Aleph

 

El aprendizaje basado en proyectos y el aprendizaje de conceptos de calor y temperatura mediante aplicaciones en cerámica

 

Project-based learning and the learning of concepts of heat and temperature through ceramics

 

Mario Humberto Ramírez Díaz y José Luis Santana Fajardo^*

 

Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Legaria, Instituto Politécnico Nacional.

* Escuela Preparatoria de Tonalá, Universidad de Guadalajara.

 

Recibido: 27/05/2014.
Aceptado: 20/11/2014.

 

Resumen

Además de contribuir a la difusión del conocimiento científico y tecnológico, el Bachillerato Tecnológico en Cerámica se creó con el objetivo de preservar la cultura mediante esta actividad humana, debido a que Tonalá es un importante centro alfarero a escala mundial. El diseño de una secuencia didáctica que toma como base el aprendizaje basado en proyectos (ABP) y propone la solución de un problema centrado en la cerámica es parte importante de esta investigación. Por tanto, además de las fases del diseño del test se presentan de manera general las fases del trabajo que seguirán los estudiantes durante el desarrollo de sus proyectos. El presente artículo muestra que el ABP es una alternativa plausible para los cursos de física. Para demostrar su utilidad es necesario evaluar su incidencia en el logro del aprendizaje de conceptos de física.

Palabras clave: Aprendizaje activo, aprendizaje basado en proyectos, aprendizaje situado, artesanías, bachillerato tecnológico, cultura, enseñanza de la física.

 

Abstract

In addition to contributing to the spread of scientific and technological knowledge, the Technological Associates’ Degree Program in Ceramics was created in order to conserve culture through this human activity given that Tonalá is an important pottery center at the global level. An important part of this study is the design of a didactic sequence that uses the project-based learning (PBL) as its foundation and proposes the solution based on a problem centered on ceramics. Therefore, in addition to the phases of the test design, we present the general phases of the work design that students followed during the development of their projects. The current paper shows that PBL is a plausible alternative to physics courses. To demonstrate its utility, it is necessary to evaluate its impact on the successful learning of physics concepts.

Keywords: Active learning, project-based learning, situated learning, handicrafts, technological associates’ degrees, culture, physics instruction.

 

Introducción

La alfarería ha desempeñado, a lo largo de la historia, un papel protagónico en cuanto al progreso de la humanidad se refiere, ya que esta actividad es el reflejo del desarrollo tecnológico de una época determinada y produce objetos bellos en sí mismos (Cooper, 1987). Tanto en su vertiente utilitaria como en la expresiva la actividad del ceramista combina habilidades científicas, tecnológicas y artísticas. Producir una pieza requiere la convergencia de conocimientos (no necesariamente formales) en química, física y estética, dado que es necesario conocer los efectos que la combinación de arcillas, feldespatos y carbonatos tienen en la formación de cuerpos y vidriados cerámicos; los efectos que la combinación de óxidos y su interacción con las atmósferas del horno tienen en el color final; y los efectos de la combinación de colores y formas en la apreciación de la pieza por parte del posible observador o comprador. Así lo resume David Hamilton (1989) y apunta que las formas y calidades de los objetos cerámicos de uso doméstico y de los artículos de elevada tecnología hechos industrialmente son una influencia en el trabajo de algunos creadores de cerámica artística.

El contexto sociocultural de la Preparatoria de Tonalá de la Universidad de Guadalajara (UDG) exige que se aborden temas relacionados con la actividad ceramista, toda vez que esta región constituye un centro alfarero de impacto internacional, como lo atestigua Aceves (1998) al mencionar que el reconocimiento nacional e internacional del barro tonalteca se debe a su variedad, su calidad, sus cualidades utilitarias y su decoración.

 

Marco teórico

Aprendizaje basado en proyectos y aprendizaje activo como alternativa a la enseñanza tradicional de la física

El aprendizaje de las ciencias es parte esencial de la formación de todo individuo para que se desarrolle de manera satisfactoria en el contexto globalizado actual. El componente científico tecnológico determina la manera en que un país se inserta en el sistema comercial global. Por tanto, las políticas que permitan el desarrollo científico y tecnológico de los países son prioritarias para que puedan crecer (Gil y Guzmán, 1993).

Espejo y colaboradores (2010) destacan que los conocimientos de ciencias y matemáticas de los alumnos de países como Brasil, Argentina y México están entre los más bajos del mundo. De acuerdo con esto, es de particular importancia mejorar la comprensión y el dominio de los conceptos de la física. En relación con lo anterior, Meza y Zamorano (2007) en su ponencia "El desafío de innovar en la enseñanza de la física: ejemplo de una implementación exitosa", presentada en el XXI Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, subrayan que entre 1980 y 2000 se acumuló evidencia que apunta a la ineficacia de los métodos tradicionales de enseñanza para promover el entendimiento de los conceptos de la física. Asimismo, señalan que los niveles de aprendizaje conceptual mejoran notablemente al incorporar algunas de las prácticas que se emplean en la investigación de esta ciencia experimental. Por otro lado, Benítez y Mora (2011) mencionan que la baja efectividad de la enseñanza tradicional de la física expone la necesidad de un cambio en el tipo de enseñanza.

Como ejemplo de alternativas exitosas para complementar la enseñanza tradicional están el aprendizaje activo de la física y el aprendizaje basado en proyectos. A continuación se ofrecen datos, que no pretenden ser exhaustivos, acerca de cada uno de ellos.

Los estudios en los que se compara la enseñanza por transmisión/recepción (tradicional) con otros métodos sugieren que ésta es escasamente efectiva para lograr un aprendizaje conceptual aceptable de la física, porque permite la permanencia de preconcepciones erróneas. Benítez y Mora (2011) proponen el aprendizaje activo de la física como alternativa al método de la transmisión/recepción, debido a que los estudiantes desarrollan una mayor comprensión y habilidad para adquirir conocimientos con el primero. Por su parte, Meza y Zamorano (2007) mencionan que en los cursos de física basados en métodos de enseñanza activa se obtienen mayores resultados que en los cursos tradicionales, ya que incluyen el uso de técnicas de enseñanza basadas en la investigación y en datos empíricos en lugar de anécdotas.

Cameratti y Escobar (2007) definen el aprendizaje activo como cualquier método de enseñanza que compromete y asigna una responsabilidad a los estudiantes en su proceso de aprendizaje. En relación con la física, Benítez y Mora (2011) definen el aprendizaje activo como un conjunto de estrategias y metodologías para la enseñanza y el aprendizaje de esta materia que guía a los alumnos para que construyan su conocimiento mediante observaciones directas del mundo físico.

Por otro lado, el aprendizaje basado en proyectos (ABP) ofrece una oportunidad para lograr conocimientos significativos mediante la resolución de situaciones en el campo profesional del ceramista. Dado que el ABP es un método de enseñanza y aprendizaje con el que los estudiantes realizan un proyecto en un tiempo determinado para resolver un problema real, no simulado, que deja las soluciones abiertas (Miguel, 2005) resulta viable aplicarlo en el aprendizaje de la física.

Con relación al uso de problemas situados en la actividad cerámica Díaz Barriga (2003), bajo la premisa de que el conocimiento es parte de la actividad, el contexto y la cultura en que se desarrolla y utiliza, apunta que la enseñanza situada destaca la importancia de la actividad y el contexto para el aprendizaje, entendido este último como un proceso de enculturación para los estudiantes.

El propósito del presente estudio es conocer la ganancia del aprendizaje de los conceptos de calor y temperatura aplicados en la cerámica tradicional mediante el uso del aprendizaje basado en proyectos, así como la diferencia de ganancia en el aprendizaje de estos conceptos de termodinámica entre los métodos de transmisión/recepción y de aprendizaje basado en proyectos aplicados a problemas del ámbito de la cerámica tradicional.

 

Aprendizaje basado en proyectos y enseñanza situada en cerámica como propuesta para el aprendizaje de la física

La actividad productiva que da renombre a la comunidad tonalteca está en el terreno de la manufactura de artículos artesanales. De éstos, la cerámica es la más representativa, no sólo por su utilidad, sino por su carácter artístico, pues los alfareros cuentan con técnicas de producción y decoración de gran calidad expresiva.

El Bachillerato Tecnológico en Cerámica (BTC) surgió en respuesta a la necesidad de formar individuos con sólidos conocimientos en ciencia y tecnología aplicados a la cerámica tradicional. Por tal motivo es necesario contar con un método de enseñanza y aprendizaje que garantice la aprehensión y/o el fortalecimiento de los conceptos de física. Para garantizar que los diversos campos disciplinarios apoyen al desarrollo de las competencias profesionales en el Bachillerato Tecnológico en Cerámica es necesario que todas las prácticas educativas se manejen como enseñanza situada (Díaz, 2003).

El aprendizaje basado en proyectos es un método que le da una gran importancia al proceso de investigar alrededor de un tópico para resolver problemas complejos a partir de soluciones abiertas, o bien al proceso de abordar temas difíciles que permitan la generación de conocimiento nuevo (De Miguel, 2005). Lo anterior lo hace compatible con la enseñanza de la física centrada en problemas del ámbito de la cerámica. En el cuadro 1 se resume lo que se ha expuesto hasta aquí y se sustenta la viabilidad del uso combinado del ABP como aprendizaje activo y la cerámica tradicional para la enseñanza de conceptos de la física.

Así surgió la propuesta de abordar los conceptos de la física por medio de proyectos contextualizados en la actividad de la cerámica. En consecuencia, cabe preguntarse lo siguiente: ¿qué impacto ejerce el método ABP en el aprendizaje de conceptos de calor y temperatura, por parte de estudiantes del Bachillerato Tecnológico en Cerámica, si se abordan a partir de sus aplicaciones en la cerámica tradicional? En cuanto a los estudiantes de la Preparatoria de Tonalá: ¿en qué difiere el logro del aprendizaje de los conceptos de calor y temperatura si se abordan mediante sus aplicaciones en la cerámica tradicional por medio del ABP, o si se hace con el método de transmisión/recepción?

La respuesta a estas interrogantes se basa en las consideraciones que se mencionaron durante el desarrollo de la presente sección. Así, al ser una estrategia que comparte muchas similitudes con el aprendizaje activo se espera que la utilización de una metodología que incluye problemas contextualizados en cerámica tradicional mediante el ABP generará mayor ganancia conceptual promedio en el aprendizaje de los conceptos de calor y temperatura, en comparación con el aprendizaje logrado con un método de transmisión/recepción.

 

Relación entre la cerámica y la física

Para el ejercicio de su profesión un tecnólogo en cerámica necesita considerar las aplicaciones de la física en la cerámica. Si se toma como base la definición de cerámica presentada por Morales Güeto (2005, p. XVIII), en la que menciona que un producto cerámico es "cualquier manufacturado, esencialmente compuesto de materia sólida, inorgánica, no metálica, conformada en frío y consolidada por el calor", se advierte lo expuesto en líneas precedentes. Para nuestro estudio cobra especial importancia la parte relacionada con el calor, ya que al ser el medio de consolidación de los productos es de vital importancia para el profesionista que conozca los conceptos relacionados con él y sus efectos sobre las sustancias.

Así, para diseñar un producto cerámico se debe tomar en cuenta el uso que se le va a dar al artefacto, pues ello determina la temperatura a la que se debe hornear, el tipo de cubierta vítrea que se aplicará, la dilatación del cuerpo y la cubierta y la capacidad calorífica; también habrá que analizar los cambios de fase, para comprender la transformación de los cuerpos y vidriados.

Además, el horneado es la parte medular del proceso de producción cerámico, pues en esta etapa se consolidan todos los cambios y éstos son prácticamente irreversibles. Por tal motivo es necesario conocer cómo ocurre la transferencia de energía calorífica dentro del horno, cuál es el comportamiento de los gases calientes dentro del mismo, cuál es la conductividad térmica de los materiales que se usarán como aislantes. Con esta información el tecnólogo puede estimar la cantidad de combustible necesaria para aprovechar mejor el equipo y los insumos utilizados.

 

Metodología

La investigación se centra en buscar la ganancia conceptual promedio en el aprendizaje de los conceptos de calor y temperatura. Para encontrarla se lleva a cabo una investigación cuantitativa con un método semiexperimental, debido a que los grupos del Bachillerato Tecnológico en Cerámica se forman por medio de mecanismos de ingreso que están fuera del control del personal docente.

Para la evaluación del aprendizaje de conceptos se optó por el diseño de un instrumento propio, por el carácter único del bachillerato en la república mexicana.

Las fases de la investigación comprendieron:

 

Diseño del test para medir el aprendizaje de los conceptos de calor y temperatura

Durante esta fase se aplicaron 53 cuestionarios y se entrevistó a 17 estudiantes de la Preparatoria de Tonalá, para conocer sus ideas respecto de los conceptos de calor y temperatura, así como de las formas de transmisión del calor y los efectos de éste sobre las sustancias. Lo anterior se hizo para poder diseñar los ítems y distractores del test.

 

Validación del test

En esta etapa del trabajo se sometió el instrumento diseñado a la revisión de expertos, con la finalidad de conocer la validez del mismo y recibir retroalimentación al respecto. Posteriormente, se aplicó una versión beta del test, lo que nos dio información para calcular el factor de concentración (C) y realizar las curvas IRC. Lo anterior nos sirvió para calibrar el cuestionario y, en caso de que fuera necesario, hacer una adecuación posterior del test.

 

Diseño de secuencia didáctica que involucre el ABP y aborde problemas relacionados con la cerámica tradicional

Esta fase no necesariamente debe supeditarse a las dos anteriores; es decir, que puede desarrollarse paralelamente a ellas. Para tal efecto es necesario identificar el tema que será usado para aplicar la secuencia. En este caso, se partió de un problema que involucra el cálculo de la conductividad térmica de una muestra cerámica en el que se pide a los estudiantes que diseñen un experimento para tal efecto. Los productos a generar en esta etapa son: un protocolo para el desarrollo del proyecto, un informe parcial, un informe final y la presentación electrónica del mismo. Las fases consideradas para el desarrollo de la secuencia didáctica son:

• Información y planificación. Para desarrollar su proyecto los estudiantes definen las necesidades de información a partir de la respuesta por escrito de las preguntas: ¿qué debo saber para resolver este problema?, ¿qué etapas o pasos debo seguir para hacerlo? Las respuestas se consensúan en sesión grupal para recibir retroalimentación de los compañeros. Una vez definido lo anterior se procede con la elaboración de un cronograma de trabajo que incluya las etapas definidas anteriormente. Se les propone material de consulta, para que lo tomen como referencia teórica que fundamente su diseño; dicho material consta de siete fuentes. Finalizada la consulta, los estudiantes redactan un protocolo con la fundamentación de su experimento. Esto lo hacen con la ayuda de dos guías para redacción de proyectos. El alumno expone este protocolo al interior del grupo, de modo que reciba retroalimentación por parte del profesor y de sus compañeros.

• Implementación. Los estudiantes ejecutan el proyecto, preparan muestras, toman y analizan datos, levantan bitácoras que servirán para la redacción de un informe parcial que será presentado ante el grupo. A partir de la puesta en marcha del proyecto los estudiantes ejecutan el experimento y entregan un informe final que será redactado con la ayuda de material de consulta propuesto por el docente.

• Evaluación. El informe se presenta a la comunidad del centro educativo con el apoyo de medios electrónicos.

La evaluación continua del curso se hará mediante rúbricas y listas de cotejo. Cabe mencionar que, además del producto final, durante las fases de trabajo será necesaria la entrega de otros productos, reportes de lectura o bitácoras como evidencia del proceso seguido por el estudiante. Los criterios de desempeño se presentan en el cuadro 2.

Estos criterios son los que se toman en cuenta para diseñar las rúbricas que determinan las características deseadas de los productos a obtener.

Las sesiones presenciales se distribuyen en tres horas por semana. Al inicio del trabajo los estudiantes pueden elegir a un asesor externo al grupo, que puede ser un miembro del cuerpo de docentes del plantel o algún socio que decida unirse al proyecto. En caso de ser asesores que estén fuera de la localidad, la comunicación se realiza vía Internet, lo cual promueve aún más el uso de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC). Esto se hace con la intención de que los alumnos obtengan la orientación necesaria a partir de varias fuentes.

 

Aplicación de un pretest y un postest a un grupo de tercer ciclo del Bachillerato Tecnológico en Cerámica

La aplicación se hace durante una de las sesiones de trabajo y el aplicador es el docente a cargo del grupo, por lo que no se necesita un recinto especial para tal efecto.

 

Comparación de resultados contra los que se consideran de baja ganancia (g<0.3) por medio del factor de Hake

El factor de Hake explica la ganancia en el aprendizaje de conceptos, por tanto, es un parámetro útil en este estudio. Cualquier ganancia superior a 0.3 sugiere un panorama alentador en relación con el aprendizaje de los conceptos de física y la eficacia de la metodología empleada para este fin. El test diseñado se aplica en dos momentos: el primero previo a la implementación de la secuencia didáctica y el segundo posterior a ella.

El grupo está compuesto por 45 adolescentes de 16 a 17 años de edad, proceden de comunidades urbanas cercanas al plantel y todos son alumnos del curso Termodinámica de los hornos cerámicos, que se imparte en el currículo del Bachillerato Tecnológico en Cerámica. Algunos de ellos proceden de familias con tradición ceramista (recuérdese que Tonalá, Jalisco, es un importante centro alfarero de México).

El análisis estadístico se hace con ayuda de paquetes de software de uso común, tales como hojas de cálculo y procesadores de texto, sin preferencia por alguno en particular.

 

Resultados y discusión

En el momento de la redacción del presente trabajo se había iniciado la fase del diseño del test, cuya primera etapa comprendió la aplicación de 53 encuestas y la realización de 17 entrevistas guardadas en archivos de audio. La encuesta consta de 10 preguntas abiertas, los estudiantes las contestaron de manera anónima y fueron elegidos al azar. Las respuestas han sido clasificadas y agrupadas por categorías, según su frecuencia de repetición. A continuación se presentan algunas de las respuestas dadas por los estudiantes a partir de la encuesta. Las letras a, b, c... que anteceden a las respuestas indican que fueron hechas por distintos estudiantes. Todo esto se llevó a cabo con la finalidad de obtener información para diseñar los distractores e ítems del instrumento de evaluación que se utilizará para medir la ganancia en la comprensión de conceptos de calor y temperatura.

 

1. Explica qué entiendes por calor

Ejemplos de respuestas: "a. Es la energía que tiene un cuerpo; b. Que la temperatura está elevada; c. El grado de temperatura en que está un cuerpo; d. Cierta temperatura o cierta materia (fricción)".

En primer lugar, destaca que el calor se concibe como una forma de energía, lo cual es parcialmente correcto, porque, si bien es cierto que es una forma de energía, la respuesta "a" da a entender que se trata de toda la energía de un cuerpo, cuando en realidad hay otras formas además de la mencionada. En segundo lugar, observamos que el calor se confunde con una temperatura alta, sin especificar cuánto es alto. Esta respuesta es errónea, puesto que sólo se puede hablar de calor cuando hay una transferencia de energía térmica de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura, o bien de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura en un mismo cuerpo o sustancia. En cuanto a la segunda concepción de calor, resulta claro que éste suele confundirse con temperatura. Esto supone un error, debido a que la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo e indica en qué dirección fluirá el calor, una medida de lo caliente o frío de una sustancia. Otra de las respuestas sugiere que el calor es como algún tipo de sustancia, pero, como ya fue mencionado, el calor es un tipo de energía.

 

2. Explica qué entiendes por temperatura

En primer lugar, están los que consideran que es la medición del calor, lo que se puede interpretar como una asociación entre calor y temperatura. Los ejemplos que sugieren esto son: "a. Forma de medición del calor; b. La medida del calor". En segundo lugar, se tiene una concepción de la temperatura como algún tipo de energía, por ejemplo: "c. Es la energía calorífica de un cuerpo, los grados de energía térmica que tiene algún objeto, cambio de energía". En tercer lugar, se menciona que la temperatura sólo se relaciona con los seres vivos, es decir, con la fiebre o el calor corporal. Lo anterior deriva de la expresión popular usada cuando una persona tiene una temperatura corporal mayor a 37°C: "tiene temperatura". Ejemplos de esto son las respuestas: "d. Cuando tu cuerpo se calienta y te da temperatura; e. La temperatura es nuestro calor corporal; f. Calor que adquiere un cuerpo elevando el tipo de sudoración". Cabe señalar que hubo algunas personas (11 en total) que relacionaron el concepto de temperatura con una noción de caliente o frío, lo cual es acertado, según lo expuesto anteriormente.

 

3. Explica lo que entiendes por transmisión de calor por convección

Las respuestas a la pregunta están influenciadas por el desconocimiento de la palabra convección, no la entendían. Por consiguiente, se limitaron a decir que se transfiere calor sin mencionar el mecanismo por medio del cual ocurre, que es el siguiente: el movimiento de masa en un fluido (gas o líquido), cuando el de mayor temperatura desplaza al de menor, permite la transferencia de energía térmica. Destacan las respuestas como producir calor, calor que se produce solo (tiene que ver con la anterior), se relaciona con la fricción y al transferirse de caliente a frío se convierte en tibio. Como ejemplos se obtuvieron: "a. Cuando pasa la calor [sic] de un cuerpo de mayor temperatura a menor temperatura; b. Cuando el calor se transmite de un cuerpo a otro; c. Temperatura que se transmite de un cuerpo a otro; d. Con transmisión entiendo que el calor se pasa de un cuerpo a otro; e. Es lo que transmite energía de un objeto caliente a uno frío y se convierte en tibio".

 

4. Explica lo que entiendes por transmisión de calor por radiación

Respuestas como: "a. Es cuando un cuerpo transmite calor a otro sin necesidad de cualquier tipo de contacto; b. Una energía como la pila o una batería; c. Que con la radiación se transmite calor; d. Calor que se transmite por vapor; e. Por medio de rayos invisibles" sugieren que no se tiene el concepto de onda electromagnética, sin embargo, hay una vaga idea de que se transmite mediante algún tipo de onda. Ninguno de los estudiantes menciona que la transmisión de calor por radiación se da mediante
la propagación de ondas electromagnéticas sin la necesidad de un medio. El tema de las ondas electromagnéticas rebasa los objetivos de la investigación, pero este dato puede servir para un futuro trabajo.

Destaca que se considere que sólo hay transmisión de calor por radiación del sol hacia los objetos, e incluso que el calor se pase a las personas. Una respuesta relacionada con las anteriores, pero digna de tomarse en cuenta por separado, fue la mención de que la transmisión de calor se da sin contacto. En otra respuesta importante se mencionó que un cuerpo produce calor o que la transmisión por radiación es la energía de las baterías, lo cual sugiere que se relaciona con la electricidad.

 

5. Explica lo que entiendes por transmisión de calor por conducción

Ejemplos de respuestas: "a. Por un conducto determinado; b. Calor que es transmitido por medio de un metal; c. El calor que se transmite por medio del contacto entre dos objetos; d. Que se conduce por un cuerpo hacia otro como un metal caliente que toca a uno frío".

Ésta es una de las formas de transmisión del calor más conocidas por los encuestados, puesto que se advierte una idea del mecanismo por el cual se da. En primer lugar, algunos de los encuestados consideran que el calor se transmite por un conducto, sin precisar en qué sentido ocurre ni si es necesario más de un material. En segundo lugar, se menciona que la transmisión ocurre por medio de un metal. Cabe señalar también que algunas respuestas apuntaron a que debe haber contacto entre dos cuerpos. Si recordamos que la transmisión de calor por conducción se da en materiales sólidos y que es la transferencia de energía entre cuerpos o en zonas de un mismo cuerpo, a distinta temperatura y desde la de mayor hasta la de menor temperatura, resulta que las respuestas anteriores demuestran concepciones incompletas en su mayoría.

 

6. Explica lo que entiendes por dilatación, en términos de calor y temperatura

Las respuestas más comunes tienen semejanza con: "a. El crecimiento o aumento de calor y la temperatura; b. Que un cuerpo se expande por el calor que siente en un entorno; c. Dilatación: cuando algo se expande como el hierro al calor, la dilatación es cuando estás deshidratado jijiji [sic]; d. Es cuando se dilata en cocer una pieza cerámica".

En general hay algún tipo de asociación entre el aumento de temperatura y el aumento de las dimensiones de ciertos objetos, sin embargo, hay ideas relacionadas con la cocción de objetos y el debilitamiento de personas por causa del calor (lo que puede dar indicio de que el calor se relaciona con altas temperaturas). Algunos alumnos incluso entienden el término dilatación como sinónimo de retardo, lo que no es correcto, ya que en el contexto relacionado con los conceptos de calor y temperatura es el aumento de las dimensiones de un objeto o sustancia en presencia de un aumento de temperatura.

 

7. Explica lo que entiendes por equilibrio térmico

Se obtuvieron respuestas como: "a. Es cuando las 2 temperaturas se equilibran; b. Cuando dos temperaturas comparten de su misma temperatura para que quede igual; c. Cuando dos cuerpos están en contacto y tienen la misma temperatura; d. Que la temperatura está estable; e. Al templado, ni frío ni calor; f. Que hay una igualdad de temperatura (calor y frío); g. Cuando algún objeto mantiene un equilibrio entre calor y frío".

En primer lugar, el equilibrio térmico se asocia generalmente con la igualdad de temperatura entre dos cuerpos, sin que se especifique si hay algún tipo de contacto entre ellos. En segundo lugar, se tiene una idea adecuada de equilibrio térmico: cuando dos o más cuerpos en contacto térmico igualan sus temperaturas por acción de la transferencia de energía térmica entre ellas. Otra de las respuestas interesantes fue la relacionada con la idea de un equilibrio entre frío y calor en un mismo cuerpo, lo que permite suponer que se asocia con lo tibio, templado; esto da indicios de que no se asocia el concepto de temperatura con la energía interna del material. En tercer lugar, hubo asociaciones de este concepto con la idea de una estabilidad de la temperatura, es decir, que no cambia.

 

8. Según tus conocimientos, explica, en términos de calor y temperatura, cómo se da la fusión de las sustancias

Como respuestas comunes se obtuvieron: "a. Cuando pasa de sólido a líquido y de líquido a gaseoso se evapora; b. Es cuando la sustancia pasa de sólido a líquido; c. En calor que se evaporiza y en frío que se hace hielo; d. Se evaporan debido a la alta temperatura; e. Es cuando al calentarse el bote transmite el calor a la sustancia; f. El calor por medio de moléculas y temperatura de un cuerpo a otro".

La fusión es el cambio de la fase sólida a la fase líquida por medio de la transferencia de energía térmica hacia la sustancia, lo cual provoca un aumento en la energía cinética de las partículas de la misma, que a su vez ocasiona la separación constante de sus partículas. A partir de lo anterior, el análisis de esta clase de respuestas arroja que: las del primer grupo están asociadas con el paso de sólido a líquido y se limitan a mencionar sólo eso; el segundo grupo de respuestas asocia la fusión con la evaporación. En las siguientes categorías se aprecia que los estudiantes no entendieron la pregunta, quizá desconocen la palabra fusión.

 

9. En términos de calor y temperatura, explica con tus propias palabras lo que sucede mientras una sustancia se evapora

El primer grupo de respuestas –se dilatan las moléculas y se separan– hace suponer que la separación de moléculas sólo se da en la evaporación. El segundo grupo asocia la evaporación con una pérdida de volumen, como si la sustancia desapareciera. El tercer grupo de respuestas asocia la evaporación con la deshidratación, cosa que no necesariamente es precisa. Por último, se obtuvieron respuestas tales como: sale vapor, hierve, o bien que evocan una idea superficial del fenómeno. Por ejemplo: "a. Salen burbujas y puede que se derrame el agua; b. Pues que va disminuyendo la sustancia; c. Las partículas se expanden y se separan; d. Se dilatan sus partículas, sale vapor". Para considerar que las respuestas eran totalmente aceptables debían contener elementos como: paso de la fase líquida a la gaseosa a partir del aumento de la temperatura de la sustancia, provocado por la transferencia de calor hacia ella, lo que ocasiona un aumento de la separación de las partículas de la misma.

 

10. Explica tu definición de energía térmica

Esta pregunta fue la menos contestada, los alumnos no relacionan la energía térmica con el total de la energía cinética promedio de las sustancias. El primer grupo de respuestas asocia la energía térmica con el calor. El segundo grupo la asocia con la conservación de temperatura. En el tercero se menciona el calor que tiene un cuerpo, lo cual indica que no se conoce el concepto de calor como energía en tránsito entre cuerpos a diferente temperatura. Por último, se asocia la energía interna con la energía solar. Por ejemplo: "a. Es una energía de calor; b. Un calor o temperatura que se mantiene en un sólo lugar; c. Es la energía que se presenta en forma de calor y toda la materia la presenta; d. No tengo palabras ni conocimiento necesario; e. Es cuando echa café a una taza térmica".

 

Los ítems obtenidos a partir del análisis se presentan en los anexos. El primero corresponde a la versión para estudiantes de cerámica y, el segundo, a la versión aplicable a cualquier estudiante de cursos de termodinámica.

A partir de problemas contextualizados –en este caso en el ámbito ceramista–, el uso del aprendizaje basado en problemas ayudará a comprender y a retener mejor los conceptos de la física. Esto debido a que los estudiantes manipulan directamente el objeto de estudio y lo aplican en contextos reales a la vez que se comportan como científicos.

 

Conclusiones

Respecto a lo encontrado con el levantamiento de encuestas y las entrevistas se tiene que, en general, el calor se asocia con temperaturas altas, con la sensación que tenemos los humanos ante una temperatura ambiental alta, "cercana a los 30°C". En este sentido se cree que las cosas tienen calor, como si se tratara de una sustancia en sí misma. Según las respuestas, la temperatura es equiparable al calor en la mayoría de los casos, también es considerada como la fiebre en los humanos y los grados con que se mide el calor. La temperatura suele concebirse como una cualidad, no como un aspecto que puede ser medido, aunque se le asocie un número.

En cuanto a los mecanismos de la transferencia del calor, en general son desconocidos y las respuestas se basan en la interpretación de la palabra que lo describe. Así, por ejemplo, resulta que al tratar de explicar la convección sólo se menciona que hay transmisión de calor de un cuerpo a otro, pero no se especifica la manera en que ésta ocurre ni en qué tipo de sustancias. Esto da la impresión de que los fenómenos de transmisión ocurren de manera espontánea, como si no hubiera algún proceso. Otros estudiantes consideran que los objetos duros no transmiten el calor igual que los blandos. La mayoría entiende como equilibrio térmico un balance de temperaturas, o bien la temperatura tibia, sin mencionar el concepto de contacto térmico. La transmisión se da en ambos sentidos, de lo frío a lo caliente y de éste a lo frío. Como si el frío fuera una suerte de anticalor o calor negativo, entendido desde su perspectiva como el equivalente de la temperatura. Esta idea suya tal vez provenga de la escala Celsius, en la que es posible hablar de temperaturas bajo cero. También se asocia el volumen con los estados condensados de la materia. Desde esta perspectiva el vapor no ocupa volumen: cuando una sustancia se evapora, lo pierde.

Referente a los efectos del calor en las sustancias, se cree que mientras se da cualquier cambio de fase la temperatura sigue aumentando, el calor se fusiona con la sustancia. En este rubro, las respuestas rondan alrededor de los efectos macroscópicos, visibles: la ebullición, el vapor y la licuefacción. Estos cambios de fase ocurren de manera instantánea, en opinión de algunos de los entrevistados. Conciben una evaporación como una pérdida de materia. Algunas respuestas sugieren que las sustancias comienzan a evaporarse (los líquidos) desde que se empiezan a calentar. Sobre todo, los estudiantes de cerámica confunden la dilatación con la pérdida por ignición.

La identificación de las concepciones erróneas hace evidente la necesidad de removerlas y reemplazarlas con las aceptadas. Por consiguiente, se sugiere que los estudiantes pongan a prueba dichas concepciones erróneas por medio de experimentos diseñados para probar o medir características de las cerámicas relacionadas con el calor y la temperatura. Los problemas que surgieron a partir de la necesidad de diseñar los experimentos pueden ser abordados con el aprendizaje basado en proyectos.

Este tipo de aprendizaje se basa en una metodología que no se contrapone a los principios de la enseñanza activa de la física. La evaluación de la efectividad de este conjunto de estrategias permitirá validar su influencia positiva en cuanto al aprendizaje de conceptos de física. Así, los docentes del área contarán con una herramienta más para propiciar aprendizajes significativos en los estudiantes de bachillerato mediante aplicaciones en una disciplina relacionada con el arte, como lo es la cerámica. El uso del ABP también puede servir como medio para iniciar a los bachilleres en la investigación.

 

Referencias

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INFORMACIÓN SOBRE LOS AUTORES:

Mario Humberto Ramírez Díaz. Licenciado en física y matemáticas, maestro en ciencias con especialidad en física, ambas por la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional (IPN), doctor en ciencias en física educativa por el Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) del IPN. Actualmente es profesor titular C en el programa de posgrado en física educativa del CICATA, unidad Legaria, del IPN y miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1. Sus principales líneas de investigación son: los estilos de aprendizaje en física, el modelo por competencias y la formación de profesores de física. Ha publicado en diversas revistas del área de la física educativa, entre otras: Revista Mexicana de Física, Latin American Journal of Physics Education, European Journal of Physics Education, Formación Universitaria y Revista de Estilos de Aprendizaje.

José Luis Santana Fajardo. Técnico en cerámica, licenciado en matemáticas por la Universidad de Guadalajara (UDG) y diplomado en competencias docentes para la educación media superior por la UDG-ANUIES. Estudia la maestría en ciencias en física educativa en el Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional. Se desempeña como profesor asociado B en el Departamento Tecnológico de Producción Cerámica de la Escuela Preparatoria de Tonalá de la UDG y es miembro del equipo curricular que actualizó el plan de estudios del Bachillerato Tecnológico en Cerámica de la misma institución. Sus principales líneas de investigación son: el desarrollo y la evaluación de competencias en física en el nivel bachillerato y la formación de profesores de física en el mismo nivel educativo.