Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico propuesta basada en la implementación del computador para el registro gráfico del movimiento de un sistema masa resorte en tiempo real

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(1)DISEÑO DE UNA UNIDAD DIDÁCTICA PARA EL ANÁLISIS DEL DESPLAZAMIENTO DE UN OSCILADOR ARMÓNICO MECÁNICO PROPUESTA BASADA EN LA IMPLEMENTACIÓN DEL COMPUTADOR PARA EL REGISTRO GRÁFICO DEL MOVIMIENTO DE UN SISTEMA MASA RESORTE EN TIEMPO REAL. ESTUDIANTE NICOLÁS VÉLEZ CADENA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN EDUCACIÓN EN TECNOLOGÍA BOGOTÁ, D.C. 2016.

(2) DISEÑO DE UNA UNIDAD DIDÁCTICA PARA EL ANÁLISIS DEL DESPLAZAMIENTO DE UN OSCILADOR ARMÓNICO MECÁNICO PROPUESTA BASADA EN LA IMPLEMENTACIÓN DEL COMPUTADOR PARA EL REGISTRO GRÁFICO DEL MOVIMIENTO DE UN SISTEMA MASA RESORTE EN TIEMPO REAL. ESTUDIANTE NICOLÁS VÉLEZ CADENA. DIRECTOR PABLO MUNEVAR GARCÍA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN EDUCACIÓN EN TECNOLOGÍA BOGOTÁ, D.C. 2016.

(3) Nota de aceptación ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________. ________________________________ Firma del jurado. ________________________________ Firma del jurado. ________________________________ Firma del Director.

(4) DEDICATORIA “A aquellas personas que dan sentido a mi vida y sin interés ni condición, entregan de su tiempo y de su ser, en procura del alcance de mis sueños; a quienes hacen de mis alegrías las suyas.”. N. V. C..

(5) AGRADECIMIENTOS. “Agradezco al Señor por las oportunidades que me brinda desde siempre, por permitirme disfrutar de mi profesión y así mismo vivir de ella, por infundir en mí el deseo por la formación académica continua y propiciar las circunstancias, así como por la compañía de aquellos que acogen a este servidor con hospitalidad, paciencia y cariño.¨.

(6) TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. ANTECEDENTES 3. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO 3.1 CONTEXTO DEL TRABAJO 3.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3.3 JUSTIFICACIÓN 3.4 PREGUNTAS ORIENTADORAS 3.4.1 GENERAL 3.4.2 ESPECÍFICAS 3.5 OBJETIVOS 3.5.1 GENERAL 3.5.2 ESPECÍFICOS. 4. METODOLOGÍA DE TRABAJO 5. MARCO TEÓRICO 5.1 BASES PEDAGÓGICA Y DIDÁCTICA 5.1.1 ENFOQUE PEDAGÓGICO DE LA PROPUESTA 5.1.2 EL USO DE LAS TIC EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA 5.1.3 EL COMPUTADOR COMO HERRAMIENTA EDUCATIVA 5.1.4 DISPOSITIVO EMULADOR 5.2 ELEMENTOS PARA LA APROXIMACION CONCEPTUAL DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE 5.2.1 REPRESENTACIONES GRÁFICAS EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA 5.2.2 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE 5.3 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRÁFICA Y ESTRUCTURA FÍSICA 5.3.1 INTERFAZ GRÁFICA 5.3.2 CÓDIGO FUENTE DE LA INTERFAZ 5.3.3 MONTAJE ESTRUCTURAL 5.4 UNIDAD DIDÁCTICA 5.4.1 BASE TEÓRICA DE LA UNIDAD DIDÁCTICA 5.4.2 ESTÁNDARES CURRICULARES DE CIENCIAS NATURALES 5.4.3 EDUCACIÓN CON TECNOLOGÍA 5.4.4 FICHA TÉCNICA. 6. PROPUESTA 6.1 OBJETIVOS 6.1.1 GENERAL 6.1.2 ESPECÍFICOS 6.2 APROXIMACIÓN AL TEMA DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO 6.3 ASPECTOS DIDÁCTICOS 6.3.1 PROLEGÓMENOS 6.3.2 RELACIÓN CON EL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME 6.3.3 LA FUNCIÓN TRIGONOMÉTRICA SENO.

(7) 6.4 ESTRATEGIA METODOLÓGICA – ASPECTOS PREVIOS 6.5 ACTIVIDADES. 7 CONCLUSIONES 8 REFERENCIAS 9 ANEXOS.

(8) RESUMEN ANALÍTICO EDUCATIVO TIPO DE DOCUMENTO:. TIPO DE IMPRESIÓN:. Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Educación en Tecnología.. Impreso en papel.. NIVEL DE CIRCULACIÓN:. ACCESO AL DOCUMENTO Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Sede Posgrados. Biblioteca Central. LUGAR: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Sede Posgrados.. NÚMERO:. TÍTULO: Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. Propuesta basada en la implementación del computador para el registro gráfico del movimiento de un sistema masa resorte en tiempo real. AUTOR: Cadena. Nicolás. Vélez PUBLICACIÓN: Bogotá. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2016. p. 33. UNIDAD PATROCINANTE: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Sede Posgrados. PALABRAS CLAVE: Física, Oscilador armónico, Educación, Tecnología educacional. DESCRIPCIÓN: Este escrito presenta la caracterización de una unidad didáctica para el desarrollo y aprendizaje del concepto físico del movimiento armónico, contextualizada en las ideas de educación con tecnología, a través del uso de un oscilador mecánico real en conjunto con un emulador gráfico inédito para el registro de su desplazamiento, implementados como herramienta didáctica a incluir en el desarrollo de los contenidos curriculares de la asignatura de física correspondientes al grado undécimo de educación media vocacional; el documento recopila aspectos teóricos, una unidad didáctica propuesta y las respectivas conclusiones. FUENTES : Ausubel, D., Novak, J. y Hanesian, H. (2000). Psicología educativa un punto de vista cognoscitivo. XIII edición. Editorial Trillas. México. Barrera, J. (2013). Enseñanza de los factores que afectan la velocidad de reacción: una propuesta de aula desde el aprendizaje activo. Recuperado de: http://revistas.iberoamericana.edu.co/index.php/rhpedagogicos/article/view/413/378 Campos, M. (2010). Comunidades educativas de construcción de conocimiento y nuevas tecnologías: elementos teóricos para su análisis. Revista Electrónica Sinéctica, (34, pp. 1 – 17). México: Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente. Recuperado el día 28 de mayo de 2016 de la base de datos Redalyc. Cañal, P., Lledó, A., Pozuelos, F., Travé, G. (1997). Investigar en la escuela: elementos para una enseñanza alternativa. Capítulo 7. El diseño de unidades didácticas: Fundamentos y procedimientos. Editorial Diada. Sevilla: España. Castiblanco, O., Vizcaíno, D. (2008). El uso de las TIC´s en la enseñanza de la Física. Revista Ingenio Libre. Número 7. Universidad Libre. Colombia: Bogotá. De Longhi, A., Ferreyra, A., Paz, A., Bermudez, G., Solis, M., Vaudagna, E., y Cortez, M. (2005). Estrategias didácticas innovadoras para la enseñanza de las Ciencias Naturales en la escuela. (pág. 13-16). Editorial Universitas. 2° edición. España: Córdoba..

