El laboratorio virtual mediante el simulador Modellus 4.01 y su incidencia en el aprendizaje de la dinámica traslacional

 

The virtual laboratory using the Modellus 4.01 simulator and its impact on learning translational dynamics

 

O laboratório virtual usando o simulador Modellus 4.01 e seu impacto na aprendizagem da dinâmica translacional

 

			Jaime Rodrigo Guilcapi-Mosquera II    jr.guilcapi@uta.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-2994-2563
	Juan Manuel Martínez-Nogales I jumartinez@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-4860-1548

 

 

 

 

 

			Milton Patricio Mata-Cepeda IV patriciomata1982@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-5700-4390
	Jorge Rigoberto López-Ortega III jorge.lopezo@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-4790-6876

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jumartinez@espoch.edu.ec

 

Ciencias técnicas y aplicadas

Artículo de investigación

                                                                                     

*Recibido: 15 de abril de 2020 *Aceptado: 30 de mayo de 2020 * Publicado: 30  de junio de 2020

 

I.          Magíster en Ciencias de la Educación Aprendizaje de la Física, Ingeniero Mecánico, Docente Investigador Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

II.        Doctor en Matemáticas, Magíster en Matemática Aplicada Mención Modelación Matemática y Simulación Numérica, Docente Investigador Universidad Técnica de Ambato, Ambato, Ecuador.

III.     Ingeniero en Sistemas Informáticos, Magíster en Interconectividad de Redes, Docente Investigador Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

IV.        Magíster en Ciencias de Educación Aprendizaje de la Física, Licenciado en Ciencias Exactas, Docente en UE. "Carlos Cisneros", Riobamba, Ecuador.

Resumen

El problema del aprendizaje de los estudiantes de la asignatura de física se presenta en primero de bachillerato, lo que significa una dificultad para el docente de cómo enseñar esta asignatura; al ser una ciencia fáctica no es ajena al problema descrito en este trabajo de investigación, donde las demostraciones experimentales son fundamentales en el proceso de enseñanza aprendizaje; el objetivo de esta investigación es utilizar el laboratorio virtual para lograr el aprendizaje en los estudiantes del primer semestre de la carrera de Recursos Naturales Renovables, FRN-ESPOCH, con una muestra significativa de primero paralelos A y B; siguiendo una metodología de obtención de datos cualitativos y cuantitativos para un posterior análisis estadístico descriptivo, se realizó la comprobación de las hipótesis de las variables de estudio entre la utilización del laboratorio virtual con el programa interactivo Modellus 4.01 y su incidencia en el aprendizaje de la Física a través del estadístico inferencial Chi-cuadrado. De los resultados obtenidos se concluyó que las demostraciones prácticas en el laboratorio Virtual captaron efectivamente la atención durante todo el proceso de enseñanza de la Dinámica traslacional, contribuyendo en el desarrollo de las destrezas y habilidades en la asimilación de los conocimientos esenciales. Se recomienda aplicar las tecnologías actuales en los laboratorios de física como una nueva estrategia activa para la enseñanza, para conseguir la motivación, atención y el interés de los estudiantes por la física.

Palabras claves: Aprendizaje; física; demostraciones; laboratorio virtual; demostraciones.

 

Abstract

The problem of learning of the students of the physics subject appears in the first year of high school, which means a difficulty for the teacher of how to teach this subject; Being a factual science, it is no stranger to the problem described in this research work, where experimental demonstrations are fundamental in the teaching-learning process; The objective of this research is to use the virtual laboratory to achieve learning in the students of the first semester of the Renewable Natural Resources career, FRN-ESPOCH, with a significant sample of first parallels A and B; Following a methodology for obtaining qualitative and quantitative data for a subsequent descriptive statistical analysis, the hypotheses of the study variables were carried out between the use of the virtual laboratory with the interactive program Modellus 4.01 and its impact on the learning of Physics. through the Chi-square inferential statistic. From the results obtained, it was concluded that the practical demonstrations in the Virtual Laboratory effectively captured the attention throughout the translational dynamics teaching process, contributing to the development of skills and abilities in the assimilation of essential knowledge. It is recommended to apply current technologies in physics laboratories as a new active strategy for teaching, to get students' motivation, attention and interest in physics.

Keywords: Learning; physical; demonstrations; virtual laboratory; demonstrations.

 

Resumo

O problema de aprendizagem dos alunos da disciplina de física aparece no primeiro ano do ensino médio, o que significa uma dificuldade para o professor de como ensinar essa disciplina; Sendo uma ciência factual, não é estranho ao problema descrito neste trabalho de pesquisa, onde demonstrações experimentais são fundamentais no processo de ensino-aprendizagem; O objetivo desta pesquisa é utilizar o laboratório virtual para obter aprendizado nos alunos do primeiro semestre da carreira de Recursos Naturais Renováveis, FRN-ESPOCH, com uma amostra significativa dos primeiros paralelos A e B; Seguindo uma metodologia de obtenção de dados qualitativos e quantitativos para posterior análise estatística descritiva, foram levantadas as hipóteses das variáveis do estudo entre a utilização do laboratório virtual com o programa interativo Modellus 4.01 e seu impacto no aprendizado da Física. através da estatística inferencial do qui-quadrado. A partir dos resultados obtidos, concluiu-se que as demonstrações práticas no Laboratório Virtual captaram efetivamente a atenção ao longo do processo de ensino da dinâmica traducional, contribuindo para o desenvolvimento de habilidades e habilidades na assimilação de conhecimentos essenciais. Recomenda-se aplicar as tecnologias atuais nos laboratórios de física como uma nova estratégia ativa para o ensino, a fim de obter a motivação, atenção e interesse dos alunos em física.

Palavras-chave: Aprendizagem; fisica; manifestações; laboratório virtual; manifestações.

 

Introducción

La enseñanza de la Física en la actualidad resulta un problema para los docentes, debido a que se ha quedado relegada al pizarrón y tiza, en donde se resuelven ejercicios y se plantean problemas que al compararse con la física contemporánea y que en el bachillerato jamás se mencionaron. Otro motivo de este mismo tema es el bajo interés y la motivación por el estudio de la Física en los estudiantes, dada la falta de enlace que los relaciona con la vida diaria y por lo que demuestran desinterés en su estudio.

La investigación se desarrolla dentro del aula de clase, con la utilización del laboratorio virtual mediante el simulador Modellus 4.01 por parte de los estudiantes del primer semestre, acompañadas de una guía didáctica de trabajo y bajo la tutoría del Docente investigador, en cuyo trabajo de investigación se pretende demostrar la incidencia que tiene esta alternativa en el aprendizaje de la Física en estudio de Dinámica Traslacional desde una perspectiva tecnológica virtual activa.

Los objetivos de la investigación se enfocan hacia la solución del problema de la enseñanza y el aprendizaje de la física en el estudio de Dinámica traslacional, sin pretender reemplazar al docente por una computadora, sino más bien la necesidad de proponer una propuesta alternativa que busque la misma finalidad que la de los laboratorios reales de física, haciendo que la investigación proponga la solución en la utilización de equipos demostrativos, los cuales son: Realizar las demostraciones prácticas en el Laboratorio Virtual con el simulador Modellus 4.01 para mejorar el aprendizaje de la Dinámica Traslacional.En segundo lugar, Resolver los problemas propuestos mediante el programa Modellus 4.01 para mejorar el aprendizaje de la Dinámica Traslacional. Finalmente, Elaborar una guía didáctica de prácticas virtuales con el simulador Modellus 4.01 para mejorar el aprendizaje de la Dinámica Traslacional.

Por lo tanto, el presente trabajo es un estudio que trata de sintetizar las ideas, las teorías, los esfuerzos, las opiniones y anhelos de mejorar de alguna manera el aprendizaje de los estudiantes que cursan esta carrera direccionando a la asimilación de una mejor manera los conocimientos que se imparten en la asignatura de física.

Antes de empezar a departir acerca del tema, es importante describir algunos conceptos con la finalidad de lograr un mejor entendimiento del artículo.

Rendimiento Académico: La capacidad cognitiva le permite al alumno hacer una elaboración mental de las implicaciones causales que tiene el manejo de las autopercepciones de habilidad y esfuerzo. (Nogales, 2019) Dichas autopercepciones, si bien son complementarias, no presentan el mismo valor para el estudiante; de acuerdo con el modelo, percibirse como hábil (capaz) es el elemento central. De acuerdo con lo anterior se derivan tres tipos de estudiantes. (Covington, 1984)

El laboratorio de Física: Sitio donde están los medios necesarios para la realización de investigaciones, experimentos, prácticas y trabajos de carácter científico, tecnológico o técnico; esta aula está equipada con varios instrumentos de medida, equipos para realizar experimentos, investigaciones o prácticas y otros trabajos relacionados con la enseñanza. La importancia del laboratorio de Física en investigaciones o demostraciones experimentales en cualquiera de los temas de estudio debe considera las condiciones ambientales que están controladas y normalizadas, de tal manera que:

El laboratorio Tradicional: La enseñanza es un problema que requiere transformar un sistema (el estudiante) desde un estado inicial a un estado final. Para ello, es necesario hacer un análisis de los objetivos finales a los que se pretende llegar, conocer su estado inicial, y diseñar el proceso para llevarlos del estado inicial al final. (Reif, 1995). El objetivo del laboratorio tradicional es conseguir que los estudiantes alcancen un aprendizaje significativo, con la habilidad de razonar y utilizar los conocimientos en aplicaciones de la vida real, como señala (Alfonso,2009)

Entonces, los estudiantes deben percibir la demostración práctica como una actividad de investigación de campo, que al terminar debe elaborar un informe para entregar al profesor y recibir su evaluación . (Solaz, 1990)

El Laboratorio Virtual: El laboratorio virtual es un objeto de aprendizaje (Martínez, 2016) pretende simular el ambiente de un laboratorio real y que mediante simulaciones interactivas permite desarrollar las prácticas demostrativas de laboratorio.

Ya que nada puede compararse con la interacción real del estudiante con el docente, porque los laboratorios virtuales como son las plantas físicas (laboratorios reales y presenciales) jamás podrán reemplazar al docente, se toma como alternativa por el espacio físico con el cuentan las instituciones educativas y otras características u opciones el de utilizar los Laboratorios virtuales para que proporcionen a los estudiantes la impresión de que están interactuando con equipos demostrativos reales.

 

 

 

 

Figura 1: Tercer principio de la Dinámica

 

 

 

 

Fuente: http://rsefalicante.umh.es/Animaciones/Animaciones03.htm

 

Ventajas e inconvenientes de los Laboratorios Virtuales:

Acerca y facilita a un mayor número de alumnos la realización de experiencias. El estudiante accede a los equipos del laboratorio a través de un navegador.

Reducen el coste del montaje y mantenimiento de los LT, siendo una alternativa barata y eficiente, donde el estudiante simula los fenómenos a estudiar como si los observase en el LT.

Los estudiantes aprenden mediante prueba y error, sin temor a provocar un accidente o sufrirlo, puede realizar las prácticas sin límite y sin temor a dañar alguna herramienta o equipo. Pueden asistir al laboratorio en cualquier horario y trabajar en las áreas del laboratorio más significativas para realizar prácticas sobre su trabajo. (Maurel, Dalfara y Soria, 2014)

En Internet encontramos multitud de simulaciones de procesos físicos (en forma de applets de Java y/o Flash). Con estos objetos dinámicos, el docente puede preparar actividades de aprendizaje que los alumnos han de ejecutar, contestando al mismo tiempo las cuestiones que se les plantean. (Rosado L. &., 2005)

El Simulador virtual Modellus

El simulador virtual Modellus es un programa informático diseñado especialmente para la enseñanza de la física, cuyo uso permite crear nuevas aplicaciones sin recurrir a conocimientos específicos de programación.

 

 

Figura 2: Modellus 4

Fuente: (https://revistaciv.files.wordpress.com/2012/12/modellus4.jpg, 2012)

 

Para utilizar el simulador Modellus, el profesor necesita aportar los conocimientos de la asignatura de Física para construir un nuevo modelo matemático de la simulación, en el cual aplica las ideas y necesidades educativas encajando en la ventana donde se observa la simulación. El docente puede ser autor de una biblioteca de modelos propios, con animaciones prediseñadas, también personalizar modelos ya existentes.

El Software de Modellus

El software Modellus arranca como mínimo en el Windows 95. La instalación se ejecuta directamente por el Setup que trae el disco instalador, se pueden citar como aplicaciones concurrentes indirectas, es decir no se ejecutan desde el programa los editores gráficos que permitan generar mapas de bits para incorporarlos en las animaciones (.bmp y .gif).

El software dispone para su aprendizaje de un manual de información en portugués “Introdução ao Modellus” o Introducción a Modellus, y traducido a los demás idiomas por los autores del programa, con el objetivo de facilitar el aprendizaje de la manipulación.

En la página http://modellus.updatestar.com/es, está disponible en Internet un servidor de apoyo al programa, con la documentación respectiva, con múltiples ejemplos, y enlaces para descargar nuevas versiones.

El programa está hecho para proporcionar la solución al estudiante de forma numérica del problema cuando se ha insertado las ecuaciones, que sin necesidad de resolver esas ecuaciones se puede dirigir la atención a otros planteamientos del problema, con las condiciones dadas.

La versión original del simulador Modellus se encuentra en portugués, con nuevas versiones en el mercado en inglés, sin poseer pantallas explicativas, ni archivos de tipo texto adicional, dando la libertad al docente para incorporar guías de trabajo, en la que se profundice el marco teórico y con preguntas para determinar las conclusiones esperadas.

Los gráficos que presenta el programa Modellus son muy limitados, sólo se puede observar la gráfica de la variable dependiente en función de otra independiente. (Gordo,2004) Y respecto a la variable independientemente es relativa, esto significa que puede ser dependiente de otra dentro de la ventana que se la define el Modelo matemático, pero en función del tiempo, ya que es la única variable que el programa admite. (Mata, 2016)

 

Figura 1. Ventana de Modellus

Fuente: Autores, 2020

 

Para utilizar un ejemplo ya programado en el que se desea visualizar otras variables (como valores intermedios) es conveniente adicionar otro elemento para adecuarlo a las necesidades en particular. Por ejemplo, en la animación CM1.MDL en FIS_SEC, que muestra el movimiento del centro de masas de un martillo atlético (Imagen 1.3.), se puede agregar un cuadro de valores para ir verificando que el centro de masa efectivamente describe una parábola. (Teodoro, 1997)

 

 

 

Metodología

Una de las principales actividades consistió en utilizar el laboratorio tradicional frente al laboratorio virtual, formando dos grupos el paralelo “A” como grupo pre-experimental y el paralelo “B” como grupo de control, el tema seleccionado fue la Dinámica Traslacional.

 El diseño de la investigación fue cuasi-experimental porque se aplicó a dos grupos, el primer semestre de la carrera de RNR “A”, determinado para la investigación y el primer semestre de la carrera RNR “B”, determinado para el control. La población que estuvo enmarcada dentro del proceso de investigación fueron los estudiantes del primer semestre de la carrera de RNR, Facultad de Recursos Naturales “ESPOCH”.

Asimismo, la muestra se seleccionó del modo no probabilístico, es decir intencionada; cuya muestra entonces fueron los 64 estudiantes del primer semestre paralelos “A” y “B” de la carrera de RNR, Facultad de Recursos Naturales “ESPOCH”.

 

Tabla N°1: Participantes en la investigación

COMPONENTES	Nº ESTUDIANTES
Primer Semestre “A” (Grupo pre-experimental)	33
Primer semestre “B” (Grupo de control)	31
TOTAL	64

Fuente: secretaria de la carrera de RNR, FRN, ESPOCH

 

Resultados

Comprobación de la hipótesis general

Hi: El Promedio de los estudiantes que utilizan el laboratorio virtual con Modellus en el estudio curricular de Dinámica traslacional supera al promedio de los estudiantes que no utilizan el laboratorio virtual en el primer semestre de la carrera de RNR de la Facultad de Recursos Naturales, ESPOCH

Ho: El Promedio de los estudiantes que utilizan el laboratorio virtual con Modellus en el estudio curricular de Dinámica traslacional es igual al promedio de los estudiantes que no utilizan el laboratorio virtual en el semestre de la carrera de RNR de la Facultad de Recursos Naturales, ESPOCH

 

 

Tabla Nº 2. Calificaciones del Grupo Experimental

 

Fuente: Autores, 2020

 

Tabla Nº 3. Calificaciones del Grupo de Control

Nº	NOTA 1	NOTA 2	PROMEDIO
1	6,00	7,00	6,50	0,42
2	7,10	7,50	7,30	0,02
3	7,80	7,50	7,65	0,25
4	8,10	8,00	8,05	0,81
5	6,40	7,00	6,70	0,20
6	6,10	6,00	6,05	1,21
7	7,00	7,00	7,00	0,02
8	7,00	7,00	7,00	0,02
9	8,00	8,50	8,25	1,21
10	5,50	6,00	5,75	1,96
11	4,50	5,00	4,75	5,76
12	7,00	8,00	7,50	0,12
13	6,50	7,00	6,75	0,16
14	5,00	6,60	5,80	1,82
15	6,00	7,00	6,50	0,42
16	8,00	8,50	8,25	1,21
17	5,50	6,80	6,15	1,00
18	5,00	6,50	5,75	1,96
19	6,50	7,00	6,75	0,16
20	6,00	7,00	6,50	0,42
21	6,00	7,00	6,50	0,42
22	7,10	7,50	7,30	0,02
23	7,80	7,50	7,65	0,25
24	8,10	8,00	8,05	0,81
25	6,40	7,00	6,70	0,20
26	6,10	6,00	6,05	1,21
27	7,00	7,00	7,00	0,02
28	7,00	7,00	7,00	0,02
29	8,00	8,50	8,25	1,21
30	5,50	6,00	5,75	1,96
31	4,50	5,00	4,75	5,76
		TOTAL	134,95	19,17
		X	7,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elaborado por: Autores, 2020

 

Modelo Estadístico

Nivel de Significación

α=0,05

Para un nivel de significancia del 5%   tt = 1,67

Criterio de Decisión

Se rechaza la Hipótesis nula si tc  > 1,67

Donde 1,67 es el valor teórico de t con g = 33 +31 – 2 =62 grados de libertad

Cálculos:

 

                             

Tabla Nº 4. Información Estadística de la Hipótesis General

 

ESTADÍSTICOS	GRUPO A EXPERIMENTAL	GRUPO B CONTROL
Promedio del rendimiento	8,08	7,10
Varianza del grupo	0,62	0,63
Número de elementos	33	31

Fuente: Autores, 2020

 

 

 

Decisión

Gráfico Nº 5. Campana de Gauss de la Hipótesis general

 

Fuente: Autores, 2020

Conclusiones

La realización de las demostraciones prácticas en el laboratorio Virtual verificadas con el simulador Modellus, logró atraer la atención durante todo el proceso enseñanza del estudio de Dinámica traslacional y por consecuencia lograr mejorar el aprendizaje de los estudiantes de primer semestre de la carrera de RNR Facultad de Recursos Naturales de la ESPOCH esto permitió fortificar los contenidos teóricos, desarrollando en el estudiante las destrezas y habilidades en la asimilación de conocimientos en la asignatura de Física.

La resolución de ejercicios propuestos mediante el programa Modellus 4.01, permitió alcanzar el objetivo propuesto, mediante las técnicas grupales activas, lo cual se reflejó el mejoramiento del aprendizaje de la Dinámica Traslacional de los estudiantes de primer semestre de la carrera de RNR Facultad de recursos Naturales de la ESPOCH, todos los estudiantes aportaban al desarrollo y resolución de los problemas en manera grupal y lo relacionan con problemas de la vida real.

La elaboración de la guía de “Laboratorio Virtual en Dinámica con Modellus” con los estudiantes primer semestre de la carrera de RNR Facultad de recursos Naturales de la ESPOCH, fue una herramienta metodología activa del aprendizaje muy significativo, que permitió relacionar la teoría con la práctica, cuyos resultados se reflejaron en las evaluaciones parciales correspondientes, y demostrados mediante la prueba estadístico Chi-cuadrado.

La guía “Laboratorio Virtual en Dinámica con Modellus” mediante las simulaciones virtuales aplicada a los estudiantes de primer semestre de la carrera de RNR Facultad de recursos Naturales de la ESPOCH, se convirtió en una nueva estrategia metodológica para la enseñanza de la Física, esta sirvió para difundir los resultados.

 

Referencias

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4.        Herrera, K. (2007). Estrategia didáctica para la elaboración y aplicación de entornos virtuales de aprendizaje en las prácticas de laboratorio de física para la educación superior, Autora: Lic. Kenia Caridad Herrera Lemus. Conclusión: La realización de adecuaciones didáctica.

5.        Martínez, J. (2016). TESIS PREVIA A LA OBTENCION DEL GRADO DE MAGISTER DE CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN APRENDIZAJE DE LA FÍSICA. Riobamba: Unach.

6.        Maurel, M. D. C., Dalfaro, N. A., & Soria, H. F. (2014). El laboratorio virtual: Una herramienta para afrontar el desgranamiento. In Congreso Iberoamericano de Ciencia, Tecnología, Innovación y Educación, Buenos Aires.

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