análisis de las ciencias básicas en los currículos de los...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

R E S U M E N

En la actualidad a causa de las presiones por reducir los currículos de ingeniería, algunas instituciones realizan recortes en

las asignaturas de ciencias básicas o incorporan los cursos de estas ciencias como capítulos de asignaturas de las ciencias

de ingeniería, sin considerar la importancia que estas tienen como pilares fundamentales de la formación para abordar el

aprendizaje de las ciencias y técnicas ingeniería; por lo cual, este artículo presenta el análisis comparativo de estas áreas

en la estructura curricular de ingeniería mecánica, medidos a través de 3 estudios de referentes internacionales en 12 años;

se presenta además la ponderación de los temas al nivel de las subáreas, la identificación del tipo de trabajo académico

que se realiza en el aula durante las horas de docencia presencial y finalmente el perfil de objetivos de aprendizaje que se

desprenden de las metas de formación de cada área

Palabras Clave: estructura curricular, ciencias naturales, objetivos de aprendizaje, CDIO.

A B S T R A C T

Currently, because of the pressures to reduce the engineering curricula, some institutions make cuts in the basic science

subjects or incorporate the courses of these sciences as chapters of subjects of the engineering sciences, without considering

the importance that they have as fundamental pillars of training to address the learning of science and engineering

techniques; Therefore, this article presents the comparative analysis of these areas in the curricular structure of mechanical

engineering, measured through 3 studies of international references in 12 years; It also presents the weighting of the topics

at level of the subareas, the identification of the type of academic work that takes place in the classroom during the hours

of classroom teaching and finally the profile of learning objectives that emerge from the goals of training each area.

Keywords: curriculum, natural science, learning objectives, CDIO.

1. Generalidades sobre las Ciencias Básicas para

ingenieros

En la legislación colombiana [1, 2] la ingeniería es toda aplicación de la técnica industrial, del ingenio humano, de las ciencias físicas, químicas, matemáticas y la utilización e invención sobre la materia, para la resolución de problemas complejos que demandan creatividad e innovación, para lo cual el ingeniero pone en práctica su pensamiento analítico, rigor demostrativo y sentido de exactitud, obtenidos en su

paso por las ciencias básicas, en su acción de comprender y analizar con rigor científico las situaciones reales o abstractas abordadas en el contexto de la ingeniería; estas ciencias suministran además las herramientas conceptuales que explican los fenómenos físicos que rodean el entorno, con los que interpretan los ingenieros el mundo y la naturaleza y le facilitan la realización y aplicación de modelos abstractos teóricos con los que fundamentan y documentan científicamente la solución de problemas, el análisis crítico de resultados, la propuesta de explicaciones sobre el comportamiento de procesos o sistemas y permiten predecir

Tema A5. Educación en Ingeniería Mecánica: Ciencias Básicas

“Análisis de las ciencias básicas en los currículos de los programas de ingeniería y la manera en que se abordan durante su enseñanza”

María Eugenia Muñoz Amariles

Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Código Postal 050034, Colombia

[email protected]

ISSN 2448-5551 EM 82 Derechos Reservados © 2018, SOMIM


y proyectar situaciones complejas sujetas a grados elevados de incertidumbre con los que es posible generar productos, procesos o servicios novedosos y/o innovadores [3]; A más de lo anterior, las vivencias de los estudiantes alrededor del establecimiento de procedimientos que permiten experimentar, observar y descubrir los fenómenos de las ciencias naturales en los laboratorios, promueven el desarrollo del pensamiento científico y la confianza para la toma de datos, el manejo de resultados, establecimiento de criterios para el análisis, evaluación, propuesta y puesta a punto de procedimientos en los campos de acción de la ingeniería. En la figura 1 se sintetiza la composición y fines de estas ciencias en ingeniería mecánica.

Figura 1 – Composición y fines de las Ciencias Básicas en la formación

de un ingeniero mecánico.

Este artículo sintetiza el resultado de la revisión del componente de ciencias básicas obtenido en primer lugar, de la exploración currículos de ingeniería mecánica del mundo en 3 instantes alrededor de la estructura curricular, ponderación de las subáreas, los temas básicos, la distribución del tipo de actividades académicas realizadas con el acompañamiento del docente; en segundo lugar, el establecimiento del perfil de objetivos de aprendizaje dentro de la nueva visión de la ingeniería y los parámetros establecidos por varias entidades acreditadoras en ingeniería reconocidas internacionalmente; en tercer lugar se revisan los resultados del aprendizaje en ciencias básicas en Colombia mediante el estudio del rendimiento académico y la eficiencia institucional medidos a través de las historias académicas de 341egresados de la Universidad Nacional de Colombia entre 1981 y 2016, otra evaluación realizada en el centro del país a distintas ingenierías y el resultado del examen de competencias en ciencias básicas aplicado a

11592 estudiantes de ingeniería en todo el territorio colombiano entre 2007 y 2015.

2. Evolución de las áreas de ciencias básicas en ingeniería

mecánica al comparar 3 instantes: 2001 vs 2008 vs 2013

Desde el año 2001 se ha venido realizando el análisis de la estructura de áreas de planes de estudio de Ingeniería Mecánica de diferentes instituciones de educación superior del contexto internacional (América, Europa, Oceanía, Asia y África), para lo cual se estableció como estrategia la identificación, clasificación, distribución y ponderación de las asignaturas, de la dedicación al desarrollo de la actividad académica y de los temas en la estructura de áreas en los campos de formación básica y profesional; en las publicaciones [4,5] se presenta el resultado de todas las áreas naturales de ingeniería mecánica y en este documento se centra la atención en los detalles del componente de Ciencias Básicas, para lo cual se presenta una breve síntesis del trabajo desarrollado y los resultados orientados a resaltar la importancia de las áreas de Matemáticas [6], Física y Química: 2.1 En el 2001 se llevó a cabo el primer estudio de la

estructura curricular con 34 programas de ingeniería mecánica del contexto internacional en la que se logró obtener una ponderación al nivel de áreas y sub áreas de Matemáticas, Física y Química presentadas en la figura 1; en el 2008 se hizo una nueva revisión con 40 programas y en 2013 se consolidó un estudio con 163 programas, obtenidos de muestras de los 5 continentes de universidades destacadas en la formación de ingenieros; en los tres momentos se llevaron a cabo las siguientes acciones con cada uno de los currículos:Las listas con viñetas pueden ser utilizadas y deben verse así: Clasificación y distribución de las asignaturas de

cada institución al nivel de las áreas; en la mayoría de las instituciones el nombre de las asignaturas es genérico como por ejemplo Física I, Física II y Física III, razón por la cual no es posible desde el nombre hacer una identificación y distribución de las asignaturas al nivel de las sub áreas presentadas en la figura1. Para tener una escala que permita comparar el peso de las áreas entre las diferentes instituciones de educación superior, independiente si el currículo tiene muchas o pocas asignaturas, se decidió tomar como métrica el peso en porcentaje, de ese modo, cada programa tiene el 100% representado en el total de las asignaturas de su plan de estudio incluyendo el componente obligatorio y el flexible.

Distribución de la intensidad o dedicación al desarrollo de la actividad académica de cada asignatura dentro de la estructura de áreas. En este caso la métrica utilizada es la que tiene definida oficialmente cada universidad para la



administración de sus asignaturas; así, por ejemplo, las métricas más comunes encontradas son hora/semana, créditos, horas totales, créditos ECTC, ULAS. En este caso como en el anterior, se aplica la escala en porcentaje para lograr comparar el peso de las áreas, independiente de la métrica establecida por cada institución de educación superior.

Clasificación y Distribución de los temas de las asignaturas obligatorias de los planes de estudio al nivel de las sub áreas de Matemáticas, Física y Química. Como en los dos casos anteriores, la escala de comparación de áreas y subráreas entre las distintas instituciones analizadas es el peso en porcentaje, de ese modo no tiene efecto si una institución presenta los contenidos de las asignaturas con un nivel de detalle elevado o presenta solo los contenidos resumidos, pues cada una tiene el 100% representado en el total de los temas presentados. A este respecto se tuvo el cuidado de no mezclar contenidos detallados con contenidos resumidos en cada una de las instituciones analizadas, evitando de ese modo sobredimensionamientos de algunas subáreas por el hecho que unas asignaturas presenta contenidos muy detallados mientras que otras los presentan resumidos

2.2 Para la determinación del peso global de las áreas se tuvo el cuidado de evitar el sobredimensionamiento por especialidades de las instituciones analizadas en las tres distribuciones, en ese sentido se tomó la decisión de obtener el peso de las áreas mediante la aplicación de un análisis del consenso de la población (universidades). El peso elegido para el área es aquel que registró un consenso del 70% de las universidades.

En la figura 2 se presenta síntesis del resultado de la ponderación del componente de Ciencias Básicas frente al componente que incluye las áreas por las cuales responde socialmente el ingeniero mecánico, el que cubre la formación técnica complementaria y los complementos no técnicos que hacen parte de la formación integral de un ingeniero.

Al comparar los resultados del peso de las ciencias básicas

con las distribuciones curriculares de las ingenierías en la

región iberoamericana [3], se encuentra que el consenso

obtenido de las distintas instituciones de educación superior

en los tres instantes, cumple con el mínimo establecido en

20% de la estructura curricular global de la ingeniería; al

evaluar su posición de las asignaturas en los planes de estudio

se encuentra que las ciencias básicas generan un impacto

muy elevado en los indicadores de deserción de los

estudiantes en ingeniería debido a que el 95% de las

asignaturas de este componente se trabaja en los dos primeros

años de la carrera, por lo tanto es frecuente que un joven

pierda la calidad de estudiante por su rendimiento académico

en matemáticas y/o física y/o química; en este sentido es

sumamente importante la exploración que se presenta en

líneas más adelante respecto al rendimiento académico en

estas ciencias y las tendencias en las demandas en formación

de los ingenieros en este campo, presentados en términos de

competencias, pues en la Universidad Nacional de Colombia

– Sede Medellín se tiene el registro alarmante de que el 60%

de los jóvenes en los dos primeros años están en riesgo de

perder la calidad de estudiante por pérdida de asignaturas en

este campo y por ende se trunca su sueño de ser ingeniero

mecánico en su quehacer profesional.

Figura 2 – Peso de los componentes de ingeniería mecánica obtenidos a

partir de 3 distribuciones en 3 instantes.

Al realizar el análisis comparativo del peso de las ciencias básicas en los 3 instantes registrados en la figura 2, se puede apreciar que las variaciones registradas en 4 y 12 años son insignificantes, lo que demuestra la gran estabilidad y solidez de este componente en la formación de un ingeniero mecánico.

En la exploración de 163 currículos concluida en el 2013 se indagó por la presencia de la Biología como área pilar fundamental de la formación en ciencias básicas para un ingeniero mecánico, se encontró como curso obligatorio de las ciencias básicas en 4 de las 163 universidades indagadas (2.5% de la población analizada), lo que significa que la biología aun no constituye una base sólida requerida en la formación básica de un ingeniero mecánico. Si bien, la formación en ciencias básicas de las profesiones de ingeniería se establece en la legislación de cada país, las instituciones de educación superior tienen la responsabilidad de establecer su alcance y profundidad, en tal sentido y aprovechando estudio de distribución de los temas de las asignaturas realizado con 27 programas de ingeniería mecánica del contexto internacional en el 2013, se llevó a cabo: El trabajo de ponderación de las matemáticas, la física y

la química dentro del 100% de la formación en ciencias básicas que se ilustra en la figura 3, considerando las tres



distribuciones y los tres instantes de evaluación citados anteriormente,

El trabajo de discriminación y establecimiento del peso de las subáreas que se sintetiza en la figura 4,

Figura 3 – Ponderación de las Matemáticas, la Física y la Química

dentro del componente de Ciencias Básicas.

En la revisión al nivel de las subáreas se indagó el tratamiento de los temas de trigonometría, álgebra y geometría en la formación universitaria y se encontró que estos son objeto de estudio en la formación previa a la universidad.

Figura 4 – Distribución de las subáreas del componente de Ciencias

Básicas en ingeniería mecánica.

El trabajo de clasificación, distribución y análisis de los temas de las asignaturas de los 27 planes de estudio en la estructura de subáreas, de cuyos resultados se presenta una versión muy sintetizada en las tablas 1 y 2 dadas las restricciones del artículo, los cuales fueron comparados con la puesta en común de los contenidos básicos definidos para el examen de estado de los ingenieros mecánicos colombianos y los planteados por el convenio Andrés Bello en ingeniería Mecánica [7, 8] para fomentar la movilidad estudiantil entre los estudiantes de esta profesión en los 10 países iberoamericanos que hicieron parte de este convenio.

Tabla 1: Temas fundamentales en el área de Matemáticas

Ex

am

en

co

lom

bia

no

Co

nven

io

An

dré

s B

ello

27

Ref

erente

s

Geometría Analítica

Gráfica de una ecuación y lugares geométricos * no 1

La recta, la circunferencia: ecuaciones, forma general, etc * no 0

Secciones cónicas. Trazado de las gráficas, aplicaciones * no 1

Coordenadas polares * no 8

Álgebra Lineal

Sistemas de ecuaciones lineales * * 25

Teoría de espacios vectoriales * * 27

Proyecciones ortogonales y mínimos cuadrados * * 19

Determinantes: propiedades, aplicaciones * * 16

Valores y vectores propios * * 23

Cálculo Integral

Integral definida e integración * * 20

Sucesiones y series * * 19

Funciones logarítmicas, exponenciales, trigonométricas, inversas

e hiperbólicas * * 11

Aplicaciones de la integral definida * * 11

Cálculo Diferencial

Funciones y sus gráficas, límites, concepto de continuidad, * * 25

Derivada y diferenciación * * 23

Comportamiento de las funciones y de sus gráficas * * 14

Aplicaciones generales * * 14

Ecuaciones Diferenciales

Ecuaciones diferenciales de primer orden * * 21

Ecuaciones diferenciales de segundo orden y orden n * * 19

Sistemas de ecuaciones. Fundamentos * * 11

Estadística Y Probabilidad

Tipos de variables, series estadísticas, distribución de

frecuencias, representación gráfica * * 19

Representación de datos estadísticos * * 19

Medidas de dispersión: varianza, desviación típica * * 11

Introducción a las probabilidades * * 19

Variables aleatorias * * 21

Regresión y correlación * * 15

Nociones de muestreo * 18

De las figuras y las tablas se puede apreciar que la

formación en Matemáticas es la que demanda la mayor dedicación, tiene la composición más elevada de temas y la responsabilidad de formar en el lenguaje a través del cual se describe la ingeniería para ser trabajada científicamente. Con la formación obtenida en Geometría Analítica, Cálculo Diferencial, Cálculo Integral, Álgebra Lineal, Ecuaciones Diferenciales, el estudiante está en condiciones de identificar, comprender, comparar y establecer relaciones entre diferentes tipos de datos que se tienen a disposición dentro del contexto de una necesidad, con lo que se busca encontrar el sentido que le permite tener claridad sobre el planteamiento de un problema enmarcado en cualquiera de



los campos clásicos de Estática, Dinámica, Resistencia de Materiales, Diseño Mecánico, Mecánica de Fluidos, Termodinámica, además el estudiante está en condiciones de tomar decisiones sobre las estrategias, modelos y herramientas cuantitativas que debe aplicar para dar solución al problema, y cuenta con criterios básicos para evaluar la solución, validar el o los modelos planteados y verificar los resultados obtenidos.

Tabla 2: Temas fundamentales en Ciencias Naturales

Ex

am

en

Co

lom

bia

no

Co

nven

io

An

dre

s B

ello

Refe

rente

s

Física Mecánica

Mediciones * no 1

Vectores * * 10

Movimiento en una dos y tres dimensiones * * 15

Fuerzas y las leyes de Newton y sus aplicaciones * * 17

Dinámica de las partículas * * 15

Trabajo y energía. Momento e impulso, colisiones * * 15

Dinámica de la rotación * * 14

Equilibrio de cuerpos rígidos. aplicaciones * * 12

Ondas. Oscilaciones, movimiento armónico simple, aplicaciones * * 19

Gravitación, ley de la gravitación universal * * 12

Estática de los fluidos. aplicaciones * * 8

Dinámica de fluidos. aplicaciones * * 8

Física Térmica

Temperatura, aplicaciones * * 15

Teoría cinética y el gas ideal * * 15

Calor y la primera ley de la termodinámica. aplicaciones * * 15

Entropía y la segunda ley de la termodinámica * * 15

Física Electricidad y Magnetismo

Ley de Coulomb, aplicaciones * * 21

Campo eléctrico, ley de Gauss, aplicaciones * * 25

Potencial eléctrico, aplicaciones * * 17

Campo magnético, aplicaciones * * 17

Ley de Ampere * * 17

Ley de Faraday * * 27

Electrodinámica, aplicaciones * * 27

Química – Conceptos Fundamentales

Materia y medición * * 8

Atomos, moléculas y iones * * 6

Estructura electrónica de los átomos * * 12

Propiedades periódicas de los elementos * * 8

Conceptos básicos de enlaces químicos * * 11

Geometría molecular y teorías de enlace * * 9

Propiedades y Estados de la Materia

Fuerzas intermoleculares, y * * 11

Líquidos * * 11

Sólidos * * 11

Soluciones

Reacciones acuosas y estequiometría de soluciones * * 3

Gases * 5

Propiedades de las soluciones * * 6

Estequimetría, Cinética y Equilibrio Químico

Estequiometría * * 8

Termoquímica * * 11

Cinética quimica * * 11

Equilibrio químico * * 5

Equilibrios acido base * 8

Aspectos adicionales de los equilibrios no 0

Termodinámica química no * 3

Electroquímica * * 12

Química Orgánica, Combustión y Química Nuclear

Materiales modernos * 2

Quimica nuclear * 0

3. Metas para la educación en Ciencias Básicas aplicables

en ingeniería mecánica

Desde la concepción de la ingeniería hasta mediados del siglo XX la enseñanza se basó en la práctica de ingeniería y a partir de 1950 la ciencia de ingeniería se convirtió en la cultura dominante de las escuelas de ingeniería, pero cada enfoque implementado en forma independiente tiene falencias en el producto de formación demandado por exalumnos, la industria y el mundo académico, por lo tanto, en la actualidad las instituciones de educación superior se están moviendo hacia un modelo que equilibra la ciencia de ingeniería y la práctica genuina de ingeniería, a través del manejo de un contexto de la educación focalizado en el papel auténtico de los ingenieros al servicio de la sociedad, consistente en la concepción, el diseño, la implementación y la operación de productos, procesos y sistemas complejos con valor agregado en un ambiente moderno basado en equipos (enfoque CDIO) [9], que incluye la definición de un conjunto claro, completo, consistente y generalizable de metas, que reflejan una visión más amplia de la profesión de ingeniería, presentadas en términos de una lista detallada de resultados específicos de aprendizaje (tabla 3) alrededor de los conocimientos técnicos, los atributos personales y profesionales y las habilidades específicas de la profesión de ingeniería. Estas listas de resultados facilitan el desarrollo de programas, la evaluación del aprendizaje de los estudiantes y constituyen la base para un proceso riguroso de evaluación externa basado en resultados.

De la tabla 3 se puede observar para todas las entidades de cualificación de la formación en ingeniería es pertinente la formación en ciencias básicas, por lo tanto, teniendo en cuenta que del numeral anterior se tienen los elementos para definir las asignaturas de Matemáticas, Física y Química desde la ponderación de las subáreas y el punto de vista temático, es el momento para construir la lista de resultados de aprendizaje asociados a los grupos temáticos a un nivel de detalle adecuado, con los que se consolidan las competencias que se demandan del componente de ciencias básicas para la formación del ingeniero mecánico. Para lograrlo se realizaron las siguientes acciones: Se verificó si los resultados generales comunes a todas las

entidades de evaluación en ingeniería son coherentes con el perfil general del programa; de ser necesario se ajusta el perfil debido a que la ingeniería mecánica es una profesión tradicional en el contexto internacional que debe cumplir los alcances básicos propios del nivel general de la ingeniería, independiente de las particularidades sectoriales.

Se explora cuales de los resultados de aprendizaje son aplicables en el proceso de aprendizaje de las ciencias básicas.

Para cada uno de los resultados aplicables se define una lista de atributos más finos asociados a los temas generales de Matemáticas, Física y Química en ingeniería mecánica.



Para cada uno de los atributos obtenidos se identifica el nivel de dificultad en el proceso del conocimiento al que el estudiante debe llegar para el logro a satisfacción del atributo; Este aspecto es muy importante a la hora de diseñar las asignaturas, porque los cursos avanzados y los introductorios pueden involucrar atributos similares, pero a un nivel de complejidad cognoscitiva diferente. Para representar la naturaleza del conocimiento asociada a cada uno de los atributos, se adoptaron las categorías de la taxonomía de Bloom de los objetivos educativos (conocimiento, comprensión, aplicación, análisis, síntesis y evaluación), y además, se adicionó la categoría de valoración del domino afectivo con el ánimo de ampliar la habilidad para representar las metas afectivas que pueden ser importantes en algunas áreas.

Tabla 3: Resultados de aprendizaje del enfoque CDIO VS atributos

definidos por entidades de evaluación [9]

Meta general de

aprendizaje

CDIO

Resultados generales de aprendizaje definidos

para las ingenierías de acuerdo al enfoque CDIO

EU

R-A

CE

UN

ES

CO

AB

ET

CE

AB

EQ

F

Conocimiento

técnico y

razonamiento

1.1 Conocimiento de Matemáticas y Ciencias a

1.2 Conocimiento de ingeniería básica a

1.3 Conocimientos, métodos y herramientas de

ingeniería avanzada k

Habilidades

personales y

profesionales

2.1 Razonamiento analítico y resolución de

problemas e

2.2 Experimentación, investigación y

descubrimiento de conocimiento b

2.3 Pensamiento sistémico c

2.4 Destrezas y actitudes personales i

2.5 Destrezas y actitudes profesionales f

Destrezas

interpersonales

3.1 Trabajo en equipo d

3.2 Comunicación efectiva g

3.3 Comunicación en idiomas extranjeros

Concebir,

diseñar,

implementar y

operar sistemas

en el contexto

empresarial

4.1 Contexto externo, social y ambiental h j

4.2 Empresas y contexto comercial c h

4.3 Concepción, ingeniería y gestión de

sistemas c

4.4 Diseño c

4.5 Implementación c

4.6 Operación c

EUR-ACE 2008 – Acreditación europea de programas de ingeniería

UNESCO – Taxonomía educativa universal

ABET – Criterion 3 – Educational Outcomes

CEAB – Comisión Canadiense de Acreditación de Ingeniería

EQF – Marco Europeo de Cualificaciones

Las Tablas 4 y 5 sintetizan la contribución de los resultados de aprendizaje particulares planteados en Matemáticas, Física y Química a los resultados generales de un programa de ingeniería mecánica, presentado mediante un “esquema de atributos” que se obtiene al cruzar los atributos específicos aplicables a cada área y el nivel cognoscitivo alcanzado en cada uno de ellos.

De la tabla 4 se puede apreciar que el área de matemáticas contribuye al alcance de las 4 metas generales de formación de un ingeniero mecánico e impacta directamente al 47% de los resultados de generales de aprendizaje del programa; la física y la química tienen impacto sobre el 35% de los resultados generales de la ingeniería mecánica.

Tabla 4 – Esquema de atributos y nivel cognoscitivo en el área

Matemáticas.

Resu

ltad

o C

DIO

Atributos definidos para el área de Matemáticas

Co

nocim

ien

to

Co

mp

ren

sió

n

Ap

lica

ció

n

An

áli

sis

Sín

tesi

s E

valu

aci

ón

Valo

raci

ón

1.1

Reconoce la relación funcional entre variables

dependientes e independientes. Aplica diferentes

principios del Cálculo Integral y Diferencial, del Álgebra

Lineal para obtener soluciones analíticas o numéricas a

un nivel de exactitud apropiado para resolver problemas.

2.2

Describe diferencias entre métodos, niveles de exactitud

y es capaz de enumerar los pasos para solucionar

problemas. Aplica e ilustra diferentes herramientas para

analizar datos

2.3

4.3

Define conceptos y teoremas con claridad y selecciona

diferentes métodos de solución de problemas

2.1 Cuestiona la manera como se hacen las cosas

2.1 Sugiere nuevas aproximaciones para resolver problemas

2.1 Estima resultados

2.1 Estructura el enunciado de problemas

2.1 Compara cálculos con estimaciones para chequear

errores

2.1 Demuestra conocimiento del papel de la matemática

como herramienta en el modelamiento de sistemas

2.2 Demuestra entendimiento de las relaciones funcionales

2.2 Hace la distinción entre el cambio, la velocidad de

cambio y las integrales de funciones

2.1 Construye y resuelve un modelo matemático apropiado

para la exactitud requerida

2.1

Realiza suposiciones matemáticas necesarias para

permitirles a los modelos que proporcionen la exactitud

requerida

2.5

4.2

Identifica y Define como la aplicación de un

conocimiento, puede afectar a un individuo, una

compañía o al público en general

3.2 Utiliza gráficas como forma de sintetizar, recoger y

presentar información

1.3 Utiliza técnicas computaciones para resolver problemas

Para el logro de los atributos planteados en las tablas 4 y 5, que forman el pensamiento analítico y científico, el rigor demostrativo y el sentido de exactitud por los que responsabilizan a las ciencias básicas, es clave la selección, ponderación y ejecución de actividades que se desarrollan en el aula; en la revisión con 27 referentes internacionales se identificaron las 3 grandes actividades integradoras con el acompañamiento del docente ilustradas en la figura 5 y se obtuvo la distribución de cada una de ellas en cada área. Se encontró que la actividad académica más relevante en ciencias básicas continua siendo la conferencia y discusión de la teoría y las actividades que obligan al joven a demostrar lo que sabe hacer con lo que conoce en resolución de problemas es muy poca en matemáticas y física, esto parece tener implicaciones en los resultados desalentadores obtenidos en las evaluaciones realizadas como se verá en el numeral siguiente y, necesariamente hay que repensar el trabajo en ciencias básicas teniendo en cuenta que en la nueva visión de educación para el mejoramiento de la formación de pregrado en ingeniería se fortalece el programa de estudios en términos muy prácticos de concebir, diseñar, implementar y operar en un contexto real, para lo cual el currículo se organiza en torno a actividades/cursos que se encuentran interconectados y para el que el enriquecimiento



de los estudiantes se realiza a través del aprendizaje activo, materializado en el desarrollo de proyectos, en el que cobran relevancia las habilidades personales e interpersonales. Tabla 5 – Esquema de atributos y nivel cognoscitivo en las áreas de

Física y Química.

Resu

ltad

o C

DIO

Atributos definidos para las áreas de Física y Química

Co

nocim

ien

to

Co

mp

ren

sió

n

Ap

lica

ció

n

An

áli

sis

Sín

tesi

s E

valu

aci

ón

Valo

raci

ón

1.1

Aplicar las herramientas matemáticas para plantear y

obtener soluciones analíticas o numéricas de los modelos

resultantes en los campos de la física y/o de la química.

1.1

Describir, Identificar y Aplicar los principios

fundamentales de la física (Mecánica, Térmica, Eléctrica

y Electrónica) y/o de la química que gobiernan el

comportamiento de los sistemas y procesos.

2.2

Diseñar y conducir prácticas de laboratorio a la luz de

los principios de la física y/o de la química para

evidenciar el comportamiento de los sistemas con base

en técnicas experimentales específicas y normas

internacionales. Analizar e Interpretar los datos.

3.1 Desarrollar la capacidad de trabajo en equipos

multidisciplinarios.

2.5

Identificar y Definir como la aplicación de un

conocimiento, puede afectar a un individuo, una

compañía o al público en general. Aplicar conceptos

éticos en la práctica de las ciencias.

3.2

Preparar y Realizar informes técnicos utilizando

convenciones, formatos y gráficos para la presentación

de los resultados de los ensayos, los análisis y los

estudios de verificación.

1.3 Utilizar técnicas modernas, herramientas e instrumentos

de medida.

Figura 5 – Discriminación y ponderación de las actividades académicas

realizadas con el acompañamiento del docente.

4. Resultados reales del aprendizaje en Ciencias Básicas

En diversas fuentes que abordan el tema del aprendizaje de las ciencias básicas [10, 11] indican que para evitar el fracaso del aprendizaje de los ingenieros desde los factores que tienen relación con las instituciones de educación superior, se exige no solo la concepción del diseño de un currículo contextualizado de las ciencias básicas, sino también la

consideración de que en la práctica, los formadores iniciales de los ingenieros exhiben poco interés en plantear aplicaciones de las ciencias básicas para la solución de problemas de la ingeniería; tampoco fomentan en los educandos el uso de las herramientas matemáticas como una alternativa efectiva en la solución de dichos problemas, [10], desconocen las razones que justifican la existencia de estas asignaturas en los contenidos de los programas de estudio en ingeniería y, en tal sentido, responden en forma evasiva las preguntas de los estudiantes ¿Para qué nos va a servir? ¿En dónde se aplica lo aprendido? ¿Por qué se debe estudiar?; esto refuerza el hecho que los estudiantes vean estas asignaturas con disgusto, la enseñanza de ellas sea desagradable, se refleje muy poco interés por aprenderlas y que estas asignaturas tengan un índice elevado de reprobación en las facultades de ingeniería. La mayoría los estudiantes de ingeniería comienzan a tomar conciencia sobre la importancia de las ciencias básicas al abordar la formación en la profesión elegida, pero rechazan la forma como los formadores iniciales orientan el estudio de las mismas: “Se nos enseña realizar operaciones, resolver ecuaciones, no a interpretarlas”; “los maestros son ingenieros pero no son maestros”; “hace falta perfilar la enseñanza hacia el ¿para qué sirve?, necesitamos ejemplos prácticos”, “se necesitan aplicaciones reales, de la vida cotidiana, así como la aplicación de nuevos problemas”, “los docentes se esfuerzan en desarrollos teóricos que requieren de atención especial, olvidando que no se pretende formar científicos puros (matemáticos, físicos ni químicos), siendo que estas materias son solo de apoyo a las referentes de la ingeniería” [10].

4.1. Resultado de la evaluación de Matemáticas y Física realizada

por la Universidad Libre

En la figura 6 se aprecia el resultado de la evaluación realizada en 5 campos de Matemáticas y 2 de Física a una población de 50 estudiantes de los tres últimos niveles de ingeniería de 6 universidades de Bogotá – Colombia, trabajo realizado por investigadores de la Universidad Libre [11], quienes afirman que la deficiencia evidenciada por los estudiantes de últimos niveles en el escenario de formación en ciencias básicas reflejan la realidad de un estudiante que no le interesa aprender para siempre; estudia para evitar perder las asignaturas y agregan que los docentes deben establecer correctivos en las estrategias de aprendizaje para garantizar que todo estudiante de ingeniera emplea los conceptos de este campo como base formal para modelar, analizar, diseñar y construir soluciones cuya racionalidad, creatividad e innovación demuestren la calidad y potencial de la ingeniería colombiana.



Figura 6 – Evaluación en Matemáticas y Física realizada a estudiantes

de últimos niveles de 6 ingenierías colombianas

4.2. Resultado de la formación en Ciencias Básicas de ingeniería mecánica de la Universidad Nacional de Colombia - Medellín entre 1981 y 2016

En la Universidad Nacional de Colombia se cuenta con departamentos consolidados para la formación exclusiva en Matemáticas, Física y Química que prestan sus servicios a 16 ingenierías de la sede Medellín de acuerdo a sus demandas. teniendo en cuenta los resultados desalentadores de las evaluaciones en ciencias básicas, que se está realizando una revisión curricular en Medellín y que se tiene la propuesta de abrir el programa de ingeniería mecánica en la sede Valledupar, se tomó la decisión de analizar el resultado de la formación en ciencias básicas con las historias académicas de 341 egresados que cursaron completamente los planes de estudio aprobados en los años 1981, 1992 y 2009 [12].

En la figura 7 se presenta el resultado de la evaluación del rendimiento académico obtenido en cada una de las asignaturas de las áreas de Matemáticas, Física y Química presentados en términos del promedio de 73 egresados que cursaron 11 asignaturas del plan de estudios implementado en 1981; 134 egresados que cursaron 8 asignaturas del plan de estudios implementado en 1992 y 134 egresados que cursaron 7 asignaturas del plan de estudios implementado en 2009.

A mas de evaluar el rendimiento académico ilustrado es importante tener conocimiento de la eficiencia los departamentos de Matemáticas, Física y Química, medida en términos de la cantidad de registros adicionales que es necesario programar a causa de la pérdida de las asignaturas del área, esto permite en primer lugar, acotar la realidad de los recursos físicos y docentes por departamento de acuerdo a las dinámicas naturales del campo en la formación de

ingenieros; en segundo lugar, permite evaluar las causales de sobredimensionamiento y definir cuales se pueden superar estableciendo estrategias de docencia/aprendizaje que eviten la pérdida masiva de las asignaturas.

Aunque en las dos últimas reformas se implementó una mayor oferta de talleres adicionales de solución de problemas con becarios, lo que ha promovido un pequeño incremento en el promedio de las asignaturas y reducción en la perdida de asignaturas de la población, los promedios continúan siendo los más bajos del programa curricular, lo que significa que el egresado tuvo un rendimiento apenas aceptable, pues a pesar de que aprobó el área en su conjunto no se considera una muy buena calificación; esto revela que es necesario hacer una revisión del tipo de trabajo académico que se realiza en los talleres de apoyo al aprendizaje de Matemáticas y levemente de Física, pues aquí no se presentan los datos de la perdida efectiva de la calidad de estudiante del 60% de la población que ingresa por semestre con riesgo de salir de la universidad por rendimiento académico afectado mayoritariamente por las asignaturas de ciencias básicas.

En la figura 8 se resalta el porcentaje de registros adicionales que fue necesario programar a causa de las pérdidas mencionadas con la misma población con la que se evaluó el rendimiento académico; por ejemplo, en el plan de estudios aprobado en 1981, para atender una población de 73 egresados, el departamento de Matemáticas programa idealmente 73 cupos distribuidos en dos grupos de 40 estudiantes para cursar y aprobar la asignatura Matemáticas Especiales, pero en la realidad reportada en la figura 8 se aprecia que el 51% de esta población no aprobó la asignatura en el primer registro, por lo que fue necesario abrir 38 cupos adicionales a los definidos en la programación académica para atender esta población; es decir, fue necesario programar un curso adicional de 40 estudiantes que naturalmente exige una inversión de recursos físicos y docentes por parte del departamento de matemáticas.

4.3. Examen de Ciencias Básicas EXIM aplicado a 11592 estudiantes de ingeniería en Colombia

En la figura 9 se presentan los resultados de la evaluación por

competencias en ciencias básicas, aplicada a 11592

estudiantes de ingeniería colombianos cuando terminan su

paso por las asignaturas de Matemáticas, Física, Química y

Biología. Este examen es una prueba de carácter académico,

preparada por la Asociación Colombiana de Facultades de

Ingeniería ACOFI [13] como herramienta adicional externa

de apoyo al proceso de formación en el área de Ciencias

Básicas y que sirve de insumo para:



Figura 7 – Rendimiento académico en Ciencias Básicas obtenido por asignatura, por plan de estudios y por área.

Figura 8 – Porcentaje adicional de registros ocasionados por la pérdida de asignaturas en ciencias básicas

Lograr la concientización de los estudiantes y de las instituciones de educación superior sobre la calidad de la enseñanza de las ciencias básicas en cada una de sus instituciones.

Conocer las fortalezas y posibles debilidades en cada uno de los componentes examinados.

Tener un referente nacional confiable sobre el estado de la formación de los futuros ingenieros en matemáticas y ciencias naturales.



(a) – se aplicaron 59 preguntas distribuidas

así: 16 en Matemáticas, 16 en física, 14 en

Química y 13 en Biología

(b) – se aplicaron 49 preguntas distribuidas

así: 15 en Matemáticas, 13 en Física, 10

en Química y 11 en Biología

(c) – se aplicaron 32 preguntas distribuidas

así: 14 en Matemáticas, 6 en Física, 6 en

Química y 6 en Biología

Figura 9: Resultados de la evaluación por competencias aplicada a los estudiantes de ingeniería colombianos al término de la formación en Ciencias

Básicas.



Para la evaluación en cada área se consolidaron las competencias generales que se describen a continuación, calificadas con una escala de 0 a 100 y cuyos resultados globales por año se clasificaron en niveles alto, medio y bajo de acuerdo al rango de promedios especificados en la figura 9 [13]: Capacidad de abstracción, análisis y síntesis: La

abstracción es entendida como el proceso mediante el cual se determinan las características comunes a diferentes objetos o a sus relaciones. Está referido a la posibilidad de trabajar con las ideas independientemente de los objetos que están representados por ellas. Figura 9a.

Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica: Esta competencia implica hacer transferencia del conocimiento o la habilidad adquirida a diversas situaciones. Figura 9b.

Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas: Es la capacidad para dar solución a una situación, teniendo que construir todos los sistemas de representación necesarios para resolverla. Figura 9c. Se observa que el resultado por año en cada una de las

competencias evaluadas se encuentran en el límite entre el nivel medio y bajo, muy similar a la posición de los resultados obtenidos con los promedios con 341 egresados de la Universidad Nacional en los últimos 36 años, los argumentos presentados son similares a los planteamientos presentados en la introducción de este numeral; por lo tanto, de acuerdo a los argumentos presentados previamente y teniendo en cuenta que las ciencias básicas no constituyen una meta por si mismas en una facultad de ingeniería sino un apoyo de la ingeniería, los estudiantes con vocación de ingenieros comprenden mejor cuando están envueltos en actividades y en el tratamiento de asuntos que cautiven su atención, por lo que es importante promover la vinculación entre las ciencias básicas y las asignaturas de la ingeniería aplicando ejemplos prácticos derivados del mundo real en su enseñanza; cuando se favorece la participación de los estudiantes en tareas que se aproximen a los contenidos profesionales, el joven en formación tiene la oportunidad de identificar fenómenos y procesos reales y reconoce la contribución y relevancia de las ciencias básicas en el planteamiento y solución de un problema cuando tiene la vivencia o pasa por la experiencia de aprendizaje de interpretar y modelar esos fenómenos y/o procesos como aporte específico de la física o química y/o la matemática en la identificación, planteamiento y solución del problema en cuestión. En ese mismo sentido, es menester que los cursos de actualización docente vean las ciencias básicas contextualizadas con el vínculo de la realidad con la ingeniería; pues es importante que los docentes inicialistas se cuestionen y trabajen para que los jóvenes eviten estudiar solo para pasar las asignaturas, no olviden tan pronto la formación que constituye el cimiento de las ciencias y técnicas de ingeniería, que se tracen como meta de formación, que el estudiante entienda a través de sus vivencias el valor del significado de estas ciencias para su crecimiento y carta de presentación profesional, se evite que con el paso del tiempo el joven se sienta incapaz de utilizar

los saberes y analistas simbólicos de estas ciencias como instrumento y como lenguaje natural de la esencia de los ingenieros, que los dotan para deducir, diferenciar, comparar, clasificar, reflexionar, descubrir, analizar, discutir, inventar y/o reinventar significativamente; con estos talentos desde muy temprano el joven en formación está en condiciones de tener la certeza respecto a qué debe saber de estas ciencias, qué debe saber hacer con ellas y cómo debe actuar con lo aprendido para marchar adecuadamente como profesional y reconocer las oportunidades de uso de ellas en situaciones particulares que lo requieran.

5. Conclusiones

Las ciencias básicas para ingeniería mecánica (Matemáticas, Física y Química) tiene un peso en el currículo un poco mayor al 60% de las áreas por las que responde socialmente el ingeniero mecánico; prácticamente iguala la suma de las áreas complementarias técnicas del currículo y están por encima de los complementos que hacen parte de la formación integral. El hecho de que estas ciencias se concentran en el 95% de los dos primeros años tienen un impacto muy elevado en los indicadores de deserción de los estudiantes de ingeniería.