(9) Fonseca, M. (2003). Aproximación a una propuesta didáctico- experimental que integre nuevas tecnologías en la enseñanza de las oscilaciones de un sistema masa – resorte. Revista colombiana de física, (vol. 35, n. 1, pp. 90 - 94) Colombia: Universidad Distrital. Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de URL: http://docplayer.es/11945459-Aproximacion-a-una-propuesta-didactico-experimental-que-integre-nuevastecnologias-en-la-ensenanza-de-las-oscilaciones-de-un-sistema-masa-resorte.html Fonseca, M. (2006). La simulación y el experimento como opciones didácticas integradas para la conceptualización en física. Revista colombiana de física (vol. 38, n. 2, pp. 707 – 710) Colombia: Universidad Distrital. Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de URL: http://revcolfis.org/publicaciones/vol38_2/articulos/pdf/3802707.pdf French, P. (1974). Cap. 1. Movimientos periódicos. En Vibraciones y ondas. (J. Aguilar y J. de la Rubia, Trad.) (pp. 3 – 19). España: Reverte. Fry, B. y Reas, C. (2016). Processing.org. Recuperado el 11 de junio de 2016 de URL: https://processing.org/ Gintautas, V y Hubler, A. (2009) A simple, low - cost, data - logging pendulum built from a computer mouse. Department of Physics, EEUU: University of Illinois. Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de URL: http://arxiv.org/pdf/0901.4319.pdf Hewitt, P. (2007). Cap. 1. Acerca de la ciencia. En Física conceptual, Décima Edición. (pp. 2 – 20). México: Pearson Educación de México, S. A. de C. V. Huggins, E (2000). Chapther 14th. Oscilations and Resonance. Physics 2000. Department of Physics Dartmouth, College Hanover, New Hampshire: Canadá. Legarralde, T., Ramírez, S., Vilches, A. & Lapasta, L. (2013). “El uso de las representaciones gráficas en las clases de ciencias. Una propuesta para favorecer aprendizajes”. Libro de Resúmenes del III Congreso Internacional de Educación en Ciencias. Universidad Nacional de Catamarca. Medina, D. (2011) Hipertexto, Física 2. Editorial Santillana. Bogotá, Colombia. MEN. (2008). Guía N° 30 Ser competente en tecnología, ¡Una necesidad para el desarrollo! Colombia: Ministerio de educación nacional. Bogotá, Colombia. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.mineducacion.gov.co/1759/articles340033_archivo_pdf_Orientaciones_grales_educacion_tecnologia.pdf MEN. (2008). Guía N° 7. Formar en ciencias, ¡el desafío! Estándares Básicos de Competencias en Ciencias Naturales y Ciencias Sociales. Colombia: Ministerio de educación nacional. Bogotá, Colombia. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.mineducacion.gov.co/1759/articles-81033_archivo_pdf.pdf MEN. (2014). CREA–TIC. Planificación de la Unidad Didáctica para el Uso de las TIC. Construyendo Capacidades en Uso de TIC para Innovar en Educación. Ministerio de Educación Nacional. Bogotá: Colombia. Recuperado el 25 de Julio en: http://creatic.colombiaaprende.edu.co/local/ubion/Asite/lib/filedown.php?file=L21vb2RsZS9hcHJlbmRlZGF0Y S91YmVib29rLzUwL3BkZi5wZGY= Moles, A (1975). Teoría de los objetos. Editorial Gustavo Hill. 1975. Barcelona: España. Morales F. (1987). Oscilaciones armónicas: Un experimento completo. Revista Mexicana de Física (33, n. 9, pp. 499 – 512). México: UNAM. Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de URL: http://rmf.smf.mx/pdf/rmf/33/3/33_3_499.pdf Moreira, M. (2003). Lenguaje y aprendizaje significativo. En: Conferencia de cierre del IV Encuentro Internacional sobre Aprendizaje Significativo. Belo Horizonte: Brasil..

(10) Moreira, M. (2011) Aprendizaje Significativo: Un Concepto Subyacente, Instituto de Física. Brasil, UFRGS. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.if.ufrgs.br/~moreira/apsigsubesp.pdf Ng, T y Ang, K. (2005). The optical mouse for harmonic oscillator experimentation. En Am. J. Phys. 73 (8), August 2005 (Eds.) Singapur: National University of Singapore. Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de la base de datos Research Gate. Obaya, A. (2003). El construccionismo y sus repercusiones en el aprendizaje asistido por computadora. (pp. 61 – 64) México: UAM. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.izt.uam.mx/newpage/contactos/anterior/n48ne/construc.pdf Osorio, C. (2011). Aproximaciones a la tecnología desde los enfoques en CTS. Colombia. Universidad del Valle. Recuperado el día 13 de marzo de 2016 en URL: http://ciencias.udistrital.edu.co/avirtual/file.php/242/osoriotec.pdf Ramírez, A y otros (2007). La educación en tecnología: un reto para la educación básica venezolana. Revista Educere (12, n. 43, 2008, pp. 731 – 740). Venezuela. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/26696/1/articulo8.pdf Palomino, W. (1996). Enseñanza Termodinámica: Un Enfoque Constructivista. II Encuentro de Físicos en la Región Inka. (pp. 250 – 290). Perú: UNSAAC. Recuperado el día 21 de marzo de 2016 de URL: http://www.monografias.com/trabajos6/apsi/apsi.shtml Pérez, E. y Falcón, N. (2009). Diseño de prototipos experimentales orientados al aprendizaje de la óptica. Universidad de Carabobo. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (3, pp. 452 - 465). Venezuela: Universidad de Carabobo. Recuperado el día 21 de mayo de_2016_de_URL:http://venus.uca.es/eureka/revista/Volumen6/Numero_6_3/Perez_Falcon_2009.pdf Quintana (2014). Unidad 2: Ambientes, estrategias de Aprendizaje y Actividades Tecnológicas Escolares. Documento inédito. Especialización en Educación en tecnología. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá. Colombia. Quintana (2014). Unidad 4: El Análisis… otra estrategia por explorar. Documento inédito. Especialización en Educación en tecnología. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá. Colombia. Ribera, M. (2005). “Evolución y tendencias en la interacción persona ordenador”. Revista El profesional de la información, 2005, noviembre – diciembre, v. 15, n. 6, pp. 414 – 422. Riveros, H. (s.f.) ¿Quiero mejorar mi clase de Física? Sócrates y el Arte de Pensar (pp. 28). Recuperado el día 21 de mayo de 2016 de URL: http://www.fisica.unam.mx/personales/hgriveros/docu/Quiero_mejorar_mi_clase_de_FisicaF.pdf Valzacci, J. (2016). Invertir el aula para lograr un aprendizaje significativo. Revista Aprender para educar con tecnología. Edición No. 13 – Marzo de 2016. Universidad Tecnológica Nacional. Buenos Aires: Argentina. CONTENIDOS : Este escrito establece los aspectos más importantes considerados para formular la creación de un dispositivo de registro de movimiento, a incluirse en una unidad didáctica, la cual dinamice el proceso de enseñanza aprendizaje del movimiento armónico en la asignatura de física del grado undécimo. Enmarca los esfuerzos de trabajos antecedentes en la línea del aprovechamiento de los recursos tecnológicos para la caracterización del contenido disciplinar, la descripción del contexto del trabajo, el planteamiento del problema situado en el ejercicio de construcción de conocimientos que permita trascender del pensamiento abstracto, la metodología para el desarrollo de la propuesta, las categorías y los objetivos del trabajo..

(11) A continuación se expone el marco teórico, el cual aborda tres campos, bases pedagógicas y didácticas, donde se argumenta la enseñanza de la física, el computador como herramienta educativa y el uso de TIC; diseño de la interfaz gráfica y disposición estructural del sistema mecánico, donde se describe la plataforma gráfica, se aborda la disposición del montaje y se establecerá los parámetros de funcionamiento; unidad didáctica, que enmarca la estructura de la unidad, los estándares curriculares y una ficha técnica para su descripción. Concluye con la descripción de la propuesta, estableciendo las fases de desarrollo de la unidad didáctica y el manejo del dispositivo, como aplicativo en el aula y las conclusiones generales de toda la propuesta. METODOLOGÍA : La ruta metodológica planteada para desarrollar la propuesta está enmarcada en dos fases secuenciales, cada una con sus propias etapas. La primera fase, de fundamentación, consta de tres etapas: (I) Base pedagógica y didáctica de la enseñanza del concepto físico. (II) Disposición estructural del sistema mecánico. (III) Diseño y elaboración de la interfaz gráfica. La segunda fase, denominada de elaboración, contempla dos etapas más, a saber: (IV) Caracterización argumentativa de la unidad didáctica. (V) Formalización de la propuesta. Teniendo en cuenta la problemática planteada, se inicia por la recolección de la información en los campos pedagógico y de la didáctica, relacionando los elementos que fundamentan la inclusión de dispositivos para la enseñanza de la física y abordaje de la descripción gráfica de los aspectos cinemáticos para el movimiento armónico, contextualizado en el aprendizaje significativo. Situando así la base teórica, se procederá a atender los requerimientos del dispositivo, en términos estructurales, para la captura del movimiento, así como el procesamiento de los datos y despliegue de la información acerca del sistema mecánico. Con base en la referencia teoría del oscilador armónico se establecerán los parámetros de uso de funcionamiento de la interfaz y se escogerá la plataforma gráfica de desarrollo, en virtud de su simplicidad de programación y a su potencialidad gráfica. Se propone la integración de la plataforma denominada Processing, que posibilita el manejo de los datos adquiridos por medio del ratón y su posterior manejo en pantalla, como gráficos de dispersión de puntos; una opción además de eficiente, en términos de simplicidad de configuración y manejo, versátil por sus atributos multimedia y su capacidad de evolución del producto terminado. En seguida se abordan las consideraciones frente al montaje mecánico, disponiendo de un sistema masa resorte que describa un movimiento definido, amplio, armónico y, del ratón que deberá ubicarse adecuadamente para registrar su desplazamiento vertical. Esto enmarca la elaboración del dispositivo de captura y la interfaz que estructuran del dispositivo. A partir de este momento se procederá a la elaboración de unidad didáctica que conceptualice la inclusión del dispositivo en una práctica experimental para el aprendizaje de la cinemática del movimiento armónico simple, argumentado desde las competencias respectivas en ciencias naturales y en educación en tecnología, una orientación para la interpretación apropiada de los resultados y las instrucciones de configuración y manejo. CONCLUSIONES : Sean cuales sea las causas, en lo referente a la física, la mente del estudiante da prioridad a lo matemático, escapándose de los parámetros físicos en sí. Allí, la reflexión docente cobra fundamental importancia, en especial, a lo que a metodología de aula se refiere, donde es imperativo el énfasis en la conceptualización física y el análisis de las situaciones desde los parámetros físicos generales, que serán traducidos posteriormente a ecuaciones matemáticas. Para la enseñanza del oscilador armónico es importante desarrollar material educativo que mantenga la relación dialéctica entre el significado físico y representación matemática..

(12) La elaboración de este material educativo no solo se enmarca en el contenido disciplinar que desarrolla, también está argumentado desde el constructivismo, al propiciarse como ambiente de aprendizaje donde los estudiantes manejan recursos de información, materiales visuales, un programa de procesamiento como instrumento de búsqueda, los cuales permiten la construcción de soluciones significativas a la conceptualización del caso; la aplicación tiene en cuenta el esquema de la enseñanza – aprendizaje, donde el estudiante emula un sistema con el que trabaja de forma interactiva. La enseñanza de las ciencias debe pasar de transmisión del conocimiento a su reconstrucción mediante experimentación e investigación orientada. El ratón es un dispositivo apuntador del movimiento registrado sobre su sensor óptico, cuya apreciación de movimiento viene predeterminada como la combinación de su traslación horizontal y vertical simultánea, de manera que rotarlo respecto al sensor, es suficiente para aprovechar su registro. La inclusión de materiales como el computador y el material de laboratorio, reduce costos, y otorga la potencialidad de uso de recursos convencionales, a partir de los cuales puede brindarse otras maneras de representar la información. Así pues, la generación del montaje apoyado en la integración de las TIC influye sobre el planteamiento didáctico en la enseñanza de las ciencias, y de diseño y uso de nuevo software para tal fin. La generación de la interfaz gráfica basada en la plataforma Processing, minimizo la dificultad que suponía el acto de crear un programa informático, viabilizando la propuesta. La interfaz gráfica cuenta con la potencialidad de extensión de uso, ya que esta no depende más que de la disposición espacial del ratón, de manera que puede usarse en otras prácticas afines, donde el registro de movimiento del ratón resulte suficiente; en este caso, la tecnología informática fue clave para crear este ambiente de aprendizaje. Es importante orientar a los estudiantes para que aprendan física pensando con la lógica de la física. En el estudio un sistema físico es importante definir claramente cuáles son los parámetros que lo describen, interpretar cómo varían entre ellos, para caracterizar al sistema, en cada caso particular. Para cohesionar las dimensiones del trabajo y garantizar la correcta implementación de la herramienta tecnológica, se elabora una unidad didáctica, como línea pedagógica, buscando sortear posibles dificultades añadidas por la inclusión del dispositivo, y en su lugar, que se preste como modelo de contrastación experimental para generar modelos mentales que respondan eficazmente a la representación de variables físicas, tratándose de un sistema mecánico real. AUTOR DEL RAE: Nicolás Vélez Cadena. FECHA DE ELABORACIÓN: 08/12/2016. FECHA DE APROBADO POR: APROBACIÓN: Pablo Munevar García 10/12/2016.

(13) DISEÑO DE UNA UNIDAD DIDÁCTICA PARA EL ANÁLISIS DEL DESPLAZAMIENTO DE UN OSCILADOR ARMÓNICO MECÁNICO PROPUESTA BASADA EN LA IMPLEMENTACIÓN DEL COMPUTADOR PARA EL REGISTRO GRÁFICO DEL MOVIMIENTO DE UN SISTEMA MASA RESORTE EN TIEMPO REAL [Nicolás Vélez Cadena] Especialización en Educación en Tecnología Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá, Colombia nicolasvelezcadena@gmail.com. RESUMEN: Esta propuesta contempla el desarrollo de una unidad didáctica para abordar el concepto de desplazamiento de un oscilador mecánico real, mediante la implementación del computador convencional. Basado en la emulación del sistema mecánico, se propone la generación una interfaz gráfica sincronizada con el ratón, dispositivo que adquirirá su movimiento y simultáneamente, la interfaz proporcionará los datos en una gráfica de dispersión, representando su desplazamiento y sus valores numéricos de periodo y frecuencia. La unidad didáctica se pretende como herramienta para el aprendizaje de los conceptos clásicos del movimiento armónico simple, competencia académica del ciclo 5 de educación vocacional en la asignatura de física, correspondiente a los grados décimo y undécimo; así mismo, la actividad se enmarca en teorías referentes a la educación en tecnología como instancia mediadora en la enseñanza de la física del oscilador armónico. PALABRAS CLAVE: Física, Oscilador Educación, Tecnología educacional.. armónico,. ABSTRACT: This proposal contemplates the development of a didactic unit to approach the concept of displacement of a real mechanical oscillator, through the implementation of the conventional computer. Based on the emulation of the mechanical system, it is proposed to generate a graphical interface synchronized with the mouse, which device will acquire its movement and simultaneously, the interface will provide the data in a scatter plot, representing its displacement and its numerical values of period and frequency. The didactic unit is intended as a tool for learning the classical concepts of simple harmonic movement, academic competence of cycle 5 of vocational education in the subject of physics, corresponding to the tenth and eleventh grades; Likewise, the activity is framed in theories referring to the education in technology as mediating instance in the teaching of the physics of the harmonic oscillator.. KEYWORDS: Physics, Harmonic oscillator, Education, Educational Technology.. 1.. INTRODUCCIÓN. Este escrito establece los aspectos más importantes considerados para formular la creación de un dispositivo de registro de movimiento, a incluirse en una unidad didáctica, la cual dinamice el proceso de enseñanza aprendizaje del movimiento armónico en la asignatura de física del grado undécimo. Enmarca los esfuerzos de trabajos antecedentes en la línea del aprovechamiento de los recursos tecnológicos para la caracterización del contenido disciplinar, la descripción del contexto del trabajo, el planteamiento del problema situado en el ejercicio de construcción de conocimientos que permita trascender del pensamiento abstracto, la metodología para el desarrollo de la propuesta, las categorías y los objetivos del trabajo. A continuación se expone el marco teórico, el cual aborda tres campos, bases pedagógicas y didácticas, donde se argumenta la enseñanza de la física, el computador como herramienta educativa y el uso de TIC; diseño de la interfaz gráfica y disposición estructural del sistema mecánico, donde se describe la plataforma gráfica, se aborda la disposición del montaje y se establecerá los parámetros de funcionamiento; unidad didáctica, que enmarca la estructura de la unidad, los estándares curriculares y una ficha técnica para su descripción. Concluye con la descripción de la propuesta, estableciendo las fases de desarrollo de la unidad didáctica y el manejo del dispositivo, como aplicativo en el aula y las conclusiones generales de toda la propuesta..

(14) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico.. 2.. ANTECEDENTES. El acceso a los documentos que argumentan los antecedentes de la propuesta se logra por intermedio del sistema biblioteca digital de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y sus bases de datos. Los criterios de selección de las fuentes de información se basan en el uso del dispositivo apuntador conocido como ratón (mouse) como herramienta de adquisición de datos y la representación gráfica del movimiento de un sistema masa resorte con fines educativos; como resultado del análisis se abordan tres artículos relacionados. El artículo “A simple, low – cost, data – logging pendulum built from a computer mouse”, de Vadas Gintautas y Alfred Hübler, quienes presentan la construcción de un sensor de péndulo rotativo utilizando el hardware existente en un ratón convencional de computador tipo bola, como opción de experimentación en el aula, frente a los altos costos de equipo de laboratorio comercial; demuestran la medición de la frecuencia de un péndulo físico simple y de su coeficiente de amortiguamiento. Como parte de su desarrollo, proveen una dirección en internet para acceder a un código de programación para el manejo de los datos por medio de una interfase gráfica, que lamentablemente no se encuentra disponible. El artículo “The optical mouse for harmonic oscillator experimentation” escrito por Tuen Wai NG y K. T. Ang, quienes utilizan el ratón tipo óptico como sensor de desplazamiento en un experimento para registrar la posición como una función del tiempo para un oscilador mecánico simple. Este trabajo es un experimento utilizando un ratón óptico, resaltando su efectividad para obtener mediciones precisas, y la posibilidad de relacionar su aplicabilidad en otros experimentos con osciladores mecánicos con más grados de libertad. En el referente de enseñanza se analiza el artículo “Aproximación a una propuesta didáctico – experimental que integre nuevas tecnologías en la enseñanza de las oscilaciones de un sistema masa – resorte”, desarrollado por Medardo Fonseca y otros integrantes de parte del grupo de física e informática de la Universidad Distrital FISINFOR, actividad que promueve un ambiente experimental con el sistema mecánico real, implementando el dispositivo denominado interfase COBRA–3 de PWYVE y sus dispositivos de adquisición de datos1. La actividad expone una situación problema basado en el sistema masa resorte, determinando “una relación experimental entre la frecuencia o periodo de oscilación y la masa del objeto que se suspende del resorte cuya solución y análisis incluye regresión lineal, alisamiento de datos y análisis de Fourier” Fonseca (2003). Tanto las técnicas de análisis de datos, como la sofisticación del equipo electrónico corresponden a una instancia universitaria, requiriendo así consideraciones especiales para su implementación de orden académico, operativo y 1. Cobra-3. Interfaz de adquisición de datos PHYWE. Recuperado el día 4 de junio de 2016 de url: http://www.phywe-es.com/931/universidad/solucionesuniversitarias/cobra3.htm. logístico, aspectos que limitan su campo de aplicación al nivel de educación superior. Aún así, este trabajo califica la experimentación práctica como un medio eficaz para el aprendizaje del concepto de oscilador armónico simple, y muestra aspectos didácticos de la enseñanza de la física. Las conclusiones de los trabajos mencionados apuntan hacia la eficiencia del ratón convencional como dispositivo de adquisición de datos y constituyen prácticas experimentales (de laboratorio) enfocadas a la enseñanza de la física del oscilador armónico, ninguno procura espacio a la reflexión didáctica y de la dimensión tecnológica educativa implícita.. 3. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO Se propone el desarrollo de un dispositivo que permita el registro gráfico del movimiento de un sistema masa resorte, presentando sus características más relevantes, en tiempo real, como herramienta en una unidad didáctica dedicada a la promoción del concepto de oscilador armónico. Esto es, adecuar una serie de recursos físicos e informáticos que permitan evidenciar simultáneamente el desplazamiento del oscilador en un montaje y su registro gráfico, orientando el recurso al desarrollo del concepto cinemático de desplazamiento en un sistema mecánico real. La actividad se basa en la adaptación un ratón convencional aprovechando su función como dispositivo de adquisición de movimiento sobre la superficie en la cual se sitúa, y del computador, para emular su movimiento y representarlo en una gráfica bidimensional (de dispersión de puntos), mediante una interfase inédita, desarrollada para el recurso. La unidad se adapta a los principios contemplados explícitamente en los Estándares Básicos de Competencias en Ciencias Naturales [componente de eventos ondulatorios] promulgados por el Ministerio de Educación Nacional, a la vez que se articula con las Orientaciones Generales para la Educación en Tecnología del Ministerio de Educación Nacional, correspondientes al ciclo quinto de educación media vocacional.. 3.1 CONTEXTO DEL TRABAJO Este trabajo se sitúa históricamente en el ejercicio docente personal del autor, realizado el presente año frente del proceso pedagógico formativo en la asignatura de física, en los grados de media vocacional, para el Colegio Centro Lestonnac – Compañía de María, institución privada, de carácter confesional, ubicada en la ciudad de Bogotá, en el barrio Los Cerezos, localidad de Engativá..

