Laboratori Assistit amb Calculadora
Gràfica (LAC)
Vicent Soler-Selva[1], Albert Gras-Martí[2]
Introducció
El ràpid desenvolupament
de la informàtica durant les darreres dècades creà expectatives de canvis
importants quant a l’ensenyament-aprenentatge de la física i d’altres ciències,
cas d’introduir-hi l’ordinador com a eina didàctica. No obstant això, encara no
disposem d’informes que avaluen el grau d’implantació i l’aportació que
realment se n’està fent en l’àrea de ciències respecte de la consecució d’un
aprenentatge significatiu. Fóra interessant conéixer si els progressos
aconseguits fins ara en “l’alfabetització” informàtica, fent servir programes
de propòsit general, com ara tractament de text, full de càlcul, base de dades,
programes de dibuix i disseny, etc., han tingut el seu equivalent en
aplicacions disciplinars específiques i en l’àrea de física en particular.
Dins l’entorn informàtic
i des de principi dels anys noranta, a l’estat espanyol es van iniciar dos
grans projectes sobre experimentació assistida per ordinador: Laboratorio Asistido por Ordenador
(LAO), en territori del Ministerio de Educación i Experimentació Assistida per Ordinador (EXAO) a Catalunya (Aranda i
Ruiz, 1991). Les expectatives que despertà van ser importants, com ho prova el
fet, per exemple, que molts dels números publicats per la revista de Física
incloguen articles que tracten l’ús de l’ordinador en el laboratori.
No hem aconseguit, però,
tot i la nostra insistència, localitzar cap informe d’avaluació o de resultats
parcials d’aquests projectes. Si més no en els seus inicis, trobem la
declaració de les potencialitats que, dins l’àmbit educatiu, tenien aquestes
eines didàctiques, a més de comptar amb l’aprovació del professorat que
s’inicià en la implantació de l’ordinador al laboratori i l’imprescindible
recolzament institucional. Les nostres conclusions, doncs, resten obertes en
aquest sentit.
Sí podem aportar el fet
que, per causes que desconeixem, al País Valencià, no ha merescut una atenció
institucional l’experimentació assistida per ordinador en ensenyament
secundari.
És compartit pel docent
que les aplicacions dels ordinadors permeten la modificació substancial de la
programació didàctica, possibilitant que l’estudi dels processos naturals en
els laboratoris puguen contemplar-se com el resultat de petites investigacions
(Gil, 1980). Si demanem menys pràctica del tipus “recepta de cuina” (Pessoa i
Gil, 1998), precisament les experiències reals, no simulades, en els
laboratoris possibiliten una modificació radical i que, de forma resumida
podríem enunciar dient: menys temps de l’alumnat per a mesurar, més per a
dissenyar i reflexionar.
Potser cert, fins i tot,
que “l’adquisició de tècniques i destreses de laboratori —enteses en el sentit
del laboratori docent tradicional— tenen poc valor per si mateix” (Hodson,
1994) en el procés d’ensenyament-aprenentatge de la física; aleshores, si es
veuen desplaçades en favor d’un altre tipus d’ensenyament experimental, res no
es perd.
Creiem que el Laboratori
Assistit amb Calculadora Gràfica (LAC) i que tot seguit passem a descriure, pot
constituir un instrument didàctic amb molts avantatges enfront d’altres
equipaments anteriors i afavoridor de l’ensenyament-aprenentatge de les
ciències seguint les orientacions per investigació.
Descripció física de
l’equipament i programari (software)
L’esquema següent
mostra, de manera simplificada, els dispositius electrònics i la seua connexió
en una experiència típica de LAC.
Figura 1: Elements que
intervenen en el laboratori assistit amb calculadora gràfica. TI és un dels
diversos models de calculadora gràfica “Texas Instruments” existents al mercat.
CBL (Calculator-Based Laboratory system) és un producte de la mateixa
companyia.
La calculadora gràfica
és programable i fa possible la recollida, emmagatzematge i anàlisi de dades en
temps real. El límit, quant al volum d’informació emmagatzemable, ha augmentat
espectacularment en els darrers models que han eixit al mercat, traslladant-se
les limitacions a un altre tipus de qüestions.
