El curso interactivo de Física en Internet La enseñanza tradicional El ordenador en la enseñanza de la Física Bibliografía |
Introducción
Haciendo interactivos artículos publicados en las revistas científicas. |
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| Resumen
El Curso Interactivo de Física en Internet (www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm) es un libro electrónico cuya característica distintiva es la interactividad que proporcionan los applets incorporados a sus páginas web. Estos applets son simulaciones de fenómenos físicos, experiencias de laboratorio, problemas, juegos, etc. Uno de las principales fuentes de información del Curso son los artículos procedentes de las revistas científicas. En esta comunicación se muestran dos ejemplos de artículos que se han hecho interactivos. The Interactive Physics Course on the Internet (www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm) is an electronic book in which we have enhanced the interactivity by means of the applets embedded into the HTML documents. These applets are simulations, computer experiments, problems, computer games, etc. Articles from journals and magazines are one of the main sources of information of this Course. This communication deals with two examples of articles we have made interactive. Palabras claveFísica, Internet, interactividad, simulaciones, applets. Physics, Internet, interactivity, simulations, applets.
IntroducciónEl propósito del Curso Interactivo de Física en Internet [1] es el de complementar la enseñanza tradicional. El proyecto inicial financiado por la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología del Ministerio de Educación y Cultura, finalizó en diciembre de 1998. Desde esa fecha, se ha venido ampliando con nuevos contenidos, se ha perfeccionado y se ha mejorado su apariencia estética, facilidades de navegación, etc. Actualmente, el Curso cuenta con una colección de 146 applets, a los que habrá que añadir alrededor de 85 applets nuevos, que están preparados para ser publicados en fecha próxima y versarán sobre Fluidos, Electromagnetismo y Mecánica. Con el Curso de Física no se ha pretendido trasladar a otro formato los textos elaborados por el profesor para sus clases, sino la de aprovechar una de las características más importantes de los ordenadores, la interactividad que proporcionan los applets o programas codificados en lenguaje Java. El Curso Interactivo de Física no es tampoco una colección de applets aislados, sino un conjunto coherente que trata de la mayor parte de los temas de Física a nivel introductorio. Con los applets que se incluyen en las páginas web se ha pretendido crear un conjunto rico de experiencias de modo que los estudiantes adquieran una intuición de las distintas situaciones físicas programadas en el ordenador. Mediante el diálogo interactivo entre el estudiante y el programa se pretende que el estudiante sea un participante activo en su proceso de aprendizaje, en vez de un espectador pasivo. Aunque cada uno de los programas interactivos tiene unos objetivos concretos y un diseño totalmente diferente se pueden clasificar en las siguientes categorías: Los que enseñan conceptos físicos de forma interactiva, especialmente aquellos que presentan mayor dificultad a los estudiantes. Simulaciones de experiencias de laboratorio [2], que a su vez se pueden dividir entre aquellas que se pueden llevar a cabo en el laboratorio escolar, pero no tienen la intención de sustituir a las experiencias reales, sino de servir de preparación a las mismas; aquellas que por ser costosas, peligrosas o difíciles de montar son inaccesibles al laboratorio escolar y finalmente, las simulaciones de experiencias relevantes desde el punto de vista histórico. La resolución de problemas es una parte esencial de la enseñanza de la Física a nivel introductorio. En los libros de texto, los enunciados proporcionan toda la información necesaria para resolver el problema. Sin embargo, en algunos applets del Curso Interactivo en vez del enunciado se muestra una animación, y a veces se requiere que el estudiante realice medidas de parámetros relevantes [3]. Los problemas-juego son un tipo de problemas que se pueden resolver con la ayuda de la intuición y del conocimiento que va adquiriendo el estudiante del sistema físico tras sucesivos intentos. Posteriormente, se le pedirá resolverlos aplicando las ecuaciones que describen dicho sistema y a partir de los datos que se proporcionan. Con estos applets pretendemos ayudar a los estudiantes a desarrollar mejores estrategias en la resolución de problemas y a la vez, les sirva de estímulo para resolverlos
