Simulaci

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Simulación y modelado computacionales para
facilitar la aprendizaje de circuitos eléctricos
II CURSO BOLIVIANODE ENSEÑANZA DE LA
FÍSICACarrera de Física, UMSA
Eliane Veit Instituto de Física - UFRGS La
Paz Agosto 2005
2
Qué circuitos eléctricos?
fuentes ideais
3
Por qué circuitos eléctricos?

• hay muchas investigaciones respecto de las
  dificultades de los alumnos en esta área
• como se trata de fenómenos dinámicos son
  propicios al modelado computacional
• queremos evaluar las posibilidades de mejoras en
  la aprendizaje de conceptos físicos involucrados
  en circuitos eléctricos con el uso de actividades
  de simulación y modelado computacionales

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Referencial Teórico

• Teoria del Aprendizaje Verbal Significativo de
  Ausubel
• Teniendo en cuenta los conocimientos previos de
  los estudiantes.
• Utilizando el software Modellus como un elemento
  motivador para el estudiante.
• Construyendo un material potencialmente
  significativo.

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Vamos presentar

• obstáculos para el aprendizaje de
  conceptos físicos presentes en circuitos
  eléctricos simples
• actividades de simulación y modelado computaciona
  les creadas para facilitar el aprendizaje destos
  conceptos
• resultados de un trabajo de investigación al
  respecto de mejoras en la aprendizaje de
  conceptos físicos de electricidad

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Obstáculos para el aprendizaje

• dificultades conceptuales corriente eléctrica,
  diferencia de potencial, resistencia, ...
• lenguaje y razonamientos incorrectos
• concepciones alternativas

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Dificultad con respecto al concepto de corriente
eléctrica

• compare los brillos da lámparas L1, L2, L3, L4 y
  L5

solamente 10 a 15 dan la respuesta correcta
respuestas típicas L2 gt L3 gt la corriente
eléctrica es
consumida L1
L2 L3 L4 L5 i3 si divide
McDermott
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Dificultades con el concepto de diferencia de
potencial

• Cómo se comparan los brillos de las lámparas,
• con el interruptor cerrado?
• y si está abierto?

gt 50 dos alumnos no consiguem responder
correctamente
McDermott et al.
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Consecuências de las dificultades con el concepto
de diferencia de potencial

• muchos alumnos piensam que una bateria es una
  fuente de corriente, no de tensión
• no distiguem

McDermott et al.
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Confusión entre los conceptos de potencial y
diferencia de potencial

• Quál es la diferencia de potencial entre los
  pares de puntos?

40 dos alumnos respueonderan 6V !
Duit et al.
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Dificultad con el concepto de resistência

eléctrica

• Si R1 es aumentada, lo qué si passa con i1 y i2 ?

fuente ideal
Solamente 20 correctos i1 decresce y i2 no
cambia
Duit et al.
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Obstáculos para la aprendizaje

• dificultades conceptuales corriente eléctrica,
  diferencia de potencial, resistencia, ...
• lenguaje y razonamientos incorrectos
• concepciones alternativas

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Otros obstáculos de aprendizaje

• los significados atribuídos a i, R y DV en la
  lenguaje cotidiano son diferentes de los
  científicos
• razonamiento local en vez de sistémico u
  holístico
• razonamiento secuencial en vez de sistémico u
  holístico

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Razonamiento local en vez de sistémico u
holístico

• focalizam la atención en un punto y ignoran lo
  que está a la frente

Muchos alumnos respondieran que i1 0,6 A, i2
0,3 A y i3 0,3 A, como si la bateria fuera una
fuente de corriente y no de diferencia de
potencial
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Razonamiento secuencial en vez de sistémico u
holístico

• piensan en antes y depues de pasar la
  corriente

1/3 de los alumnos piensa que si R1 cambiar, el
brillo de L1 cambiará si R2 cambiar, el brillo
de L1 no cambiará
para muchos, si el interruptor for abierto, el
brillo de L1 permanece el mesmo
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A veces las creencias son tan fuertes, que ni
siquiera la experiencia real la destruye
Qué parte del hilo brillaría si el interruptor
estuviera
cerrado?

• Prediciones
• primero a la izquierda (o derecha) dependiendo de
  la suposición hecha al respecto del sentido de la
  corriente y considerando que brillaría o lado por
  el cual la corriente entra en el hilo
• En el medio, pues habría dos tipos de corrientes
  una que entra por la izquierda y otra por la
  derecha que se encuentran al medio

iii) El hilo brillaría simultaneamente en todos
los lugares (correcta)
Schlichting apud Duit
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Vamos presentar

• obstáculos para la aprendizaje de
  conceptos físicos presentes en circuitos
  eléctricos simples
• actividades de simulación y modelado computaciona
  les creadas para facilitar el aprendizaje destos
  conceptos
• resultados de un trabajo de investigación al
  respecto de mejoras en la aprendizaje de
  conceptos físicos de electricidad

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Algunos objetivos de las actividades
computacionales creadas

• a) dada una diferencia de potencial entre puntos
  de un circuito simples, el alumno deverá
• i) ser capaz de reconocer la corriente eléctrica
  como consecuência de la diferencia de potencial
  y de la resistência eléctrica
• ii) relacionar el aumento de la corriente
  eléctrica en el circuito a la disminuición de la
  resistência equivalente

Todos los objetivos
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Guias para los alumnos y profesores
Alumno circuito simples (simulación)
circuito simples (modelado)
circuito RLC (simulación)
circuito RLC (modelado)
Profesor circuito simples (simulación)
circuito RLC (simulación)
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Alguns ejemplos
apresenta.mdl cirser.mdl cirpar.mdl
cirmis.mdl cirlamp.mdl
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Vamos presentar

• obstáculos para la aprendizaje de
  conceptos físicos presentes en circuitos
  eléctricos simples
• actividades de simulación y modelado computaciona
  les creadas para facilitar el aprendizaje destos
  conceptos
• resultados de un trabajo de investigación al
  respecto de mejoras en la aprendizaje de
  conceptos físicos de electricidad

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Qué investigaciones se han hecho??

• uso de un conjunto de actividades de simulación y
  modelado computacionales exploratorias y de
  creación en 9 aulas de 1h35min (en clase)

• Hipótesis de investigación
• El uso de actividades de simulación y modelado
  computacionales promoverá la predisposición de el
  alumno para aprender de modo que el perceba la
  relevância de el contenido estudiado.

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Diseño de la investigación
Diseño
Grupo experimental O1 X O2
Grupo de control O1 O2
01 Test inicial X actividades
computacionales 02 Test final
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Instrumentos de investigación

• Test circuito simples (corriente
  eléctrica)
• Test circuito RLC

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Resultados p/circuitos simples
Comparación entre las médias ajustadas de el test
final para los dos grupos
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Conclusiones

• El desempeño de los alumnos en el grupo
  experimental fue mejor que en el grupo control
  (diferencia estadísticamente significativa).
• Las actividades de simulación y modelado
  computacionales con el software Modellus pueden
  facilitar la aprendizaje de conceptos físicos
  involucrados en circuitos eléctricos simples.
• El procedimento didáctico adoptado requirió mucha
  interacción de los estudiantes con las
  actividades computacionales, de los estudiantes
  entre sí y con el profesor, tornándose un
  elemento motivador en el aprendizaje de los
  estudiantes (análisis cualitativo).

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Referências

• 1 DUIT, R. RHONECK, C. V. Learning and
  understanding key concepts of electricity.
  Disponível em lthttp//www.physics.ohio-state.edu/
  jossem/ICPE/ C2.htmlgt. Acesso em 10 mar. 2005.
• 2 McDERMOTT, L. C SHAFFER, P. S. Research as a
  guide for curriculum development an example from
  introductory electricity. I. Investigation of
  student understanding. American Journal of
  Physics, v. 60, n. 11, p. 994, 1992.
• 3 ENGELHARDT, P. V. BEICHNER, R. J. Students
  understanding of direct current resistive
  circuits. American Journal of Physics, v. 72, n.
  1, p. 98, 2004.
• 4 THACKER, B. A. GANIEL, U. BOYS, D.
  Macroscopic phenomena and microscopic processes
  student understanding of transients in direct
  current electric circuits. Physics Education
  Research a supplement to the American Journal of
  Physics, 1, to v. 67, n. 7, p. S25, 1999.
• 5 GANIEL, U. EYLON, B. Macro-micro
  relationships the missing link between
  electrostatics and electrodynamics in students'
  reasoning. International Journal of Science
  Education, v. 12, n. 2, p. 79, 1990.
• 6 GRECA, I. M. MOREIRA, M. A. Modelos mentales
  y aprendizaje de física en electricidad y
  magnetismo. Enseñanza de las Ciencias, Barcelona,
  v. 16, n. 2, p. 289, 1998.
• 7 GRECA, I. M. MOREIRA, M. A. Un estudio
  piloto sobre representaciones mentales, imagenes,
  proposiciones y modelos mentales respecto al
  concepto de campo electromagnetico en alumnos de
  física general, estudiantes de postgrado y
  fisicos profesionales. Investigações en Ensino de
  Ciências, v. 1, n. 1, p. 95,1996.

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L1 L4 L5 gt L2 L3
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L1 L4 gt L2 y L3

• a corriente eléctrica que passa pelas lâmpadas L1
  y L4 é a mesma y maior do que a que passa por L2
  y L3
• ou pode-se raciocinar que a diferencia de
  potencial entre os terminais de L1 y L4 é maior
  do que a estabelecida entre os bornes de L2 y L3.

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corriente eléctrica
dificultad en concepciones alternativas
1. visualizar que la intensidad de la corriente eléctrica en un circuito depende de las características de la fuente, pero también de la resistência equivalente do que fué acoplado entre sus terminales 2. considerar la conservación espacial de la corriente eléctrica 3. reconocer que la intensidade de la corriente eléctrica no depende de la orden en que se encontram los elementos no circuito y ni de lo sentido de la corriente. ... piensam que la bateria és una fuente de corriente eléctrica constante    ... piensam que la corriente se desgasta al passar por una resistência eléctrica ... cream que la orden de los elementos en el circuito y el sentido de la corriente eléctrica son relevantes ...pressuponen que la fuente fornece los portadores de carga responsábles por la corriente eléctrica en el circuito
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diferencia de potencial
dificultad en concepções alternativas
1. diferenciar los conceptos diferencia de potencial y corriente eléctrica 2. diferenciar os conceptos de diferencia de potencial y de potencial eléctrico 3. reconocer que una bateria ideal mantém una diferencia de potencial constante entre sus terminales 4. calcular la diferencia de potencial entre pares de puentos a lo largo del circuito ... piensam que la bateria és una fuente de corriente eléctrica constante y no como una fuente de diferencia de potencial constante ... perciebem la diferencia de potencial como una propriedade da corriente eléctrica ... consideram que las diferencias de potencial entre pares de puentos ao longo do circuito permanecem constantes
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Resistência eléctrica
dificultad em concepções alternativas
1. distinguir resistência equivalente de una parte del circuito y la resistência eléctrica de un elemento individual 2. perceber que la resistência equivalente és una abstracción útil para obter la corriente total o la diferencia de potencial en una parte del circuito 3. compreender que las divissiones de corrientes eléctrica en un puento de junción del circuito depienden de la configuracion del circuito 4. entender la associación en série de resistores como un impedimiento a la pasaje de corriente y a associación en paralelo como un camino alternativo, para la passaje de corriente... 5... ... freqüentemente piensam en la resistência equivalente en el circuito como se fuera una propiedade de un elemento individual de el circuito ... en división de corrientes eléctrica en ramos paralelos de un circuito, consideram solamente el número de ramos y no las resistências eléctricas relativas a los vários ramos ... piensam que se un resistor reduz la corriente por x, dois resistores van reduzi-la por 2x, independientemente de el arranjo de los resistores