aprendizaje por comprensión con prototipos de energía solar

7/26/2019 Aprendizaje por comprensin con prototipos de energa solar

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Congreso Iberoamericano de Ciencia, Tecnologa, Innovacin y Educacin

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ISBN: 978-84-7666-210-6 Artculo 456

Aprendizaje por comprensin con prototipos deenerga solar

Torres, J.


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Aprendizaje por comprensin con prototipos deenerga solar

Jons Torres Montealbn

RESUMEN

Como una propuesta de enseanza-aprendizaje, prototipos solares se estudiaron conestudiantes de nivel preuniversitario de la Universidad Autnoma Chapingo. Esteestudio nos permiti entender la forma en que la manufactura de prototipos como: unpanel fotovoltaico, un calentador de agua solar y una estufa solar, mejora el proceso

de aprendizaje relacionado con los temas de interaccin de la energa-materia. Noscentramos en el principio de conservacin de la energa, pero con la idea de que paraentender el concepto de energa es necesario llevar a cabo medidas de todas lasmagnitudes fsicas involucradas. Por lo tanto, con el fin de hablar sobre la energa,necesitamos obtener datos acerca de su transformacin y obtener una definicinconcluyente con los estudiantes. Como factor de motivacin, el creciente inters en laenerga limpia y ms especficamente, el aprovechamiento de la radiacin solar, nosha llevado a ensear a los estudiantes de fsica de nivel preuniversitario; el diseo,operacin, fabricacin, caracterizacin y evaluacin de los de prototipos solares. Estaexperiencia de Integracin Didcticaen la energa solar trmica y fotovoltaica, consiste

en el diseo, el uso de diferentes materiales, su fabricacin, el funcionamiento, lacaracterizacin y la evaluacin con base en el concepto de energa y sutransformacin. Los estudiantes en este nivel han estudiado las leyes de Newton, elconcepto de temperatura, calor, ptica y ondas electromagnticas. El objetivo esintegrar todo el conocimiento de los estudiantes con los nuevos temas, poniendoatencin en los tipos de energa a estudiar (cintica o electromagntica) e indicandode dnde vienen este tipo de energa (trmica o fotovoltaica). Por lo tanto, creemosque esta metodologa de trabajo, ayuda a integrar los conceptos relacionados con laenerga solar, favoreciendo as una visin ms amplia e integral de la fsica mediantela Exploracin y Aplicacin. Teniendo en cuenta que la medicin es fundamental para

conseguir la comprensin del concepto de energa en un contexto de aplicacin;trabajamos a travs de hojas de clculo, rbricas, evaluaciones y la conexin demanera integradora los conceptos de la termodinmica, fluidos, ptica y ondaselectromagnticas. Los estudiantes participan activamente en la investigacincientfica, en el funcionamiento de la energa solar y en el trabajo colaborativo. Pormedio de esta propuesta didctica y con prototipos solares como proyectosintegradores; la recopilacin de datos procedentes de mltiples fuentes, ladescomposicin de los sistemas estudiados en subsistemas, la formulacin depreguntas, la presentacin de los avances y todo tipo de recursos de evaluacin; hizoposible desarrollar una estrategia didctica diseada en cuatro etapas. En la primeraetapa, se define el marco terico de la propuesta denominada "aprendizaje para la


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comprensin". La segunda etapa describe el modelo didctico para la recuperarinformacin, que consiste en las hojas de trabajo, rbricas y encuestas. La terceraetapa incluye la discusin sobre los datos recogidos y la forma en que la manufacturade un prototipo solar, mejora el proceso de aprendizaje de la fsica entre los

estudiantes. Finalmente, la ltima etapa muestra cmo el aprendizaje para lacomprensin con base en una IDEA, tiene aplicaciones en diferentes contextos ruralesy urbanos; ayudando as, a que los estudiantes desarrollen sus conocimientos comoactores activos y no como aceptadores pasivos de informacin.

Palabras clave: Estudiantes de nivel preuniversitario de entre 17-20 aos de edad,actividades en el laboratorio y enseanza-aprendizaje por comprensin.

INTRODUCCIN

Existe una gran diferencia entre lo que se considera energa de manera intuitivacotidianamente y el significado que se le atribuye en fsica. Esta nocin intuitiva esincompleta y totalmente inaceptable,pues falta incluir un aspecto esencialpara la actividad cientfica: el cmose mide esa energa. Adems, elcreciente inters por las llamadasenergas limpias y ms especfico, el

aprovechamiento de la radiacinsolar, nos ha llevado a ensear aestudiantes de nivel preuniversitariode la UACh, el diseo,funcionamiento, manufactura,caracterizacin y evaluacin deprototipos solares, destacando elaspecto de la medicin, figura 1.

Figura 1.Construccin de un panel fotovoltaico.

La energa se puede degradar (perder la capacidad de transmitirse en forma de trabajotil) aunque durante el proceso no hayan existido prdidas de energa. La medida dela degradacin de la energa viene dada por el incremento de la entropa, unapropiedad termodinmica de los sistemas muy bien conocida y estudiada, aunquemucho menos popularizada que el concepto de energa. As, son perfectamenteconocidos muchos tipos especficos de energa: trmica, cintica, potencial,magntica, energa en reposo, tabla 1, muestra algunos fenmenos fsicos donde se


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estudia un particular tipo de energa.

EXPRESIONES DE ALGUNOS TIPOS DE ENERGA

RECURSO ENERGA ECUACIN MAGNITUD A MEDIR

Calentadorsolar deagua yestufasolar

TRMICA = a) temperaturab) masa

CINTICA 1

2

a) masab) velocidad

POTENCIAL

GRAVITACIONAL

12

2 a) masa

b) longitud

Panelfotovoltaico

POTENCIALELECTROSTTICA

12

2 a) masa

b) carga

EFECTOFOTOELCTRICO

= a) Frecuencia

ENERGA ENREPOSO

0 =2 b) masa

c) velocidad de laluz

Tabla 1. Formas de medir la energa.

Todos estos tipos de energa son mensurables, es decir, se les puede asignar undeterminado valor numrico, que depender de las caractersticas particulares delsistema analizado en un instante determinado. Y en principio, siempre ser posibleregistrar y estudiar continuamente sus variaciones con el transcurso del tiempo o losefectos de algn parmetroexterno sobre su valor.Dicho de otra forma,siempre ser posible llevara cabo experimentos yhacer ciencia con laenerga.

En nuestra propuesta de"Aprendizaje porcomprensin" alrededor deprototipos de energa solar;comprende el uso dediferentes tipos de

materiales, su


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manufactura, la operacin, la caracterizacin, la evaluacin y su campo de aplicacin.Pero en esencia, es el principio de conservacin de la energa que resume la realidadexperimental de que: siempre que desaparece algn tipo de energa en un sistema(cintica, potencial, del campo) en algn otro sistema aparece igual cantidad de

energa, del mismo o de otro tipo, figura 2, muestra una estufa solar, que concentra laradiacin solar para aprovecharla en la coccin de alimentos.

Figura 2.Manufactura de una estufa solar.

Por lo que, a travs de explorar y capturar datos (A); documentar mtodos deaprendizaje (B); identificar ideas previas y diferentes representaciones (C); explorar e

integrar conceptos y metodologas con fichas de trabajo: conceptual, fenomenolgica yexperimental-formal (D); trabajar colaborativamente en la manufactura de un prototipo(E); adems de comprender su aplicacin prctica en diversos usos (F); y desarrollaruna didctica de los fenmenos fsicos que se enmarca la enseanza de la energa ylos fenmenos fsicos que ocurren en los prototipos solares, ayudan en la comprensinen diferentes comunidades de aprendizaje relacionando: ciencia, tecnologa y

sociedad (G), figura 3.

Figura 3.-Enseanza para la comprensin, didctica explorativa integrativa al rededordel calentador solar de agua.


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OBJETIVOS GENERAL

Desarrollar una propuesta de enseanza en la UACh, que dirija a los educandos haciauna cultura de reduccin en el consumo de combustibles fsiles y de generacin degases de efecto invernadero, la independencia de sistemas tradicionales degeneracin de energa, derivando en mejora de calidad de vida y habtos saludables;desarrollando modelos de produccin agropecuaria e industrial sustentables ytecnolgicamente independientes.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Identificar a la medicin como fundamental para conseguir la comprensin delconcepto de energa.

2. Elaborar una gua didctica sobre el estudio de fenmenos relacionados con laenergas solar.

3. Caracterizar, evaluar y estudiar prototipos en el marco del estudio de la energay su transformacin en calor til y electricidad.

4. Validar la propuesta didctica y su utilidad en el proceso de enseanza-aprendizaje de fsica.

5. Contribuir a la conciencia de los beneficios en el empleo adecuado de laenerga solar en la UACh, diseando y desarrollando protipos de aplicacinagrcola-industrial.

MARCO TERICO

La comprensin de la fsica a travs de explorar, documentar dificultades deaprendizaje, identificar las ideas previas, esquemas alternativos o el uso de fichas detrabajo y el trabajo colaborativo. Requiere de un nuevo enfoque educativo, que sedebe analizar en terminos de lograr la comprensin de los conocimientos de fsica,desde sus orgenes cognitivos y epistemolgicos mas que desde la pedagoga y la

didctica. Mediante una investigacin propuesta de tipo experimental terica, con unarecogida de datos con tcnicas de tipo: test de lpiz y papel, evaluaciones integrales(diagnstica, formativa, sumativa yalternativas), fichas explorativas yentre otras tcnicas de obtencin deinformacin. Adems, la porpuestase enmarca en el desarrollo deactividades de aprendizajeintegradoras para de losconocimientos estudiados en la fsica

de nivel preuniversitario, figura 4,


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muestra un espejo cncavo en forma de paraboloide de revolucin como concetrador,para mostrar los efectos de la concentracin de la radiacin solar y el anlisis decontenidos vistos en varias unidades del programa.

Figura 4. Espejo cncavo en forma de paraboloide de revolucin.

Para facilitar el camino en la investigacin y garantizar el xito de la propuesta, sepresentan los elementos tericos considerados como base en el desarrollo del trabajosobre la exploracin de la Energas Solar. Los rpidos cambios que se presentan en lasociedades y en particular en el mundo acadmico; adems de una espiral de cambiosen los formas de aprendizaje y de las tecnologas educativas para el estudio de lafsica y en particular las necesidades del uso de energas solar. Se hace necesarioreflexionar sobre las teoras de aprendizaje, las propuestas epistemolgicas sobre la

enseanza y la comprensin de los conceptos de fsica involucrados en la temtica deEnerga Solar, es decir, integrar diferentes propuestas educativas considerando queuna propuesta no es suficiente.

METODOLOGA

Ahondar en la comprensin de la Fsica de la Energa Solar a travs de desarrollarsimultneamente prototipos para su aprovechamiento. Identificando las necesidadesdel uso energtico con enfoque sustentable. Crear nexos con los conceptos de fsica ysu aplicacin directa en contextos urbanos y rurales cotidianos. Con base en loanterior, se puso de manifiesto que se debe partir de necesidades reales que permitanidentificar y analizar problemas cotidianos. A partir de esto se disearon las formas dedilucidar aspectos cognitivos, didcticos y de compresin de los fenmenosinvolucrados, como los que se muestran en la figura 5. Transferencia de calor,balance de materia y energa, ptica de no imagen, radiacin solar, efectoinvernadero, efecto termosifn y captacin solar.


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Figura 5.-Conceptos y fenmenos fsicos estudiados en el curso de fsica.

A continuacin se integraron los siguientes elementos tericos tanto de la disciplinacomo de la didctica, figura 6. Se consider como base en el desarrollo de unproyecto integrador que hace uso de la Energas Solar.


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Figura 6.-Elementos del marco terico.

LOS PROTOTIPOS SOLARES

Con base en los elementos del marco terico, se estudiaron y evaluaron 3 prototipossolares: Un panel solar fotovoltaico, un calentador solar de agua y una estufa solar. Elcreciente inters por la energa limpiahace necesario comprender elfuncionamiento de los sistemas deenergas alternativas como la energatermosolar y la interaccin de laenerga con la materia, figura 7,muestra un calentador solar con unboiler (reciclado) como termotanque.

Figura 7. Calentador solar de agua con un boiler (reciclado) como termo tanque.


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Nuestro intrumento de recogida de informacin para la investigacin se basa en lasideas centrales del anlisis del modelo exploratorio, que es parte dela propuesta de lasfichas de explorativas integradoras segun el esquema mostrado a continuacin.

La exploracin del proceso de aprendizaje relacionado con los conceptos de la fsica,durante el desarrollo del proyecto tienen como elementos los siguientes, cada hoja detrabajo contiene seis elementos: 1) Problema, 2) Situacin, 3) Prediccin, 4)Experimento, 5) Comparacin, y 6) Conclusin; figura 8.

El anlisis de las hojas de trabajo explorativas proporciona, qu ideas y qu categorastienen relacin con los fenmenos, y en qu momento y el qu contexto se utilizan.Adems, en qu alternativas y el significado se le da en el relato de cada experiencia,figura 9.

Figura 8.Elementos de las fichas de trabajo

En cuanto a la estructura de los cursos deFsica, hemos encontrado que elaprendizaje mejora cuando los estudiantestrabajan activamente involucrados con

actividades guiadas por hojas de trabajo,


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ante un proyecto integrador como la manufactura de un prototipo solar. Esto se refierea las experiencias terico-experimentales y a los fenmenos fsicos observados en elcurso de Fsica de nivel preuniversitario.

Figura 9.Se documentaron todas las actividades a ser evaluadas en actividades detrabajo.

RESULTADOS

Los estudiantes que participaron en el estudio tienen entre 17-20 aos de edad, en

donde las mujeres representan el 50%. 25estudiantes participaron en la manufactura delprototipo. Se elaboraron tres prototipos: un panelfotovoltaico, un calentadores solares de agua yuna estufa solar. Se hizo el seguimiento de sudimensionamiento, montaje y evaluacin, figura11. Se disearon y aplicaron 20 actividadesexplorativo integradoras, con el fin de estudiarconceptos fsicos que intervienen en la operacinde los prototipos. Haciendo nfasis en el

concepto de energa y su transformaciones.Figura 10.Se trabaj de manera colaborativa en la manufactura de los prototipos.

Las hojas de trabajo explorativas integradoras se analizaron con rbricas de control ystas fueron evaluadas por sus logros en la comprensin de los conceptos de energay su transformacin. Adems se desarroll una gua con estos documentos para lograrla concienciacin del uso de energa renovable entre los actores implicados.

La propuesta de "El aprendizaje a travs de la comprensin" fue evaluado y el modelo

se compar con pares acadmicos tradicionales, figura 11, muestra un modelointegral mas acabado.

El enfoque mostr en las diferentes etapas del desarrollo de la propuesta, laconsolidacin de un grupo acadmico-colaborativo de profesores, que apoya eldesarrollo de prototipos para la enseanza de la fsica. Esto logr volverse muyimportante para integrar una comunidad de aprendizaje en trminos de dar unadefinicin de energa a partir de la variables medibles y prototipos que puedan sertiles en diferentes contexto.


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Con base en lo anterior, fue posible estudiar en el contexto de la aplicacin elconcepto de energa y su interaccin. As como desarrollar y documentar la

experiencia didctica con elementos que se definieron en el transcurso de lapropuesta.

Figura 12.La propuesta didctica: aprendizaje con comprensin.

CONCLUSIONES

1. Con el desarrollo de una propuesta planificada fue posible evaluar el efecto dela manufactura de un prototipo solar y el logre de los aprendizajes en los temasde fsica alrededor del calentador solar.


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2. Los resultados se compararon mediante el anlisis de la informacin recogida,que proporcionaron las fichas de trabajo aplicadas con el fin de evaluar lapropuesta.

3. La investigacin puede favorecer el desarrollo de un ambiente de aprendizajecolaborativo del estudio de la fsica de nivel preuniversitario y con esto analizary recuperar informacin, con el fin de tomar decisiones con base en lapropuesta de aprendizaje por comprensin en otros contexto.

4. La fabricacin de un prototipo con aplicaciones educativas enriquece el estudiodel conceptos, teniendo en cuenta que las necesidades cotidianas y lamedicin como elemento fundamental, significa un alto nivel de compresinalcanzado.

5. Por ltimo, los distintos modos de comunicar la informacin como: imgenes,textos, modelos matemticos y exposiciones, ayudan en la construccin ytransformacin de las representaciones conceptuales que son necesarios en elproceso de enseanza-aprendizaje de fsica.

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