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Guía para prácticas experimentales de física : mecánica / Daniel Varela Muñoz ... [et al.]. -- Bogotá : Ediciones Unisalle, 2015

152 páginas : ilustraciones ; 17 × 24 cm.

Incluye bibliografía.

ISBN 978-958-8939-05-6

1. Física - Guías 2. Física - Experimentos 3. Mecánica I. Varela Muñoz, Daniel, autor II. Tít.

530 cd 21 ed.

A1502594

CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango

Queda prohibida la reproducción total o parcial de este libro por cualquier procedimiento, conforme a lo dispuesto por la ley.

Contenido

Prefacio

La enseñanza de las ciencias físicas ha estado ligada al diseño experimental y ha logrado establecer prácticas de laboratorio que están respaldadas por la acumulación de conocimientos científicos de más de quinientos años, que tienen la propiedad de ser lo suficientemente flexibles como para ser contextualizados en diferentes ámbitos de la ingeniería y, en general, de las ciencias naturales. Se hace necesaria la presencia del maestro en diálogo con los estudiantes para mostrar la manera como el montaje experimental se encuentra asociado con las diferentes manifestaciones del fenómeno en la realidad.

La presente guía recoge más de cuarenta años de experiencia en la enseñanza de la física en el campo experimental universitario, cuyos propósitos y tendencias pedagógicas han evolucionado a la par con los avances tecnológicos de medición y computación. Por tal razón, el propósito general del texto es aproximar al estudiante a la praxis experimental en física, utilizando como estrategia de aprendizaje una metodología centrada en los modelos, o en su variante alternativa, la aproximación por modelamiento matemático, ejecutada en una modalidad didáctica llamada dato-gráfica-modelo (DGM), que se sustenta en algunos hechos o fenómenos sencillos observables, medidos y presentados en tablas generalmente construidas por el mismo estudiante. Esta metodología se despliega a partir de una tríada de actividades que deben ejecutar un grupo de estudiantes, que en un comienzo están orientadas estrictamente por el profesor, pero que con el transcurrir del periodo académico, el estudiante, en su momento, debe ir implementando de manera autónoma en cada una de las prácticas programadas.

Con ello se pretende reproducir dentro del proceso mismo de aprendizaje de un estudiante, en su justa proporción y de acuerdo con el contexto disciplinar o profesional de formación, una actitud preliminar similar al modo riguroso y exhaustivo con el cual un investigador profesional, ya en el campo de la ciencia, lleva a cabo su labor de indagación y generación de conocimiento. A cada práctica propuesta se le ha insertado un marco conceptual del tema tratado, que describe sucintamente las variables de interés y sus relaciones; los materiales, métodos y actividades, que le proponen al lector un análisis profundo de los datos obtenidos experimentalmente, lo que le ayuda a realizar el mejor ajuste de sus datos y el establecimiento del modelo matemático adecuado. Finalmente, las claves para el reporte son ayudas en términos de advertencias, preguntas o sugerencias dirigidas al estudiante, como orientación en la construcción tanto del modelo como en la redacción del informe de prácticas.

El buen uso de esta Guía dentro de los espacios académicos del área de física brindará al estudiante la oportunidad de desarrollar la capacidad de análisis de resultados en un proceso real de medición. La Guía dirige al estudiante para que se entrene en este procedimiento, mediante la interacción directa con los instrumentos de medida, a la usanza de la praxis propia, real, de las ciencias y la ingeniería, pues, por otro lado, se considera que el despliegue a través de medios virtuales, en esta etapa del proceso de aprendizaje de los estudiantes, en términos de simulaciones u objetos virtuales de aprendizaje (OVA), debe estar limitado, ya que no pueden superar los problemas reales que implica la acción de medir, por supuesto, sin desconocer las ventajas que presenta la virtualidad en los procesos de aprendizaje, a la que se recurre de todas maneras, a través del uso de calculadoras o aplicativos de hojas de cálculo y procesadores de texto.

Recomendaciones para el maestro

En los espacios académicos de la física se ha venido desarrollando una labor comprometida con forjar una aptitud y una actitud entre los estudiantes, frente a su proceso de aprendizaje, durante los dos primeros años de estudios concomitantes con el área de fundamentación curricular, donde la orientación y el acompañamiento por parte del maestro en el proceso de medición que realiza un estudiante desempeña un papel preponderante en la eliminación de hábitos poco adecuados que afloran en la toma de datos, como errores de paralaje, errores sistemáticos, mal uso de los métodos y descuidos en la calibración y ajuste de los instrumentos, o simplemente displicencia. Lo anterior implica una intencionalidad hacia la formación de carácter profesional sobre la rigurosidad en la toma de mediciones que se reportan como datos fidedignos, resultantes de un promedio de medidas repetitivas, que en general deben ser como mínimo tres, con el objetivo de minimizar las posibles imprecisiones durante el proceso.

Fomentar en los estudiantes la presentación de datos mediante tablas explícitas de las variables medidas con sus respectivas unidades y las incertidumbres propias de los aparatos de medición, donde se presenten, le permite verificar al maestro la rigurosidad en la toma de datos. Para el estudiante significa construir un primer dispositivo que lo habilita para hacer un análisis preliminar sobre el comportamiento de las variables y sus posibles dependencias funcionales. Desde este punto de vista, la tabla de datos se convierte en un instrumento didáctico, dado que convoca a los estudiantes a un aprendizaje colaborativo, centra su atención, fija y retiene los conocimientos, lo que les permite la comprensión del fenómeno que se está trabajando de manera autónoma.

