Julio 7-11 2003. La Havana, Cuba

Ideas previas de los estudiantes de segundo curso de ingeniería sobre la intensidad de corriente y el potencial

Xavier Bohigas y Cristina Periago

Departament de Física i Enginyeria Nuclear. Universitat Politècnica de Catalunya
Diagonal, 647. 08028-Barcelona. Catalunya (España)

Sumario.  Una de las líneas de investigación más dinámica en los últimos años dentro de la didáctica de las ciencias experimentales es aquella que estudia las ideas previas que poseen los alumnos para la interpretación de los diversos fenómenos antes de recibir la enseñanza formal sobre el tema en cuestión.  Quizás el aspecto más preocupante de las ideas previas no sea su existencia si no su persistencia.

El objetivo del trabajo que se presenta es la evaluación y el análisis de los conocimientos previos, sobre el potencial eléctrico y la intensidad de corriente eléctrica, conceptos fundamentales de la Teoría de circuitos, que tienen los alumnos de segundo curso de Ingeniería. Para detectar las ideas previas de los estudiantes se les ha propuesto un formulario que consta de nueve cuestiones todas ellas relacionadas con los conceptos más básicos de la Teoría de circuitos. Las cuestiones se han elegido de manera que su resolución no consista en la mera aplicación numérica de diversas leyes y procedimientos típicos, si no que pongan de manifiesto las ideas formadas que tienen los estudiantes sobre los conceptos de intensidad y de potencial eléctricos, así como las relaciones entre ellos.

Los resultados obtenidos son necesarios para conocer las preconcepciones de los alumnos sobre la corriente eléctrica y, de esta manera, poder elaborar una propuesta didáctica para su aprendizaje basada en el enfoque constructivista.

El análisis de los resultados nos indica la presencia de algunos errores conceptuales, de los cuales podemos destacar los siguientes:

o         La pila es una fuente de corriente que suministra las cargas que se mueven a través del circuito.
o         La pila proporciona siempre la misma corriente independientemente del circuito al que esté conectada.
o         La corriente que suministra la pila “se gasta” a medida que circula por el circuito.
o         La diferencia de potencial es una consecuencia del flujo de corriente, no su causa.
o         Aplicación incorrecta de la ley de Ohm.

Atendiendo a los resultados obtenidos en nuestro estudio proponemos algunas estrategias didácticas que consideramos pueden mejorar el aprendizaje significativo de los conceptos más básicos de la Teoría de circuitos de los estudiantes.

1. Introducción

Una de las líneas de investigación más dinámica en los últimos años dentro de la didáctica de las ciencias experimentales es aquella que estudia las ideas previas que poseen los alumnos para la interpretación de los diversos fenómenos antes y después de recibir la enseñanza formal sobre el tema en cuestión ^{[1], [2], [3], [4] y [5}].

Desde siempre los alumnos han dado respuestas equivocadas a las preguntas planteadas en el aula y, ante este hecho, la respuesta tradicional del profesor ha sido sancionadora. Sin embargo, en los últimos años, estos errores se están contemplando desde otra perspectiva. Como consecuencia de las múltiples investigaciones didácticas, se ha detectado la evidencia empírica que, antes de llegar a la instrucción formal, los alumnos ya poseen sus propias concepciones sobre los fenómenos naturales y sobre aquello que se les quiere enseñar ^{[1], [3], [6] y [7]}. Esto puede implicar un aprendizaje deficiente de los principales conceptos, principios y modelos científicos que se utilizan para interpretar los fenómenos naturales, sobretodo si el professor no presta atención a las ideas previas de sus alumnos, y no las tiene en cuenta cuando programa las actividades de aprendizaje y su actuación en el aula.

Quizás el aspecto más preocupante de las ideas previas no sea su existencia sino su persistencia. Se ha comprobado que raramente la exposición de las ideas científicas “correctas” hace abandonar a los alumnos sus ideas previas, las cuales suelen permanecer inalteradas después de largos períodos de enseñanza, e incluso conviven con las ideas científicas. Esto es así incluso después de haber recibido una formación basada en programas específicos para modificar  estas ideas previas.

Es importante resaltar que un alumno no asimilará un nuevo esquema conceptual si no es consciente de las posibles limitaciones del esquema que ya posee y entienda la necesidad de modificarlo. El alumno debe tener, por tanto, conciencia de la necesidad del cambio, si queremos implicarle activamente en la asimilación de los nuevos conceptos y leyes. El cambio conceptual no debe ser, por tanto, la simple sustitución de un concepto equivocado por otro correcto, sino que el proceso de sustitución debe involucrar relaciones entre preconceptos de modo que todos ellos sean los que entran en crisis y no un concepto aislado. Este proceso de enseñanza y aprendizaje es lo que se denomina enfoque constructivista: los esquemas conceptuales son activamente construidos por el que aprende ^{[8] y [9]}. El papel del profesor consiste en situar a sus alumnos frente a problemas para los cuales deban imaginar soluciones, diseñar experimentos de contrastación de las hipótesis, etc., así podrán seguir una metodología similar a la del trabajo científico y, consecuentemente, construir conocimientos ^[6].

2. Descripción del trabajo

Las concepciones personales de los estudiantes sobre este tema se han investigado desde hace tiempo, y todos los estudios realizados concuerdan en un mismo resultado: la existencia de numerosos errores conceptuales en casi todos los niveles educativos ^{[4] y [5]}. La gran mayoría de los estudios realizados hasta la fecha han profundizado en las ideas previas de los alumnos de primaria y, sobretodo de secundaria, pero pocos se han centrado en analizar su presencia en estudiantes universitarios.

El estudio que presentamos se ha realizado con cuatro grupos de estudiantes que cursan la asignatura de Electromagnetismo (184 estudiantes en total). Tres grupos son de Ingeniería Industrial y un grupo de Ingeniería Química, las dos titulaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña.. Ésta es una asignatura troncal obligatoria correspondiente al cuarto cuatrimestre de la titulación en ambos casos.

Así, los alumnos objeto de este estudio pueden ser clasificados dentro de un nivel académico medio-alto.

Para detectar las ideas previas de los estudiantes se les ha propuesto un formulario que consta de nueve cuestiones todas ellas relacionadas con los conceptos más básicos de la Teoría de circuitos: corriente eléctrica, potencial eléctrico, intensidad de la corriente, resistencia, asociación de resistencias y ley de Ohm.

Las cuestiones se han elegido de manera que su resolución no consista en la mera aplicación numérica de diversas leyes y procedimientos típicos, si no que pongan de manifiesto las ideas formadas que tienen los estudiantes sobre algunos conceptos, así como las relaciones entre ellos.

3. Resultados

Las respuestas obtenidas en cada una de las cuestiones propuestas se han clasificado en diferentes categorías. Para poder realizar un primer análisis hemos reducido a tres estas categorías, si bien debido a las peculiaridades de cada pregunta la clasificación de las respuestas pide una categorización más detallada. Así, en primera aproximación clasificamos cada una de las respuestas en tres categorías:

·           La categoría I es aquella que incluye las respuestas correctas desde el punto de vista de la opinión aceptada por la comunidad científica y que podemos encontrar explicada en los libros específicos. Estas respuestas incluyen alguna explicación o justificación en el caso que se pida en el enunciado de la pregunta. Son respuestas que podemos considerar correctas y completas.

·           La categoría II corresponde a aquellas preguntas que son correctas pero que las respuestas no están justificadas o lo están de una forma poco clara, y en el caso que correspondan a preguntas cerradas incluyen alguna incorrección. Son respuestas incompletas.

·           La categoría III incluye las respuestas incorrectas así como aquellas que resultan difíciles de clasificar debido a su confusión y también aquellas que el alumno no responde.

Atendiendo a esta clasificación hemos recogido los datos de las respuestas de los alumnos en la Tabla 1.

Tabla 1. Porcentaje de respuestas clasificadas dentro de cada una de las tres categorías definidas.

-        La pila es una fuente de corriente que suministra las cargas que se mueven a través del circuito. Esta idea, muy común en primaria y secundaria, aun persiste a nivel universitario aunque en menor grado. Queda reflejada en la Q1 con un 9,3 % y en la Q2 con un 38% de respuestas que se basan en esta idea.

-        La pila proporciona siempre la misma corriente independientemente del circuito al que esté conectada. Esta idea queda reflejada en casi todas las cuestiones que se han planteado, de hecho es una idea recurrente que aparece en prácticamente todos los razonamientos de los alumnos. Las cuestiones donde esta idea se presenta de manera más evidente son la Q7 con un 83,7% y la Q8 con un 65,2%.

-        La corriente que suministra la pila “se gasta” a medida que circula por el circuito. Esta idea queda confirmada por las respuestas dadas por los alumnos en las siguientes cuestiones: un 58,2% en la Q3, un 44% en la Q4 y un 26,6% en la Q5.

-        La diferencia de potencial es una consecuencia del flujo de corriente, no su causa. