Integració del laboratori assistit amb calculadora gràfica
(LACG) en l’ensenyament secundari
Vicent F. Soler-Selva[1],
Albert Gras-Martí[2]
Introducció
El jovent actual de la nostra societat està
creixent en una cultura altament tecnològica que, tanmateix, sovint es veu molt
desconnectada de la ciència que s'ensenya tradicionalment. Fóra coherent que l’alumnat, que està convivint
amb la tecnologia, la trobe també als centres educatius. La seua introducció,
però, no ha de restar al marge de consideracions crítiques.
En un article anterior (Soler-Selva i
Gras-Martí, 1998) s’exposen de manera succinta les característiques bàsiques
que distingeixen un laboratori assistit amb calculadora gràfica (LACG), a més
d’alguns dels avantatges potencials en comparació amb els laboratoris
tradicionals.
Descriurem ací l’aplicació de noves
tecnologies en l’àmbit educatiu, en concret per a la realització d’experiments
de física. El LACG, caldria recordar-ho, està constitutït per un conjunt de
tres dispositius electrònics: calculadora/CBL/sensor. La calculadora gràfica
processa dades experimentals mesurades amb un sensor i rebudes a través d'una
CBL (calculator based laboratory),
aparell que fa d'interfase. Aquestos equipaments, fàcils de manejar i de baix
cost, acoblats i sota el control de paquets de programes ja elaborats i d'accés
gratuït, permeten la recollida d’informació a través d’entrades de tipus
digital i analògic.
En aquest article es presenten dos exemples
d’aplicació del LACG en secundària: l'un està referit al tercer curs d’ESO i
l'altre exemple és la concreció d'una experiència en segon curs de batxillerat.
Es fa referència a les activitats prèvies a la introducció pròpiament dita del LACG,
la distribució horària estimativa, les orientacions metodològiques que guien la
programació docent, i l’opinió, per part de l’alumnat, de l’ús del LACG.
Es pretén, així, donar a conèixer exemples
concrets d’experiències d’aula amb els equipaments esmentats, per a palesar els
seus avantatges i, també, deixar al descobert possibles limitacions. Amb
aquesta comunicació, i l'anterior, cerquem el parer d’altres col·legues, als
qual se’ls agraeix per endavant tot comentari crític i interessat en una implantació
correcta i profitosa del LACG que contribuesca, en definitiva, a millorar
l’ensenyament i l'aprenentatge de la física i de la química[3].
El LACG en un laboratori diferent
Molts estudiants conceben el laboratori com
un lloc la finalitat del qual és manipular equipaments, però on no s'hi
manipulen idees. La forma tradicional de plantejar l’activitat al laboratori,
dominada pel que s’han anomenat “receptes de cuina”, possiblement haja
contribuït a reforçar aquesta idea errònia.
Com hem dit en el nostre article anterior, i
com s’ha insistit diverses vegades, no concebem el LACG més que inserit en un
context metodològic perfectament definit, en el qual no hi ha cap trencament
entre “la classe de teoria” i “les pràctiques de laboratori”. En un laboratori tradicional,
les característiques que defineixen el LACG, com ara la possibilitat de
recollida de dades en temps real, perdrien bona part del seu potencial com a
eina didàctica.
Les activitats de laboratori han estat
d’antuvi un distintiu, i han jugat un paper fonamental, en el currículum de
ciències. Darrerament, però, s’han aixecat algunes veus qüestionant la utilitat
de la forma tradicional de realitzar les pràctiques de laboratori sense
suggerir-se’n l’abandó en cap cas dels consultats en la bibliografia.
Un exemple de 3r d'ESO: les lleis dels gasos
D'entre les moltes opcions possibles, hem
escollit la llei de Boyle com a exemple d’aplicació del LACG en aquest curs i
nivell. Els objectius que s’havien programat, i que figuren explicitats en la
programació d’àrea del segon cicle d’ESO, incloïen aspectes relacionats amb el
mètode científic. Entre d’altres, s'analitza què és una llei experimental, es
practica la construcció i interpretació de gràfiques, i s'analitza el paper
dels models en les ciències.
El temps total dedicat a l’activitat va ser inferior
a 3 h (taula 1). En menys d’una hora, dos alumnes del grup foren instruïts en
el maneig de l’equipament LACG. Això pretenia la posterior realització de
l’experiència pels propis dos alumnes i dins l’aula, davant la resta del curs,
i amb l’ajut de la projecció de les mesures i de la seua anàlisi amb un retroprojector.
Amb una
dedicació de sessió i mitja de classe, prèvia a la realització de l’activitat
LACG, s’aborda a l’aula el problema obert plantejat pel professorat: “De què
depén la pressió exercida per un gas tancat en un recipient?” Les orientacions
metodològiques que s’han seguit estan descrites amb detall, i amb exemples, per
Calatayud et al., 1980.
En finalitzar aquesta sessió de discussió
prèvia l’alumnat ha arribat, entre d’altres, a representar gràficament, i de
forma aproximada, la variació de la pressió d’un gas, tancat en un recipient,
front a la variació del volum, si es manté constant la temperatura.
Cada alumne/a havia rebut, amb antelació a la
discussió en classe del tema, material senzill (xeringa, tub d’assaig, etc.)
acompanyat d’un qüestionari per a la realització d’activitats a casa, que li
permeteren una anàlisi semi-quantitativa per a avançar en la resolució del problema,
a més d’haver augmentat el seu “bagatge personal d’experiència”. Aquestes
activitats pretenien evidenciar l’existència de possibles concepcions
alternatives en la interpretació del model cinètico-corpuscular, com ara: “les
partícules modifiquen la seua grandària en comprimir l’aire”, “queden en repòs
i sense espai buit entre elles en comprimir l’aire”, “és major la pressió en un
extrem que no pas en les parets”, etc.
L'etapa de realització a classe de
l'experiment de mesura de la relació p(V)
d'un gas amb el sistema LACG es fa de la manera següent. (Per a més detall
tècnics es pot consultar el nostre treball anterior). El sensor utilitzat ha
estat el de mesura de pressió, les característiques del qual apareixen
resumides en el quadre de la taula 2. Al sensor li acoblem una xeringa. La CBL
–dispositiu electrònic de mà per a la recollida de dades -, fa la lectura de la
pressió del gas, que en aquest cas ha sigut l'aire contingut en la xeringa. La
CBL opera d’acord amb un programa que s’executa des d’una calculadora gràfica.
El dispositiu té un disparador per a què l’operador decidesca el moment en el
qual ha de ser enregistrada la mesura de pressió. A continuació, el menú del
programa demana la introducció, a través de la calculadora, de la lectura que
l’alumne fa del volum que ocupa el gas. El volum ve marcat amb una escala
graduada en el cos de la xeringa. Procedint de manera reiterada s’introdueixen
en la memòria de la calculadora gràfica parelles de valors (p,V). Els resultats del present
experiment, que s’obtingueren en cinc minuts, es poden veure en la figura 1.
Amb aquests resultats, projectats en la pantalla del retroprojector, s’inicia
la discussió final de les hipòtesis emeses prèviament. Amb un ordinador
s’imprimiren les taules de valors i la gràfica, per a què l’alumnat ho
incloguera al seu informe i el completara amb reflexions addicionals, com ara
afegir a la taula una columna de productes p·V
i analitzar-ne el resultat. La modelització de les dades experimentals
mitjançant una funció és una altra possibilitat que ofereix la calculadora
gràfica i que es feu servir (fig. 1).
Valoració, per part de l’alumnat, de la utilització del LACG
Aquesta experiència
es va realitzar amb l’alumnat de quatre grups de tercer d’ESO, cent-quatre
alumnes, de l’IES Sixto Marco. Tres professors hi imparteixen l’àrea de Física
i Química en els diferents grups. Mentre es va realitzar l’activitat LACG amb
l’alumnat sempre estava present un dels autors d’aquest article, el qual introduïa
el LACG amb una descripció bàsica, encarregant-se l’alumnat monitor d’explicar
als companys i companyes cadascun del passos que cal seguir; la resta
d’activitats va ser dirigida pel professor o professora corresponent del grup.
En la classe següent a la de l’activitat LACG se’ls hi va passar un qüestionari
a fi de conèixer la valoració que en feia l'alumnat, així com arreplegar
suggeriments per a una millor aplicació futura. Les dues primeres qüestions
feien referència a coneixements: forma i interpretació de les gràfiques
corresponents a la compressió i descompressió d'un gas tancat en un recipient
–aquesta última havia presentat molta diversitat quant a les prediccions-, la
resta de preguntes del qüestionari, així com la comptabilització de les
respostes obtingudes, apareixen en la taula 3.
|
|
Alumnes |
Comprensió |
Alternativa |
Suggeriments |
||||||
Sí
|
No |
Altres |
Sí |
No
|
Altres |
Utilitzar-la tots |
Altres sugg. |
Cap sugg. o “va bé així” |
||
Totals
|
104 |
86 |
13 |
5 |
10 |
87 |
7 |
55 |
24 |
25 |
Un exemple de 2n curs de batxillerat: la llum polaritzada
La Física és una matèria de modalitat en el
batxillerat de Ciències de la Natura i de la Salut. La facilitat del maneig i
transport dels equipaments LACG permeté l’aprofitament d’una altra de les seues
avantatges: la realització de la major part del treball d’investigació en casa
dels propis alumnes.
En els nous
ensenyaments, l’Òptica forma part dels continguts del currículum per a segon
curs de batxillerat, dins la Física. Un dels objectius generals que s’hi fixa
en aquest currículum estableix que l’alumne/a ha de ser capaç de “utilitzar
autònomament les estratègies pròpies de la investigació científica, per
resoldre problemes, realitzar treballs pràctics i, en general, explorar
situacions i fenòmens desconeguts per a ells/elles” Per a contribuir a assolir
aquest objectiu, entre d’altres, es proposà inserir dins de les activitats
corresponents a la programació d’aula que tractaven l’Òptica, i en particular
la polarització, un problema d’investigació amb l’enunciat obert següent: “De
què depèn la intensitat de la llum que travessa dues làmines de polaritzador
per absorció, col·locades paral·lelament?”.
Foren
suficients unes instruccions mínimes sobre les característiques i l’ús del
sensor emprat per a mesurar la intensitat de la llum, Light Sensor VernierÒ.
A banda, l’alumnat
fou instruït que havia de lliurar una comunicació en la qual s’inclogueren els
apartats següents: enunciat del problema plantejat; descripció la teoria
emprada; relació de les hipòtesis formulades; dissenys de les experiències
realitzades; problemes i interrogants sorgits en la realització de
l’experiència; resultats obtinguts i contrastació d’hipòtesis; conseqüències
que se’n deriven dels resultats experimentals, relacionades amb fenòmens de la
vida quotidiana. Un dels dissenys senzills que es proposaren s’esquematitza en
la figura 3.
La gràfica adjunta, fig.4, forma part d’un
dels treballs realitzats. La recerca de la funció matemàtica que modelitzara
els valors experimentals l’obtingueren els alumnes mitjançant el programa
informàtic Graphical AnalysisÒ, instal·lat en un
ordinador i acoblat a la calculadora gràfica. Aquell programa no és
imprescindible, ja que la pròpia calculadora gràfica permet assolir uns
resultats semblants, tot i que els hi mostra en una pantalla de dimensions
reduïdes.
Quant a la valoració que feu l’alumnat de
tenir la possibilitat de realitzar el treball d’investigació a casa, enduent-se
els equipaments corresponents, no cal dir que fou unànimement positiva (i de
sorpresa: mai no havien tingut una oportunitat semblant en cap altra matèria
experimental).
Algunes objeccions dels alumnes
Convé esmentar ací, breument, objeccions que
han mostrat alguns alumnes en enfrontar-se al LACG. La primera és el
comportament de l’equipament com una “caixa negra”. El desconeixement, per part
de l’alumnat, dels fonaments físics dels sensors, portava a la sorpresa i, de vegades,
desconfiança per part d’alguns alumnes: es preguntaven, per exemple, si les
dades ja hi eren gravades abans de fer l’experiment.
Aquestes observacions ens han suggerit la
possibilitat de convertir, en alguns casos, i per als estudiants dels últims
cursos, en objecte d’estudi els fonaments físics dels propis sensors. L’ús de
muntatges senzills, poden servir per a aquesta finalitat.
L’idioma ha estat una altra dificultat
apuntada per l’alumnat. Els programes que es fan servir a la calculadora gràfica,
estan en anglés. Tot i ser escàs els text en anglés que cal reconèixer per
engegar una experiència, s’ha constatat que, en particular en l’ESO, esdevé un
entrebanc en la realització d’experiències, afegint més misteri al funcionament
del LACG. S’ha triat, per part dels autors, enllestir una traducció al català
dels programes necessaris per al funcionament del LACG.
El nombre d’equipaments pot ser un petit
problema. L’alumnat demanda ser protagonista en la manipulació de l’equipament
i en el tractament de les dades. És indubtable que aconseguir el màxim de
protagonisme i d'involucrament per part de l’alumnat ha de ser un objectiu del
docent, en particular si es proposa un ensenyament per investigació. Les
disponibilitats pressupostàries dels centres, escasses en general, difícilment
poden atendre una demanda que puga anar més enllà d’uns pocs equipaments LACG.
Només l’assumpció per part de l’administració de les despeses corresponents
podria facilitar una dotació suficient per als centre. En l'apèndix es fa una
proposta quantificada i d'equipament inicial per a un LACG.
La necessitat i la dificultat d’avaluar els recursos LACG
S’ha dit sovint que allò que no s’avalua es
devalua. S’avalua, en definitiva, per a millorar i per a identificar les
oportunitats d’aprenentatge. Tot i que no disposem de criteris, validats
suficientment per l’experimentació, que servesquen per a descobrir si el LACG
aferma els coneixements i en quina mesura afavoreix el canvi conceptual, és
evident que es fa necessari disposar d’una eina que avalue les conseqüències
que se’n deriven de l’ús del LACG en l’ensenyament.
Hem suggerit en aquest article, mitjançant
exemples, pautes a seguir per a tenir un model per als docents sobre com
aplicar els recursos LACG i crear un ambient educatiu. Els recursos LACG s’han
d’avaluar integrats en una estratègia didàctica d’ensenyament-aprenentatge com
la que hem suggerit a tall d'exemple, dins de la qual hom espera que aquest
tipus de recurs desenvolupe una funció determinada. Aquestes orientacions
didàctiques, però, poden influir notablement en l’avaluació del LACG,
dificultant la possibilitat de tenir criteris universals, és a dir, criteris
que puguen usar-se per a comparar el LACG amb d'altres laboratoris i
metodologies didàctiques tradicionals.
Aquest treball d’avaluació ha de romandre
pendent per a futures comunicacions dels autors presents. Ara i ací ens
limitarem a enunciar alguns dels criteris, a afegir als ja enunciats en
l’article anterior, que han guiat la incorporació del LACG com a nova
tecnologia didàctica:
·
Contribueix a desenvolupar actituds i pràctiques de cooperació.
·
Facilita la participació de l’alumnat en la recerca, generació,
assimilació i aplicació del coneixement.
·
Té en compte les característiques de l’usuari/a.
·
Promou el desenvolupament d’habilitats, coneixements o destreses
relacionades amb els objectius educatius.
·
Ofereix el docent i l’alumnat la possibilitat de viure experiències que
difícilment es poden desenvolupar amb altres mitjans.
·
Amplia la diversitat de mètodes que pot fer servir el professor per a
mantenir l’interés dels estudiants.
Agraïments
El nostre agraïment a les professores Beatriz
Vázquez i Angeles Pastor per la seua participació i l’interés mostrat en la
realització d’aquesta experiència didàctica en les seues classes, així com pels
suggeriments que ens han fet. S’agraeix també el suport que dóna a aquest
projecte el Secretariat i el Vicerectorat de Noves Tecnologies de la
Universitat d’Alacant.
Referències
CALATAYUD,
L., et al., Trabajos prácticos de Química
como pequeñas investigaciones, ICE-Universitat de València, (València, 1980).
SOLER-SELVA,
V.F, GRAS-MARTÍ, A., Laboratori assistit amb calculadora gràfica (LACG), Revista de Física, 5, 40-43 (1998).
Apèndix: Un model de dotació LACG
per a secundària
Es relacionen ací els components bàsics i el
cost aproximat de l'equipament, incloent-hi un conjunt orientatiu
d’experiències que es poden realitzar.
|
Equip |
preu aproximat (PTA) |
|
1 TI-CBL system (amb sondes de mesura de temperatura,
intensitat de llum, corrent-voltatge, 3 manuals i un disquet del CBL system experiment workbook) |
48000 |
|
1 TI-82VS View screen i calculadora (permet de fer experiments en l’aula i visualitzar les mesures en una pantalla, en temps real, amb un retroprojector) |
80000 |
|
1 TI-82 calculadora gràfica (n’hi ha d’altres models més potents) |
18000 |
|
1 MD-CBL motion detector for CBL (generador i detector d’ultrasons; mesura posició, velocitat i acceleració d’objectes en moviment) |
16000 |
|
2 CBL-DIN adapter for CBL probes (cables de connexió sonda-CBL) |
1000 |
|
1 SFS-DIN student force sensor (com un dinamòmetre, mesura forces, estàtiques o en funció del temps) |
23000 |
|
1 MCA-CBL microphone for CBL (mesura intensitat del so i, forma de l’ona) |
7000 |
|
1 PS-DIN Pressure Sensor (mesura la pressió d’un gas) |
17000 |
|
Manual El món, 24´7 (V. Soler i A. Gras, versió maig 1998), inclou una introducció a l’ús de la CBL i la TI82, a més d'una col·lecció de fitxes d’experiències |
--- |