Solicitar las tablas de datos al finalizar cada una de las prácticas asegura al maestro que el estudiante analizará los obtenidos in situ y no otros, y para el estudiante se fomentará la capacidad de argumentación y sustentación de los datos reportados, previo un análisis rápido, el cual facilita depurar los datos, es decir, detectar y eliminar aquellos considerados como sospechosos e inusitados y que puedan a posteriori, conducir a resultados bastante desviados.

Luego de contar con una tabla de datos depurados, prosigue un análisis visual de estos mediante un gráfico. La intervención pedagógica por parte del maestro en este punto es crucial en la formación del estudiante, quien debe presentar toda gráfica según normas previamente establecidas (Icontec 1486), es decir, que la gráfica debe llevar un título que corresponda y dé cuenta sintética de los datos; se deben rotular los ejes de manera que las unidades de medida y los posibles factores de escalas estén presentes y, por último, se debe garantizar que el conjunto de puntos ocupe la mayor cantidad de área disponible del papel, lo que permite dilucidar la tendencia funcional de la nube de puntos. Se recomienda que el maestro insista en el papel fundamental que desempeña el conocimiento de funciones matemáticas, por parte de los estudiantes, en los estudios relacionados con el análisis de datos de un experimento. Las relaciones se pueden representar mediante funciones; los grupos de familias de funciones más comunes en el análisis de datos experimentales son las lineales, las potenciales, las exponenciales, las logarítmicas y las trigonométricas. Es decir, el bagaje matemático que el estudiante posee, en cuanto a la representación simbólica de funciones, le permite seleccionar el tipo de ajuste más adecuado y que representa la función continua abarcadora de la nube de puntos. Es indiscutible que el resultado involucra la presencia efectiva de los conocimientos de otros espacios académicos y, en particular, la formación en matemática.

En el desarrollo de la actividad, el maestro debe presentar la manera mediante la cual se establece un modelo matemático a partir de una tabla de datos, método concebido por el famoso matemático Gauss, quien lo desarrolló en la forma del denominado método de los mínimos cuadrados, que se fundamenta en el hecho de que la suma de los cuadrados de las distancias de los puntos que conforman la nube que encuadra el entorno de la curva por ajustar sea un mínimo. Debido a que el método de los mínimos cuadrados admite algoritmos de cómputo ya establecidos, los autores de esta propuesta didáctica consideran que, en consonancia con la práctica de laboratorio, el estudiante debe realizar cálculos simples donde quiera que aplique la técnica de mínimos cuadrados e interpretar los resultados arrojados por el método, asegurando de esta manera que se afiance, en las primeras prácticas del espacio académico inicial (Física mecánica y Fluidos), este nuevo modo de proceder, como paso necesario en el modelamiento de fenómenos naturales.

Se insiste en que el maestro debe asegurarse de que el estudiante se apropie de la técnica de mínimos cuadrados y su procedimiento preliminar, la linealización, en las primeras prácticas de laboratorio, dado que posteriormente, en los siguientes espacios académicos de física, se utilizan los recursos computacionales, calculadora o computador, para la construcción de las gráficas y ajuste por mínimos cuadrados cuyo algoritmo ya se encuentra insertado en los diferentes paquetes que se ofrecen en el mercado, por ejemplo, Excel^TM, Gnuplot (software libre), entre otros, donde lo esencial en términos pedagógicos es la interpretación de los resultados por parte de los estudiantes y el acompañamiento, por parte del maestro, que debe ir dirigido a la construcción del modelo más fiel a los datos experimentales y que dé cuenta del fenómeno natural que se está estudiando, para lo cual se recurre al criterio estadístico del coeficiente de correlación, valor que expresa el grado de la variación de una cantidad física en términos de otra, y cuyo significado debe ser aprehendido por parte del estudiante para ser usado, incluso, en su desarrollo profesional posterior. La experticia que el estudiante pueda adquirir depende del grado de compromiso entre los profesores encargados de estos espacios académicos para garantizar la apropiación del método entre toda la comunidad estudiantil.

En cuanto al informe por escrito de toda la actividad de los estudiantes, una vez analizados los datos gráficamente y formulados y sintetizados en el modelo, los autores de esta propuesta han adoptado que esta presentación se haga en la forma de reporte científico. El maestro debe estar atento, en este documento, a que el estudiante revise el marco conceptual planteado en cada práctica, para que pueda desarrollar una comparación entre el modelo matemático construido a partir de las mediciones realizadas y el modelo teórico preestablecido, si existe. Además, debe asegurarse de que tanto en el análisis como en la discusión de resultados las claves para el reporte que se presentan para cada práctica se vean reflejadas. En otras palabras, en el reporte se debe evidenciar el entendimiento de la práctica a través de una elaboración cognitiva que se plasma en el análisis de resultados y las conclusiones redactadas por el grupo de estudiantes que trabajan de manera colaborativa en este proceso.

Objetivos generales

Los objetivos perseguidos durante el desarrollo de las prácticas planteadas a lo largo del texto están orientados de manera tal, que el estudiante adquiera la estructura formativa necesaria en la manipulación de instrumentos, adquisición y análisis de datos, construcción de modelos, comprobación de leyes y presentación de informes tipo reporte científico, destrezas necesarias en el desarrollo de las competencias propias de un ingeniero. Más específicamente se quiere: