LA UTILIZACIÓN DE FISICA INTERACTIVA PARA LA ENSEÑANZA DEL CONCEPTO CIENTÍFICO DE CALOR BARRERO, O. Heidy.1, ROJAS, B, Jesús.1, RUIZ, G. Oliverio .2

1. Estudiantes de Licenciatura de Matemáticas y Física, III semestre, Uniamazonia, Caquetá. 2. Profesor Catedrático, Problema de Calor y Temperatura. Uniamazonia

RESUMEN

Se muestra un estudio descriptivo sobre errores conceptuales que alumnos del grado décimo de una

institución educativa tienen sobre los conceptos de calor, energía interna y temperatura. Los cuales se

obtienen de la aplicación de un examen de diagnóstico y se clasifican de acuerdo con las investigaciones y

bibliografía encontrada. A partir de los resultados, se propone una estrategia didáctica con simulaciones

interactivas y videos para la superación de tales errores conceptuales.

Palabras clave: Calor, energía interna, temperatura, error conceptual, enseñanza de la física, aprendizaje

ABSTRACT

It displays a descriptive study of conceptual errors that tenth graders at a school have on the concepts of

heat, internal energy and temperature. Which are derived from the application of a diagnostic test and are

classified according to the research and literature found. From the results, we propose a teaching strategy

with interactive simulations and videos to overcome such misconceptions.

Keywords: heat, internal energy, temperature, conceptual error, physics teaching, learning

I. INTRODUCCIÓN

La aparición de las TIC o NTI (Nuevas

Tecnologías de la Información) ha propiciado

un cambio social a gran escala. Cambio que

conduce hacia una notable diversificación de las

herramientas utilizables por el maestro para

desempeñar su labor (Bartolomé 1989), y

cambio que implica una necesaria y profunda

modificación curricular orientada al desarrollo de

habilidades que faciliten al alumno la adaptación

a un mundo altamente tecnologizado.

En investigaciones realizadas sobre las

Tecnologías y la educación, se han puesto de

manifiesto cuatro tipos de problemas que afectan

al profesorado en esta situación de cambio

(Marco y Linn 1989):

El primero de estos problemas surge cuando el

profesor desconoce la herramienta que la

tecnología pone a su disposición. El segundo

problema surge de la fuerte resistencia al cambio

por parte del profesorado. El tercer problema se

refiere a la integración de la nueva tecnología en

las actividades escolares. El cuarto problema se

debe a la falta de nuevos métodos de valoración

del aprendizaje adecuados a las modificaciones

que las nuevas tecnologías introducen en el

proceso de aprendizaje.

Al presente, existe excesiva confusión con

respecto a los conceptos científicos sobre la

física del calor, especialmente en el ámbito del

lenguaje formal. Las personas suelen decir frases

como las siguientes ¡Qué caliente que está el

agua!, ¡Hoy hace mucho calor, hay más de 30

grados!, cerremos la ventana que entra frío, el

calor hizo que la puerta de hierro se hinchara,

El calor de la estufa subió a las habitaciones de

la parte superior de la casa, etc. Si bien forman

parte de un lenguaje cotidiano, estas expresiones

tienen poca precisión científica, y es necesario

aproximarse a una definición de los conceptos

físicos que permita interpretar y diferenciar el

significado de cada término que se utiliza desde

el lenguaje científico.

Desde el punto de vista científico, el concepto de

calor es central para la Física y más para la

Termodinámica y ha sufrido cambios en su

significado en el desarrollo de esta disciplina.

Fue considerado una sustancia durante el siglo

XVIII, una onda (en el marco de la teoría

ondulatoria del calor, entre 1820 y 1830) y una

forma de energía (interpretado de esta manera

por Clausius y Joule hacia mediados del siglo

XIX).

Pero a partir de unas investigaciones a partir de

la década de los 60 hasta la década de los 80, el

calor es considerado como una forma (o

proceso) de transferencia de energía.

Pero en Colombia, todavía se enseña con las

ideas científicas que se manejaron sobre el calor

entre mediados del siglo XVIII y las primeras

décadas del siglo XIX, bajo la teoría del

calórico. Es decir en nuestros Lineamientos

Curriculares de Ciencias Naturales para la

educación colombiana, dice que entre los grados

séptimos, octavo y noveno, se debe enseñar el

concepto de calor como “forma de energía”.

Entonces si la idea de calor como proceso, y no

como energía. Pero lo difícil es definir calor

como proceso de transferencia de energía y no

como algo almacenado en un reservorio. Lo

almacenado es la energía interna. Pero ahora el

asunto es si existen dificultades para que los

alumnos del grado décimo, distingan calor de la

temperatura y para que asimilen en punto de

conservación de la energía, ¿se facilitaran o se

complicaran las cosas al introducir la energía

interna. No debemos olvidar que, a ese nivel no

podemos hablar de funciones de estado ni de

otros conceptos similares en el ámbito de la

Termodinámica.

Por lo tanto es incorrecto que un cuerpo “pierde

calor”. Lo que pierde es energía interna, a partir

de un proceso de transferencia que llamamos

calor. Pero quien no dice estas palabras como

“entra frio”¿será que estaremos facilitando la

comprensión o dificultándola aún más?

Pero si ya hace más de treinta años que se

cambio el concepto de calor que no es una forma

de energía, ¿Por qué continuamos utilizando este

término?

Es por ello que el propósito de este artículo es

dilucidar en forma breve pero muy clara los

significados de calor, energía interna y

temperatura desde el punto de vista de la Física,

y aplicar una estrategia didáctica desde el

modelo constructivista, para lograr un cambio

conceptual.

Lograr una solución para estos problemas

seguramente no va a ser una tarea fácil.

El objetivo que pretendemos es conseguir la

integración de las NTI (en este caso el vídeo,

animaciones interactivas) en la práctica de un

problema de aula para que los alumnos

interrelacionen e integren distintas fuentes de

información y métodos de trabajo.

Uno de los aspectos que intentamos investigar

fue la aportación del vídeo y animaciones

interactivas en el proceso de enseñanza-apren-

dizaje en lo que respecta a:

a) La mejora del lenguaje científico utilizado por

los alumnos. Inconscientemente el profesor en su

práctica docente diaria puede estar utilizando un

lenguaje científico que adolezca de la precisión

necesaria.

b) La adquisición de conceptos científicos. Como

dicen Viennot (1985) y Driver (1986), los

estudiantes están ya en posesión de sus propios

esquemas conceptuales al respecto, elaborados

en un intento de explicación racional de sus

experiencias cotidianas previas, y son muy

reacios al cambio conceptual. ¿Puede ayudar el

vídeo y las animaciones interactivas a que los

alumnos modifiquen estos conceptos espontá-

neos hacia sus correspondientes conceptos

científicos?

II. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

Este trabajo ha sido llevado a cabo con alumnos

del grado décimo 1 de la Institución Educativa

Normal Superior. El centro está bien situado en la

ciudad de Florencia-Caquetá y los 38 alumnos del

aula en la que se llevó a cabo este trabajo proceden

de un nivel social medio.

Los temas en los que se utilizaron los vídeos y

las animaciones estaban relacionados con el

calor, energía interna y la temperatura. En

concreto:

1) Diferencia precisa entre energía interna,

calor y temperatura.

2) Cambios de estado y equilibrio térmico.

Hemos elegido estos temas con objeto de

estudiar el apoyo que podían prestar las

animaciones interactivas y los vídeos para el

aprendizaje de conceptos complejos y

frecuentemente mal entendidos. De hecho, en la

década de los años setenta se plantearon

discusiones en torno a la conveniencia o no de

introducir conceptos de termodinámica en los

currículos de enseñanza primaria y secundaria. En

el estudio realizado por Cervantes (1987)

encontraremos una revisión bibliográfica sobre

los mismos.

Para el análisis de la comprensión de los temas por

parte de los alumnos, se elaboró un test de 15

preguntas de formulación cerrada (anexo 1). El

material bibliográfico en el que nos basamos para

la confección de este test se recoge en las

referencias bibliográficas que cierran el artículo.

El proceso seguido para la realización de la

experiencia llevada a cabo ha sido el siguiente:

Instituto Normal Superior

1. Aplicación del test.

2. Proyección de las animaciones

interactivas y vídeo en el aula.

3. Explicación teórica por parte de nosotros.

4. Prueba final elaborada con preguntas diferentes

a las del test, pero haciendo hincapié en los

mismos conceptos.

5. Nueva aplicación del test.

III. RESULTADOS Los resultados obtenidos, para la aplicación del

primer test, fueron:

Figura 1

Respuestas antes de la práctica didáctica

Haciendo un análisis de las tendencias

presentadas por los estudiantes después del

desarrollo de las pruebas. Por supuesto, uno se

da cuenta que el concepto que tuvo uno de los

mayores crecimientos, es el que se refiere al

concepto de calor.

Se cree que esto se debe al hecho de que este

concepto ha sido explorado en muchos textos,

ejercicios y los experimentos. En relación con la

energía interna y la temperatura , no se logró un

buen resultado. Esto sugiere que hubo errores en

las actividades, ya que dio menos importancia a

estos conceptos.

Al analizar las respuestas de los estudiantes, se

constató que las ideas como el pensamiento de

que la temperatura se transfiere de un cuerpo a

otro y no

consideran la temperatura como el número que

se utiliza para traducir el estado de "caliente" o

"frío" un cuerpo, aún queda después de la

instrucción.

Estas concepciones, junto con la complejidad de

entender lo que significa la energía, fueron las

principales dificultades encontradas.

Figura 2

Respuestas después la práctica didáctica

Figura 3

Comparación de respuestas

IV. ANALISIS DE LOS RESULTADOS En la figura 3 vemos una comparación de las

respuestas en lo que respecta a un mejoramiento de

las contestaciones o a un empeoramiento a pesar

de haber insistido en los conceptos, realizando la

práctica, es de observar que esta práctica por

motivos de tiempo, se hizo en el lapso de una

hora, algo que consideramos que es muy poco

tiempo, para realizar esta práctica.

Un análisis detallado nos indica que en general

el aumento más espectacular está en las preguntas

de concepto: los alumnos mejoran mucho en

cuanto al léxico utilizado y a la interpretación

del concepto. En las preguntas de aplicación

del método científico a los hechos de la vida

cotidiana es donde existe mayor dificultad de

aprendizaje.

Las preguntas relacionadas con los conceptos de

energía térmica, calor y temperatura, que están

muy bien expuestas y visualizadas en las

animaciones, tienen unas mejoras considerables.

Sin embargo, en conceptos y hechos

experimentales como el mantenimiento de la

temperatura en los cambios físicos, que también

está muy bien expresado en la práctica, no se

han dado los resultados esperados.

Asimismo se analizaron las preguntas correctas

antes y después de la aplicación basada en

cambio conceptual, para los ítems agrupados en

la categoría de calor. En el pretest el 38% de las

preguntas fueron correctas mientras que en la

postest el porcentaje aumentó hasta un 55 %. En

contraste a la otra categoría temperatura, se

puede observar que en esta categoría calor sí

hubo un mejoramiento en el cambio de las ideas

previas sobre calor.

Por ejemplo, en el siguiente ítem referente a las

idea previa sobre calor: ¿ Si trato de imaginarme

cuándo o dónde estaría presente el calor, pienso:

a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo

posee calor; b) Solamente en aquellos cuerpos

que están calientes; c) En cuerpos de diferentes

temperatura pero en contacto; d) Todas las

proposiciones anteriores.

En la preprueba un 36% de estudiantes

seleccionaron la respuesta correcta (c), y este

porcentaje aumentó al 88% en la postprueba.

Este aumento indica un cambio en la

preconcepción sobre calor en algunos

estudiantes; mientras que para el resto la idea

errónea del concepto sobre calor persiste, lo cual

es una de las características de las ideas previas,

la persistencia de la misma. Es de hacer notar

que la proposición (a) es la idea previa con

mayor selección por parte de los estudiantes, lo

cual indica la asociación de calor con caliente,

como una cualidad y no como un proceso.

Asimismo, se efectuó un análisis estadístico

descriptivo para comparar la variación en las

respuestas correctas entre los ítems de la pre y

postprueba. Se observa que hay diferencia en el

porcentaje de respuestas correctas con un

aumento para la postprueba, pero con bajo

porcentaje de diferencia del 17 % lo que indica

que el tratamiento con la estrategia basada en el

cambio conceptual tuvo influencia en la

transformación de algunas ideas previas en el

grupo. Sin embargo, la baja diferencia entre los

porcentajes de la preprueba (38%) y postprueba

(55 %) indica que algunas de las ideas previas

persisten acorde con lo reportado en la literatura.

V. ESTRATEGIA DIDACTICA Este diseño tuvo como base una estrategia

didáctica basada en cambio conceptual, ,

partiendo que los alumnos lleguen a elaborar

unas concepciones sobre Calor, energía interna y

Temperatura más acordes con las ideas

científicas. Esta estrategia se desarrolla a través

de siete momentos o actividades que

corresponden al aprendizaje constructivista.

El desarrollo conceptual de esta práctica

responde a las siguientes ideas básicas:

Iniciar el tema con el concepto de equilibrio

térmico dada la dificultad que presenta para

los alumnos de este nivel (Tiberghien,

1985), introduciendo la temperatura como

una magnitud experimental.

Aplicar el principio de Conservación de la

Energía a un sistema aislado para establecer

el concepto de Energía interna como una

magnitud de tipo microscópico de la cual

solo pueden observarse sus variaciones a

través de las variaciones de temperatura.

Este punto sirve de enlace con las Unidades

anteriores.

Establecer la diferenciación entre

Temperatura y Energía interna a partir del

estudio de los cambios de estado, procesos

en los que se suministra Energía al sistema y

no se observa variación de su temperatura.

Diferenciar los conceptos científicos de

Calor y Energía interna mediante la

introducción del Calor como un proceso de

transferencia de Energía entre dos sistemas a

diferente temperatura por el cual estos

pueden variar su Energía interna (Fernández

Uría, 1986).

De acuerdo con esta justificación, la Estrategia

Didáctica se desarrolla en seis actividades:

I. Distinguir entre calor y

temperatura

II. Equilibrio térmico

III. Energía interna.

IV. ¿Qué variables influyen en la

variación de la Energía interna?

V. ¿Siempre que varía la Energía

interna varía la Temperatura?

VI. ¿A qué se llama Calor en Física?

VII. Ampliación del estudio con

unas evaluaciones interactivas.

VI. CONCLUSIONES En conclusión a nuestro estudio sobre los errores

conceptuales, se desprende que:

el calor generalmente es asociado a una

fuente o un estado

el alumno utiliza ya sea el término calor

o temperatura para designar “caliente”-

el vocablo calor tiene, para los alumnos

un sentido restrictivo; designa la

temperatura de algo caliente

los alumnos establecen una escala de

temperatura en función de sus

sensaciones

Pero para ellos la temperatura contiene también

una noción de cantidad de calor o de frio, la

temperatura les indica la cantidad de frío o de

calor que contiene un objeto. Aunque no utilicen

siempre la palabra “cantidad”, es, no obstante, la

idea expresada.

Resumiendo, la temperatura designa para los

educandos un estado pero también encierra una

idea de cantidad.

En un entorno educativo en el que el acento se

pone en el proceso de aprendizaje, en la

adquisición de competencias que transformen al

estudiante en personas preparadas en su faceta

personal, social y profesional, las nuevas

tecnologías de la información y la comunicación

(TIC) van ganando terreno a los métodos

tradicionales de enseñanza. Creemos que las

animaciones interactivas pueden constituir una

estrategia de aprendizaje importante y muy útil

en física, que enseñe a los alumnos a aprender a

aprender, a construir de forma autónoma y

colaborativa las estructuras mentales que les

lleven a avanzar en el proceso de aprendizaje. El

papel del profesor en este caso debe comenzar

por diseñar (o seleccionar) las animaciones o

simulaciones adecuados en cada momento,

ayudar a que se formen grupos de trabajo,

responder de forma precisa e inmediata a las

dudas que se planteen y, por último, estudiar en

cada momento los resultados obtenidos al

emplear esta estrategia con el fin de actuar sobre

el proceso en el futuro.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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TIBERGHIEN, A. (1994). Modelling as a basis

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ANEXO I

El siguiente cuestionario tiene fines exclusivamente estadísticos; no influirá en tu

calificación. Contéstalo de manera anónima y por ti mismo. Los resultados serán de

utilidad para mejorar los procesos educativos en la Institución, por lo que es importante tu

colaboración. Gracias.

1. Si trato de imaginarme cuándo o dónde

estaría presente el calor, pienso:

a. En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo

posee calor;

b. Solamente en aquellos cuerpos que están

«calientes»;

c. En situaciones en las que siempre ocurre

transferencia de energía de un cuerpo a otro.

2. Según yo entiendo, el calor es:

a. Energía en movimiento (o cinética) de las

moléculas;

b. Energía que se pone en juego sólo cuando

hay una diferencia de temperatura;

c. La energía contenida en un cuerpo.

3. En el interior de una habitación que no

haya sido calentada o enfriada durante

varios días:

a. La temperatura de los objetos de metal es

inferior a la de los objetos de madera;

b. La temperatura de todos los objetos es la

misma;

c. Ningún objeto tiene la misma temperatura

que otro.

4. El agua (a 0°C) que se forma cuando se

funde un cubito de hielo (también a 0°C),

contiene:

a. Más energía que el hielo;

b. Menos energía que el hielo;

c. Igual cantidad de energía que el hielo

5. Se coloca un cubito de hielo a 0oC en un

recipiente con agua que también está a

0oC. Entonces:

a. El agua cede calor al hielo;

b. Ni el agua ni el hielo tienen calor porque

están a 0°C:

c. Ninguno de los dos puede ceder calor al

otro.

6. Si pienso en dos bolitas (esferas) idénticas,

una que está en un horno caliente y la otra

que está en una nevera, ¿Qué diferencia

hay entre ellas si las saco al mismo tiempo

del horno y de la nevera?

a. Contienen distinta cantidad de calor;

b. Tienen distinta temperatura;

c. Una esfera contiene calor y la otra no.

7. Si coloco en un vaso con agua un cubito de

hielo a 5O

C y en otro vaso idéntico, con la

misma cantidad de agua, tres cubitos de

hielo a 5O

C, ¿En qué situación el agua se

enfría más?

a. En el vaso donde se colocan tres cubitos;

b. En el vaso donde se coloca un cubito;

c. Se enfría igual en los dos vasos.

8. Dos esferas del mismo material pero de

diferentes masas quedan durante mucho

tiempo en un mismo horno. Al sacarlas, se

las pone inmediatamente en contacto. En

ese caso:

a. Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de

menor masa;

b. Pasa calor de la esfera de menor masa a la de

mayor masa;

c. Ninguna de las esferas cede calor a la otra.

9. Las mismas esferas anteriores se dejan

ahora en una heladera durante mucho

tiempo. Luego, igual que antes, se las saca

y se las pone inmediatamente en contacto.

En esta nueva situación:

a. Ninguna de las esferas posee calor;

b. Pasa calor de la esfera de mayor masa a la de

menor masa;

c. Ninguna de las esferas puede ceder calor a la

otra.

10. Cuando una porción de agua que está

hirviendo pasa al estado de vapor,

cambia:

a. Su energía interna;

b. El calor que contiene;

c. Su temperatura.

11. Cuando se transporta calor desde una

punta a la otra de una barra metálica,

pienso que lo más correcto sería decir

que:

a. El calor pasa a través de la barra, casi como

si fuera un líquido;

b. Se transporta energía por el movimiento

desordenado de átomos o moléculas;

c. La energía pasa a través pero no pasa nada

con los átomos ni con las moléculas.

12. Según lo que yo pienso, la energía interna

de un cuerpo tendría que ver con:

a. El calor que posee el cuerpo;

b. La energía de sus átomos y moléculas;

c. La masa que posee.

13. ¿Puede un objeto estar más caliente que

otro si tienen la misma temperatura?

a. No, porque la temperatura nos indica la cantidad de calor, entonces la misma temperatura significa misma cantidad de calor

b. Sí, porque puede ser que uno tenga más

masa que otro y por tanto más

calor pero no más temperatura

c. Sí, porque calor y temperatura son

cosas diferentes

14. Para que se pueda hablar de calor.

a. Es suficiente un único sistema (cuerpo)

b. Son necesarios, por lo menos, dos sistemas

c. Es suficiente un único sistema, pero tiene

que estar «caliente»

15. Para que se pueda admitir la existencia de

calor debe haber:

a. Una diferencia de temperaturas

b. Una diferencia de masas

c. Una diferencia de energías.