo largo de mi vida y que de una u otra forma, han contribuido a lo que soy como mujer. “Al final del viaje está el horizonte, al final del viaje partiremos de nuevo, al final del viaje comienza un camino…” (Rodríguez, 1970)

Angélica Andrea Diaz Fuentes

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Agradecimientos

Siempre esperé que llegara este momento, en el cual pudiera ser un profesional y poder ejercer un cargo que tengo decidido de hace más de siete años. Pero es al final del camino en que uno se da cuenta, que desearía prolongar más estos momentos, seguir aprendiendo y que solo eso sea mi mayor preocupación. Quiero agradecer antes que a todos a Angélica, compañera de seminario y sentimental, gracias a quien este camino se ha convertido en una aventura maravillosa, considerando tanto los buenos como malos momentos durante la carrera. Además agradecerle la paciencia y apoyo constante en este proceso final, ya que gracias a ella logramos mantener un orden estricto, y así poder trabajar eficientemente para cumplir con las diferentes metas auto-propuestas en el seminario. Muchas gracias a mis padres, Hugo y Sara, y a mi hermano, Patricio, ya que siempre estuvieron ahí cuando los necesité, apoyando mis decisiones de forma incondicional. Hablando de mi familia, me siento en la necesidad de recalcar, que me siento orgulloso de pertenecer a una familia de docentes, y más aún, de profesores de matemáticas (Aunque papá, sigue siendo mejor la física). Quiero agradecer también al profesor Jorge Ferrer, por su apoyo, paciencia y los constantes cafés que disfrutábamos en su oficina. Al profesor Nelson Mayorga, de quien fui ayudante durante varios semestres, por sus brillantes ideas a la hora de pensar experimentos didácticos para el aula y constante ayuda en este trabajo; y a Andreas, junto a quien tuvimos muchísimas discusiones con respecto a los dispositivos y guías, pero que de ellas, se obtuvo una gran retroalimentación para mejorar considerablemente el trabajo.

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Finalmente muchas gracias a todos quienes apoyaron nuestro trabajo, y nuestros caminos durante esta carrera.

Rodrigo Antonio Jeraldo Romero

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Agradecimientos Ha llegado el momento de cerrar un proceso que no es un final, sino más bien un comienzo que abre muchas puertas. Es por esto que dentro de todo el trabajo realizado quiero agradecer en primer lugar a mi familia, por darme siempre su apoyo, comprensión, confianza, paciencia y muchas otras cosas que me han servido mucho dentro de todo mi transcurso de estudios y logro de metas. A Janice Cares por darme todo su amor y apoyo incondicional, el cual fue un pilar fundamental dentro de todo este proceso. También quiero agradecer el apoyo de mis profesores guías, Nelson Mayorga y Jorge Ferrer, quienes supieron dar el consejo correcto en el momento oportuno siendo un gran aporte dentro de éste trabajo y mi formación profesional. A los profesores que formaron parte del equipo corrector, Leonardo Caballero y Manuel Galaz, quienes con sus aportes y comentarios fueron de gran ayuda en este trabajo, gracias por su interés y colaboración. Además quiero agradecer a todos los profesores que formaron parte de mi formación a lo largo de estos años de estudios. Por último quiero agradecer a mis compañeros con los cuales realizamos este trabajo, Angélica Díaz y Rodrigo Jeraldo, con quienes pasamos altos y bajos pero siempre con miras a cumplir los objetivos, gracias por tenerme paciencia y darme ayuda cuando lo necesitaba. Y a toda la gente de alguna u otra manera me dio su apoyo, gracias. Andreas Eisbar Tapia Lorca

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TABLA DE CONTENIDOS

Resumen

xvi

Abstract

xvii

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1.1 Contextualización

1

1.2 Identificación del Problema

2

1.3 Objetivos

3

Objetivo General

3

Objetivos Específicos

3

CAPÍTULO II: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 2.1

¿Qué

entenderemos

por

habilidades

de

5

pensamiento científico? 2.2 Ciencia, Tecnología y Sociedad 2.3

Enseñanza

de

las

8

Ciencias

mediante

la

10

experimentación e investigación ¿Qué es la indagación científica? Enseñanza

de

las

Ciencias

14 Basada

en

la

16

2.4 Lenguaje de Programación en estudiantes de

20

Indagación

Educación Media 2.5 Tecnologías de la Información y Comunicación

21

2.6 El Diseño de Unidades Didácticas para la

23

enseñanza de las Ciencias 2.7 Arduino – Microntroladores

27

Lenguaje de Programación en Placa Arduino

32

Referencias del lenguaje Arduino utilizadas en el

33

uso de sensores

~ x~

CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 3.1 Diseño de Investigación

37

3.2 Descripción de los procedimientos

37

3.3 Programación Placa Arduino

39

-

Programación de la plataforma Arduino para el

39

manejo del sensor de temperatura (LM35) -

Programación de la plataforma Arduino para el

43

manejo del sensor de flexión de 2.2’’ -

Programación de la plataforma Arduino para el

47

manejo del LED RGB (tricolor) -

Programación de la plataforma Arduino para el

50

manejo del Emisor de frecuencias 3.4 Confección de guías de trabajo para estudiantes,

54

profesoras y profesores -

-

Guía para el estudiante

54



57

Ejemplo de guía para el estudiante

Orientaciones para el o la docente en la

65

implementación de la propuesta didáctica  3.5

66

Ejemplo de indicaciones al docente

Respecto

al

montaje

experimental

y

la

68

programación del microcontrolador CAPITULO IV: OPINIÓN DE GUÍAS DE TRABAJO PARA ESTUDIANTES 4.1 Opinión

de

las

guías

mediante

Escala

de

70

4.2 Resultados de la aplicación de la Escala de

74

Apreciación

Apreciación 4.3 Análisis de los resultados

84

~ xi~

CAPÍTULO V: REFLEXIONES 5.1 Alcance y Limitaciones

86

5.2 Conclusiones

87

5.3 Proyecciones de la propuesta

89

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

91

ANEXO 1: Programa del Sensor de Temperatura

95

ANEXO 2: Programa del Sensor de Fuerza

98

ANEXO 3: Programa del "LED RGB" o "LED de Newton".

101

ANEXO 4: Programa del "emisor de frecuencias"

103

ANEXO 5: Manual de Construcción de los circuitos

106

utilizados para el manejo del Sensor de Temperatura ANEXO 6: Manual de Construcción de los circuitos

113

utilizados para el manejo del Sensor de Flexión ANEXO 7: Manual de Construcción de los circuitos

122

utilizados para el Emisor de Frecuencia ANEXO 8: Manual de Construcción de los circuitos

127

utilizados para el LED RGB ANEXO 9: Material para el docente y guías para la

132

implementación de las experiencias indagatorias ANEXO 10: Opinión de las guías de trabajo

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224

ÍNDICE DE ILUSTACIONES Ilustración 1: Taxonomía de Bloom (1954)

7

Ilustración 2: Relación sistémica entre los distintos

17

elementos del enfoque. Ilustración 3: Estructura principal de una Unidad Didáctica

25

(Hernández, 2011) Ilustración 4: Aspectos a considerar al momento de

26

elaborar una Unidad Didáctica Ilustración 5: Programa que cuenta de 1 a 10 en C++,

29

mediante comando "for() {}" Ilustración 6: Modulo Arduino UNO

30

Ilustración 7: Software de programación Arduino

32

Ilustración 8: Proceso metodológico

38

Ilustración 9: Display de 7 segmentos

40

Ilustración 10: Montaje del dispositivo, creado con Fritzing

41

Ilustración 11: Esquemático sensor de temperatura

42

Ilustración 12: Esquema posiciones del sensor flectado

43

Ilustración 13: Montaje del sensor de fuerza, creado con

45

Fritzing Ilustración 14: Esquemático sensor de flexión

46

Ilustración 15: Imagen del LED RGB

47

Ilustración 16: Montaje del LED RGB, creado con Fritzing

48

Ilustración 17: Esquemático LED RGB

49

Ilustración 18: Imagen de potenciómetro, buzzer y Jack

50

hembra Ilustración 19: Montaje del emisor de frecuencias, versión

51

1, creado con Fritzing Ilustración 20: Montaje del emisor de frecuencias, versión 2, creado con Fritzing

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52

Ilustración 21: Esquemático emisor de frecuencias

53

Ilustración 22: Etiqueta etapa 1: Focalización

54

Ilustración 23: Etiqueta etapa 2: Exploración

54

Ilustración 24: Etiqueta etapa 3: contraste o comparación

55

Ilustración 25: Etiqueta formalizando lo aprendido

55

Ilustración 26: Etiqueta etapa 4: aplicación

56

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ÍNDICE DE GRÁFICOS Y TABLAS Tabla 1: secuencia ECBI

18

Tabla 2

30

Tabla 3: Evaluación de pertinencia

75

Tabla 4: Evaluación de factibilidad

76

Tabla 5: Evaluación de claridad

77

Tabla 6: Evaluación de la etapa de Focalización - ECBI

78

Tabla 7: Evaluación de la etapa de Exploración - ECBI

79

Tabla 8: Evaluación de la etapa de Contraste - ECBI

80

Tabla 9: Evaluación de la etapa de Aplicación - ECBI

81

Tabla 10: Promedios generales respecto a cada guía

82

Gráfico 1: Promedios generales respecto a cada guía

82

Gráfico 2: Promedio pertinencia, factibilidad y claridad

83

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RESUMEN El uso de tecnologías, muy comunes en la sociedad, pero poco manejadas en el ámbito educacional, permite contar con una herramienta muy poderosa para observar algunos fenómenos físicos, y además promover el uso de las TIC dentro de la sala de clases. En este seminario se diseñan y construyen diferentes sensores, emisores de luz y sonido programando microcontroladores basados en la plataforma Arduino UNO. Además, se entrega información de los materiales necesarios, lugares donde adquirirlos y su manual de construcción, de modo que las y los docentes los puedan reproducir solo algunos conocimientos básicos de electrónica. Junto a esto se presenta una propuesta didáctica, mediante guías de trabajo experimental basadas el métodos indagatorio de las ciencias (ECBI), en las cuales se pueden encontrar sugerencias y orientaciones para su utilización en función a los programas de estudios vigentes.

Palabras Claves: Microcontroladores, Arduino, ECBI, guías experimentales, física.

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ABSTRACT The use of technologies is very common in society, but not much managed for educational issues, allows to count with a very powerful tool to observe some physical phenomena besides promoting the use of ICT into the classrooms. In this seminar are designed and built different sensors and sound or light transmitters based on the micro controller programming based on Arduino UNO platform. Also is given information about the necessary equipment, the places where they can be bought and the construction manual for each experiment, so that teachers can reproduce just some basic knowledge of electronics. With this, it is presented a didactical proposal through learning guides based on the inquiry method of science education (IBSE), where it could be find suggestions and orientation for the utilization based on the active syllabus. Keywords: Microcontrolers, Arduino, IBSE, Experimental guide, physics.

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CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1.1. Contextualización De acuerdo al Marco Curricular del año 2009, la finalidad del sector de Ciencias, tiene como objetivo que las y los estudiantes logren una comprensión del mundo natural y tecnológico que los rodea; además de interesarse por comprender el entorno, a ser reflexivos y críticos ante el planteamiento que otras personas presenten frente al mundo tecnológico y natural que los rodea (Mineduc, 2009). Desde la reforma, el sector de Ciencias ha tenido como objetivo, incentivar el desarrollo de estudiantes alfabetizados científicamente. Esto no corresponde sólo a la comprensión de los conocimientos de ciencias, sino a que el estudiantado se desarrolle de tal forma, que logre pensar científicamente, con el fin de responder a las demandas de nuestra sociedad, que está inserta en materias de Ciencia y Tecnología. Lo anterior corresponde a un planteamiento hecho por la OCDE en el año 2000, mediante el proyecto PISA, en el cual se define la alfabetización científica, como la capacidad de las ciudadanas y los ciudadanos de poder usar el conocimiento científico, en pos de entender y tomar decisiones sobre el mundo natural y los cambios provocados por la actividad humana (PISA, 2006). Desde esta perspectiva, la alfabetización científica articula conceptos y procesos científicos, en base a contextos que tenga una relación con necesidades e intereses personales y sociales (Mineduc, 2009). La incorporación de algunos elementos presentes en el enfoque CTS (Ciencia – Tecnología – Sociedad), qué está directamente relacionado y ligado con la alfabetización científica. El currículo promueve la enseñanza y aprendizaje de conceptos y habilidades de pensamiento científico, de una manera holística, es decir de una forma integral. Las habilidades de pensamiento científico están referidas al razonamiento y al saber-hacer están orientadas hacia la

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obtención e interpretación de evidencia en relación con una pregunta o problema sobre el mundo natural y la tecnología. El saber-hacer y el cambio en la forma de razonar, no ocurre en un vacío conceptual, por el contrario se desarrollan íntimamente conectadas a los contenidos conceptuales y a sus contextos de aplicación (Mineduc, 2009). El propósito de modelo de Ciencias que persigue el currículo, es que la actividad científica, realizar en el aula, es el mismo tipo de ciencia que se realiza en los centros de ciencias eruditas.

1.2 Identificación del Problema

En el ámbito del estudio de la física, se da un gran énfasis en la aplicación de actividades experimentales dentro de la sala de clases, para el desarrollo de ciertas habilidades en el estudiantado de educación media. Es de conocimiento público, que la tecnología digital está en permanente progreso. En este crecimiento constante, una de sus vertientes así lo demuestra, que es la electrónica digital y los microcontroladores. Todos los artefactos de nuestra era, están compuestos por microcontroladores, en particular celulares y computadoras portátiles, por nombrar algunos componentes tecnológicos actuales. Dado lo anterior, cabe preguntarse si el uso de didáctico de microcontroladores y sensores en la sala de clases, permitirá el desarrollo de las habilidades de pensamiento científico en el estudiantado de educación media. Si esto es así, ¿qué metodología puede sustentar esta articulación didáctica con la sala de clases? Y si se pudiese implementar dicha metodología ¿se observarán mejores aprendizajes en estudiantes de educación media si realizan actividades experimentales con el uso de didáctico de microcontroladores y sensores con respecto de aquellos que desarrollen actividades son dichos usos? ¿De qué forma se puede integrar

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la enseñanza y aprendizaje de la Física en enseñanza media, haciendo uso de microcontroladores y sensores? ¿Cuáles deben ser las características del andamiaje pedagógico para facilitar el desarrollo de las habilidades científicas en los estudiantes de educación media, en donde se utilicen didácticamente microcontroladores y sensores? ¿Permitirá el uso didáctico de microcontroladores y sensores en Educación Media una alfabetización científica y tecnológica adecuada?

1.3 Objetivos Objetivo General:

Ensamblar sensores, emisores de luz y de sonidos basados en la programación de microcontroladores que permitan el registro de datos o emisión de información para dar cuenta de fenómenos y, diseñar estrategias didácticas, basada en el enfoque CTS y en la Enseñanza de la Ciencias Basada en la Indagación (ECBI) para el estudio de la Física en Educación Media.

Objetivos Específicos 

Programar microcontroladores y realizar montaje de componentes electrónicos y sensores en la Plataforma Arduino UNO, para el registro de datos e información.



Diseñar guías de aprendizaje, exploratorias y experimentales, basada en el enfoque CTS, usando la metodología ECBI, y articuladas con el uso de microcontroladores y sensores, para la enseñanza de la Física.

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

Diseñar indicaciones didácticas para el docente, que permita la implementación de las actividades experimentales, mediante la secuencia ECBI y el enfoque CTS, en la sala de clases.



Diseñar y confeccionar un instructivo de montaje de los componentes electrónicos, microcontroladores y sensores en la Plataforma Arduino UNO, para docentes.

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CAPÍTULO II: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 2.1 ¿Qué entenderemos por Habilidades de Pensamiento Científico? El Marco Curricular del año 2009, vigente en la actualidad para los cursos desde Séptimo Año Básico a Tercer Año Medio, nace ante la necesidad de los cambios acelerados presentes en la sociedad, con el firme objetivo de entregar a las y los estudiantes conocimientos, habilidades y actitudes, que sean importantes en su formación para el desarrollo personal y social, para el fortalecimiento del país a nivel económico, social y político (MINEDUC, 2009). Las tres dimensiones en las que se enfoca el Marco Curricular (2009), conocimiento, habilidades y actitudes, tienen como fin entregar a las y los estudiantes, herramientas que le permitan desarrollarse de forma holística. Es por eso, que la selección de contenidos, no sólo hace referencia a los conceptos (conocimiento), sino que además a las habilidades y actitudes que necesitan adquirir el estudiantado, para desenvolverse en los distintos aspectos y ámbitos de nuestra sociedad. De acuerdo a los objetivos planteados en un comienzo, lo primero que hay que preguntarse es qué son las habilidades de pensamiento científico. Lo primero que toca definir es qué se entiende por habilidad. De acuerdo al Marco Curricular del año 2009 (o bien, llamado Ajuste Curricular), señala que las habilidades corresponden a “las capacidades de ejecutar un acto cognitivo y/o motriz complejo con precisión y adaptabilidad a condiciones cambiantes” (OCDE, 2002 en MINEDUC, 2009). Como sabemos, las habilidades pueden ser de distintos ámbitos de la vida escolar del estudiantado, pueden ser tanto del ámbito cotidiano, como intelectual y/o práctico. Hasta este punto, no se hace complejo definir qué es una habilidad, pero cuando utilizamos el término “habilidades de pensamiento”, la labor se hace mucho más compleja, ya que no es una terminología trivial y

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porque no hay un consenso en las y los investigadores entorno a una definición precisa (Zohar, 2006). Es más, es tan basta y amplia el tipo de definiciones respecto al pensamiento, disponibles en la actualidad, que puede llevar a algún tipo de confusión (Marzano et al., 1988). De acuerdo a lo anterior, distintos autores y en especial Resnick, hace alusión que las habilidades de pensamiento resisten las definiciones en forma precisa. Siguiendo la línea del mismo autor, algunas características fundamentales de las habilidades de pensamiento, no pueden ser capaces de ser definidas con exactitud, pero si ser capaces de ser reconocidas cuando se observan (Resnick, 1987). Resnick (1987), señala algunas características relacionadas con las habilidades de pensamiento: 

No es algorítmico, es decir, no sigue un proceso lógico



Es complejo



Produce soluciones múltiples



Involucra la aplicación de criterios múltiples, de incertezas y autorregulación.

Dado lo anterior, y si se analiza además la Taxonomía de Bloom (1954), se podrá hacer alusión de que las habilidades de pensamiento científico, corresponde a cualquier actividad cognitiva que va más allá de conocer, comprender y/o aplicar; habilidades que se encuentran en la parte inferior de la taxonomía de Bloom. Siguiendo la misma lógica, se podría decir que las habilidades de pensamiento científico, como: Formulación de preguntas, observación, descripción, registro de datos, ordenamiento e interpretación de la información, elaboración de hipótesis, procedimientos y explicaciones (MINEDUC, 2009); corresponderían a habilidades que se encuentran las parte superior de la taxonomía de Bloom y de acuerdo a ésta conllevan un

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nivel de pensamiento superior, en el sentido de que se deben juzgar los resultados de las actividades que se realizan.

Ilustración 1: Taxonomía de Bloom (1954)

La investigación científica, consiste en el descubrimiento llevando a cabo una investigación, considerando la formulación de preguntas a partir de la observación y predicción de los fenómenos a estudiar. Utilizando de manera conveniente y eficaz, metodologías y técnicas para extender ideas y poder resolver problemas, y encontrar las respuestas o verificar la hipótesis. Para ello, es fundamental la planificación, para poder llevar a cabo una serie de actividades prácticas de investigación, para poder realizar mediciones, registrar y analizar datos e información, ya sea de manera individual o grupal; sin dejar de lado, la utilización y evaluación de las evidencias y resultados de manera crítica, durante el desarrollo de métodos y técnicas científicas (MINEDUC, 2012).

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Dadas las evidencias anteriores, finalmente podemos decir que las habilidades de pensamiento científico, corresponderían a todas aquellas habilidades, en las cuales la o el estudiante, a través de actividades cognitivas, relacionadas con la investigación científica, podrían desarrollar las habilidades de la parte superior de la taxonomía de Bloom. Todo con la finalidad de formar personas holísticas para la sociedad actual. 2.2 Ciencia, Tecnología y Sociedad. En los últimos años en nuestro país, las distintas demandas estudiantiles, han puesto en la palestra, el tema educacional. Se ha debatido respecto al rol de la educación en nuestra sociedad, y se ha llegado a la conclusión de que la educación es uno de los factores fundamentales para el desarrollo de cada una de las personas que conforman nuestra sociedad. Incluso, se ha hecho la conciencia, de que los distintos actores sociales que conforman el sistema educativo, deben formar personas para la vida, y que las instituciones educativas, deben estar orientadas al bienestar social (Velásquez, 2006). Los cambios ocurridos en temas de ciencia y tecnología a lo largo de la segunda mitad del siglo XX y lo que va del siglo XXI han sido realmente acelerados, dado el desarrollo de la electrónica y el acceso generalizado a ésta, se han logrado una mayor implicación en los aspectos sociales de las distintas culturas de nuestro mundo globalizado, generando una profunda relación entre Ciencia, Tecnología y Sociedad. A nivel Latinoamericano, durante los años noventa, se ha planteado la necesidad de diseñar currículos, que ayuden a lograr una alfabetización científica y tecnológica entre todas las personas de nuestra sociedad, dado que la ciencia se ha convertido en un factor fundamental en la vida humana. Dicha necesidad ha coincidido con las reformas educacionales que han ocurrido en la región (Velásquez, 2006).

~ 8~

De acuerdo a Velásquez (2006), son dos factores determinantes a la hora de perfeccionar el proceso de enseñanza – aprendizaje de la Física en la educación media. En primer lugar, señala los cambios en el contexto en el que se desarrolla la enseñanza de las Ciencias Naturales. El segundo factor que señala, es respecto a los deficientes resultados obtenidos en el proceso enseñanza – aprendizaje de las Ciencias; lo anterior, puede ser ratificado en las pruebas internacionales, tales como PISA (2006), mostrando que Chile obtuvo el mejor puntaje en comparación con los países latinoamericanos y el promedio de la región, y más bajo que el promedio OCDE (MINEDUC, 2006).

A nivel global, se ha venido reclamando con urgencia, una educación científica cuya orientación tenga un carácter más humanista, siendo capaz de responder a las exigencias socioculturales, que se van presentando a lo largo del tiempo. El movimiento que propone esta perspectiva en la educación científica, corresponde al movimiento o enfoque CTS.

“Si

hubiera que enunciar en pocas palabras los propósitos de los movimientos CTS en el ámbito educativo cabría resumirlos en dos: mostrar que la ciencia y la tecnología son accesibles e importantes para los ciudadanos (por tanto, es necesaria su alfabetización científica y tecnológica) y propiciar el aprendizaje

social

de

la

participación

pública

en

las

decisiones

tecnocientíficas (por tanto, es necesaria la educación para la participación también en ciencia y tecnología)” (Gordillo, 2002, p. 48 en Velásquez, 2006, p. 4 ). Es por lo anterior, es que debemos considerar un currículo de Ciencias, y en especial de Física, que cubra la necesidad de formar, a lo largo de toda la vida escolar, personas alfabetizadas científicamente, ya que aquello les servirá para desenvolverse y tomar decisiones en el día a día, en una sociedad que cada vez está más inmersa en la ciencia y la tecnología.

~ 9~

La alfabetización científico – tecnológica, va más allá del conocimiento de ciertos fenómenos físicos, o de seguir algún procedimiento experimental, es por ello, que como docentes “debemos ayudar a las y los estudiantes a desarrollar perspectivas de la ciencia y la tecnología que incluyan la historia de las ideas científicas, la naturaleza de la ciencia y la tecnología y el papel de ambas en la vida personal y social” (Bybee, 1997, p. 12 en Velásquez, 2006, p. 7).

2.3 Enseñanza

de

las

Ciencias

mediante

la

experimentación

e

investigación. Para poder hablar de la Enseñanza de las Ciencias mediante la experimentación e investigación, nos remontaremos a las primeras décadas del siglo XX, cuando el filósofo John Dewey (1859 – 1952) rechazó las prácticas educativas que se estaban llevando en esa época (Westbrook, 1999). La escuela es una institución social en que la niña o el niño, puede desarrollarse en vida comunitaria. Experimentando fuerzas formativas, para que a través de ellas, la tradición cultural alcancen el desarrollo de sus facultades. Donde la o el estudiante, crece, se desarrolla y convive con sus pares (Freire, 2011). Dewey cree en una escuela que se basa en el intercambio se experiencia y comunicación entre individuos (Westbrook, 1999). Dewey define el aprendizaje experiencial, como un aprendizaje activo que utiliza y transforma los ambientes físicos y sociales, para extraer lo que contribuya a experiencias valiosas. Es decir, es un proceso que genera cambios sustanciales en la persona y su entorno. Se busca que la o el estudiante desarrolle sus capacidades reflexivas, su pensamiento y el deseo de seguir aprendiendo en un entorno democrático (Mayhew & Edwards 1966).

~ 10~

El modelo de enseñanza mediante la experimentación e investigación, se identifica principalmente por la postura constructivista del conocimiento que posee y de la aplicación de problemas para poder enseñar y aprender ciencias. Estos rasgos mencionados, son importantes, ya que intentan facilitar el cómo se acerca el estudiante a situaciones que se parecen en parte a la de las y los científicos, pero desde la visión de la ciencia, como una actividad humana, es decir, que está afectada por el contexto socio – histórico en la que se está desarrollando y construyendo. El objetivo es mostrar a la o él estudiante que la ciencia es una construcción social, en donde la “científica” o el “científico”, es un sujeto social (Ruiz, 2007). Dado lo anterior, la o el estudiante es un ser activo, con concepciones alternativas y conocimientos previos, un individuo que puede plantear su postura frente a la información que está abordando, y que por sobre todo, el mismo va construyendo su conocimiento a partir de los procesos investigativos y experimentales, de los problemas planteados por la o el docente, dando lugar a procesos rigurosos y significativos para él (Gutiérrez, 2008). El rol de profesor, es de plantear problemas y situaciones, con sentido y significado para la o el estudiante, reconociendo que la ciencia que pasa por la sala de clases, está cargada de las concepciones alternativas de los estudiantes; por lo tanto las situaciones que plantee a sus estudiantes debe reconocer del acercamiento inmediato a la realidad del estudiantado. Todo con la finalidad de que los conocimientos tienen un significado desde el medio que lo envuelve y que pueden ser abordados desde la ciencia (Ruiz, 2007). De acuerdo a la evolución de las y los estudiantes en nuestra sociedad, se hace necesario y fundamental un proceso de enseñanza - aprendizaje, en el que el estudiantado, sea el actor principal de su aprendizaje, dejándole al profesor el rol de guiar los aprendizajes de sus estudiantes,

~ 11~

además éste último debe de estar constantemente evolucionando y actualizando sus conocimientos en base a los cambios y avances que ocurren dentro de las ciencia. Todo con la finalidad de que se sientan más motivados y atraídos a las diferentes disciplinas, ya que las asignaturas de ciencias le ayudarán a comprender el mundo que los rodea; y además porque en la actualidad las ciencias van avanzado a unos niveles insospechados, siendo los medios de comunicación masiva, quienes contribuyen a la divulgación de los avances científico – tecnológicos a nivel global. Es por la misma razón, que no se debe estar saturando a las y los estudiantes con información y conocimientos, ya que de acuerdo a la perspectiva CTS, no es una forma correcta de como ellas y ellos deben adquirir una real formación científica, sino que es necesario enseñarles a aprender ciencias, ya que estas les entregarán las herramientas necesarias para el día a día. La gracia de aprender ciencias, no es hacer que la o el estudiante memorice todo, sino que es importante guiar los procesos de razonamiento y capacidad de análisis, de modo que es de gran ayuda que puedan obtener una visualización de los fenómenos que se intentan enseñar, así como enseñar al estudiantado obtener información por sí mismo. Lo anterior, no se puede lograr con un proceso de enseñanza – aprendizaje que se tenga una actitud pasiva, sino que por el contrario, existen muchas posibilidades mediante la cual, las y los jóvenes se expongan a experiencias concretas, diferentes y novedosas, en las cuales sea capaz de apreciar los fenómenos que se quien mostrar (Aguayo, 2002). Existe una falsa experiencia entre las y los docentes, que para enseñar ciencias desde una perspectiva experimental, se requiera una gran inversión monetaria y de materiales, aparte de la inversión de tiempo. La experiencia con Arduino, nos ha permitido comprobar que muchos

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experimentos que se realizan con los sensores PASCO®, se pueden realizar con la programación de los sensores a mucho más bajo costo. Dadas las características que queremos que posea nuestra propuesta didáctica, podemos afirmar que corresponde a un enfoque constructivista de la enseñanza, ya que se concibe al individuo, como el resultado de la interacción de sus estructuras mentales , en que las niñas y los niños construyen y reconstruyen de acuerdo con sus interacciones sociales y lingüísticas (Gallego et. al, 2004). El conocimiento que poseen las y los jóvenes no es una copia de la realidad, sino una construcción que hace la persona misma. La construcción de la realidad, resulta de la representación que hacen cada una de las personas respecto a la información y de la actividad, ya sea externa o interna. De lo anterior, podemos decir, que el aprendizaje no es algo tan simple como la transmisión, internalización y acumulación de conocimientos, sino que es un proceso vivo de la o el estudiante, para poder ensamblar, extender, restaurar e interpretar, es decir, es un proceso de construcción del conocimiento, a partir de los recursos que entrega las vivencias y la información que reciben las y los estudiantes de la cultura y sociedad (Vygostsky, 1988). Pero, ¿cómo las científicas y los científicos hacen su representación de la realidad? La verdad, es que esta es una pregunta difícil de responder, ya muchos podrán decir, a través de la “investigación” científica, pero la duda surge rápidamente, al observar que el cambio constante y la comprensión de la diversidad y la pluralidad, afectan el conocimiento, el desarrollo, la aplicación y el estudio de lo que se considera investigación científica (Monroy, 1998). “La investigación científica debe estudiarse y considerarse parte de diversos modo de indagación” (Monroy, 1998, p.89). De acuerdo a estos

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argumentos, se puede decir que la forma en que las científicas y los científicos, representan su “realidad”. Pero ¿qué es la indagación científica?

¿Qué es la indagación científica? La indagación científica hace referencia a las distintas maneras en los cuales las científicas y los científicos abordan el conocimiento de la naturaleza y proponen ciertas explicaciones basadas en las evidencias que sus trabajos arrojaron. Pero la indagación no solo hace referencia a las actividades que las científicas y los científicos realizan, sino que hace referencia a las actividades estudiantiles en las cuales el estudiantado desarrolla el conocimiento y el entendimiento de las ideas científicas (Garritz et al, 2009). La indagación es:

Una actividad polifacética que implica hacer observaciones; plantear preguntas; examinar libros y otras fuentes de información para ver qué es lo ya conocido; planificar investigaciones; revisar lo conocido hoy en día a la luz de las pruebas experimentales; utilizar instrumentos para reunir, analizar e interpretar datos; proponer respuestas, explicaciones y predicciones; y comunicar los resultados (NCR, 1996, p. 23). La indagación es un enfoque de aprendizaje que implica un proceso de exploración del mundo natural o el material, y que lleva a hacer preguntas, hacer descubrimientos, y rigurosamente los ensayos de los descubrimientos en la búsqueda la comprensión. La indagación, en lo que respecta a la educación científica, debe reflejar lo más cerca posible la empresa de hacer ciencia real. El proceso de indagación, es impulsado por la propia curiosidad, asombro, interés, o la pasión de comprender una observación o resolver un problema (Dow, sf).

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De acuerdo a lo anterior, se pueden establecer cuatro tipos de indagación (Martin-Hanse, 2002, en Garritz et al, 2009): 

Indagación abierta: su enfoque se centra en la o el estudiante que empieza por una interrogante que se intenta responder mediante el diseño y conducción de una investigación o experimento y la comunicación de los resultados obtenidos.



Indagación guiada: el o la docente guía y ayuda al estudiantado a desarrollar investigaciones indagatorias en la sala de clases o el laboratorio de ciencias.



Indagación acoplada: es la unión entre la indagación abierta y la indagación guiada.



Indagación

estructurada:

es

una

indagación

dirigida

principalmente por la o el docente, para que las y los estudiantes lleguen a puntos específicos. Además cabe señalar que existen diversas secuencias de enseñanzas basadas en la indagación. Las más conocidas son: El modelo de las 5E (Bybee et al., 2006), Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación (Verdugo, sf) y el Ciclo Constructivista de Aprendizaje (Sanmartí, 2000). La metodología indagatoria nace hace cerca de dos décadas atrás, en Estados Unidos y Francia. En Chile, llega en el año 2002, luego de que un grupo de científicos y El Ministerio de Educación participaran de una capacitación en Washington (Mayorga, 2011). El Programa Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación), fue incorporado por el Ministerio de Educación en el año 2005, como una iniciativa experimental que serviría para complementar la estrategia LEM (Lecto – Escritura y Matemática) (Centro ECBI, 2012).

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Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación (ECBI) El programa ECBI se presenta como una opción para renovar la enseñanza y aprendizaje de las ciencias. Busca aportar al cambio y a la innovación desde la construcción, mediante la “cercanía, complementación, alianzas y redes entre la comunidad científica y el mundo docente y escolar” (Centro ECBI, 2012). Tiene como objetivo principal, incentivar la enseñanza de las ciencias naturales en la sala de clases (Verdugo, sf). La metodología se basa en diez principios (Verdugo, sf), de los cuales sólo destacaremos los siguientes: 

Las y los estudiantes observan un problema concreto, real y cotidiano. A partir de esto, se realiza una investigación que les permite descubrir el o los conocimientos que se asocian al problema.



Mientras se va desarrollando la experimentación e investigación, las y los estudiantes van elaborando hipótesis, y planteando argumentos con sus propias palabras. En base a la discusión, van construyendo su propio conocimiento.



Las actividades están propuestas de tal forma, que siguen una secuencia que está organizada por la o el docente, de manera que el conocimiento que va construyendo el estudiantado, esté graduado y perfectamente coordinado.



Cada estudiante posee una bitácora, en cual se podrá apreciar su registro individual. Tendrá anotado todo lo que observa, concluye y aprende de la situación que se está trabajando y estudiando.

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

La finalidad de la actividad indagatoria, es que la o el estudiante, se apropie progresivamente del aprendizaje, lo que será un aprendizaje significativo.

El enfoque de ECBI es sistémico (NSRC, 1997), es decir, de una u otra forma se encuentra presente en todos los elementos del sistema, por lo que cuando se quiere implementar dentro de una sala de clases, hay que intervenir el desarrollo profesional, los materiales educativos, la evaluación y la participación de la comunidad.

1

Ilustración 2: Relación sistémica entre los distintos elementos del enfoque

1

Obtenida de: http://www.ecbichile.cl/enfoque-sistemico/ . Recuperado el 15 – 08 – 2013

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La secuencia de enseñanza del ECBI (Verdugo, sf), se resumen en cuatro grandes pasos: FASE

DESCRIPCIÓN Consiste en presentar un problema cuyo tema a abordar, se relacione con el objetivo de la actividad. Al mismo tiempo que se busca centrar la atención en un problema específico, se podrán plantear preguntas que ayuden a las y los estudiantes a elaborar argumentos.

Focalización

Es importante que cada una y cada uno de los integrantes del grupo respondan las interrogantes que se plantean en forma individual y todas deben estar justificadas. Las respuestas no se deben responder con un simple no o un simple si, se debe incentivar en las y los estudiantes, la argumentación. En esta fase está la clave de todo el proceso. Aquí se hará una actividad experimental con materiales de fácil acceso. No debe requerirse un laboratorio sofisticado ni grandes montajes que ilustran, casi siempre, la idea de laboratorio de ciencias. La sala de clases, el patio, un pasillo, la cocina, el comedor, cualquier lugar puede

Exploración

ser útil. Antes de construir, o experimentar algo, se explica al estudiantado lo que se va a realizar y se le hace alguna pregunta, la que debe ser respondida con argumentos, que conduzca a la formulación de hipótesis en relación al problema que se presenta. Se insiste, se debe dejar que la o el estudiante escriba sus ideas con sus palabras. Ya habrá momentos en donde se afine el lenguaje y otras cosas. En el fondo lo

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que se pide al estudiante es que realice una predicción del resultado experimental que se tendrá. Aquí es donde se afianzan los conocimientos previos del estudiantado, también es donde se producen las modificaciones de los mismos. Aquí es donde se manifiesta el aprendizaje que pudo haber obtenido la/el estudiante. Una vez que se han obtenido los resultados experimentales es hora de ver si las predicciones e hipótesis hechas en forma individual y grupal se ven o no confirmadas. Se espera que si lo Comparación /Contraste

predicho se constata en la observación experimental, hay un argumento empírico que da validez a los conocimientos previos que tenían. Si no se cumple lo predicho, entonces debe producirse una modificación de los conocimientos previos. Cualquiera sea la situación, lo interesante es que lo acertado o no que estaban los conocimientos previos, sobre un tema específico, proviene de una verificación experimental. Y la actividad fue realizada por los propios estudiantes, ANTES que se enseñara formalmente el tema del objetivo de la actividad. Ésta es la primera verificación si el objetivo que se había propuesto para la actividad ha sido logrado con éxito. Es una fase donde se transfiere lo aprendido a

Aplicación

otras situaciones que no necesariamente se han planteado en la actividad hasta el momento anterior a esta instancia. La transferencia de los aprendizajes es un gran desafío de todo el proceso de enseñanza– aprendizaje y aquí tenemos la ocasión de incluirla en

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una fase metodológica. Tabla 1: Secuencia de Enseñanza ECBI

2.4 Lenguaje de Programación en Estudiantes de Educación Media. En la actualidad, se acepta que se ya no estamos en una era que la enseñanza basada en la transmisión de contenidos, sea la forma en que se desarrollan las capacidades. Para evitar lo anterior, hay que establecer estrategias mediante las cuales, al estudiante se le haga protagonista principal de su proceso de enseñanza – aprendizaje. Las investigación y estudios recientes, señalan que diversos conjuntos de habilidades en la educación, debe fomentar que los estudiantes puedan tener éxito en el mundo digital y globalizado, en el cual vive. Es decir, se hace fundamental, establecer estrategias educativas que contribuyan al desarrollo de las habilidades de pensamiento, fundamentales para este siglo XXI. Dentro del conjunto de las habilidades de pensamiento científico, están las ya mencionadas con anterioridad, las que se encuentran la parte superior de la Taxonomía de Bloom, las cuales ayudan a desarrollar las creatividad del estudiantado, como la habilidad para poder resolver problemas, es por eso, que las estrategias seleccionadas deben ser efectivas al momento de ser utilizadas en el aula. El uso de lenguaje de programación, constituyen una alternativa para responder ante la necesidad de desarrollar habilidades y no de formar programadores. El uso de lenguaje de programación, ayuda a desarrollar el uso de la lógica. Es importante que al momento de enseñar programación, se usen metodologías adaptadas especialmente para niñas, niños y jóvenes, sobretodo en el uso de algoritmos y programación, ya que muchas veces las

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y los docentes utilizan metodologías directas de la educación superior, sin tomar en cuenta los procesos mentales de las y los estudiantes. Dada la urgencia actual para que los estudiantes desarrollen habilidades del Siglo XXI, se debe empezar a trabajar en el aula, con ese propósito, desde edades tempranas; y la posibilidad de contacto directo y divertido con diferentes entornos de programación, puede acercarlos a alcanzar dicho objetivo (EDUTEKA, 2009). 2.5 Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) La evolución de la Sociedad, siempre ha estado asociada a la creación y confección de aparatos tecnológicos con el fin de ampliar y extender, tanto los sentidos como las capacidades de las personas, para poder

actuar

sobre otros elementos y transformarlos, superando así las limitaciones propias de la especie. De todas las Tecnologías creadas por el Hombre2, los que tienen relación con la función de representar y transmitir la información, tienen una mayor importancia, ya que intervienen directamente en todos los ámbitos de la actividad humana (Coll, 2004)

“Las TIC han sido siempre, en sus diferentes estadios de desarrollo, instrumentos utilizados para pensar, aprender, conocer, representar y transmitir a otras personas y otras generaciones los conocimientos y aprendizajes adquiridos” (Coll, 2004 , p. 2) Las distintas instituciones educaciones, se van transformando debido a las Tecnologías de la Información y Comunicación. Las TIC van transformando los escenarios educativos, al tiempo que hacen aparecer otros. La incorporación de las TIC en educación, vienen siendo reclamadas y justificadas, 2

Al hablar de Hombre, se hace relación a la especie humana y no a un género en particular.

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con el argumento de contribuir a la mejora de la calidad del aprendizaje y enseñanza. Pero resulta muy difícil establecer relaciones causales confiables entre el uso de las TIC y la mejora de aprendizaje del estudiantado (Coll, 2004). Respecto al impacto que pueda generar las TIC en las salas de clase, no depende del tipo y menos de las características de las tecnologías, sino que del uso pedagógico y didáctico que se hace de estas (Villarreal, 2011) En los últimos años, se ha evidenciado un auge en el uso de los materiales hipermedia en la enseñanza de las ciencias, llegándose a asignar un cambio catalizador en la docencia, ya que al usarlos en la sala de clases, puede suplir ciertas carencias dentro de ellas, en cuanto a la interactividad, dinamismo y dimensionalidad (Garritz, 2010). Las Tecnologías de la Información y Comunicación en Educación (de ahora en adelante, TIC), brindan un amplio espectro de posibilidades para la didáctica de las ciencias, debido a la gran cantidad de actividades disponibles tanto en la red, como las oportunidades que se ofrecen en la práctica, tanto dentro como fuera del aula, por la incorporación de nuevos equipos tanto en los laboratorios como en las salas de clases (Pintó et al., sf). Dada la naturaleza de este seminario, las TIC utilizadas no están enfocadas al uso de simulaciones en un computador, sino más bien a la utilización de los computadores como una herramienta para la programación y posterior utilización de los microcontroladores, en el uso de sensores. A través del uso de placas, tales como Arduino, se podrían utilizar los computadores además como una herramienta, con el cual se pueden procesar los datos del sensor utilizado, a través de la misma placa

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2.6 El diseño de Unidades Didácticas para la enseñanza de las Ciencias La preparación de las clases constituye una de las labores a realizar a diario por parte de las y los docentes. El preparar una clase con lleva a una selección organización y secuenciación de los contenidos, así como también el diseñar actividades de clases y la anticipación ante eventuales problemas que se pudiesen dar en la sala de clases. Todo lo anterior, se puede traducir en una cadena de acciones (Campanario & Moya, 1999). Las nuevas tendencias curriculares predominantes, desde la mirada constructivista de la enseñanza – aprendizaje, conllevan a que la o el docente deben tener una amplia autonomía para determinar los contenidos curriculares a trabajar, para el posterior diseño de las Unidades Didácticas (de ahora en adelante, UD), que aplicará clase a clase con sus estudiantes. Además es imprescindible hacer notar que detrás de cada propuesta didáctica,

existe

una

postura

epistemológica

con

fundamentos

multidisciplinarios (pedagógicos, psicológicos y didácticos), ya que no son el resultado de una reflexión teórica (Sanmartí, 2011). Pero ¿qué es una UD? A lo largo de del tiempo, han surgido múltiples definiciones de acuerdo a lo que entiende a cada autor como tal. De acuerdo a lo que se trabajará en este seminario, la definición más cercana es la que propone Cañal, definiéndola como “un conjunto de actividades estructuradas en función de una orientación didáctica determinada, de una estrategia de enseñanza y de unas modalidades de regulación específicas” (Cañal, 1997). Dado que es un conjunto de actividades estructuradas, no hay que dar de tener en cuenta que los mejores diseños didácticos, son los que responden a la diversidad de inquietudes y necesidades de las y los estudiantes (Sanmartí, 1997). Aspecto importantísimo al momento de definir metas. Entonces, basándonos en nuestro trabajo de investigación, es necesario que se determine que es lo que se quiere lograr con nuestra propuesta

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didáctica,

sobre

todo

considerando

el introducir tecnologías poco

convencionales a la sala de clases. Desde la mirada del Ajuste Curricular del año 2009, nuestra mayor preocupación, es que a través del uso de microcontroladores se sea capaz de desarrollar ciertas habilidades de pensamiento científico, que sin estas las actividades que se propondrán no se desarrollarían. ¿Qué elementos componen una UD? (Díez, 2013) Lo primero que hay que considerar al momento de diseñar una UD, qué es lo que quiero lograr con dicha UD. Para ello, lo primero que hay que plantearse, son los Objetivos de Aprendizaje, es decir, pensar qué habilidades quiero que desarrolle el estudiantado, con las actividades que se plantean y con el uso de dispositivos de electrónica, como son los sensores y los microcontroladores. El aspecto clave a considerar, es que los objetivos deben ser planteados a partir de las capacidades que tienen las y los jóvenes; y adecuarlos a la diversidad del estudiantado, ya que las UD deben permitir distintos grados de adquisición de un contenido y permitir la participación de todos en una tarea común. Posteriormente, hay que considerar los contenidos concretos que van a ser objeto de aprendizaje. La selección de los contenidos, se tienen que elegir con cuidado, ya que deben considerar tres aspectos fundamentales en el proceso de alfabetización científica: conceptos, procedimientos y actitudes (PISA, 2006), debe haber un equilibrio entre ellos, sin dejar de lados los Objetivos Fundamentales Transversales. Los contenidos que se selecciones, deben contribuir a desarrollar las características individuales existentes entre las y los estudiantes. A pesar de que el punto anterior es de suma importancia, muchas veces la formulación de los objetivos se identifican en forma clara con los contenidos que serán abordados, por lo que muchas veces enumerar los

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contenidos, podrían resultar un tanto redundante. Esto evidencia, que la hay una estrecha relación entre el Objetivo de aprendizaje y los contenidos. Una vez que se tienen los objetivos y los contenidos escogidos, es importante considerar las actividades y las estrategias a utilizar y en qué determinado tiempo se realizará. Esto significa que hay que tener a la vista las habilidades de pensamiento científico que se proponen en el Marco Curricular (2009), de acuerdo a las características del grupo, tanto docente como estudiantes y los medios que se disponen para tal suceso. Una vez definido los parámetros con los cuales se trabajarán las diversas actividades, se define la secuencia de actividades y se estima el tiempo que se ocupará en cada una de ellas. De acuerdo a diversa bibliografía, todas coinciden en una estructura principal que se adecua a las distintas necesidades del estudiantado. El esquema que sigue a continuación, nos permite visualizar mejor dicha estructura (Hernández, 2011):

Actividades de Exploración

Actividades de Promoción

Actividades de Síntesis

Actividades de Generalización

Ilustración 3: Estructura principal de una unidad didáctica (Hernández, 2011).

Sin duda uno de los aspectos al momento de diseñar la unidad didáctica, es tener en consideración, es la cantidad de recursos que se disponen. En nuestro caso, es de suma importancia considerar de que se disponga con la adecuada implementación de los kits Arduino, así como también de la cantidad de necesaria de cables y circuitos eléctricos, ya que son ellos no se pueden llevar a cabo las experiencias prácticas de aprendizaje.

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Por último, hay que considerar la evaluación. La evaluación se entiende como un proceso de autorregulación, es decir, es parte integrante del proceso de enseñanza y aprendizaje y tiene como finalidad extraer información para poder tomar decisiones, planificar, reflexionar y adecuar la práctica educativa, por parte del docente, para mejorar el proceso de aprendizaje – enseñanza de todo el estudiantado. Además, las y los estudiantes son capaces de autorregularse e identificar la forma en que están aprendiendo (Zulma, 2006). En este sentido, la evaluación no se centra en la medición de rendimientos, ni tampoco se puede centrar toda la responsabilidad al docente, sino que como una instancia de mejora de las distintas propuestas didácticas que se quieran implementar. El esquema que sigue a continuación, nos resume los elementos que hay que considerar a la hora de elaborar una unidad didáctica.

Ilustración 4: Aspectos a considerar al momento de elaborar una unidad didáctica.

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2.7 Arduino – Microcontroladores. Desde

que

se

ha

ido

profundizando

el

conocimiento

en

el

comportamiento de los electrones a nivel microscópico, el ámbito de la electrónica se ha ido desarrollando y estructurando, de manera que es necesario

trabajar con

diferentes y muy específicos

componentes

electrónicos, que corresponden a cualquier elemento que forme parte de un circuito, como por ejemplo un condensador, una resistencia, un diodo o un LED.

Si

tomáramos

diferentes

componentes

electrónicos,

y

los

conectásemos de una manera adecuada, podríamos construir diferentes dispositivos que pueden resultar más comunes en nuestra vida diaria, como por ejemplo una radio, una fuente de poder o un temporizador. En la actualidad, el avance tecnológico es tan grande y tan masivo, que la digitalización de las cosas ha llegado a alcanzar a aparatos tan comunes para nosotros, que hasta finales del siglo XX, seguían siendo en su gran mayoría analógicos. Para ello fue necesario agregar a los circuitos un tipo diferente de componente electrónico, llamado microcontrolador, éste es un circuito integrado (también llamado chip o microchip) programable, el cual posee memoria, una unidad central de procesamiento (CPU) y dispositivos de entrada y salida (I/O) para la comunicación con otros dispositivos. La función de un microcontrolador es la de almacenar y ejecutar ciertas instrucciones lógicas digitales grabadas en su memoria a través de un grabador manejado por un software (por ejemplo ICProg., software para programar los microcontroladores). Dichas instrucciones dependerán de la tarea específica que deba cumplir el microcontrolador. Se debe tener en cuenta que al poseer una CPU en su interior, la frecuencia de la ejecución de las instrucciones grabadas en el microcontrolador, dependerá de la frecuencia del cristal externo al microcontrolador siempre que no se supere la frecuencia máxima de trabajo del mismo.

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Una de las grandes ventajas de los microcontroladores es su bajo costo, su bajo consumo y su ahorro de espacio dentro de un circuito, ya que dentro del encapsulado existe un circuito microscópico creado a través de fotolitografía, el cual es de muy bajo consumo. Antes del año 1971, para construir un circuito lógico que pudiese interpretar diferentes instrucciones, eran necesarios muchos transistores, resistencias y cálculos matemáticos, por lo cual estos requerían de muchos ajustes y a la vez presentaban muchos fallos (Aguayo, 2004). Pero en aquel año, fue lanzado el primer microprocesador por la compañía Intel, llamado i4004, que posee 2300 transistores en un circuito que actualmente, no es más grande que una moneda. Posteriormente a falta de almacenamiento digital, y manteniendo sus pequeñas dimensiones, fue construido el primer microcontrolador, hecho que sería el primer paso para la futura creación de los computadores actuales. Con estos componentes, que están incluidos en la mayoría de los aparatos electrónicos que solemos usar, como calculadoras, televisores, celulares, videojuegos, etc., es posible desarrollar nuestros propios circuitos y programas, para que el microcontrolador realice, pero teniendo esta finalidad es necesario poseer dos componentes indispensables, un lenguaje de programación con su compilador y un programador. Este último es un dispositivo que permite almacenar la información e instrucciones de un programa digital en la memoria del microcontrolador, mientras que el lenguaje de programación, corresponde a un lenguaje artificial, construido principalmente como traducción de diferentes instrucciones lógicas que posteriormente serán ingresadas al dispositivo, ya que son recibidas como cadenas de ceros y unos, que para nosotros los humanos resulta difícil de comprender. Un buen ejemplo se puede apreciar en la Ilustración 5, donde se ve un programa en lenguaje C++.

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Ilustración 5: Programa que cuenta de 1 a 100 en C++, mediante comando “for () {}”.

Algunos de los lenguajes de programación más populares corresponden a: Arduino, C, C++, Java, Maple, MatLab, Basic, Visual Basic, etc. Los microcontroladores Arduino incorporan una entrada de alimentación directa, y un programador mediante USB que a su vez funciona como alimentación, además de un lenguaje y software de programación gratuitos y de código abierto.

“Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos.” (Arduino.cc, 2011) Para trabajar con Arduino, es necesario que la o el docente y el estudiantado, tengan la capacidad de manejar un computador a nivel de usuario, y puedan comprender las nociones básicas de la programación (partiendo de la base de la lógica proposicional), ya que mediante manuales o guías de ejemplo, es posible aplicar sin dificultad las diferentes instrucciones lógicas que requiere un programa. En la ilustración a continuación se puede apreciar el modelo “Arduino UNO”:

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Ilustración 6: Módulo Arduino UNO

3

Datos técnicos de la plataforma Arduino Existen diferentes módulos de Arduino, los principales son: Uno, Mega, Duemilanove, Pro, Nano y Mini. Siendo el primero de ellos, el más básico y suficiente para el trabajo a realizar en una sala de clases. Las características electrónicas del Módulo Arduino Uno, con el cual trabajaremos, son las siguientes: Microcontrolador

ATmega328

Voltaje operativo

5V

Entrada de voltaje recomendado

7-12 V 14 (6 de ellas con PWM*) 6

Pines Digitales I/O Pines de entrada análoga Corriente directa de los Pines Corriente directa para los Pines de 3.3V Memoria Flash

40 mA 50 mA 32 KB Puertos 3, 5, 6, 9, 10, 11

Pulse-Width Modulation Tabla 2: Características

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4

Imagen obtenida en: http://arduino.cc/en/uploads/Main/ArduinoUno_r2_front450px.jpg

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http://www.arduino.cl/int/caracteristicas.html

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La plataforma Arduino ofrece una gran variedad de opciones a la hora de querer trabajar con ella, y es por eso que la educación de la física se puede llegar a ver muy favorecida con un dispositivo y software de estas características. Mediante guías de trabajo y una correcta aplicación por parte de los docentes, el dispositivo Arduino puede aterrizar a las salas de clases instrumentos de laboratorio, tales como una gran gama de sensores, con los cuales realizar diferentes experimentos, gracias a la gran versatilidad que posee. Además es muy importante recalcar, que para desarrollar los diferentes programas con los cuales se trabajará, es necesario aprender física, ya que la gran capacidad que ofrece la plataforma Arduino para poder visualizar ciertos fenómenos físicos que antes eran imperceptibles dentro de una sala de clases, llamará enormemente la atención de los estudiantes, debido a lo innovador que resulta trabajar en el aula utilizando tecnologías poco manejadas por el público general y que son propias del quehacer científico actual. El lenguaje de programación utilizado es el lenguaje propio de Arduino, el cual está basado en los lenguajes de programación C y C++. El entorno de desarrollo integrado o tambien llamado IDE (de la sigla en inglés integrated development environment) es una herramienta para desarrollar el software que se escribirá en el microcontrolador. En este caso el IDE para desarrollar los software de manejo de sensores será el programa de mismo nombre de la interfaz y lenguaje de programación (Arduino), el cual está constituido por un editor de texto para escribir el código, un área de mensajes, una consola de texto, una barra de herramientas con botones de acceso rápido y una serie de menús tal como se muestra en la ilustración.

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Ilustración 7: Software de programación Arduino

5

Lenguaje de Programación en Placa Arduino (Arduino, 2013) La programación de Arduino se desarrolla en torno a 3 partes principales, la estructura, los valores y las funciones, además de esto es posible agregar librerías, esto es un subprograma dentro del software que realiza una función específica para el funcionamiento general, pero que sirve para tener un desarrollo modular dentro de la programación, la librerías pueden ser externas o bien creadas por el usuario. En resumen, si las variables, las funciones y las librerías poseen una debida estructura (referida a la lógica), se crea un software para que el microcontrolador complementado con hardware apropiado, realice una función específica, en este caso, la lectura de sensores.

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http://4.bp.blogspot.com/-PAk 1ZLISfo/T_eVzsFq8tI/AAAAAAAAAjQ/l7q_xXrkIm8/s1600/ide+arduino+2.png

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Referencias del lenguaje Arduino utilizadas en el uso de sensores Para el uso de los sensores utilizados dentro del presente trabajo, es necesario definir ciertas funciones, variables y la estructura utilizada dentro del código creado para la lectura del sensor. La descripción se dividirá en torno a los tres componentes principales: la estructura, las variables y las funciones. Estructura 

setup(): se establece cuando se inicia un programa. Se utiliza para iniciar variables, establecer el estado de los pins, inicializar librerías, etc. Esta función se ejecuta una única vez después de que se conecte la placa o se reinicie la placa.



loop(): se utiliza después de la función setup(), como dice su nombre, la función loop() crea un bucle y se ejecuta consecutivamente, de manera que la placa arduino funciona de manera activa y sin detenerse.

Estructura de control 

if: es la función lógica que se ejecuta cuando se cumple una cierta condición de comparación. Posee la siguiente estructura: if (condición) {entonces}



for: es un bucle contador, el cual ejecuta las funciones que se encuentran dentro de él un determinado número de veces, cada vez que realiza un bucle se utiliza un incremento del contador hasta terminar el bucle y continuar con la función que siga dentro del programa.Su estructura es la siguiente: for (declaración de variable (opcional) valor de inicio de la variable; test; incremento o decrecimiento)

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Estructura de sintaxis “;” (punto y coma): es utilizado dentro del programa para terminar una declaración. “{}” (llaves): se utilizan dentro de funciones de estructura, loops y sentencias condicionales con el fin de generar bloques de instrucciones a ejecutar. “//” (comentarios): se utilizan para aclarar o comentar alguna instrucción dentro del programa, todo lo que se escriba a la derecha de estas líneas son ignoradas por el compilador (IDE) por lo cual no ocupan espacio en el microcontrolador. Operador comparativo “==” (igual a) : se utiliza cuando se quiere comparar dos variables, de modo que se utiliza junto con las estructuras de control, de modo que el programa comprueba si una variable es idéntica a otra. Operador de composición “++” (incremento): incrementa una variable en una unidad Variables Constantes 

HIGH/LOW: definen el nivel o estado de un pin digital cuando este se lee o escribe, el pin estará en HIGH cuando en el pin hay más de 3 voltios y el pin estará en LOW cuando en el pin hay menos de 3 voltios.



INPUT/OUTPUT: definen si un pin se utilizará como entrada o salida de información. Si el pin se configura como INPUT, el pin se

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encontrará en un estado de alta impedancia. Si el pin se encuentra en OUTPUT, éste se encontrará en un estado de baja impedancia. Tipos de datos 

byte: se declara una variable con un valor desde 0 a 255



int: se declara una variable con un valor entero dentro de un rango entre -32768 y 32767



long: se declara una variable dentro de un rango entre -2147483648 hasta 2147483647



void: se utiliza sólo cuando se quieren declarar funciones, ya sea loop(), setup(), o alguna función creada por el usuario.



Array: también llamado matriz, es una colección de variables que son accedidas mediante un número de índice. Los arrays son zero index, lo que referido a una matriz quiere decir que el primer elemento está en índice cero, por lo que si se quiere acceder a al primer elemento dentro de la colección se debe invocar la posición 0.

Funciones E/S digitales 

pinMode(): se utiliza para configurar un pin como INPUT o OUTPUT. Se escribe de la forma: pinMode(pin,valor)



digitalWrite(): escribe un valor HIGH o LOW en un pin digital. Se escribe de la forma: digitalWrite(pin,valor)

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E/S analógicas 

AnalogRead(): lee el voltaje en un pin analógico especifico de la interfaz.

E/S avanzadas 

tone(): genera una onda cuadrada con una frecuencia especificada, en un pin digital determinado y con una determinada duración.Se escribe de la forma: tone(pin, frecuencia, duración)

Tiempo 

millis(): devuele el tiempo en milisegundos transcurridos desde que arrancó la placa Arduino con el programa actual.



delay(): pausa el programa por un determinado tiempo en milisegundos.



delayMicroseconds(): pausa el programa en un determinado tiempo en microsegundos.

Matemática 

map(): cambia un numero desde un rango hacia otro, es decir, un cierto valor que varía dentro de un rango, lo cambia a otro valor proporcional dentro de otro rango determinado.Se escribe de la forma: map(valor, límite inferior actual, límite superior actual, límite inferior deseado, límite superior deseado).

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CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO En las propuestas didácticas, que se presentan en los seminarios de grados, la metodología cualitativa es la más utilizada, para poder interpretar la información que se recogerá en las Escalas de Apreciación, con la finalidad de poder tomar decisiones respecto a si el diseño de material didáctico, es consecuente con los objetivos de la propuesta.

3.1 Diseño de Investigación De acuerdo a la naturaleza de este seminario de grado, el diseño que utilizaremos será descriptivo (Sandín, 2003), ya que nuestra finalidad es Confeccionar y Diseñar una estrategia didáctica, basada en el Enfoque CTS para el estudio de la física en Educación Media, mediante la interacción de sensores y microcontroladores. El diseño descriptivo, requiere un conocimiento del área que se está para formular las preguntas específicas que se buscan responder, para establecer si el diseño de la propuesta didáctica, es coherente con los objetivos planteados.

3.2 Descripción de los procedimientos Una vez establecida la Fundamentación Teórica, nos queda señalar que procedimiento seguiremos para el desarrollo de ésta. Para poder desarrollar las guías de trabajo, tuvimos que seguir una serie de pasos, en las cuales en orden cronológico, consistieron en identificar, usar y comprender el lenguaje de programación del microcontrolador que posee la Placa Arduino. Posteriormente, fue necesario establecer que sensores se iban a utilizar durante la experiencia y posteriormente se programó el microcontrolador para manejar cada uno de los sensores utilizados. Con el instrumental listo para poder tomar valores, se hizo necesario establecer los ejes temáticos con los cuales trabajaríamos. Para ello,

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escogimos dos de los ejes transversales del Sector de Ciencias6, los cuales son: “La materia y sus Transformaciones” y “Fuerza y Movimiento”. Tras elegir los ejes temáticos, se hizo un estudio de los Contenido Mínimos Obligatorios7 (de ahora en adelante, CMO) y se establecieron cuáles de estos CMO eran abordables con el uso de la Placa Arduino y la metodología indagatoria ECBI. Una vez que las guías fueron construidas, se establecieron una serie de pautas de evaluación, de la forma de Escala de Apreciación, para evaluar el trabajo en las guías, así como también se establecieron una serie de indicaciones al docente, tanto a nivel procedimental para poder instalar los circuitos necesarios, así como también indicaciones didáctica para la aplicación de las guías de trabajo en el aula. Finalmente estas guías son validadas por un comité de profesionales, mediante una Escala de Apreciación, para verificar que las instrucciones y la estructura del material didáctico sea adecuado a los objetivos de este seminario de grado.

Ilustración 8: Proceso metodológico

6

Los seis ejes transversales son: Estructura y función de los seres vivos; Organismo, ambiente y sus interacciones; La materia y sus transformaciones; Fuerza y Movimiento; La Tierra y el Universo y Habilidades de Pensamiento Científico. 7 De acuerdo al Marco Curricular del año 2009

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3.3 Programación de Placa Arduino Programación de la plataforma Arduino para el manejo del sensor de temperatura (LM35) Para poder controlar y obtener valores desde este sensor, se utilizó tanto el IDE como el lenguaje de programación Arduino, el sensor posee tres terminales, dos para su alimentación y una tercera que entrega un voltaje proporcional a la temperatura del sensor (10mV/°C) y que va conectada a una de las entradas analógicas de la plataforma Arduino. La señal analógica anterior ingresa a un conversor análogo-digital (conversor A/D) de 6 canales y una resolución de 10 bits, es decir, el conversor análogo digital retorna valores enteros entre 0 y 1023. El conversor análogo-digital del Arduino requiere de un voltaje de referencia para realizar la conversión A/D. Así, por ejemplo, si se utiliza una tensión de referencia de 5V, el conversor A/D convertirá las tensiones de entrada a números enteros entre 0 y 1023, proporcionando una resolución de lectura de 5 voltios/ 1023 unidades, es decir, 0,0049 voltios por unidad, por lo que si del conversor análogo digital se obtiene un valor de 512, en la entrada analógica se encontrará a 2,5 volts. En este caso se utilizó un voltaje de referencia de 1,1 volts, por lo que se obtendrán valores de temperatura de entre 0 y 110°C, considerando que el sensor (LM35) entrega 10mV/°C. Los valores de temperatura serán mostrados en display de 7 segmentos, los cuales pueden ser de ánodo o cátodo común dependiendo de dónde se quiera manejar las señales digitales. En nuestro caso, los display utilizados serán de cátodo común (los LEDs dentro del display tienen el cátodo conectados a un mismo nodo llamado cátodo común) de manera que para encender cada LED dentro del display, se irán cambiando las señales que se envíen a los ánodos (ya sea 0 o 1) de cada uno generando una corriente eléctrica que encienda cada LED dependiendo del carácter numérico que

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se quiera mostrar. Para ello los valores de los cuales se hará medición dentro de las actividades experimentales que se mostrarán más adelante, se utilizarán 3 display de 7 segmentos, uno asignado a las décimas, otro a las unidades y otro a las decenas, de modo que los valores de temperatura que se mostrarán, se encontrarán en un rango de 0,0°C a 99,9°C, el cálculo de tales valores (decima, unidad y decena) se realizarán dentro del programa

mismo

de

acuerdo

a

la

matemática

que

maneja

el

microcontrolador. Un display de 7 segmentos posee 8 terminales, a cada segmento se le asigna una letra con el objetivo de generar un orden en común para todos los display, siete para generar un número o letra y otro para encender un punto tal como se muestra en la ilustración 9; de manera que para utilizar 3 display se requieren entre 21-24 salidas digitales. Para no utilizar tantas salidas digitales (la plataforma Arduino Uno no posee tal cantidad de salidas) se utiliza la técnica del multiplexado, de tal forma que mediante los canales de información que se utilizan para encender un display de 7 segmentos, se encenderán también los otros dos. La técnica consiste en encender cada display de manera secuencial durante un periodo de tiempo muy corto, suponiendo que cada display se enciende un

milisegundo, se

genera un efecto visual que hace parecer que los 3 display se encontraran encendidos a la vez.

Ilustración 9: Display de siete segmentos

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Montaje del dispositivo Para ensamblar el dispositivo “sensor de temperatura”, es necesario construir un montaje como el de la ilustración 10, donde es importante respetar la ubicación de las diferentes conexiones. En caso de cambiar alguna, resulta necesario cambiar la programación del Arduino, ya que ésta controla las salidas digitales y entradas analógicas, permitiendo el funcionamiento apropiado del aparato.

Ilustración 10: Montaje del dispositivo, creado con Fritzing

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Considere que el color de los cables no es algo importante, y además que el buzzer, es solo una función sonora para regularizar las mediciones, por lo que puede ser extraído sin problemas. Lo demás en el circuito resulta imprescindible.

Ilustración 11: Esquemático sensor de temperatura

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Programación de la plataforma Arduino para el manejo del sensor de flexión de 2.2’’ Al igual que en el manejo del sensor anterior, se utiliza tanto el lenguaje de programación como el IDE de Arduino. Este sensor posee dos terminales, ya que en el fondo el sensor de flexión está construido con un material tal que funciona como una resistencia variable, que depende del grado de flexión al que esté sometido.

Ilustración 12: Esquema posiciones del sensor flectado

La calibración de este sensor dependerá de las limitantes físicas de éste, las cuales vienen dadas por la resistencia máxima o mínima que pueda adquirir dependiendo de los distintos grados de flexión. De acuerdo a la información proporcionada por el proveedor la resistencia del sensor puede variar dentro de un rango de 45-125 kOhm. Además se debe considerar también el radio de flexión que se le aplica al sensor, ya que no será lo mismo doblar el sensor partiendo desde la mitad de éste o desde el comienzo. Para lograr una calibración práctica dentro de éste trabajo, se propondrá una cierta longitud de flexión, sin embargo, la metodología de la calibración del sensor es la misma para los distintos radios de flexión que se quieran utilizar.

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Dado el microcontrolador solo nos permite medir voltajes, se utiliza un divisor de tensión para medir indirectamente la resistencia del sensor a través del voltaje en el mismo y así poder tener un dato que pueda ser interpretado y procesado en alguna de las entradas analógicas. Dadas los valores de resistencia del sensor, los cuales están en el orden de los kOhm, y sabiendo que los valores de voltaje que se deben utilizar no deben exceder los 5 volt (debido a las características de las entradas analógicas de la plataforma Arduino), las variaciones de voltaje que existen en los terminales del sensor de flexión son muy pequeñas, del orden de las décimas de volt, de manera que para poder diferenciar entre las diversas mediciones y para poder ajustar la resolución del instrumento, se hace uso de amplificadores de voltaje, seguidores de voltaje y comparadores construidos en base a amplificadores operacionales. El seguidor de voltaje entrega en la salida un voltaje igual al de entrada pero tiene una impedancia de entrada tan alta que la corriente de entrada es despreciable. De esta forma se puede medir el voltaje en un divisor de tensión, formado por la resistencia del sensor en serie con otra resistencia, sin drenar corriente al divisor. También se utiliza un amplificador diferencial que permite eliminar el “offset” de la señal y, al mismo tiempo, amplificarla por un factor de aproximadamente 10, de manera que si las variaciones de voltaje en el sensor iban de 0 a 0,4 volts, luego de amplificar la señal variarán de 0 a 4 volt. No necesariamente la variación debe amplificarse por un factor de 10, esto dependerá de las resistencias utilizadas dentro del circuito, de manera que la señal podría amplificarse de acuerdo a un cierto factor que dependerá de los propósitos del experimentador. Esto genera una mejor resolución en las mediciones ya que se tienen datos de voltaje más manejables al momento de mapear los valores en Arduino.

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Montaje del dispositivo Para ensamblar el dispositivo “sensor de fuerza”, se debe hacer un montaje similar al presentado en el siguiente esquema.

Ilustración 13: Montaje del sensor de fuerza, creado con Fritzing.

De todas maneras, para trabajar el diseño más detallado de este dispositivo, se puede trabajar con el manual asociado a él, donde es posible encontrar un diseño esquemático de la conexión de los display, los operacionales, el sensor de flexión y la fuente de voltaje positivo y negativo.

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Ilustración 14: Esquemático sensor de flexión

Calibración del sensor de flexión Para calibrar el sensor, a cada valor de voltaje que ingrese a la entrada analógica se le asignará un valor de masa previamente conocido. Luego de esto se crea una relación entre las variables masa y voltaje en los terminales del sensor observando el tipo de función al cual se ajustan los puntos obtenidos. A continuación se extrapolan los valores, obteniendo una función de masa-voltaje, para posteriormente poder asignarle un valor de masa a cualquier valor de voltaje que arroje el sensor utilizando la función encontrada en el

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ajuste, obviamente lo anterior se realiza considerando las limitaciones físicas de voltaje que puede alcanzar el sensor. Programación de la plataforma Arduino para el manejo del LED RGB (tricolor) Así como los programas anteriores, en este programa es necesario trabajar con el IDE de Arduino y su lenguaje de programación. El dispositivo central de este aparato, es el LED RGB, que posee 4 conexiones diferentes, una para cada LED, y un cátodo común.

Ilustración 15: Imagen del LED RGB (Red Green Blue)

Este aparato es mucho más simple que los demás, ya que se maneja, mediante un potenciómetro, la frecuencia de parpadeo que realiza cada color del LED, generando una secuencia intercalada de colores. Este cambio de colores puede ser manejado en la programación del Arduino, pero el montaje y programas propuestos, poseen un pequeño botón, que cumple la función de cambiar los colores utilizados, de Rojo-Azul-Verde, a la secuencia CianMagenta-Amarillo, para así hacer notar que al momento de trabajar en óptica, es posible realizar experimentos de adición de colores y siempre obtener luz blanca al juntar todos los colores.

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Una cosa novedosa de este programa, es la utilización de las interrupciones, un recurso muy útil disponible en la mayoría de los microcontroladores. En nuestro caso, este recurso es el responsable del cambio de colores al presionar el botón anteriormente mencionado. Montaje del dispositivo Para ensamblar el dispositivo "LED de Newton”, es necesario construir un montaje como el de la ilustración 16, donde es importante respetar la ubicación de las diferentes conexiones. En caso de cambiar alguna, resulta necesario cambiar la programación del Arduino, ya que ésta controla las salidas digitales y entradas analógicas, permitiendo el funcionamiento apropiado del aparato.

Ilustración 16: Montaje del LED RGB, creado con Fritzing

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Este montaje es mucho más sencillo que los demás, ya que su función es bastante más básica. El color de los cables no es un punto importante, pero si los puntos donde se realizan las conexiones, ya que la plataforma Arduino tiene incorporadas resistencias para poder conectar LEDs directamente, por lo que hacer una conexión de forma aleatoria, puede afectar el experimento y quemar el color del LED conectado.

Ilustración 17: Esquemático LED RGB

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Programación de la plataforma Arduino para el manejo del Emisor de frecuencias Así como los programas anteriores, en este programa es necesario trabajar con el IDE de Arduino y su lenguaje de programación. En este dispositivo, los componentes principales son el potenciómetro, cuya función es la de manejar la frecuencia de la señal sonora, y también los buzzer o parlantes (mediante un Jack de 3,5 hembra), que se puede conectar al montaje para poder emitir el sonido.

Ilustración 18: Imagen de potenciómetro, buzzer y Jack hembra.

Este montaje tiene la característica de producir diferentes frecuencias sonoras, mediante una señal de onda cuadrada, tanto de forma continua, con el uso del potenciómetro, como de forma discreta, con un pequeño pulsador que cumple la función de cambiar entre la frecuencia dada por el potenciómetro, con las 7 notas musicales (DO, RE, MI, FA, SOL, LA, SI).

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Montaje del dispositivo Para ensamblar el dispositivo "Emisor de frecuencias”, es necesario construir un montaje como el de la ilustración 19 o 20, ya que ambos representan el mismo esquema, pero la gran diferencia radica en como emitir los diferentes tonos, ya sea por un buzzer, o con una conexión Jack para parlantes activos estéreo comunes. Además, como en todo montaje, es de suma importancia respetar el lugar de las diferentes conexiones, ya que en caso de cambiar alguna, resulta necesario cambiar la programación del Arduino, quien controla las salidas digitales y entradas analógicas, permitiendo el funcionamiento apropiado del aparato.

Ilustración 19: Montaje del emisor de frecuencias, versión 1, creado con Fritzing.

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Ilustración 20: Montaje del emisor de frecuencias, versión 2, creado con Fritzing.

Estos montajes, similares al trabajado con el LED RGB, utiliza un potenciómetro para regular la frecuencia que emiten los buzzers (parlantes), mientras que otros dos, regulan la intensidad del sonido (su volumen). La

plataforma

Arduino,

se

encarga

de

asociar

el

voltaje

del

potenciómetro (manejado por el usuario), a una frecuencia del sonido que emiten los buzzer. Además, existe un pulsador mediante el cual, es posible fijar la frecuencia en los valores de las notas musicales, o trabajar mediante el potenciómetro.

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Ilustración 21: Esquemático Emisor de Frecuencias

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3.4 Confección de Guías de Trabajo para estudiantes, profesoras y profesores.

Guía para el estudiante Las guías desarrolladas dentro de este seminario, se describirán de manera ordenada, dependiendo del sensor al cual esté designada cada actividad. Para comenzar cada guía presenta una contextualización de la vida cotidiana, la cual busca centrar al estudiante en un tema específico. La Focalización, estará caracterizada por la etiqueta:

8

Ilustración 22: Etiqueta Etapa 1: Focalización

Una vez centrada la atención de la o el estudiante, se plantean preguntas que ayudan a la elaboración de argumentos. Luego que se trabajó en la etapa de Focalización, viene una de las partes más importantes del ECBI, Exploración. En esta etapa, el estudiantado interactuará con el fenómeno. Para eso se dispondrán de los montajes de Arduino, para poder realizar los experimentos que se plantean. La etapa de Exploración, estará caracterizada por la etiqueta:

9

Ilustración 23: Etiqueta Etapa 2: Exploración

8

Adaptación de la imagen obtenido en el sitio: http://www.powerrooms.de/assets/images/Ziel.gif, consultado el 18 – 08 – 2013 9 Adaptación de la imagen obtenido en el sitio: http://images3.wikia.nocookie.net/__cb20081223223317/es.pokemon/images/0/02/Kit_de_exploraci% C3%B3n.png, consultado el 18 – 08 – 2013

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Una vez que las y los estudiantes han trabajado en el experimento, se establece si las predicciones o hipótesis planteadas son correctas. En esta parte de la experiencia indagatoria, llamada Comparación o Contraste, el estudiantado entienda que toda explicación científica, viene de una verificación experimental. Para ello, las guías se plantean preguntas y situaciones, las cuales le servirán al estudiante para poder hacer el contraste con lo que él pensaba o creía, con las evidencias experimentales. La etapa de contraste, estará caracterizada por la etiqueta:

10

Ilustración 24: Etiqueta para la Etapa: Contraste o Comparación

Se dejará un espacio espacial para que las y los estudiantes escriban las definiciones y conceptos nuevos adquiridos, con la ayuda del docente. Este espacio estará representado por:

11

Ilustración 25: Etiqueta “Formalizando lo aprendido”

Finalmente, cuando las y los estudiantes han realizado casi todo el proceso de indagación, sólo nos queda el momento en ellas y ellos aplican los nuevos conocimientos a situaciones de la vida cotidiana y otros contextos. A esta etapa se le llama Aplicación, y en las guías esta etapa mostrará 10

Adaptación de la imagen obtenido en el sitio: http://www.canalred.info/public/Gifs_animados/CasaJardin/Balanzas/balanza-07.gif, consultado el 18 – 08 – 2013 11 Adaptación de la imagen obtenida en el sitio: http://us.123rf.com/400wm/400/400/jara3000/jara30001209/jara3000120900003/15070841-cuadernoy-lapiz-sobre-blanco.jpg

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situaciones de la vida cotidiana, en la que ellas o ellos explican científicamente lo que allí ocurre. Esta etapa del proceso indagatorio, está representada por:

12

Ilustración 26: Etiqueta para la Etapa: Aplicación

Un ejemplo de guía con la secuencia ECBI y el enfoque CTS, para la o el estudiante, sería como la que sigue a continuación (El resto de las guías puede verlas en el anexo 9):

12

Adaptación de la imagen obtenido en el sitio: http://www.mujeresdeempresa.com/images/graficos/pensamiento_creativo.jpg, consultado el 18 – 08 – 2013

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Se enfría antes ¿La cuchara o el café? Guía para el estudiante Nombre: ___________________________________ Curso: _______ Fecha: ______

Al servir un café con el agua recién hervida, podemos percibir que está muy caliente, y si la cuchar se pone en contacto con el agua rápidamente se calienta.

Si se saca la cuchara, al pasar unos minutos, ¿es posible sentirla más caliente o más fría que el café? Explica fundamentando tu respuesta.

Considerando la respuesta anterior, si dos cuerpos distintos se encuentran a 50°C en un ambiente de 15°C, se comienzan a enfriar, ¿crees que estos cuerpos llegan a 30°C en el mismo tiempo?, ¿o existe algún factor adicional? (puedes imaginarlo como la taza de café y la cuchara). Explica y fundamenta tu respuesta

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En este experimento trabajaremos con líquidos, ya que de esta manera, se medirán de la forma más precisa posible por el sensor, los cambios de temperatura. Materiales - 200 ml de agua a 50°C - Palito de helado - 3 cucharadas de sal - Sensor de temperatura lm35

-

Interfaz Arduino Mechero Recipiente de vidrio

Procedimiento experimental Para comenzar se realiza un montaje experimental como en la figura 1:

1. Reúnanse en grupos de 6 personas

Figura 1

2. Revisa que cuentas con todos los materiales para realizar la actividad. 3. Enciende el sensor de temperatura y comprueba que funcione correctamente midiendo distintas temperaturas y comparando los resultados con tus compañeros (por ejemplo medir la temperatura del agua de alguna llave). Los resultados de la medición serán mostrados en los display. 4. Calienta 100 ml de agua en un recipiente a 50°C (procura que la temperatura no exceda los 50°C). Revuelve a medida que se va calentando con un palito de helado para así homogenizar la temperatura. Verifica con el sensor que no se excedan los 50°C.

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5. Al momento de que el agua alcance los 50°C, retira el recipiente del fuego y luego reinicia el sensor apretando el botón reset de la placa Arduino. 6. En el siguiente cuadro, registra la temperatura inicial: Temperatura Inicial [°C] 7. Luego cada 20 segundos sonará un pitido producido por el buzzer conectado a la placa Arduino. Registra la temperatura mostrada en el display, cada vez que suene el pitido, en la siguiente tabla. Agua Número de pitidos

Temperatura [°C]

8. Repite el procedimiento para 100 ml de agua con las 3 cucharadas de sal

Agua con sal Número de pitido

Temperatura [°C]

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Análisis de la información Distribuidos en parejas, dibujen las dos curvas de enfriamiento en el siguiente gráfico temperatura en función del tiempo. Gráfico de enfriamiento para agua pura y con sal

Grupalmente comparen las curvas del gráfico dibujado por cada pareja y contesten las siguientes preguntas. ¿Cuál es la variable dependiente e independiente en la actividad?

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A los 4 minutos de comenzar a realizar las mediciones, ¿se encontraban a la misma temperatura los líquidos? ¿Y en el resto de los tiempos?

¿Cómo es la curva de enfriamiento del agua pura en comparación con el agua con sal?

¿Qué líquido se enfrió en menos tiempo?

¿Cómo es el enfriamiento del agua con respecto al agua con sal?

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¿Qué podrías concluir sobre la actividad?, ¿influye de alguna manera el tipo de líquido o material que se esté enfriando?

Volviendo a las preguntas iniciales, ¿Cómo explicaría este fenómeno, el caso sobre la taza de café y la cuchara?

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En el recuadro que sigue a continuación, escribe las definiciones que se construyeron junto a tu profesor/a.

Imagina la situación en que encuentras una tacita de café de 100 ml servido en la mesa, que dejo tu mamá o papá antes de salir a trabajar. Si este se encontraba inicialmente a 50ºC, y al momento de encontrarlo, justo alcanzó la temperatura ambiente de 30 °C ¿Hace cuánto tiempo aproximadamente salió tu papá o mamá?

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Ahora bien, si tenemos un plato de cazuela a 50ºC (como los líquidos del experimento), ¿este baja su temperatura más rápido entre los 50ºC y 40ºC o entre los 30ºC y 20ºC? (considerando que la temperatura ambiente sea 20ºC)

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Orientaciones para él o la docente en la implementación de la propuesta didáctica Las indicaciones para las y los docentes, fueron estructurado de tal manera, que se dan indicaciones tanto para trabajar a nivel general con los sensores y emisores de luz o frecuencia, como también indicaciones específicas para cada actividad. Además se incluye un cuadro resumen, el que incluye: Nombre de la guía a trabajar, contenidos que aborda, los Objetivos Fundamentales Transversales y Verticales, las Habilidades de Pensamiento Científico que involucra, los Objetivos de la actividad, el tiempo en horas pedagógicas que involucra implementar la guía y la forma de trabajo. Un ejemplo de las indicaciones al profesorado, es como el que sigue a continuación (El resto de las indicaciones al docente, se encuentran en el anexo 9):

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Guía 1: Se enfría antes ¿la cuchara o el café? Indicaciones al docente Resumen La guía se desarrolla en base al trabajo de investigación y experimentación grupal. El uso del sensor se centra en el desarrollo de una descripción cualitativa a partir de los valores de temperatura medidas por el sensor, ya que para un análisis cuantitativo de la ley de enfriamiento de Newton se requiere de herramientas matemáticas que escapan a los niveles que se desarrollan en la educación media. Con esto se pretende desarrollar las habilidades que, de acuerdo a la taxonomía de Bloom se enfocan al análisis y síntesis de datos e información, ya sea interpretando los datos o bien procesándolos al momento de dibujar una gráfica que relacione ciertas variables. Por otro lado, es muy importante visualizar los contenidos y objetivos que se abordarán en el desarrollo de la experiencia práctica. El cuadro que sigue a continuación, describe los contenidos que se abordarán los OFT 13, los OFV14, las HPC15 y los objetivos propios de la actividad experimental:

Nivel Contenidos OFT16

NM2 Descripción cualitativa de la Ley de Enfriamiento de Newton - Interés

por

conocer

la

realidad

y

utilizar

el

conocimiento - Comprender y valorar la perseverancia, el rigor y el cumplimiento, la flexibilidad y la originalidad OFV 13

Objetivo Fundamental Transversal Objetivo Fundamental Vertical 15 Habilidades de Pensamiento Científico 16 Tomados directamente del Marco Curricular del año 2009 14

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- Explicar diversos fenómenos en que participa el calor, su relación con la temperatura, su medición y su interpretación cualitativa, en términos del modelo cinético de la materia. HPC

-

Identificación de teorías y marcos conceptuales, problemas, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones en investigaciones clásicas y contemporáneas relacionadas con temas del nivel.

-

Procesamiento

e

interpretación

de

datos,

y

formulación de explicaciones, apoyándose en los conceptos y modelos teóricos del nivel. Objetivos

- Elaborar hipótesis con respecto al enfriamiento de un cuerpo. - Encontrar patrones cuantitativos para el enfriamiento de líquidos. - Comparar gráficamente la curva de enfriamiento de diversos fluidos

Horas

Dos horas

pedagógicas Modo de

Grupal (4 – 6 integrantes por grupo)

trabajo  Indicaciones al docente específicas para la actividad Es muy importante que al implementar ésta guía sobre la “Ley de Enfriamiento de Newton”, durante la fase de focalización, la o el docente presente un esquema explicativo de la situación en donde dos cuerpos diferentes, a la misma temperatura, comienzan a “enfriarse”. Es muy importante considerar que no hay que responder la pregunta que se plantea ya que son las y los estudiantes, los que deben realizar este trabajo.

~ 67~

3.5

Respecto

al

montaje

experimental

y

la

programación

del

microntrolador Antes de montar cada uno de los componentes electrónicos de los sensores en la plataforma Arduino y programar, se hace necesario establecer un lenguaje en común, para poder comprender los manuales y guías que se presentan en este seminario de grado. Para poder aprender respecto a la Plataforma Arduino, se sugiere que ingrese a la página web www.arduino.cc, la cual le proporcionará los datos técnicos de la plataforma y en qué consiste. Posteriormente se sugiere que se lea el manual de montaje de los componentes electrónicos para cada tipo de sensor (véase en el anexo 5, 6, 7 y 8), los cuales contienen la lista de materiales e instrumentos necesarios para las experiencias, esta lista contiene los lugares donde puede encontrar dichos materiales y su valor en CLP. Una vez que se han montado los dispositivos electrónicos, se sugiere que descargue el software Arduino 1.0.517, dicho software es de libre acceso; y se instale en el computador que se utilizará para programar el microntrolador. Respecto al lenguaje de programación que usa dicho software, se puede mencionar, que es muy parecido a C++. Pese a lo anterior, se sugiere bajar el tutorial: Manual de programación Arduino18. El cual indica las principales funciones, variables y la estructura utilizada dentro del código creado para el manejo del sensor. Se estima que se podría aprender el lenguaje Arduino, en aproximadamente dos semanas, destinando cinco horas semanales de trabajo. Con lo anterior, se está listo para utilizar los sensores y generadores de frecuencia.

17

Disponible en la página: http://arduino.cc/es/Main/Software . Consultado el día: 18 – 09 – 2013. Disponible en: http://arduinobot.pbworks.com/f/Manual+Programacion+Arduino.pdf . Consultado el día: 18 – 09 – 2013 18

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CAPÍTULO IV: OPINIÓN DE GUÍAS DE TRABAJO PARA ESTUDIANTES, POR PARTE DE PROFESORES DE FÍSICA DE DISTINTOS ESTABLECIMIENTOS EDUCACIONALES

Para poder establecer si las guías confeccionadas cumplen con ciertos requisitos necesarios para cumplir con la secuencia de enseñanza ECBI, se elaboró una Escala de Apreciación, con la finalidad de evaluar la coherencia, pertinencia, claridad de las guías y la secuencia de actividades propuestas. Para ello, se adaptó una Escala de Apreciación confeccionada por Cortés, Flores y Sánchez (2011), quienes buscaba validar sus guías respecto a coherencia factibilidad y claridad de las actividades que ellas proponían. En el caso de nuestra Escala de Apreciación, no solo involucran esos indicadores, sino que además considera descriptores, para la secuencia de aprendizajes ECBI, las cuales son: Focalización, Exploración, Contraste y Aplicación. La Escala de Apreciación, será aplicada por profesoras y profesores de Física titulados, como también profesionales que estén habilitados o habilitadas para ejercer la docencia, de distintos establecimientos educacionales de la Región Metropolitana. En algunos casos, se les solicitará a docentes de la Universidad de Santiago de Chile, si es que pudiesen colaborar con la aplicación de este instrumento de evaluación. Una vez que el instrumento de evaluación se aplicado por las y los docentes, se procederá a tabular la información para poder realizar un análisis cualitativo

~ 69~

4.1 Opinión de las guías mediante “Escala de Apreciación19” El instrumento de evaluación que se presenta a continuación, tiene como propósito evaluar la coherencia, pertinencia, factibilidad, claridad de las guías y la secuencia de actividades propuestas en este seminario de grado. La evaluación de las guías, se desarrollará a través de una Escala de Apreciación, cuyos criterios se explicitan a continuación: (1) Totalmente en desacuerdo

(2) En desacuerdo

(3) Indeciso/a

(4) De acuerdo

(5) Totalmente de acuerdo

NO: No Observado

Nombre de la guía a evaluar: _______________________________________ Indicadores

1 2 3 4 5 NO

Pertinencia en la Guía Las etapas son capaces de lograr las habilidades propuestas No se muestran actividades innecesarias Se hace uso correcto de las TIC Se incluyen adecuadamente las ecuaciones acorde al tema Se incluyen las fórmulas acorde al nivel Factibilidad Los materiales propuestos son accesibles Existen espacios adecuados para el desarrollo de la guía El tiempo propuesto para realizar la guía es el apropiado La

19

guía

se

puede

abordar

como

actividades

Adaptación del Instrumento de Evaluación elaborado por Cortes, Flores y Sánchez (2011).

~ 70~

complementarias de los contenidos propuestos Claridad Las instrucciones y procedimientos propuestos en la guía, son claros y precisos Se hace buen uso de vocabulario científico Las preguntas de evaluación propuestas son exhaustivas y excluyentes Las imágenes propuestas son claras y apropiadas Respecto a la Secuencia ECBI Focalización Las actividades de focalización centran la atención de la o el estudiante en la temática a investigar o tratar. Las actividades de focalización recogen las ideas previas de las y los estudiantes La actividad de focalización plantea una situación problemática contextualizada La actividad propuesta incentiva el debate grupal y de ideas, que luego comparten con el curso. La situación – problema presentado es coherente con los objetivos de aprendizajes y actividades planificadas. Las actividades posibilitan que las y los estudiantes problematicen los contenidos a tratar, para motivar el trabajo posterior. Exploración Las preguntas planteadas ponen a prueba las ideas previas de las y los estudiantes, de manera de utilizar el desajuste cognitivo para generar el conocimiento. Las actividades diseñas son coherentes y concordantes

~ 71~

con los objetivos de aprendizaje. El diseño de las actividades considera la puesta a prueba de las ideas previas de las y los estudiantes, de manera que genera un desequilibrio en su estructura de pensamiento, que permita la reestructuración de su conocimiento y la introducción de un nuevo conocimiento. Considera la actividad, la disponibilidad de materiales para su ejecución. Contraste Se da la instancia para el análisis grupal de los resultados obtenidos La actividad propuesta permita la puesta en común de los resultados y análisis a nivel curso. La actividad propuesta permite introducir definiciones y/o nuevo conocimiento por parte de la o el docente. La

guía

permite

que

las

definiciones

y

nuevo

conocimiento introducido, se vinculen con la experiencia realizada. Aplicación La guía presenta actividades que permitan transferir el nuevo

conocimiento

problemáticas

adquirido,

cotidianas,

pero

a

situaciones

diferentes

a

los

investigados. La guía presenta preguntas que permitan a resolución de problemas vinculados con la temática. Las actividades planteadas hacen acento en el análisis de fenómenos, subordinando el cálculo solo como una herramienta de análisis.

~ 72~

Observaciones Generales: ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Nombre del evaluador: Institución: Fecha: Agradecemos su participación y colaboración. Angélica Diaz Fuentes, Rodrigo Jeraldo Romero & Andreas Tapia Lorca

~ 73~

4.2 Resultados de la aplicación de la Escala de Apreciación A continuación se adjuntan los resultados obtenidos al aplicar la Escala de Apreciación en las guías propuestas para el uso de los sensores, generador de frecuencia y LED RGB, con la secuencia ECBI y enfoque CTS. Dicha Escala de Apreciación fue aplicada por docentes de distintas instituciones educativas. De las evaluaciones realizadas por las y los docentes, se asignó el valor correspondiente a cada indicador, de 1 a 5, de acuerdo a los criterios establecidos desde un comienzo en la Escala de Apreciación. Bajo la perspectiva de esta evaluación, se determinó el promedio de aprobación de las guías y, junto con esto, el porcentaje asignado. Se considera que una guía está aprobada, cuando el promedio de la calificación obtenida es igual o superior a 4 (se considera que el evaluador, está de acuerdo con el indicador). Las tablas y gráficos que siguen a continuación, se construyeron en base a las escalas de apreciaciones que se encuentran en el Anexo 10, de este trabajo.

~ 74~

Sensor de flexión

Generador de frecuencias Guía Indicadores Guía 1 Guía 2 Guía 3 Guía 4 Guía 5 Guía 6 Guía 7 Guía 8 9 Pertinencia en la Guía Las etapas son capaces de lograr las 5 5 5 5 5 5 5 5 5 habilidades propuestas Sensor de temperatura LM35

LED RGB Guía 10

x 5

5

No se muestran actividades innecesarias

5

5

5

4

4

5

5

5

5

5

4,8

Se hace uso correcto de las TIC

5

5

4

5

5

5

5

5

5

5

4,9

Se incluyen adecuadamente las ecuaciones acorde al tema

5

5

NO

NO

NO

NO

NO

5

NO

NO

5

Se incluyen las fórmulas acorde al nivel

5

5

NO

NO

NO

NO

NO

5

NO

NO

5

5,00

5,00

4,67

4,67

4,67

5,00

5,00

5,00

5,00

5,00

100%

93%

93%

93%

100%

100%

100%

100%

100%

Promedio

Porcentaje 100%

Tabla 3: Evaluación de pertinencia

~ 75~

Guía 1 Guía 2 Guía 3 Guía 4 Guía 5 Guía 6 Guía 7 Guía 8 Guía 9

Guía 10

Factibilidad

X

Los materiales propuestos son accesibles

3

3

4

5

5

4

4

4

5

4

4,10

Existen espacios adecuados para el desarrollo de la guía

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

El tiempo propuesto para realizar la guía es el apropiado

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

4,50 90%

4,50 90%

4,75 95%

5,00 100%

5,00 100%

4,75 95%

4,75 95%

4,75 95%

5,00 100%

4,75 95%

La guía se puede abordar como actividades complementarias de los contenidos propuestos Promedio Porcentaje

Tabla 4: Evaluación de Factibilidad

~ 76~

Guía 1 Guía 2 Guía 3 Guía 4 Guía 5 Guía 6 Guía 7 Guía 8 Guía 9

Guía 10

Claridad

X

Las instrucciones y procedimientos propuestos en la guía, son claros y precisos

5

5

5

5

5

5

5

5

5

4

4,90

Se hace buen uso de vocabulario científico

5

5

5

5

5

5

5

5

5

4

4,90

Las preguntas de evaluación propuestas son exhaustivas y excluyentes

5

5

4

5

5

5

5

4

5

4

4,70

Las imágenes propuestas son claras y apropiadas

5

5

5

4

4

5

5

NO

NO

5

4,75

5,00 100%

4,75 95%

4,75 95%

4,75 95%

5,00 100%

5,00 100%

4,67 93%

5,00 100%

4,25 85%

Promedio 5,00 Porcentaje 100%

Tabla 5: Evaluación de Claridad

~ 77~

Guía 1 Respecto a la Secuencia ECBI

Guía 2

Guía 3

Guía 4

Guía 5

Guía 6

Guía 7

Guía 8

Guía 9

Guía 10

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

4

5

5

4

4

5

4

5

4

5

4,50

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

5

5

5

5

5

5

5

3

3

5

4,60

La situación – problema presentado es coherente con los objetivos de aprendizajes y actividades planificadas.

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

Las actividades posibilitan que las y los estudiantes problematicen los contenidos a tratar, para motivar el trabajo posterior.

5

5

4

5

5

5

5

5

5

5

4,90

Focalización Las actividades de focalización centran la atención de la o el estudiante en la temática a investigar o tratar. Las actividades de focalización recogen las ideas previas de las y los estudiantes La actividad de focalización plantea una situación problemática contextualizada La actividad propuesta incentiva el debate grupal y de ideas, que luego comparten con el curso.

Promedio general “Focalización” 4,83 Tabla 6: Evaluación de la etapa de focalización – ECBI

~ 78~

Exploración Las preguntas planteadas ponen a prueba las ideas previas de las y los estudiantes, de manera de utilizar el desajuste cognitivo para generar el conocimiento.

5

5

4

5

5

5

4

5

5

4

4,70

Las actividades diseñas son coherentes y concordantes con los objetivos de aprendizaje.

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

El diseño de las actividades considera la puesta a prueba de las ideas previas de las y los estudiantes, de manera que genera un desequilibrio en su estructura de pensamiento, que permita la reestructuración de su conocimiento y la introducción de un nuevo conocimiento.

5

5

5

5

5

5

5

4

4

5

4,80

Considera la actividad, la disponibilidad de materiales para su ejecución.

5

5

5

5

5

5

5

4

4

4

4,70

Promedio general “Exploración” 4,80 Tabla 7: Evaluación etapa exploración – ECBI

~ 79~

Contraste Se da la instancia para el análisis grupal de los resultados obtenidos La actividad propuesta permita la puesta en común de los resultados y análisis a nivel curso. La actividad propuesta permite introducir definiciones y/o nuevo conocimiento por parte de la o el docente. La guía permite que las definiciones y nuevo conocimiento introducido, se vinculen con la experiencia realizada.

5

5

4

5

5

5

4

3

3

4

4,30

5

5

4

5

5

5

4

4

3

4

4,40

5

5

5

5

5

5

5

5

4

5

4,90

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5,00

Promedio general “Contraste” 4,65 Tabla 8: Evaluación etapa de Contraste – ECBI

~ 80~

Aplicación La guía presenta actividades que permitan transferir el nuevo conocimiento adquirido, a situaciones problemáticas cotidianas, pero diferentes a los investigados. La guía presenta preguntas que permitan a resolución de problemas vinculados con la temática. Las actividades planteadas hacen acento en el análisis de fenómenos, subordinando el cálculo solo como una herramienta de análisis.

5

5

5

5

5

5

5

4

4

5

4,80

5

5

5

5

5

5

5

3

4

5

4,70

5

5

5

5

5

5

5

4

5

5

4,90

Promedio general “Aplicación” 4,80 Tabla 9: Evaluación etapa de Aplicación - ECBI

~ 81~

Guía 1

Guía 2

Guía 3

Guía 4

Guía 5

Guía 6

Guía 7

Guía 8

Guía 9

Guía 10

Promedio, respecto a “Pertinencia, Factibilidad y Claridad”, por guía.

4,83

4,83

4,72

4,81

4,81

4,92

4,92

4,81

5,00

4,67

Promedio, respecto a la secuencia ECBI, por guía.

4,96

5,00

4,77

4,96

4,96

5,00

4,77

4,27

4,27

4,75

Tabla 10: Promedios generales respecto a cada guía

Promedios generales respecto a cada guía 5,20

Promedios

5,00 4,80

4,60 4,40 4,20 4,00

3,80

Guía 1

Guía 2

Guía 3

Guía 4 Guía 5

Guía 6 Guía 7

Promedio, respecto a “Pertinencia, Factibilidad y Claridad”, por guía.

4,83

4,83

4,72

4,81

4,81

4,92

4,92

4,81

5,00

4,67

Promedio, respecto a la secuencia ECBI, por guía.

4,96

5,00

4,77

4,96

4,96

5,00

4,77

4,27

4,27

4,75

Gráfico 1: Promedios Generales respecto a cada guía

~ 82~

Guía 8 Guía 9 Guía 10

Promedios Pertinencia, Factibilidad y Claridad, por guía. 5,20 5,00

Promedio

4,80 4,60 4,40 4,20 4,00 3,80

Guía 1

Guía 2

Guía 3

Guía 4

Guía 5

Guía 6

Guía 7

Guía 8

Guía 9

Guía 10

Pertinencia

5,00

5,00

4,67

4,67

4,67

5,00

5,00

5,00

5,00

5,00

Factibilidad

4,50

4,50

4,75

5,00

5,00

4,75

4,75

4,75

5,00

4,75

Claridad

5,00

5,00

4,75

4,75

4,75

5,00

5,00

4,67

5,00

4,25

Gráfico 2: Promedios Pertinencia, Factibilidad y Claridad

~ 83~

4.3 Análisis de los resultados A nivel general, podemos señalar que las guías en su totalidad fueron aprobadas por parte de las y los docentes que las evaluaron. Esto se puede observar en la tabla 10, en la cual los promedios de los puntajes obtenidos, son sobre 4 (de un máximo de 5), siendo 4,27 el valor más bajo obtenido y de acuerdo a los criterios de claridad, factibilidad, claridad y secuencia ECBI, la guía se considera aprobada, si el promedio de los ítems (parámetros) es igual o superior a 4. Los resultados anteriores, indican que las guías propuestas pueden ser aplicadas en el contexto de una sala de clase chilena, bajo los lineamientos del Marco Curricular vigente en nuestro país. Los datos muestran las distintas evaluaciones hechas a las guías propuestas, las cuales evidencian el tipo de institución en la que trabajan las y los docentes, como también el tipo de formación académica que éstos poseen; además del interés que pudiesen presentar en el uso de tecnologías y dispositivo electrónicos, como lo son la plataforma Arduino UNO y el uso sensores y componentes electrónicos, dentro de la sala de clases. Si se hace un análisis respecto a los distintos ítems evaluados con la Escala de Apreciación, el ítem de Factibilidad resultada peor evaluado. Si analizamos cada uno de los indicadores que componen este ítem, el indicador con peor evaluación, corresponde al que tiene relación con la accesibilidad de los materiales propuestos. Esto puede deberse al poco conocimiento que tiene el profesorado respecto al uso de tecnologías y componentes electrónicos dentro de la sala de clase, como también a la creencia que dichos componentes electrónicos son de alto valor monetario y difícil acceso. Lo anterior posee una relación directa con el hecho de que las tecnologías se han ido incorporando más rápidamente al uso diario, sin embargo la formación de las y los profesores

~ 84~

de generaciones pasadas quizás no incluyen una enseñanza en el uso de tecnologías de la información en la sala de clases y por lo tanto ven al tema como algo ajeno a ellos. A pesar de lo anterior, cabe señalar que este ítem fue evaluado por las y los docentes, con más del 80% de aprobación por parte de éstos. Si se mira el ítem con mejor evaluación, se podrá evidenciar que el ítem relacionado con la secuencia de enseñanza ECBI, es la que tiene mejor aprobación entre las y los docentes. Es decir, la propuesta didáctica que se presenta, cumple con la metodología indagatoria de las ciencias. Además el desarrollo y diseño de las guías propuestas dentro de este trabajo, dado su grado de aprobación, pueden servir de ejemplo para crear guías de otro tipo de contenidos en física que quieran incluir la metodología ECBI, ya sea incluyendo o no en estas, elementos de tecnologías de la información. Es importante que se visualice que cada una de las guías, fue valida por un solo docente, por lo que no se tiene un espacio muestral necesario, para poder realizar un análisis de datos más complejo.

~ 85~

CAPÍTULO V: REFLEXIONES 5.1 Alcance y Limitaciones Las actividades propuestas, están diseñadas para estudiantes de educación media, sin embargo, no impide que la o el docente de la asignatura pueda elaborar sus propias actividades con el uso de los distintos recursos electrónicos que aquí se presentan, ya que se trabajó un con software y hardware libre. Además este trabajo puede utilizarse como guía para otros trabajos o bien la creación de otros programas para el manejo de otro tipo de sensores. Estas actividades también pueden ser realizadas en un taller de ciencia extra programática, en vez de las clases lectivas planificadas por la o la docente. Las guías, no están propuestas en un orden específico, es decir, no siguen un orden secuencial, de manera que permite que estas sean utilizadas en forma individual e independiente al resto de las actividades, sin que estas se vean afectadas por la ausencia o utilización previa de otra guía. El diseño de esta propuesta didáctica, fue confeccionado para que el desarrollo de las guías se realizara en forma grupal, basándose no solo en los Objetivos Fundamentales Verticales y los Contenido Mínimos Obligatorios, sino que también en los Objetivos Fundamentales Transversales, propuestos en el Marco Curricular del año 2009. Además, se consideró el Plan de Estudios vigentes para el subsector de Física (2 horas pedagógicas), para el diseño de las actividades propuestas. A pesar de que la implementación de la propuesta, pueda bordear los 40.000 CLP, es importante considerar que este valor es para la propuesta en su totalidad y no se debe gastar dinero para desarrollar cada una de las guías aquí presente de forma independiente. La compra del kit electrónico hace posible la implementación de cada una de las guías que aquí se presentan, como también

~ 86~

cada una de las actividades que la o el docente pueda crear, de acuerdo a las habilidades y conocimientos que posea el estudiantado con el cual trabaja. La implementación de esta propuesta no solo aborda el desarrollo de habilidades relacionadas con la experimentación, sino que también el uso de Tecnologías de las Información que no necesariamente están relacionadas con el uso de Internet, videos, audio, aplicaciones web, entre otras.

5.2 Conclusiones Este seminario tuvo como objetivo ensamblar sensores, emisores de luz y de sonidos, basados en la programación de microcontroladores y diseñar estrategias didácticas que permitieran el uso de dichos sensores. Esto se consiguió mediante la construcción de manuales de ensambles y programación, confección de guías de trabajo para las y los estudiantes, usando la metodología indagatoria ECBI y el enfoque CTS, con las respectivas orientaciones al docente. Los contenidos del Currículum que aborda la propuesta didáctica, con el uso de sensores y emisores, van desde los temas relacionados con la Luz y Sonido en primero medio, como también los contenidos relacionados con Temperatura (en segundo medio) y los temas relacionados con Torque y Empuje (Tercero Medio), en los que se hace necesario el uso de ciertos dispositivos tecnológicos y electrónicos, para la toma de datos u observar fenómenos específicos, para lograr una mejor comprensión de éstos. Los manuales confeccionados para el montaje de los diferentes dispositivos electrónicos y programación de éstos, no sólo apuntan a la formación del profesorado, sino que además pueden ser utilizados por estudiantes de educación media, que tengan habilidades sobresalientes en el uso de tecnologías (electrónica y programación), o bien, ser utilizados en talleres de ciencias.

~ 87~

Respecto a las guías propuestas en este seminario de grado, se puede señalar que son un ejemplo de las actividades que se pueden realizar con el uso de los dispositivos electrónicos mostrados en este trabajo. Los contenidos de las guías, permiten al estudiantado reconocer la presencia de fenómenos físicos en situaciones de la vida cotidiana, identificando las ideas previas que se pudieran tener al respecto, para que con la experimentación y el contraste de resultados, puedan dar explicaciones correctas a las situaciones planteadas. Dado lo anterior, se puede decir que ésta propuesta didáctica contribuye a la inserción de las TIC en la sala de clase, al desarrollo de habilidades de pensamiento científico y a la alfabetización científica. Respecto a la consulta a las y los docentes, sobre las guías confeccionadas, se hizo con la finalidad de poder dar sustento al trabajo realizado, como también hacer un mapeo de lo qué piensan las y los docentes, respecto a la inserción del tipo de tecnologías propuestas en este seminario. Los resultados obtenidos (pueden ser observados en el capítulo 4), nos muestran que son coherentes respecto a lo propuesto en un comienzo en este trabajo. También se puede evidenciar que las profesoras y los profesores, consideran de dichas actividades, con los sensores y emisores son posibles de implementar en una sala de clases, siempre y cuando se cuente con los materiales necesarios para aquello. El hecho de que el acceso a los materiales, tuviera una de las calificaciones más bajas, se podría deber a que el profesorado no está habituado al uso de dichas tecnologías, por cierto temor al incorporarlas, o simplemente por no saber en qué lugares se podrían obtener los dispositivos tecnológicos mencionados en este seminario. A partir de la opinión entregada por las y los profesores, se pueden reafirmar ciertos criterios adoptados en la elaboración de las guías y los manuales orientados al docente, reconociendo que el uso de este tipo de dispositivos, como sensores y emisores, es una propuesta innovadora e

~ 88~

integradora de las habilidades de pensamiento, acercando situaciones científicas cotidianas, al lenguaje de las y los estudiantes. Sin embargo, hay que reconocer que algunas guías, se deben modificar en pos de lograr una mejora de los porcentajes de aprobación en el material confeccionado. Respecto a las interrogantes plateadas al inicio de este seminario, podemos señalar que la forma en que se puede incorporar el uso de microcontroladores y sensores en la enseñanza de la física, es mediante la experimentación, con el uso de la secuencia de indagatoria ECBI. 5.3 Proyecciones de la propuesta La propuesta didáctica que se presentó, no apunta a cambiar la forma de hacer ciencias en la sala de clases, ni menos cambiar el sistema educacional de nuestro país, sino que apunta a entregar una herramienta para profesoras y profesores, interesadas en insertar este tipo específico de tecnologías en la sala de clases y desarrollar actividades relacionadas con el tema. Dado que este seminario sólo hace una propuesta de didáctica, debido a problemas temporales, se sugiere que otro grupo de personas tome esta propuesta y analice cómo las habilidades de pensamiento científico se ven influenciadas por el uso de este tipo de tecnologías en la sala de clases. Se propone, aunque de forma muy ambiciosa, integrar poco a poco esta propuesta en diferentes establecimientos educacionales, para acercar la electrónica y la programación a las y los estudiantes, dando un énfasis en los aspectos físicos que esto pueda involucrar. Además se hace necesario, apoyar a las y los docentes, mediante capacitaciones o tutorías, para poder orientar en las diferentes dificultades o confusiones, que el uso de estas tecnologías podría conllevar.

~ 89~

Es importante mencionar, que la incorporación de microcontroladores y sensores, en el desarrollo de actividades experimentales, tanto en la sala de clases, como en los talleres de ciencias, permite la apertura a otros campos de las ciencias, que ha ido creciendo en los últimos años como lo es la robótica o la automática.

~ 90~

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ANEXO 1: Programa del sensor de temperatura. El programa utilizado para el manejo del sensor de temperatura es el siguiente // Programa para el sensor de temperatura LM35 el cual arroja valores a 3 display de 7 segmentos // Programa creado para display de cátodo común // Para display de ánodo común se deben cambiar en el arrayseven_seg_digits los 1 por 0 y los 0 por 1 // 1 = LED on, 0 = LED off, en este orden: // Arduino pin: 2,3,4,5,6,7,8 longinc=A0; // Se declara la variable inc la cual tendrá el valor de voltaje de la entrada analógica A0 de la placa Arduino int val=0; // Se declara una variable val con un valor igual a 0 int j=40; // Se declara una variable j con un valor igual a 40 byte seven_seg_digits[10][7] = { { 1,1,1,1,1,1,0 }, // = 0 { 0,1,1,0,0,0,0 }, // = 1 { 1,1,0,1,1,0,1 }, // = 2 { 1,1,1,1,0,0,1 }, // = 3 { 0,1,1,0,0,1,1 }, // = 4 { 1,0,1,1,0,1,1 }, // = 5 { 1,0,1,1,1,1,1 }, // = 6 { 1,1,1,0,0,0,0 }, // = 7 { 1,1,1,1,1,1,1 }, // = 8 { 1,1,1,0,0,1,1 } // = 9 }; // { a,b,c,d,e,f,g }