Matemáticas demanda el 67% de la composición temática de las Ciencias Básicas, la física el 22% y la Química el 10.6%.

Matemáticas demanda el 66.1% de la dedicación a las actividades académicas de las Ciencias Básicas, la física el 24% y la Química el 9.9%.

El área de matemáticas contribuye al alcance de las 4 metas generales de formación definidas para un ingeniero mecánico e impacta directamente al 47% de los resultados de generales de aprendizaje del programa; la física y la química contribuyen al alcance de 3 de las 4 metas generales de formación de un ingeniero y tienen impacto sobre el 35% de los resultados generales de la ingeniería mecánica.

La actividad académica más relevante en ciencias básicas continua siendo la conferencia, síntesis y discusión de la teoría y las actividades que obligan al joven a demostrar lo que sabe hacer con lo que conoce en resolución de problemas es muy poca; de manera que es importante repensar el diseño curricular actual desde la ponderación de las actividades con el fin de fortalecer más las actividades de aprendizaje activo, alrededor de trabajos experimentales, resolución de problemas, estudios de casos, simulaciones, entre otras estrategias prácticas, como lo promueve la nueva visión de la enseñanza en ingeniería enfocada en concebir, diseñar, implementar y operar.

Las calificaciones obtenidas por 341 egresados de la Universidad Nacional en el componente de ciencias básicas indican que el egresado tuvo un rendimiento apenas aceptable, a pesar de que aprobaron, no se considera una muy buena calificación y revela que es importante esforzarse más e implementar estrategias de



aprendizaje que cautiven la atención del estudiantes de ingeniería, por lo que es importante promover la vinculación entre las ciencias básicas y las asignaturas de ingeniería aplicando ejemplos prácticos derivados del mundo real en su enseñanza y los docentes inicialistas se cuestiones y trabajen para que los jóvenes eviten estudiar solo para pasar las asignaturas, eviten que con el paso del tiempo el joven se sienta incapaz de utilizar los saberes y analistas simbólicos de estas ciencias como instrumento y como lenguaje natural de la esencia de los ingenieros.

Los resultados de 11592 estudiantes de ingeniería en el examen de competencias en ciencias básicas ubicaron el promedio por año de la población colombiana entre 2007 y 2015 en el límite entre el nivel medio y el nivel bajo, ratificando el requerimiento de repensar la formación en ciencias básicas para las ingenierías.

REFERENCIAS

1. Congreso de la República de Colombia. Ley 842 del 9 de octubre de 2003 “por la cual se modifica la reglamentación del ejercicio de la ingeniería, de sus profesiones afines y de sus profesiones auxiliares, se adopta el Código de Ética Profesional y se dictan otras disposiciones”.

2. Ministerio de Educación Nacional, “Resolución 2773 de 2003 definición de las características específicas de la profesión de Ingeniería con base en lo establecido en el decreto 2566 de 2003”.

3. Asociación Iberoamericana de Instituciones de la Enseñanza de la Ingeniería ASIBEI. “Aspectos básicos para el diseño curricular en ingeniería: caso iberoamericano” 2007, Bogotá.

4. M. E. Muñoz, J. I. Álvarez, "Experiencia de indagación, verificación y análisis de los resultados de aprendizaje y perfil de áreas tradicionales y complementarias de 163 programas de Ingeniería Mecánica encontrados en 5 continentes". Memorias del XI Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica CIBIM 2013, La Plata – Argentina. Septiembre 2013.

5. María Eugenia Muñoz Amariles, Jorge Iván Álvarez González, Antonio José Romero Hernández. “¿Que problema de formación soluciona esta asignatura? o, al finalizar el curso el estudiante está en capacidad de….” Memorias del VIII Congreso Latinoamericano de Ingeniería Mecánica. Cuenca Ecuador. Julio 2014.

6. María Eugenia Muñoz Amariles, Jorge Iván Álvarez González. “Prospectiva de la enseñanza en el área de

Matemática de Ingeniería Mecánica a nivel mundial y análisis de la formación de una muestra de 343 egresados en los últimos 33 años”. Memorias del XII Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. Guayaquil Ecuador. Noviembre de 2015.

7. “Troncales curriculares para carreras de pregrado en biología, matemáticas, química, ing. Mecánica, ing. Eléctrica, ing. Química, ing. Industrial: Universidades de los países del convenio Andrés Bello”. Santa Fe de Bogotá, 2000.

8. Asociación Colombiana de Facultades de Ingeniería - ACOFI. “Contenidos programáticos básicos para ingeniería”. Bogotá – Colombia, 2004.

9. Edward F. Crawley, Johan Malmqvist, William A. Lucas, Doris R. Brodeur. “The CDIO Syllabus v2.0 An Updated Statement of Goals for Engineering Education” Proceedings of the 7th International CDIO Conference, Technical University of Denmark, Copenhagen, June 20 – 23, 2011.

10. 10. http://dcb.fi-c.unam.mx/Eventos/Foro4/Memorias/Ponencia_04.pdf

11. Triana Moyano Eduardo. “El repensamiento de la formación en ciencias básicas”. Revista Ingenio Libre. Edición 11http://www.unilibre.edu.co/revistaingeniolibre/revista-11/art5.pdf

12. Sistema de Información Académica de la Universidad Nacional de Colombia,. (Historia académica de estudiantes y egresados – no es de dominio público). http://sia.medellin.unal.edu.co/academia/inicio/inicio.html;jsessionid=9CC97361D7D2D5AD152A0B9E20DA768A.sia2?id_rol=384.

13. http://www.acofi.edu.co/programas-de-apoyo/examen-de-ciencias-basicas/aspectos-generales-del-exim/

14. Ana María Nuñez, Ruth Leiton, José Antonio Naranjo, “Evaluación por competencias en ciencias básicas para ingeniería”. Investigación realizada en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Mendoza”


análisis de las ciencias básicas en los currículos de los...

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