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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/5248| Título : | Modernización de la enseñanza de la electrónica para la Licenciatura en Física: prueba pilóto orientada en proyectos |
| Autor : | Hautefeuille Mathieu, Christian Anne |
| Fecha de publicación : | 2016 |
| Resumen : | En el artículo The Science of teaching Science publicado en Nature en julio de 2015*, el autor M. Mitchell Waldrop exhorta utilizar una nueva manera de enseñar en ciencia, consistiendo en dar clase de otra manera, menos pasiva, para que los estudiantes sean realmente activos. Dice que existe evidencia, desde hace décadas, que los estudiantes que se comprometen activamente con el material de los cursos que llevan son los que guardan más información y aplican mejor su conocimiento. Presenta el ejemplo de varios científicos de renombre y hasta un Premio Nobel de Física (Carl Wieman) quienes dan clases que buscan dar más lugar a los estudiantes, para evitar que algunos pasen los exámenes sin realmente entender o saber aplicar su conocimiento. En la Facultad de Ciencias, tenemos la experiencia en recibir estudiantes de los últimos semestres que no saben lo que saben, que no pueden aplicar su conocimiento en proyectos o experimentos largos que integran varios campos de la Ciencia. El año pasado, experimentamos de forma exitosa con esta nueva forma de impartir clase en un proyecto PAPIME anterior en un Tema Selecto de Óptica: Introducción a la Fotónica. Ahora, queremos implementar esta forma de enseñar más allá, en un sector muy poco popular en la carrera de Física: la electrónica. Creemos que esta experiencia será positiva, ya que hemos experimentado informalmente con la impartición de un Tema Selecto de Electrónica (Instrumentación) basado en proyectos largos de electrónica y muy poca teoría dada en el pizarrón. Aquí se propone que los estudiantes puedan entonces: -aprender a conocer y utilizar un microcontrolador progamable de tipo Arduino -usar entradas y salidas, comunicación y tratamiento para adquisición y control -aplicar a la instrumentación en Física experimental -aprender a trabajar en equipo, haciendo las tareas que le corresponden a uno, sin perder de vista lo que hacen los demás y aprendiendo de ellos. Se identificó también que se tienen que incorporar técnicas básicas de adquisición y análisis de datos así como de fabricación de herramientas necesarias a la realización de experimentos sin depender de equipos costosos. Por lo tanto, para interesarlos y para dar un mayor impacto a nuestro proyecto, decidimos empezara conectar nuestro curso con otros cursos y laboratorios de la Carrera de Física y de la Carrera de Física Biomédica. Efectivamente, se desarrollarán plataformas que serán útiles para estos, ya que se identificaron varios proyectos que se podrán llevar a cabo y que aportará mucho en óptica (medidor digital de potencia luminosa conectado a la computadora, plataforma de medición de ultra alta resolución por fotodiodos de avalancha), mecánica (desarrollo de un estroboscopio controlable de LED ultrabrillante) y estudio de fluidos (medición optoelectrónica de difusión Rayleigh, detección por PIV en microcanales). Además de formar estudiantes en electrónica, les pondrá a trabajar en necesidades específicas de hoy en nuestra entidad. El amplio abanico de grados de dificultad de aquellos proyectos propuestos permitirá demostrar también lo que se puede hacer en nuestros cursos para aportar algo a la comunidad y podrá interesar a los profesores de Preparatoria y Secundaria. * Nature, vol. 523, pp.272-272, 2015. |
| URI : | http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5248 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | Hautefeuille Mathieu, Christian Anne |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2016 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2016-2017 |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura nivel superior |
| metadata.dc.description.objective: | El objetivo principal de la presente iniciativa es de aplicar una metodología de fortalecimiento del aprendizaje de la física con actividades experimentales integradoras de conocimientos. En la actualidad, los problemas a resolver, tanto en física teórica, aplicada así como en el mundo laboral están muy complejos y requieren de una capacidad a conectar los puntos y pensar fuera de la caja que implica que los estudiantes se preparen cada vez más a basarse en múltiples fuentes de conocimientos y de evidencias empíricas. Por lo tanto, hoy en día, se incorporan cada vez más experimentos modernos y complejos que integren varios campos de conocimiento y herramientas modernas a nivel mundial, y desde los primeros años de los estudios. Estos experimentos están desarrollados por los estudiantes de inicio a fin, pero están coordinados (y a veces propuestos) por profesores e investigadores que siguen la progresión de los estudiantes apegandose a una metodología preestablecida y descrita en la sección correspondiente. El desarrollo de experimentos pilotos en electrónica, instrumentación para física de fluidos, mecánica, óptica-fotónica y tiene la finalidad de que los estudiantes (a) adquieran conocimientos teórico-prácticos necesarios para utilizar un microcontrolador programable, (b) sepan utilizar las herramientas clásicas y modernas de control, medición y tratamiento de datos y (c) se acostumbren a la disciplina de trabajar en equipo así como documentar, reportar, discutir y argumentar sus actividades y observaciones. Al finalizar el curso, el estudiante tendrá la capacidad de: desarrollar un experimento integrador de conocimiento para resolver un problema concreto; construir explicaciones y explicarlas; utilizar múltiples fuentes de evidencia (teóricas y empíricas) para construir un razonamiento científico consistente; argumentar y defender hipotesis; desarrollar o verificar modelos; utilizar recursos experimentales modernos y de computación para adquirir y procesar datos, incluso en tiempo real. También habrá aprendido a dejar de ver los equipos como cajas negras con cables y habrá aprendido a documentar lo que hace para que alguien más lo pueda reproducir fácilmente, o mejorar. |
| metadata.dc.description.hypothesis: | En julio del 2013, la American Association of Physics Teaching (AAPT), una entidad referente en la enseñanza de la física a nivel mundial, respaldó una iniciativa del proyecto Next Generation Science Standards (NGSS) para recomendar y uniformizar la enseñanza de la ciencia desde los primeros años de kínder hasta la entrada a la secundaria. El proyecto NGSS está conformado por varias asociaciones y consejos federales como el poderoso e influyente National Research Council (NRC) entre otros. En los estándares que define el NGSS, se puede observar que desde muy temprano se aspira a inculcar una metodología basada en la experimentación científica, tanto personal como de colaboración y en equipo [http://www.nextgenscience.org]. Con un nivel creciente de complejidad y de requerimiento de un razonamiento científico cada vez más construido, los estudiantes van a aprender a (1) planear, construir y desarrollar experimentos de manera individual y colaborativa con recursos limitados, (2) diseñar soluciones basadas en fuentes múltiples de evidencia y consistentes con ideas científicas, (3) preguntarse, preguntar y definir problemas involucrando múltiples parámetros entrelazados, (4) argumentar y defender ideas tanto de forma oral como escrita, (5) usar instrumentos modernos de computación y desarrollar un pensamiento computacional desde temprano y (6) desarrollar y utilizar modelos y simulaciones. Como se puede observar, ningún experimento está pre-establecido de inicio a fin por los profesores, sino que se deja una gran parte de construcción personal y desarrollo del aprendizaje del método científico para los estudiantes. Esos estándares basados en una enseñanza práctica, basada en experimentos de investigación se van a implementar en todo Estados Unidos desde el kínder. La hipótesis que realizamos en este trabajo es que los experimentos basados en la investigación e integradores de conocimientos permiten una enseñanza más completa de la física a nivel de licenciatura. Un informe de evaluación de las carreras de Física a nivel de Licenciatura de la AAPT del año 2005 [http://www.aapt.org/Resources/upload/Guide_undergrad.pdf] confirma que introducir experimentos de investigación en su departamento tiene un fuerte impacto sobre la preparación y el futuro de los estudiantes, tanto para seguir en un posgrado como para entrar al mercado laboral. También recomiendan la incorporación de actividades de investigación