(15) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. Respecto al tema disciplinario de contexto para la propuesta, ha de mencionarse que, dentro del programa curricular de física, para los grados del ciclo quinto, se encuentra el componente de eventos ondulatorios, que suele impartirse en al inicio del grado undécimo, por lo que se abordan los principios cinemáticos y la definición de movimiento armónico simple como tema final en el grado decimo.. 3.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El desempeño académico de las estudiantes en el campo del oscilador armónico, en general corresponde a un indicador de evaluación, que según la escala valorativa institucional, implica, en la mayoría de los casos, nivel básico; dentro de las posibles causas se evidencia que, aunque las estudiantes procesan contenidos matemáticos, no logran relacionar, de manera clara y eficiente, las variables físicas involucradas en un sistema, por tanto, no pueden generar apropiadamente representaciones alternativas que permitan describir el movimiento del sistema mecánico.. limitación de espacios y tiempos, ausencia de estrategias didácticas claras, entre otros; son estos escenarios que reducen finalmente el trabajo a simple cálculo, restando posibilidad a un ambiente propicio para el desarrollo de aprendizajes significativos en un tema trascendental.. 3.3. JUSTIFICACIÓN. Esta propuesta pretende tomar lugar en el momento de caracterizar la representación gráfica del desplazamiento de un oscilador real y ser de utilidad propiciando un ambiente de aprendizaje desde lo real, para consolidar en las estudiantes la utilidad práctica del concepto, traspasando la formulación matemática, abordando la experimentación bajo la premisa de la educación incluyendo recursos tecnológicos convencionales. El movimiento armónico simple es un tema de obligado estudio, debido al alto grado de interdisciplinariedad que presenta; por ello, resulta importante comprender tanto la relación de las variables que intervienen en el fenómeno físico, como imperativa su representación matemática.. Además, la abstracción matemática y la resolución de problemas sitúan la representación gráfica de las variables cinemáticas en casos, aunque verosímiles, ideales; este tipo de trabajo se manifiesta en lenguaje algebraico, mediado por procesos aritméticos, un conjunto que para el estudiante difícilmente resulta equiparable a un sistema mecánico real.. Dicha abstracción, como procedimiento algorítmico, brinda una instancia de representación valida de una variable física involucrada e incluso permite predecir su existencia; sin embargo, a simple vista, un estudiante no asocia un sistema mecánico con una ecuación, en términos de que describa una máquina, un artefacto o un dispositivo mecánico.. En las aulas, las sesiones de las asignaturas de ciencias naturales, en especial las de física, confrontan la extensión de su micro – currículo con la escasez de recursos tecnológicos educativos y donde la enseñanza resulta dominada por el libro de texto tradicional, lo que supone un aprendizaje por recepción; el proceso educativo se reduce a simple transmisión acabada de conocimientos, y al docente se le responsabiliza por la administración de esa trasmisión de saberes constituidos.. Los ejercicios de aplicación, cuyo desarrollo depende en gran medida de la operatividad matemática, se sitúan como instancia tanto de aprendizaje como de evaluación, articulado todo esto con las definiciones y conceptos básicos del tema, apelando a preconceptos manejados en trigonometría; desde aquí el estudiante se apoya para la resolución del problemas, pero no existe un acercamiento al comportamiento real del sistema mecánico, ya que la matemática no lo requiere y las ilustraciones de los enunciados tiene un fin estético, más no de proporcionar información de su movimiento.. La metodología implementada es tradicional, enseñanza que se vale de la comprensión de conceptos, apoyada un poco por el aprendizaje memorístico, el cual es insuficiente tratándose de propiciar la vivencia de valores y actitudes académicas, menoscabando así la capacidad de pensamiento en la resolución de situaciones problémicas explorando nuevos lenguajes, mengua el deseo por re – descubrir, no genera el debate respeto hacia las ideas de los demás y al trato objetivo de estas. Es necesario atraer e involucrar a los estudiantes en su propio proceso de aprendizaje, de manera más decidida, al proponer alternativas tanto al paradigma transmisión – asimilación (Barrera, 2013), como a las prácticas experimentales tradicionales, donde se limita al estudiante a diligenciar y completar formularios. En el ejercicio de enseñanza del oscilador armónico en el aula, sincronizar los elementos teóricos y experimentales para razonar esta fenomenología es vital para el aprovechamiento del espacio de formación; entre las diversas problemáticas que dificultan el proceso, están la escases de dispositivos o herramientas específicas, la. En procura de generar un ambiente de aprendizaje no convencional, en el cual se pueda inferir, desde un sistema masa resorte, la representación gráfica de su propio movimiento, la unidad incluye, el uso de una interfaz mediada por computador, donde el estudiante aprecie simultáneamente la operación del sistema mecánico real y la respectiva descripción gráfica, a partir de la cual podrá realizar posteriormente el análisis matemático respectivo. La implementación de un código fuente creado para la actividad, adjunto a la unidad didáctica y el montaje de un ratón convencional de computador, con elementos comunes en las clases de física, como soportes, resortes y pesos, entre otros, le otorgan a esta propuesta fácil implementación, sin olvidar que la caracterización del sistema masa resorte resume las características de cualquier sistema físico que presente movimiento armónico..

(16) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. La especialización en educación en tecnología promueve la creación de material educativo, desde la necesidad presente en el ejercicio docente, con los cuales propiciar ambientes de aprendizajes particulares, enfocados a la construcción de conocimiento, abordando problemáticas reales, así como la integración de recursos tecnológicos a las clases. Comercialmente existen dispositivos especializados en adquisición de datos para en las prácticas escolares de laboratorio, pero acceder a ellos supone gran esfuerzo económico, colocándolos lejos del alcance de un ambiente escolar común; es así como la introducción al aula del computador convencional y los sistemas informáticos ofrece la posibilidad claras de simulación o emulación de sistemas físicos reales, estableciendo un paralelo entre experiencia y observación directa.. 3.4. PREGUNTAS ORIENTADORAS. 3.4.1 GENERAL ¿Qué características teóricas y prácticas sustentan la generación de una unidad didáctica que incluya un dispositivo asistido por computador, que registre gráficamente el desplazamiento vertical de un sistema mecánico, como apoyo en el proceso de aprendizaje del movimiento armónico simple en el nivel de educación media vocacional?. 3.4.2 ESPECÍFICAS - ¿Qué bases pedagógicas, didácticas y metodológicas caracterizan la implementación de un dispositivo tecnológico para el aprendizaje de la física del oscilador armónico? - ¿Qué condiciones estructurales debe reunir el dispositivo para que adquiera y traduzca el movimiento de un sistema mecánico real? - ¿Qué recursos informáticos soportan la generación de una interfaz gráfica eficiente para el manejo gráfico de los datos? - ¿Cómo puede articularse el dispositivo a una unidad didáctica para su implementación, acorde a los correspondientes componentes y competencias para el ciclo quinto de educación media vocacional?. 3.5.2 ESPECÍFICOS Establecer los aspectos pedagógicos, didácticos y metodológicos que sustentan el desarrollo de un dispositivo asistido por computador para la enseñanza de la física del movimiento armónico simple. Establecer un montaje mecánico que integre un sistema masa resorte con el ratón del computador convencional para la adquisición del desplazamiento vertical del mecanismo. Elaborar una interfaz gráfica que represente gráficamente los datos del movimiento vertical adquiridos por el sistema y despliegue la información referente su variable cinemática de desplazamiento. Elaborar una unidad didáctica, fundamentada teóricamente desde su pertinencia como base pedagógica, desde las consideraciones de inclusión de herramientas tecnológicas para la enseñanza y los componentes curriculares de la asignatura en física del nivel correspondiente.. 4.. METODOLOGÍA DE TRABAJO. La ruta metodológica planteada para desarrollar la propuesta está enmarcada en dos fases secuenciales, cada una con sus propias etapas. La primera fase, de fundamentación, consta de tres etapas: Base pedagógica y didáctica de la enseñanza del concepto físico. Disposición estructural del sistema mecánico. Diseño y elaboración de la interfaz gráfica. Figura 1. Esquema de la primera fase metodología para el desarrollo de la propuesta. La segunda fase, denominada de elaboración, contempla dos etapas más, a saber: Caracterización argumentativa de la unidad didáctica. Formalización de la propuesta. Figura 2. Esquema de la segunda fase de desarrollo.. 3.5. OBJETIVOS. 3.5.1 GENERAL Generar una unidad didáctica contextualizada en el oscilador armónico, como recurso en el aprendizaje del tema en la asignatura de física, para los grados de educación media vocacional, basada en la comparación entre el movimiento de un sistema mecánico real y el registro simultáneo, a través de una interfaz gráfica, de su desplazamiento.. Teniendo en cuenta la problemática planteada, se inicia por la recolección de la información en los campos pedagógico y de la didáctica, relacionando los elementos que fundamentan la inclusión de dispositivos para la enseñanza de la física y abordaje de la descripción gráfica de los aspectos cinemáticos para el movimiento armónico, contextualizado en el aprendizaje significativo. Situando así la base teórica, se procederá a atender los requerimientos del dispositivo, en términos estructurales, para la captura del movimiento, así como el procesamiento de los datos y despliegue de la información acerca del sistema mecánico..

(17) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. Con base en la referencia teoría del oscilador armónico se establecerán los parámetros de uso de funcionamiento de la interfaz y se escogerá la plataforma gráfica de desarrollo, en virtud de su simplicidad de programación y a su potencialidad gráfica. Se propone la integración de la plataforma denominada Processing , que posibilita el manejo de los datos adquiridos por medio del ratón y su posterior manejo en pantalla, como gráficos de dispersión de puntos; una opción además de eficiente, en términos de simplicidad de configuración y manejo, versátil por sus atributos multimedia y su capacidad de evolución del producto terminado. En seguida se abordan las consideraciones frente al montaje mecánico, disponiendo de un sistema masa resorte que describa un movimiento definido, amplio, armónico y, del ratón que deberá ubicarse adecuadamente para registrar su desplazamiento vertical. Esto enmarca la elaboración del dispositivo de captura y la interfaz que estructuran del dispositivo. A partir de este momento se procederá a la elaboración de unidad didáctica que conceptualice la inclusión del dispositivo en una práctica experimental para el aprendizaje de la cinemática del movimiento armónico simple, argumentado desde las competencias respectivas en ciencias naturales y en educación en tecnología, una orientación para la interpretación apropiada de los resultados y las instrucciones de configuración y manejo.. 5.. MARCO TEÓRICO. La propuesta se desarrolla integrando tres categorías para su soporte teórico. Inicialmente la categoría Marco conceptual, la cual desglosa las bases pedagógicas y metodológicas de la enseñanza de la física, la implementación de tecnología como complemento didáctico, el uso de las tic en la enseñanza de la física, el computador como herramienta de adquisición de datos, y demás disposiciones que sustentan la pertinencia del dispositivo. En seguida se plantea la categoría diseño de la interfaz gráfica y disposición estructural del sistema mecánico, donde se describen los fundamentos físicos del movimiento armónico simple, como soporte para la caracterización de los elementos a representar gráficamente. Se describe la plataforma gráfica, sus criterios de programación y vinculación el dispositivo de adquisición de datos y el código fuente de la interfaz, y se reflexiona sobre las gráficas de dispersión de puntos y cuestiones estéticas de la interfaz; se abordará la disposición del montaje y se establecerá los parámetros para la operación adecuada del ratón. La categoría Unidad didáctica, donde se argumenta su estructura, integrando las competencias en ciencias naturales y las orientaciones sobre la educación en tecnología, en busca de un producto académico conciso y coherente para la enseñanza de la física del oscilador armónico.. 5.1 BASE PEDAGÓGICA Y DIDÁCTICA 5.1.1. ENFOQUE PEDAGÓGICO. Como base pedagógica de la propuesta se sitúa sobre el constructivismo; como teoría predominante, en la cual se conceptualizan los procesos de enseñanza – aprendizaje, establece que la mayor parte de lo que un estudiante entiende y aprende es construido por sí mismo, y que el conocimiento del mundo se logra a través de representaciones que él mismo reestructura. Así mismo, se articula en la fundamentación teórica de la perspectiva sociocultural de Lev Vygotsky, el aprendizaje significativo de David Ausubel y la teoría de los objetos de Abraham Moles. Lev Vygotsky sostiene que los factores sociales, culturales e históricos intervienen en el desarrollo humano. Describe la mediación existente entre los escenarios socioculturales y las acciones humanas, los impactos y las transformaciones consecuentes, creando instrumentos y sistemas de signos para efectuar dichos cambios y conocer el mundo, es decir, desarrollar nuevas funciones psicológicas. La tecnología no está lejos de los nuevos espacios en que los jóvenes viven, por lo cual el aula no debe carecer de este recurso, para ser aprovechada por el docente como apoyo en la enseñanza de los conceptos desde sistemas reales, acordes al momento histórico, sin apartarse de su rol mediando en la orientación conceptual, generando así mayor interés por el aprendizaje; el estudiante tendría la posibilidad de ir progresivamente construyendo los nuevos conocimientos a través de la interacción y análisis del funcionamiento del dispositivo, dentro de un ambiente de aprendizaje tecnológico. David Ausubel define el aprendizaje significativo como un proceso de aprendizaje relacionado con la estructura cognitiva de quien aprende, cuyos conocimientos previos son la base de los conceptos nuevos; en el caso de la propuesta, estos hacen referencia, desde la competencia matemática, a la capacidad de representación gráfica de una función algebraica en un plano cartesiano. En palabras de Ausubel y Novak, “en el aprendizaje significativo subyace a la integración constructiva de pensamientos y acciones” (Ausubel y Novak, 2000), lo que significa que no se puede limitar el aprendizaje a la transmisión de material terminado o en forma de indicaciones secuenciales cerrados. Lo que permite asegurar que la educación no puede darse dentro de una sola metodología (tablero y marcador), por el contrario, debe propiciar diversos espacios en los cuales los estudiantes, dependiendo de sus habilidades, pueden comprender los conceptos, sin dedicarse a la memorización de fórmulas, definiciones o datos.. 5.1.2 EL USO DE LAS ENSEÑANZA DE LA FÍSICA. TIC. EN. LA.

(18) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. El estudio de la física nos permite trabajar sobre los procesos de pensamiento con el fin de fortalecer la capacidad creadora y de análisis frente a la producción, uso y asimilación de las nuevas tecnologías, ya que muchos de sus desarrollos están fundamentados en los avances científicos de la física, y otros son inspirados en las necesidades que impone la ciencia para mejorar procesos de investigación.. basados en los siguientes referentes: Uso del computador como medio de cálculo numérico en la solución de problemas o en la simulación de los mismos, realización de experimentos con la ayuda de sensores y sistemas de adquisición de datos por medio de interfaces o sistemas computarizados y uso del computador en la automatización computarizada de la actividad experimental y su modelación matemática.. Es preciso tener en cuenta dos aspectos fundamentales en el momento de incluir TIC a la clase de física: La formación del pensamiento para producir y/o acoplar tecnologías de la información con una actitud crítica y reflexiva, lo cual denominaremos inteligencia tecnológica, y el aprovechamiento de éstas para construir conocimiento científico, lo cual denominaremos inteligencia científica.. Desde la perspectiva de Osorio (2001), se debe problematizar el concepto de tecnología, ya que se presentan diversas representaciones en su significado. Por un lado está la representación artefactual, en la que se descuidan muchos factores que intervienen la elaboración de una tecnología; se piensa entonces que no se está en capacidad de desarrollar un dispositivo, simplemente se adquiere y se usa, sin importar la intención; la representación intelectualista, que promulga el progreso como escala del advenimiento de la tecnología, como ciencia aplicada.. Las TIC las más usadas en la enseñanza actual de la física son los laboratorios virtuales y reales asistidos por computador, la consulta mediante buscadores, la participación en grupos de intereses particulares y las ayudas audiovisuales, todos caminos para que la implementación del uso de recursos tecnológicos no sea el fin, sino el medio de un proceso de formación (Castiblanco y Vizcaíno, 2008). Con los recursos tecnológicos y el uso de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación, se presenta un panorama significativo frente al ejercicio de la enseñanza de la física, sin olvidar que la introducción de avances e instrumentos tecnológicos no conlleva necesariamente a una mejora en el aprendizaje, que depende de cómo se involucre en el contexto. Nuevos esquemas pedagógicos y didácticos surgen para abordar la teoría y la experimentación orientado al aprendizaje de la física, en transversalidad con los preceptos de la educación en tecnología, que permiten insertar integralmente el trabajo de aula en la solución de situaciones problémicas con el uso de la simulación y la experimentación computarizada o no, pero siempre sobre la base de constructos epistemológicos y disciplinares de la física y su enseñanza. En concordancia con lo expuesto con Campos (2011), las TIC hacen parte de los ambientes educativos que se van integrando a los sistemas productivos. Se desarrollan aceleradamente, tanto en cómputo como en telecomunicaciones, desde plataformas tecnológicas para la administración educativa y la escolar, hasta medios de enseñanza en forma de equipos multimedia; abren un gran potencial para el desarrollo de sistemas educativos flexibles, además de favorecer “la integración de sistemas de aprendizaje, acreditación de cursos por nivel escolar, uso de contenidos de aprendizaje en varios ambientes tecnológicos, enriquecimiento del contenido y establecimiento de estándares de calidad” Campos (2011, p. 4). Teniendo en cuenta el impacto de las herramientas tecnológicas en las investigaciones científicas y lo que en su relación se ha logrado en cuanto a la educación, se pueden plantear algunas proyecciones del empleo de las TIC en la enseñanza de la física, según Fonseca (2006),. Es necesario encausar la actividad de manera que el concepto de tecnología implícito en el desarrollo del ambiente de aprendizaje aborde la comprensión de elementos sencillos para la construcción de soluciones tecnológicas (objetos que satisfacen necesidades), el conocimiento de los fundamentos científicos del funcionamiento y comportamiento de objetos tecnológicos. En física son especialmente importantes las cuestiones asociadas a la medida, por lo que las dificultades se presentan al realizar el análisis y comparación de los resultados obtenidos (Hewitt, 2007). Esta ciencia natural juega un papel muy importante en los programas escolares, al ser una instancia que permite comprender muchos fenómenos naturales, cuya ocurrencia no es fortuita, sino que su comportamiento está sujeto a leyes fundamentales. Como señalan Arrieta y Delgado (2006), la física no es una disciplina estática. Sus teorías se articulan a métodos y formas de representación, al paso del tiempo; mediante el uso de las tecnologías de la información y la comunicación podemos avanzar en las formas de representar la fenomenología de un sistema mecánico real. Teniendo en cuenta esto, se procede a describir los aspectos que sustentan la pertinencia del dispositivo y fundamentan su desarrollo.. 5.1.3 EL COMPUTADOR HERRAMIENTA EDUCATIVA. COMO. En un mundo donde la tecnología informática se torna parte la vida cotidiana, suponer el computador ajeno a los procesos de enseñanza – aprendizaje resulta una desventaja. Entre las potencialidades que presenta el computador como herramienta de procesamiento de datos, encontramos el análisis de sistemas físicos reales, acceso a prácticas que requieran montajes sofisticados y/o escasos o acrecentar la comprensión del diseño de un montaje experimental, en términos de Muñoz (2012), “… (el computador) … en sí no es una tecnología sino una herramienta que permite realizar tareas que no se pueden.

(19) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. efectuar por otros medios existentes” (Muñoz, 2012, p. 21), situándolo como medio de enseñanza abierto a la posibilidad de uso en función del objeto y contenido abordado en el aula. Desde la experiencia docente queda manifiesto que el uso convencional del computador se reduce, en términos académicos generales, a la edición de texto, la configuración de hojas de cálculo, el intercambio sincrónico y asincrónico de información, la representación gráfica de datos y a la navegación en internet, es decir, orientado hacia la funcionalidad instrumental basada en la informática, sobrepasando su potencialidad como dispositivo de adquisición de datos. Uno de los dispositivos más comunes dentro del hardware convencional de un computador es el ratón, dispositivo apuntador integrado a la interfaz gráfica de los sistemas operativos basados en la tecnología denominada WIMP2, el cual sitúa al usuario cómodamente en el entorno virtual; el ratón registra la posición de un indicador conocido como cursor dentro del marco gráfico, proporcionando acceso directo a sus recursos definidos; este sistema predomino por décadas, hasta la aparición de pantallas táctiles y el sistema de inercia. Pero con el hecho de llevar un ordenador al aula de clase, no se está optimizando el proceso de enseñanza aprendizaje, por el contrario el uso de un computador en el aula requiere de un conocimiento específico sobre su uso y utilidad en la misma, responsabilidad que recae directamente sobre el profesor. No se trata de sustituir la labor de preparación del profesor por el libre y descontrolado uso del medio electrónico; sino que este último ha de ser concebido como una herramienta o un recurso complementario al servicio de los objetivos didácticos establecidos en el currículo (Herrero y Castiñeiras, 1999, p. 381, citado por MEN, 2014). “Para el docente debe quedar claro que con el empleo adecuado de la computadora como herramienta, para el desarrollo de capacidades intelectuales en el proceso de enseñanza aprendizaje en la asignatura, se propicia la profundización del contenido, contribuyendo al desarrollo de habilidades y valores en el estudiante, así como la motivación hacia el estudio de la asignatura”. (Puente, Guillarón y Guerrero, 2009, p. 472, citado por MEN, 2014.). “La incorporación de las computadoras en particular, y de las TIC en general, a la educación, ha generado discrepancias a nivel internacional. Se ha debatido mucho sobre el valor real que tienen como instrumento de enseñanza-aprendizaje”. (Monge y Méndez, 2006, p. 51, citado por MEN, 2014.). Los usos del computador más frecuentemente observados en el aula de clase son: (Jaramillo, 2005, p. 28, citado por MEN, 2014):    2. . Proveer acceso a información y comunicación.. La introducción de las nuevas tecnologías en la educación ha aumentado y acelerado el manejo e intercambio de información y de comunicación de los procesos de enseñanza – aprendizaje, donde los actores que participan en él (alumnos, maestros, administrativos) han tenido la necesidad de rediseñar sus prácticas y roles que han venido jugando desde hace varias décadas (Monge y Méndez, 2006, p. 51, citado por MEN, 2014). Por medio de las computadoras se propician ambientes de aprendizaje que favorezcan en los usuarios (Monge y Méndez, 2006, p. 48, citado por MEN, 2014):  El desarrollo del pensamiento lógico matemático.  El desarrollo de habilidades para la resolución de problemas.  La ampliación y profundización en temáticas curriculares.  El desarrollo de la creatividad.  El incremento de la autoestima.  La exploración de ambientes tecnológicos.  El desarrollo de actitudes positivas hacia el aprendizaje colaborativo.. 5.1.4 DISPOSITIVO EMULADOR En la práctica, no se distingue claramente entre simulación y emulación. Un emulador duplica las funciones de un sistema en otro, de forma tal que el segundo se comporte como (y parezca ser) el primero. La emulación consiste en la imitación del comportamiento de un ente (software o hardware) en otro, intentando imitarlo fielmente, de manera que el usuario tenga una experiencia de interacción similar a la original; el emulador se centra en imitar un comportamiento externo, situando al usuario delante del sistema original aunque la implementación (comportamiento interno) sea de naturaleza diferente o no a la del original. Un simulador se basa en sí mismo, es decir, imita un comportamiento preestablecido, sin necesidad de recursos externos (más que los necesarios para ejecutarse). Se puede establecer una distinción entre los emuladores apoyados en hardware y los constituidos únicamente por software. Los emuladores hardware/software utilizan hardware para acelerar la emulación; tiene importantes aplicaciones en el campo del diseño de circuitos integrados con funciones específicas. Los emuladores software, son los más conocidos y los que más variedad presentan; se apoyan sólo en el hardware de la máquina donde se ejecutan.. 5.2 HERRAMIENTAS CONCEPTUALES PARA EL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE. Enseñar, practicar y ejercitar. Proveer simulación. Resolver problemas y elaborar productos.. Siglas de WIMP (Windows, Icons, Menus and Pointing devices), modelo predominante de interfaz gráfica, “definido por Xerox,. comercializado por Apple y posteriormente imitado por Microsoft" (Ribera, 2005)..

(20) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico.. 5.2.1 REPRESENTACIONES GRÁFICAS EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Las diferentes representaciones gráficas (tablas, diagramas, gráficas cartesianas) son consideradas como recursos simbólicos que suelen utilizarse como facilitadores en las diferentes áreas del conocimiento y particularmente en la física, donde proveen un formato visible a procesos que no son evidentes a simple vista. Los vacíos evidentes ante la interpretación de tales representaciones coinciden con las perspectivas expuestas en el trabajo de Legarralde, Ramírez, Vilches y Lapasta (2013), registrado déficit respecto a las habilidades de lectura, dificultades a nivel de elaboración de síntesis conceptuales y explicaciones de fenómenos a partir de la información aportada por representaciones abstractas. Estos recursos simbólicos son importantes en la resolución de actividades enmarcadas en el enfoque constructivista, y en concordancia con lo expuesto por De Longhi, Ferreyra, Paz, Bermudez, Solis, Vaudagna y Cortez (2005) resultan instancias para la comunicación entre los involucrados en el proceso enseñanzaaprendizaje, transformando el aula en espacios de interacción y construcción compartida del conocimiento. Trabajar sobre las representaciones del lenguaje, que es en definitiva lo que media entre las personas y al mismo tiempo condiciona las oportunidades de aprendizaje, es trabajar en la interacción de los esquemas mentales del estudiante y sobre las características del medio de aprendizaje.. 5.2.2 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE Una clase especial de movimiento ocurre cuando una fuerza, proporcional al desplazamiento del cuerpo, desde alguna posición de equilibrio, se dirige constantemente hacia la posición de equilibrio, generando un movimiento repetitivo adelante y atrás respecto a esta posición. Se le denomina movimiento armónico simple y es básico para comprender el resto de los demás tipos de vibraciones complejas; el más sencillo de los movimientos periódicos (armónicos) es el que realizan los cuerpos elásticos. Para deducir y establecer las ecuaciones que rigen el movimiento armónico simple (unidimensional) es necesario analizar el movimiento de la proyección, sobre un diámetro de una partícula que se mueve con movimiento circular uniforme (bidimensional). Se denomina movimiento periódico, cuando a intervalos iguales de tiempo, todas las variables del movimiento (desplazamiento angular, velocidad, aceleración) retoman el mismo valor paulatinamente; oscilatorio, ya que la trayectoria se recorre en ambas direcciones en los que la distancia del móvil al centro pasa alternativamente por un valor máximo y un mínimo, el movimiento se realiza hacia adelante y hacia atrás, es decir que va y viene, (en vaivén) sobre una misma trayectoria; es vibratorio, de forma que las separaciones a ambos lados de puno de equilibrio, llamadas amplitudes, son iguales.. Un movimiento vibratorio es armónico cuando la posición, velocidad y aceleración (variables cinemáticas) se pueden describir mediante funciones trigonométricas de senos y cosenos; por ello es tendencia la reducción abstracta del concepto, lo cual resta importancia a la contrastación con sistemas mecánicos reales afines. En general el movimiento armónico puede ser compuesto de forma que estén presentes varios períodos simultáneamente. Cuando haya un solo período, el movimiento recibe el nombre de movimiento armónico simple (m.a.s. abreviadamente). Además de ser el movimiento de este tipo más sencillo de analizar, constituye una descripción bastante precisa de muchas oscilaciones que se observan en la naturaleza.. 5.3 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRÁFICA Y ESTRUCTURA FÍSICA 5.3.1 INTERFAZ GRÁFICA Con la progresiva digitalización de los contenidos y la informatización de los servicios, a menudo el usuario de un servicio de información trata directamente con aplicaciones informáticas; para lograrlo, se establecen interfaces gráficas, que facilitan la interacción con el computador. Su desarrollo se enmarca en un campo de estudio denominado IPC (interacción persona ordenador), el cual se centra en la alternativa propuesta desde sus inicios, con su modelo predominante WIMP (en inglés, Windows, Icons, Menus and Pointing devices) (Rivera, 2005), que emplea la metáfora de escritorio, y destina iconos para la interacción directa con las funciones o servicios contemplados por la aplicación informática. Con el ánimo de aprovechar un recurso informático práctico, enfocado en aspectos gráficos, para la implementación del dispositivo emulador, se elige la plataforma Processing, versión 3.1.1., para la generación de la interfaz gráfica; esto supone que, para su puesta en marcha, el equipo donde se ejecute la interfaz deberá tener instalada el intérprete de comandos. El intérprete de comandos fue recuperada el mes de marzo del presente año desde el enlace https://processing.org/download/; el código fue programado y ejecutado en un computador convencional, bajo el sistema operativo Windows® versión 8.1 y el navegador Google Chrome®, respectivamente. Se recomienda su implementación bajo los parámetros indicados, esto sin dar a entender el programa no puede ser ejecutado con un sistema operativo y un navegador diferente. El programa se ajusta a la posibilidad de la plataforma Processing para ser ejecutado desde el computador; cabe recordar al usuario que debido a la configuración serial del ratón y la arquitectura de la plataforma, el código.

(21) [Nicolás Vélez Cadena] Director: [Ph. D. Pablo Munevar García]. Diseño de una unidad didáctica para el análisis del desplazamiento de un oscilador armónico mecánico. no funcionará mientras se tenga activado el modo proxy en el navegador (Fry y Reas, 2016).. 5.3.2 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ PROPUESTA Como parte del dispositivo emulador que se integra a la propuesta, se deja a disposición del lector el código fuente para la programación de la interfaz gráfica, presente en el anexo A; en la figura 1 se aprecia un diagrama esquemático para ejemplificar su lógica.. 5.3.3 MONTAJE ESTRUCTURAL El éxito de incluir un dispositivo para la promoción de un concepto físico en el aula de clase, es que no revista mayor complejidad a la hora de su implementación, de manera que el dispositivo no desplace al objeto de estudio.. estructura para disponer el montaje del ratón fijamente respecto al sistema masa resorte). No se provee instrucciones específicas para la adaptación del ratón al montaje, debido a la gran variedad formas y tamaños respecto a este dispositivo. El ratón deberá estar fijo en el soporte, establecido como manera de sistema de referencia, para que registre el movimiento vertical de la masa. Usará una tira de cartulina o papel grueso, a manera de transductor entre la masa en movimiento y el ratón, la cual proporcionará flexibilidad para no afectar la libertad del movimiento. Una vez dispuesto, se procede a probar el código fuente y partir de la comprobación de la captura de datos, puede procederse al análisis, según el procedimiento estipulado en la estructura de la unidad didáctica. En los anexos se incluyen imágenes del montaje realizado para el desarrollo de la unidad didáctica, para tener una referencia de cómo deben ser dispuestos los dispositivos.. 5.4. UNIDAD DIDÁCTICA. 5.4.1 BASE TEÓRICA DE LA UNIDAD DIDÁCTICA Con base en los principios expuestos el capítulo 7 titulado “diseño de unidades didácticas” del texto de Cañal, P., Lledó, A., Pozuelos, F., y Travé, G. (1997) y en el documento Planificación de la Unidad Didáctica para el Uso de las TIC (MEN, 2014), se estructura la base teórica de la unidad didáctica. Se pretende enmarcar el proceso considerado para estructurar el aprovechamiento del material particular y los procedimientos a desarrollar.. Figura 1. Lógica de la interfaz gráfica.. Por tanto, se busca que los insumos materiales requeridos sean de fácil consecución; se buscó que los escogidos sean aquellos que muy seguramente están presentes en la dotación de un aula formal para realizar prácticas de laboratorio convencionales. Al listar los recursos, debe comenzarse por la disposición de un computador, dotado de un ratón externo con conexión serial USB3 (según el modelo del PC incluido), funcionando bajo las especificaciones citadas en los numerales anteriores, un resorte convencional y una masa para ser adherida a su extremo libre (cuyas condiciones previas aseguren que el conjunto oscile lo menos forzado, es decir, que describa su efectué su movimiento a lo largo de un tiempo considerable, entre 15 y 30 segundos), un soporte universal (que sirva como. 3. USB es la sigla de Universal Serial Bus (Bus Universal en Serie). Se trata de un concepto informático para nombrar al puerto que permite conectar periféricos a una computadora.. Gimeno y Pérez (citado por Cañal et al, 1997), reflexionan sobre las dimensiones que tendría un modelo práctico de unidad didáctica; ofrecen, pues, principios a incluir acerca de metas y objetivos, acotación y organización de contenidos, atención a los objetivos educativos, análisis y selección de actividades, importancia de los medios y materiales en la presentación del contenido, énfasis en la diversidad de las producciones, participación y compromiso de los estudiantes, adecuación y ampliación del escenario escolar y reflexiones sobre la evaluación de la actividad. Según las indicaciones del MEN, proceso y resultados deben estar representados en un formato concreto, que incluya descripciones narrativa, gráficos, mapas, diagramas y tablas. En función de las preferencias del diseñador (según el tema a tratar), los componentes comunes incluyen objetivos de aprendizaje, contenidos, métodos de enseñanza y de aprendizaje, estrategias de evaluación, y los materiales y herramientas de apoyo (MEN, 2014). La unidad didáctica propuesta se enmarca en los principios básicos del tema movimiento armónico simple,.