Els programes que
governen el conjunt acoblat: calculadora/CBL/sensor, estan a disposició dels
interessats a través de la xarxa internet en http://www.ti.com/calc/ i http://www.vernier.com/cbl/ibmdnld.html,
entre d’altres.
Mitjançant una connexió adient i a través d’un
port sèrie es poden comunicar la calculadora gràfica (TI) i l’ordinador
personal (PC), possibilitant l’exportació d’informació i programes en els dos
sentits per a, per exemple, donar un tractament més acurat a les dades
mitjançant un full de càlcul, elaboració d’informes, impressió de gràfics, etc.
Cal esmentar, no obstant, que l’equipament LAC, descrit en el gràfic anterior,
sense el PC és autosuficient i, en aquest fet, rau l’avantatge enfront d’altres
opcions, potser més precises i amb més capacitat de memòria, però més complexes
de manejar i que han d’estar
localitzades sempre en el mateix lloc.
L’interfase Calculator-Based Laboratory-System (CBL)
és un dispositiu electrònic de mà per a la recol·lecció de dades del món real.
Les dades enregistrades per la CBL són exportades a la calculadora gràfica per
a una anàlisi posterior. Amb la CBL i uns sensors adequats, hom pot mesurar
moviment, temperatura, llum, so, pH, força, CO2, conductivitat, camp
magnètic i un llarg etcètera.
Les sondes es connecten a la unitat CBL a través
de sis canals d’entrada o eixida. D’aquests sis canals, tres són analògics
(CH1, CH2, CH3), un canal específic permet la detecció d’ultrasons (SONIC), hi
ha un canal digital d’entrada (DIG IN) i un altre canal digital d’eixida (DIG
OUT).
Es poden connectar
alhora fins a cinc sondes. El límit en la velocitat d’adquisició de dades se
situa en 10 000 mesures/segon. El límit es veu reduït depenent de les opcions
que es trien, nombre de sondes connectades simultàniament, la possibilitat de
mostrar les dades en temps real, etc..
La unitat CBL presenta
una característica anomenada AutoIDENT que li permet identificar automàticament
les sondes connectades als canals especificats anteriorment.
Els canals digitals
d’entrada i d’eixida de la CBL ens permeten connectar-la a senyals binàries de
0-5 volts per a la realització d’experiències que manegen dades digitals.
En l’actualitat estan
disponibles en el mercat més de quaranta sensors, o sondes, que permeten la
mesura de magnituds diferents, però la ràpida expansió que està experimentant
el LAC en el seu país d’origen, EUA, ens fa ser prudents sobre el nombre concret
de sondes que s’hi poden adquirir. Cada sonda ve acompanyada d’una guia on
s’explica, entre d’altres, el fonament físic en el qual es basa, el rang de
mesura, la sensibilitat, les limitacions, etc. Els autors d’aquest article han
elaborat un compendi de bona part d’aquestes guies, una vegada les han
traduïdes al català.
Avantatges del LAC
L’experiència de més d’un any en l’aplicació
docent del LAC, tant en secundària, com en els primers cursos de la Facultat de
Ciències de la Universitat d’Alacant, així com els cursos impartits al
professorat i als cursos d’estiu de la Universitat d’Alacant (1998), ens
permeten destacar els avantatges següents:
Aprenentatge ràpid: s’ha
constatat que són suficients unes sis hores per a aprendre les nocions bàsiques
de la calculadora gràfica que van a permetre fer rodar els programes adients i
processar la informació.
Manejable: el pes de tot l’equipament fa
un sis-cents grams, la qual cosa ens permet desplaçar-nos fàcilment i realitzar
experiències de camp. A més a més, una vegada engegat el procés de mesura, hom
pot desconnectar la calculadora gràfica, no tornant-la a unir a la CBL fins que
ha acabat el procés de mesura.
Realització de treball a casa
(“laboratori casolà—home-lab”): per les característiques dels LAC es poden
dissenyar experiències CTSA (ciència-tecnologia-societat-medi ambient) que es
completarien a casa, explorant l’alumnat fenòmens quotidians del seu entorn.
Ús compartit: els pioners en l’ús
didàctic de la calculadora gràfica en l’aula han esta els professors de l’àrea
de matemàtica (vegeu per exemple l’adreça http://wfs.eun.org/schools/timeline/maths/index.html).
Per aquesta raó molts centres s’han dotat d’aquests tipus de calculadores. Els
nous usos dins l’àrea de ciències, amb l’adquisició d’unitats CBL i sensors,
amplien el seu àmbit d’aplicació, augmentant la rendibilitat de les
calculadores gràfiques dins un centre.
No calen coneixements informàtics: l’ús de l’ordinador en el LAC esdevé un complement opcional, una vegada
carregats els programes en una calculadora. No calen, doncs, coneixements
informàtics per a fer servir els equipaments que constitueixen el laboratori
assistit amb calculadora gràfica.
Intercanvi entre calculadores: un
altre avantatge que cal contemplar és la possibilitat d’intercanvi, d’una
manera senzilla, d’informació entre calculadores gràfiques; així, els resultats
de les mesures capturades per un equip poden ser compartides per la totalitat
de les calculadores de l’aula i ser objecte de tractament col·lectiu a l’aula o
a casa, per a una discussió posterior.
A prova de professor i alumne: en
tractar-se d’un material educatiu força estés i pensat per al seu ús ja des
dels primers cursos de secundària; els equipaments són compactes i amb notables
mesures de protecció davant de possibles errades involuntàries per part de
l’usuari.
Pantalla de cristall líquid: la
possibilitat de connectar l’equipament a una pantalla de cristall líquid
específica per a un retroprojector, facilita la realització i discussió en
temps real d’experiències per part de tot el grup o tota la classe.
Cost: és indiscutible la reducció
en els costos en recórrer al sistema LAC. Convidem el lector a que faça les
comprovacions pertinents a través de les adreces d’internet facilitades.
A més d’aquests
avantatges específics del LAC, cal recordar els propis i comuns amb
l’experimentació assistida amb l’ordinador, que ara només ens limitem a
enunciar: deixa més temps per al disseny de les experiències i valoració de les
dades obtingudes; la repetició de la mesura o fins i tot de l’experiència és
fàcil i ràpida; elimina bona part de l’error manual, en permetre especificar el
nombre de mesures i l’interval entre mesures; en processos qualitatius permet
apreciar relacions o evolució; permet considerar processos de durada llarga;
proporciona al final del procés, i de manera immediata, un registre de taules
de valors i gràfics, per a estudiar-lo més detingudament; incrementa la
qualitat de les mesures respecte dels equipaments “tradicionals”, té major
rapidesa, facilitat, quantitat i seguretat en l’adquisició de dades, ja que una
vegada enllestit l’experiment es limita la influència de factors
distorsionadors de la mesura; i, finalment, permet la construcció de
“biblioteques de registres experimentals”, la disposició dels quals en
registres magnètics afavoreix l’intercanvi i comunicació de resultats.
Exemples d’experiències
D’ençà que va ser introduït el sistema LAC als
Estats Units a principi dels noranta, ha tingut lloc tot un seguit de
publicacions amb propostes d’experiències per a les diferents àrees de
ciències, entre les quals hi sobresurten les referides a la física.
A través de l’adreça http://www.ti.com/calc/docs/cblwb2.htm el lector interessat pot accedir, per
exemple, a algunes experiències de física. Els autors, a partir de bibliografia
i l’experiència pròpia, han reunit documentació referent a més de cent vint
experiències diferents que es poden realitzar amb la terna calculadora gràfica/
CBL/ sensor. Aquesta informació està disponible en l’adreça d’internet de
l’associació AEFiQ-Curie, http://www.dfa.es/~agm/jornadas/curie1
.
El sensor és un
transductor, és a dir, un dispositiu, que transforma les variacions d'una
magnitud mesurable en un senyal elèctric que s'envia a l'interfase. Cada
sensor, o sonda, té associat un programa per a comunicar la calculadora gràfica
i la CBL; en activar el programa l’operador ha de seguir una ruta de menús on,
contestant les preguntes que se li formulen, especifica el número de sondes
connectades, tipus (les tria del llistat que li mostra la calculadora gràfica
en pantalla) i canal on són connectades; la velocitat d’adquisició de dades i
el nombre de mesures que es volen fer; si es vol fer calibrat de la sonda o
s’utilitza l’emmagatzemat de fàbrica i, finalment, com es vol mostrar la
informació que s’obtindrà. En aquest últim apartat s’inclou l’opció de dispar (trigger), imprescindible en la
realització d’algunes experiències, com ara l’estudi de les lleis dels gasos,
llei de Malus, etc.
Darrerament han començat
a aparéixer en algunes publicacions treballs realitzats amb el sistema LAC
Bergen (1998), per exemple, estudia la força exercida per una cadena quan cau
sobre una superfície; el sensor utilitzat en aquesta experiència és el sensor
de força, el qual té molts altres usos: moviment vibratori, col·lissions, etc.
Els riscs: LAC o no LAC?
Hem remarcat en l’apartat anterior els avantatges,
però creiem que també hi ha riscs. Poden produir-se també “perills pedagògics”
derivats d’una utilització abusiva, com a conseqüència d’un aclaparament de les
activitats del laboratori per l’equipament automatitzat. Aquests perills es
corresponen amb una interpretació errònia basada en el convenciment que pel fet
de ser possible mesurar més i millor, els objectius educatius i científics dels
treball en els laboratoris s’assoleixen automàticament, produint en els alumnes
un falsa impressió de joc, màgia o d’automatisme.
Igual com no totes les
activitats són necessàriament adequades per a una sessió tradicional de
laboratori, no hem d’esperar que totes les experiències siguen adequades al
conjunt calculadora gràfica/CBL/sensor. A més a més, és innecessari advertir
que els estudiants han d’entendre que no té cap sentit una mesura que no ve
acompanyada d’una valoració dins el context global de l’experiència.
En resum, no cal forçar
l’ús de la calculadora gràfica en experiments que no resultaran clarament
beneficiats amb la seua introducció. No volem perdre el referent: l’objectiu és
aconseguir un aprenentatge significatiu. Com s’advertia en la presentació de
l’EXAO (Regalés, 1992) “cal reflexionar molt seriosament sobre les aportacions
que comporten i els riscs inherents que arrosseguen”, i en aquest sentit hi ha
obert un debat al si de l’Associació per a l’Ensenyament de la Física i
Química-Curie d’Alacant sobre el LAC
amb un seguit de presentacions, debats i avaluació d’experiències (AEFiQ-Curie, 1998).
Conclusions
El laboratori assistit
amb calculadora gràfica (LAC) està constituït per un conjunt de tres
dispositius: calculadora/CBL/sensor, fàcils de manejar i de baix cost. Aquests
equipaments, sota el control de programes personals o ja elaborats, permeten
recollir informació a través d’entrades de tipus digital i analògic. El LAC
permet realitzar mesures relacionades amb el moviment, temperatura, llum, so,
pH, força, conductivitat, etc. i amb distintes resolucions. El fonament
teoricopràctic del LAC, amb matisos, és anàleg a l’EXAO. Els LAC són
equipaments adequats per a la introducció a les ciències experimentals en
primers cursos de facultats de ciències i en ensenyament secundari. Un ús
eficaç del LAC exigeix la programació d’activitats en les quals aquell aparega
subordinat a la metodologia emprada i als objectius programats.
A través de la xarxa
internet o adreçant-se als autors es pot aconseguir informació més detallada
sobre experiències concretes o altres detalls de funcionament.
Bibliografia
AEFiQ-Curie: Actes de les II Jornades d’intercanvi d’experiències de física i química (Alacant, 1998). Es pot obtenir una còpia impresa o en format WORD d’un dels autors d’aquest article (AGM).
ARANDA, J. i RUIZ, F., L’EXAO: l’ordinador al laboratori, Revista de Física, 1, 50, (1991).
BERGEN, W., Force Exerted by a Falling Chain, The Phys. Teach. 36, 44, (1998).
GIL, D. et. al., Trabajos prácticos de Física como pequeñas investigaciones, ICE-Universitat de València, (València, 1980).
HODSON, D., Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio, Enseñanza de la Ciencias, 12, 299, (1994).
PESSOA, A. M. i GIL, D., Analysis of training programs for physics teachers, Connecting Research in Physics Education with Teacher Education. An I.C.P.E. Book (1998). Es pot aconseguir gratuïtament en http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/TOC.html .
REGALÉS, J., EXAO’92: Jornada de presentació als professors, Revista de Física, 3, 57, (1992).