Análisis del aprendizaje de conceptos de Electrostática en la formación del profesorado de Física Doctorat en Educació: Didàctica de la Matemàtica i de les Ciències (Àmbit I)

Abstract

L’objectiu d’aquest treball és analitzar les explicacions de professors de física en formació quan experimenten amb diferents fenòmens electrostàtics inclosos en una seqüència d’ensenyament i aprenentatge (SEA). Els participants van ser 67 estudiants de Pedagogia en física i matemàtica de la Universitat de Santiago de Xile. L’estudi va ser realitzat en el context d’un curs del programa d’estudis de la carrera, fent servir així la metodologia de recerca-acció. El propòsit d’incorporar la perspectiva de models a l’ensenyament dels docents en formació és que siguin capaços de construir explicacions científiques basades en evidències, teories i idees acceptades per la comunitat científica, permetent interpretar fenòmens quotidians com ara el fregament i posterior atracció de cossos , i l’efecte de la gàbia de Faraday. S’espera que els estudiants utilitzin el model de distribució i interacció entre càrregues elèctriques, i després expliquin fenòmens més complexos amb el model de camp elèctric, per finalment utilitzar-los de manera simultània. Es van recollir 1809 respostes (explicacions escrites i dibuixos) de 27 activitats en una seqüència de 12 hores (4 sessions de 3 hores cadascuna). Les dades obtingudes són de tipus qualitatiu. Aquestes dades van ser analitzades mitjançant la tècnica d’anàlisi de contingut, que va donar 40 categories que es presenten en xarxes sistèmiques i que després van ser quantificades. Posteriorment, es van agrupar les respostes a 4 nivells d’adequació als models. Finalment, es va analitzar el grau dimpacte de les característiques didàctiques de la SEA en els resultats d’aprenentatge, utilitzant l’eina khi quadrat (χ²). Els resultats de la investigació mostren una millora significativa de les explicacions dels estudiants al llarg de la seqüència a causa de diversos factors, com la presència de discussions promogudes pel docent, interacció entre iguals, experiències prèvies reals i experiències hipotètiques. També trobem que el nivell de les respostes disminueix generalment en passar d’un dispositiu experimental a un altre, encara que l’explicació subjacent sigui la mateixa; i que en el cas dels fenòmens que requereixen dues explicacions de diferent tipus, una és desenvolupada amb més profunditat que l’altra en un mateix model. Es conclou que, a electrostàtica, tots els fenòmens aparentment simples requereixen explicacions complexes, i que cada fenomen electrostàtic comporta una àmplia varietat d’explicacions identificades. També conclou que la clau per entendre el model de distribució i interacció de càrregues és diferenciar els processos de reordenament de transferència de càrregues, i un dels reptes de l’ensenyament de la física és passar de pensar en propietats a pensar en interaccions.

El objetivo de este trabajo es analizar las explicaciones de profesores de física en formación cuando experimentan con distintos fenómenos electrostáticos incluidos en una secuencia de enseñanza y aprendizaje (SEA). Los participantes fueron 67 estudiantes de Pedagogía en física y matemática de la Universidad de Santiago de Chile. El estudio fue realizado en el contexto de un curso del programa de estudios de la carrera, utilizando así la metodología de investigación-acción. El propósito de incorporar la perspectiva de modelos a la enseñanza de los docentes en formación es que sean capaces de construir explicaciones científicas basadas en evidencias, teorías e ideas aceptadas por la comunidad científica, permitiéndoles interpretar fenómenos cotidianos tales como la frotación y posterior atracción de cuerpos, y el efecto de la jaula de Faraday. Se espera que los estudiantes utilicen el modelo de distribución e interacción entre cargas eléctricas, y luego expliquen fenómenos más complejos con el modelo de campo eléctrico, para finalmente utilizar ambos de manera simultánea. Se recogieron 1809 respuestas (explicaciones escritas y dibujos) de 27 actividades en una secuencia de 12 horas (4 sesiones de 3 horas cada una). Los datos obtenidos son de tipo cualitativo. Estos datos fueron analizados mediante la técnica de análisis de contenido, que arrojó 40 categorías que se presentan en redes sistémicas y que luego fueron cuantificadas. Posteriormente, se agruparon las respuestas en 4 niveles de adecuación a los modelos. Finalmente, se analizó el grado de impacto de las características didácticas de la SEA en los resultados de aprendizaje, utilizando la herramienta chi cuadrado (χ²). Los resultados de la investigación muestran una mejora significativa de las explicaciones de los estudiantes a lo largo de la secuencia debido a diversos factores, como la presencia de discusiones mediadas por el docente, interacción entre pares, experiencias previas reales y experiencias hipotéticas. También encontramos que el nivel de las respuestas disminuye generalmente al pasar de un dispositivo experimental a otro, aunque la explicación subyacente sea la misma; y que en el caso de los fenómenos que requieren dos explicaciones de distinto tipo, una es desarrollada en más profundidad que la otra en un mismo modelo. Se concluye que, en electrostática, todos los fenómenos aparentemente simples requieren explicaciones complejas, y que cada fenómeno electrostático conlleva una amplia variedad de explicaciones identificadas. También se concluye que la clave para entender el modelo de distribución e interacción de cargas es diferenciar los procesos de reordenamiento de transferencia de cargas, y uno de los retos de la enseñanza de la física es pasar de pensar en propiedades a pensar en interacciones.

The objective of this work is to analyze the explanations of preservice physics teachers when experimenting with different electrostatic phenomena included in a teaching and learning sequence (TLS). The participants were 67 students of Pedagogy in Physics and Mathematics at Universidad de Santiago de Chile. The study was conducted in the context of a course of the study program, thus using action research methodology. The purpose of incorporating the perspective of models into the teaching of pre-service teachers is for them to be able to construct scientific explanations based on evidence, theories and ideas accepted by the scientific community, allowing them to interpret everyday phenomena such as the rubbing and subsequent attraction of bodies, and the Faraday cage effect. Students are expected to use the model of distribution and interaction between electric charges, and then explain more complex phenomena with the electric field model, to finally use both simultaneously. 1809 responses (written explanations and drawings) were collected from 27 activities in a sequence of 12 hours (4 sessions of 3 hours each). The data obtained are qualitative. These data were analyzed using the content analysis technique, which yielded 40 categories that are presented in systemic networks, and which were then quantified. Subsequently, the responses were grouped into 4 levels of adaptation to the models. Finally, we analized the degree of impact of the didactic characteristics of the TLS on the learning outcomes using the chi-square tool (χ²). Research results show a significant improvement in student explanations throughout the sequence due to various factors, such as the presence of teacher-mediated discussions, peer interaction, real previous experiences, and hypothetical experiences. We also found that the level of responses generally decreases when moving from one experimental device to another, even if the underlying explanation is the same; and that in the case of phenomena that require two explanations of different types, one is developed in more depth than the other in the same model. It is concluded that, in electrostatics, all apparently simple phenomena require complex explanations, and that each electrostatic phenomenon carries a wide variety of identified explanations. Apparently, the key to understanding the charge distribution and interaction model is to differentiate the processes of charge reordering and charge transfer, and one of the challenges of teaching physics is to move from thinking about properties to thinking about interactions.