bajo la forma que sea más adecuada para fomentar un mejor aprendizaje del método científico tanto para los que se dedicarán a la física en sus vidas laborales como para los que deciden seguir otro camino que la investigación o la docencia. La AAPT y la American Physics Society (APS) se esfuerzan ahora a fomentar una participación activa en la investigación desde el nivel de licenciatura como parte inherente de la enseñanza de la física. Siguiendo esa idea, la Universidad de Rutgers (EEUU) empezó un programa llamado Investigative Science Learning Environment (ISLE). Este método interactivo para enseñar la ciencia a nivel de Licenciatura se basa en los siguientes pasos: (1) observar fenómenos y buscar patrones, (2) desarrollar explicaciones para los patrones identificados, (3) usar las explicaciones para realizar predicciones de los experimentos, (4) decidir si los resultados son consistentes con las predicciones, (5) revisar las explicaciones si es necesario. También enfatizan sobre la necesidad de representar procesos físicos utilizando múltiples fenómenos o experimentos, de manera integradora [http://www.islephysics.net/]. Por lo tanto, utilizan esta metodología en una gran variedad de cursos, vinculándolos. En el presente proyecto se busca entonces empezar a crear una metodología similar para cursos de la carrera de Física, desarrollando experimentos integradores de conocimientos y con un fuerte impacto en sectores populares actualmente, con gran potencial tanto de investigación de punta como de desarrollo tecnológico. |
| metadata.dc.description.strategies: | Basándonos en la metodología existente en otros países y en lo que se encuentra en la literatura, el curso se dividirá en tres etapas: 1- presentación de la metodología e introducción teóricas a los microcontroladores y a los componentes electrónicos básicos 2- tutoriales cortos y dirigidos basados en el aprendizaje rápido de los tópicos más importantes del uso de un microcontrolador (entradas y salidas, ciclos de reloj, comunicación, adquisición de datos y procesamiento). 3- experimentos basados en proyectos largos y ambiciosos con organización de proyecto de investigación (problemática, alcances y calendarización, reportes continuos y replanteamiento dinámico de metas). Se utilizarán herramientas digitales y de la tecnología de la información para organizar y agilizar el curso (Google Apps for Education) para el seguimiento en tiempo real de los estudiantes. En la tercera parte (que ocupa la mayor parte del curso), se trabajará en la presentación regular de los estudiantes de sus avances y del material bibliográfico que hayan tenido que consultar, dando una especie de mini-curso para todo el grupo de los temas que tuvieron que averiguar. Se contará con un banco de experimentos pilotos en diversos sectores multidisciplinarios, con gran necesidad de integración de conocimientos y relativamente populares actualmente. Sin embargo, como siempre, los estudiantes están bienvenidos para presentar nuevas ideas que los profeores deberán revisar y aprobar antes. La metodología que se utilizará para los experimentos y que se evaluará en el desempeño de los estudiantes es la siguiente: i) Planear y llevar a cabo un experimento con diferentes campos de conocimiento para responder a un problema concreto que se planteó. ii) Observar, describir e identificar cualitativamente los fenómenos físicos involucrados en el experimento y proponer maneras de abordarlos. iii) Preguntar, definir problemas con recursos e hipótesis basados en la observación y en la disponibilidad. iv) Buscar información relevante, construir y presentar explicaciones basadas en múltiples fuentes de evidencia consistentes con ideas y principios físico-matemáticos. v) Diseñar soluciones usando recursos modernos de instrumentación y medición (a veces se desarrollará en el laboratorio). vi) Progresar especificando la relación entre las diferentes variables y diseñar, verificar o explicar modelos. vii) Construir una argumentación (oral y escrita) a partir de pruebas experimentales y razonamiento científico. viii) Utilizar la computadora y el pensamiento computacional para analizar datos. ix) Desarrollar y utilizar modelos si es necesario. x) Documentar el trabajo realizado para reproducibilidad por otra persona u optimización futura |
| metadata.dc.description.goals: | Le recomendamos dirigirse a la sección de "Actividades y Productos" del presente documento para más detalles sobre lo que se planea realizar y obtener como entregables concretos. De manera menos tangible (que esperamos medir y evaluar a través de una encuesta en línea para los estudiantes de los cursos optativos participantes para evaluar el impacto del desarrollo de esos experimentos en sus carreras), se espera que los estudiantes aprendan nuevos conceptos que les sean útiles en su formación para poder darse cuenta de lo que sí saben y lo que pueden o no aplicar. Se les guiará considerablemente en esta dirección, como se ha podido ver con la experiencia de los últimos dos años que hemos empezado a impartir nuestro curso de la manera que se pretende implementar bien con este proyecto. Al mismo tiempo que se adquirirán el equipo de medición de bajas señales para proyectos de adquisición de datos vía microcontrolador y los materiales nuevos gracias al apoyo institucional del presente proyecto DGAPA-PAPIME, se implementarán varios experimentos integradores de conocimiento que se llevarán a cabo desde el primer semestre del año y con la ayuda de los estudiantes becados por el proyecto se podrán hacer mejoras y proponer desarrollos reales para otros laboratorios de la Facultad, con el fin de despertar el interés de otros profesores. Efectivamente, se piensa que una de las claves del éxito del presente proyecto es conectar a la electrónica que tienen que cursar los estudiantes con otras materias y otros laboratorios donde se requiere implementar hoy en día. Al final del año se realizará un análisis de los resultados de la encuesta realizada en los diferentes grupos y con los profesores que hayan podido conectarse con nuestros grupos. Por lo menos, contaremos con los proyectos de óptica (2 proyectos actualmente en espera de realizarse ya que se requiere de nuevos medidores de potencia luminosa y de señales de muy baja intensidad), de mecánica (que requiere de nuevos estroboscopios controlables) y de fluidos (1 proyecto de medición de difusión Rayleigh y 1 de medición de flujo en microfluídica). La meta principal de estos proyectos es presentar casos de éxito de plataformas necesitadas en la Facultad para las cuales no se requirió de adquisición de un equipo de tipo "caja negra" sino de una plataforma debidamente documentada, que otros alumnos puedan recomponer o mejorar. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | El objetivo principal del presente proyecto fue aplicar una metodología de fortalecimiento de aprendizaje de la física con actividades integradoras de conocimientos. Consideramos que el proyecto fue un éxito, ya que se se puede concluir al analizar los resultados mostrados en la presentación final de resultados que la práctica y los experimentos integradores de conocimiento son una excelente manera de enseñar la electrónica. Los estudiantes declaran que estas herramientas (tutoriales dirigidos y proyectos largos no dirigidos) permitieron fortalecer los conceptos vistos en clase, tanto para grupos que no habían estudiado electrónica antes (y para los cuales se utilizó el curso para enseñarles) como para los que sí habían cursado electrónica antes y que buscaban fortalecer los conceptos o aplicarlos. A pesar de los problemas que enfrentamos en el desarrollo del proyecto (que se detallan al final del presente apartado), pensamos que el proyecto fue exitoso en cuanto a los logros de las metas planteadas sobre el mejoramiento de las herramientas de enseñanza de la Física experimental basada en experimentos complejos, la optimización de plataformas preexistentes para permitir el desarrollo de dispositivos electrónicos que permitan realizar experimentos integradores de conocimiento y en el fortalecimiento de las bases de conocimiento en electrónica y programación/interconexión entre material y programas. Para asegurar que la forma de impartir clases fuera más interactiva, participativa y de mayor impacto en cuanto a lo que deja el curso a los estudiantes en su formación de físic@s y fisic@s biomédic@s, se ha tomado para profesores que utilicen las herramientas de G Suite para Educación de Google (anteriormente Google Apps for Education), el cual es Responsable del presente proyecto validó y certificó (ver constancia en anexo). Se decidió efectivamente optar por esta plataforma en línea, ya que ofrece una enorme libertad de apertura de contenidos compartidos, favorece la evaluación contínua de los estudiantes y promueve el trabajo en equipo y una comunicación fluida entre todos. Los beneficios del proyecto están claramente evaluados con los interesados: profesores que imparten cursos experimentales en la Facultad (que están indirectamente interesados) y sobre todo estudiantes que toman nuestras asignaturas. Los niveles de 3er semestre en Física Biomédica y de optativa de últimos semestres en Física permitieron evaluar claramente el impacto de nuestra iniciativa de utilización de experimentos para aprender electrónica. Aunque los resultados de las encuestas que realizamos y que la Coordinación de Física Biomédica (ambos presentados en en anexos) muestran una clara diferencia de apreciación de los cursos, es claro en los resultados alcanzados en los proyectos finales que el aprendizaje de la electrónica a través de la enseñanza basada en experimentos permitió fortalecer el aprendizaje, involucrando profundamente a cada estudiante. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | El objetivo principal de la presente iniciativa era de aplicar una metodología de fortalecimiento del aprendizaje de la física con actividades experimentales integradoras de conocimientos. En la actualidad, los problemas a resolver, tanto en física teórica, aplicada así como en el mundo laboral están muy complejos y requieren de una capacidad a conectar los puntos y pensar fuera de la caja que implica que los estudiantes se preparen cada vez más a basarse en múltiples fuentes de conocimientos y de evidencias empíricas. Efectivamente, se piensa que una de las claves del éxito del presente proyecto es conectar a la electrónica que tienen que cursar los estudiantes con otras materias y otros laboratorios donde se requiere implementar hoy en día. Meta principal: se ha logrado involucrar a profesores de asignaturas de Física en participar en esta nueva estrategia para enseñar la electrónica de una manera diferente, mostrando la capacidad de formación para que los estudiantes desarrollen soluciones para Física experimental aprendiendo electrónica. Se mostró con el desarrollo de proyectos innovadores y de plataformas para desarrollar en HW (tipo shields) y en SW (centralizar la forma de trabajar). Se pudo mostrar que la estrategia es útil en optativa después del curso obligatorio de Electrónica en la carrera de Física y que debería ser aplicable a un curso obligatorio de tercer semestre en Física Biomédica También consideramos que un gran beneficio del proyecto PAPIME fue que el apoyo permitió adquirir material básico para armar “plataformas-tipo” (llamadas “shields”) de Arduino. Gracias a la experiencia que se tiene en el tema y de acuerdo a los intereses de otros profesores de la entidad, hemos identificado los shields más útiles y los estudiantes los armaron en clase. Estas plataformas serán mejoradas continuamente conforme los estudiantes las utilicen en los siguientes semestres. Gracias a lo que se aprendió en el curso, se ha trabajado en la apertura de un curso en la Secretaría de Educación Continua y a Distancia para profesores y educadores, y hasta para público en general. Se espera abrir el primer curso intersemestral en el verano 2017 (y estamos en discusión para abrirlo como diplomado a corto plazo). Además, el material adquirido es útil a una gran cantidad de estudiantes de otras asignaturas en el Departamento. Problemas enfrentados: Alza del precio de equipo y materiales por el tipo de cambio, que impidió adquirir el equipo de medición de señales de baja amplitud para poder comprar materiales necesarios al desarrollo de los “shields” No se pudo inscribir a tiempo a un congreso internacional como prometido Los estudiantes registrados en el proyecto se fueron de estancia o al extranjero o en un centro CONACyT y no pudieron seguir con el proyecto. No se pudo inscribir a otro a tiempo en un proyecto de 1 año. Es difícil registrar un curso de tipo diplomado para profesores sin recursos adicionales cuando el material se usa continuamente. |
| metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Ciencias |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Física |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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