Diseño de los appletsSe ha tratado de hacer un libro electrónico de Física con contenidos similares a un libro de Física general pero con un formato totalmente diferente. Se diferencian en la navegación por sus páginas y en la interactividad que proporcionan los applets. El diseño de los applets comienza con la búsqueda en los libros de texto, de prácticas de laboratorio y en los artículos de las revistas, ideas para desarrollar simulaciones que ayuden a comprender mejor un concepto físico relevante o que integren o pongan en relación varios aspectos de la Física. Las revistas de investigación educativa como Enseñanza de las Ciencias o Physics Education y la experiencia docente del propio autor de esta comunicación, nos señalan las principales dificultades con las que encuentran los estudiantes a medida que avanzan en el estudio de esta materia. La creación de programas interactivos no es una tarea sencilla. En primer lugar, es necesario tener amplios conocimientos de un lenguaje de programación, en este caso el lenguaje Java [4] y requiere los siguientes pasos: Formulación de objetivos educativos, qué se pretende enseñar de forma interactiva. Resolución del problema físico, algunas veces el problema físico no tiene solución analítica por lo que es necesario emplear procedimientos numéricos, para obtener la raíz de una ecuación trascendente, resolver una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, para obtener el valor de una integral definida, o aplicar los denominados métodos de Montecarlo En la mayor parte de los casos, es necesario definir escalas de modo que el ordenador no trabaje con números excesivamente grandes ni pequeños. Se debe establecer un compromiso entre el estudio en profundidad de un determinado fenómeno, cambiando los valores de los parámetros que lo determinan y el de reducir al mínimo posible la complejidad de la interfaz de usuario. Así, se debe decidir que parámetros se mantienen constantes y cuales se permiten variar al usuario dentro de ciertos límites. Además, se tendrá que decidir la manera de introducir los datos: mediante controles de texto, barras de desplazamiento, el uso del ratón, etc. La mayor parte de los fenómenos son dependientes del tiempo, por lo que se hace uso de las técnicas de animación para mostrar la evolución del sistema físico. Uno de los objetivos didácticos del Curso Interactivo de Física es el de ayudar al estudiante en la interpretación de las gráficas mediante la asociación entre el fenómeno físico simulado y representación gráfica de los parámetros relevantes que describen dicho fenómeno. Se ha de verificar que el comportamiento del programa, comprobando que los resultados que proporciona para todos los casos son correctos, y que no se interrumpe su ejecución debido a errores internos. Es necesario observar como se perciben los distintos elementos que se disponen en el reducido espacio rectangular que ocupa un applet en la ventana del navegador. La percepción de los estudiantes no siempre coincide con la del diseñador del applet. Se ha de tener en cuenta además, que el applet es un elemento más de la página web, que junto con el texto, las figuras y los enlaces conforman una unidad didáctica. Finalmente, se deberá rediseñar el programa en función de dichas observaciones. Afortunadamente para un autor, las ventajas que presenta Internet son significativamente mayores que otros medios: impresos (libro) o en formato CD-ROM:
Haciendo interactivos artículos publicados en las revistas científicas.Las contribuciones a Congresos, muchas de ellas interesantes y a las que los autores han dedicado un importante esfuerzo, permanecen habitualmente en el olvido en los libros (proceedings) que recogen las comunicaciones. Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con los artículos de las revistas de carácter científico. Su publicación en Internet, les daría un valor más permanente y la posibilidad de acceso a un número mayor de lectores potenciales. Muchos de estos artículos se pueden enriquecer mediante programas interactivos o applets que facilitarían enormemente su comprensión.
El péndulo WilberforceEn el Curso Interactivo de Física se estudian con detalle las oscilaciones: Movimiento Armónico Simple, composición de movimientos armónicos simples, oscilaciones libres, amortiguadas y forzadas, el comportamiento de dos osciladores acoplados formados por masas puntuales unidas a muelles elásticos, etc. El péndulo de Wilberforce [5] es un conocido dispositivo para verificar la ley de la conservación de la energía. Se puede además, mostrar las oscilaciones acopladas de los modos longitudinales y torsionales de una masa que cuelga de un muelle en forma de hélice.
Figura 1. El péndulo de Wilberforce Se ha diseñado un applet que simula el péndulo de Wilberforce, resolviendo numéricamente un sistema de dos ecuaciones diferenciales de segundo orden, que describen respectivamente, las oscilaciones longitudinales y torsionales del muelle y a las que se añade un término que da cuenta del acoplamiento entre ambas modos. El procedimiento numérico empleado es el de Runge-Kutta, que es relativamente fácil de codificar en lenguaje Java, en forma de una clase base abstracta, y que ha mostrado un buen comportamiento en los distintos problemas de Física que han requerido su uso. Dada la dificultad de visualizar el péndulo en el espacio tridimensional, se representa el péndulo en dos planos, vertical para mostrar las oscilaciones longitudinales y horizontal para mostrar las oscilaciones transversales, tal como se puede ver en la figura 1. Se puede parar en cualquier momento el movimiento, realizar medidas del desplazamiento lineal y angular en las escalas dispuestas al efecto. Se puede observar los cambios energéticos en el diagrama en forma de tarta a la derecha del applet. En distintos colores se representan las energías potenciales elásticas y las energías cinéticas correspondientes a ambos modos de oscilación. El applet también muestra la representación gráfica del desplazamiento angular (figura 2), y lineal (una figura similar) con el tiempo, por separado o ambas a la vez, asociando el movimiento con su representación.
Figura 2. Representación gráfica de las oscilaciones torsionales La interfaz de usuario se mantiene muy simple (figura 1). Como en la experiencia real se puede variar ligeramente el momento de inercia, en la simulación se hace arrastrando con el puntero del ratón dos pequeños círculos situados a ambos lados del bloque que cuelga del muelle, hacia el centro para disminuir el momento de inercia hacia afuera para aumentarlo. También, se puede variar la constante de acoplamiento entre ambos modos de oscilación dentro de ciertos límites. Las condiciones iniciales no se pueden modificar y corresponden a un desplazamiento del muelle de su posición de equilibrio.
Medida de la velocidad de la luzEsta práctica experimental [6] fue presentada en la XXVII Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física que tuvo lugar en Valencia en Septiembre de 1999 antes de su publicación como artículo. La práctica es muy interesante y atractiva, así, lo atestiguan los premios recibidos por sus autores, dos de ellos estudiantes de la Facultad de Física de la Universidad de Valencia. Para el Curso Interactivo de Física en Internet, su interés radicaba en completar el capítulo dedicado al estudio de la corriente alterna, en particular el circuito en serie LCR. La simulación se mantiene fiel a la práctica real. La autoinducción de la bobina se mantiene fija, pudiéndose variar la capacidad del condensador arrastrando con el puntero ratón una de sus placas para aumentar o disminuir la separación entre las mismas. Una vez fijada la capacidad del condensador se busca la frecuencia resonante, es decir aquella en la que el desfase d entre la intensidad de la corriente y la fem se anula. A la derecha del applet (figura 3) se representa algo similar a la pantalla de un osciloscopio. Se observa la composición de dos MAS que representan la fem y la intensidad, n es la frecuencia y Z la impedancia del circuito.
Para cualquier frecuencia n distinta de la de resonancia, Z se hace grande de modo que la elipse se transforma en una recta vertical. El punto que marca la posición (x, y) en la pantalla del "osciloscopio" se mueve en un sentido antes de alcanzar la frecuencia de resonancia y cambia de sentido cuando se sobrepasa dicha frecuencia. Mediante el procedimiento de aproximaciones sucesivas, acotando la frecuencia de resonancia en intervalos cada vez más pequeños llegaremos a encontrar la frecuencia buscada. Como podemos ver en la figura 3, la elipse que aparece cuando estamos cerca de la frecuencia de resonancia se convierte en una recta inclinada. Por ejemplo, seleccionamos una separación de 2 mm entre las placas del condensador moviendo su placa derecha con el puntero del ratón. Comprobamos con la primera barra de desplazamiento (figura 3) que la frecuencia de resonancia está entre 45 kHz y 46 kHz. Con el segundo control, comprobamos que hacia 45520 la línea recta vertical se va transformando en una elipse. Ahora, modificamos la última cifra de la frecuencia y observamos que la recta inclinada que marca la condición de resonancia se obtiene aproximadamente a 45517 Hz. Pulsamos la tecla Datos, para guardar los datos experimentales en el control de área de texto situado a la izquierda del applet.
Figura 3. Buscando la frecuencia de resonancia El rango de posibles frecuencias de la fem se ha establecido entre 30.000 y 150.000 Hz de modo que la búsqueda de la frecuencia de resonancia para una separación dada entre las placas del condensador puede hacerse realmente tediosa si no se dispone de un sistema eficaz. Como se ha mencionado en el párrafo anterior, se establecen tres niveles de búsqueda: unidades de millar, decenas y unidades. Los dos primeros se controlan mediante barras de desplazamiento, la frecuencia exacta o la modificación de la unidad se lleva a cabo introduciendo directamente el número en un control de edición. Una vez que se han recogido suficiente número de pares de datos (separación entre las placas del condensador, frecuencia de resonancia), se representa en el eje Y la inversa del cuadrado de la frecuencia de resonancia, y en el eje X la inversa de la distancia de separación entre las placas (figura 4). Se traza la recta que mejor ajusta a los datos "experimentales" y se calcula su pendiente. A partir del valor de dicha pendiente y de los datos del circuito, se determina la velocidad de la luz. El Curso Interactivo de Física recoge otros ejemplos, que no es posible comentar en detalle en el espacio de esta comunicación. Se remite a los interesados a la página web correspondiente del Curso Interactivo de Física en Internet [1].
Figura 4. Representación gráfica de los datos "experimentales"
ConclusionesLas Nuevas Tecnologías de la Información tienen la potencialidad de mejorar sustancialmente la educación ofreciendo nuevas oportunidades para el aprendizaje. La cantidad de información para usos educativos disponible en la Red crece continuamente en forma de cursos, artículos, etc. Es importante reconocer la diferencia entre la situación actual donde los estudiantes utilizan el ordenador ocasionalmente, normalmente como miembro de un grupo y la futura en la que cada estudiante tendrá su propio ordenador (PDA, o asistente) a su disposición conectado a la Red. Un aspecto relevante en Internet es la búsqueda de información, los otros no menos importantes son la posibilidad de colaborar, compartir, y en general, comunicarse por medio del correo electrónico, los foros de discusión, y otros medios que se vayan poniendo a disposición de estudiantes y profesores. Se afirmaba en las conclusiones del I Congreso Nacional de Informática Educativa [7] que "el aprendizaje no se va a limitar a un lugar, un tiempo y una infraestructura. El alumno gracias a la continua disposición de los materiales presentes en Internet podrá estudiar en aquellos contextos y horarios que se ajusten más a sus necesidades. (...) Esto no significa la desaparición del profesor sino que supone un cambio en su papel como docente. El profesor será quien filtre la información para sus alumnos y quién decidirá que herramientas son adecuadas y qué temas debe aprender e investigar. El profesor como experto en la materia seguirá decidiendo qué conceptos son importantes y cuales son los objetivos educativos a conseguir..." Ahora bien, la mejor utilización de las Nuevas Tecnologías de la Información requiere una sustancial reestructuración de la enseñanza tradicional, de la evaluación de los estudiantes, de la preparación de los profesores, en definitiva, de superar la enorme resistencia a los cambios en el sistema educativo. Esta tarea es mucho más ardua que la de proporcionar la infraestructura necesaria para conectar las aulas a la Red.
Bibliografía[1] Se accede al Curso Interactivo de Física en Internet en la dirección www.sc.ehu.es/sbweb/ fisica/default.htm [2] La Simulación de Fenómenos Físicos y Experiencias de Laboratorio en Internet. Franco A. I Congreso Nacional de Informática Educativa. Puertollano, Noviembre de 1999 [3] The Interactive Physics Course on the Internet. Problems and Solutions. A. Franco. Computers and Education in the 21st Century. Kluwer Acadenic Publishers. (2000) Editado por Manuel Ortega y José Bravo. [4] Se accede al Curso de lenguaje Java y de Procedimientos Numéricos en lenguaje Java desarrollado por el autor en la dirección www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/curso.htm [5] Computer visualization of the beating of a Wilerforce pendulum. Debowska, Jakubowicz, Mazur. Eur. J. Phys. 20 (1999) 89-95. [6] Determinación Indirecta de la Velocidad de la Luz en el Vacío mediante un Circuito Resonante. Benito Gimeno, Iván Martí, Miguel Angel Sanchís, Manuel Vergara. Revista Española de Física Vol 14, nº 4 (2000) 41-44. [7] Conclusiones CONIED’99. I Congreso Nacional de Informática Educativa. Puertollano, Noviembre de 1999. Publicado en ADIE Revista de Enseñanza y Tecnología, nº 13, septiembre-diciembre de 1999, pág. 42. |
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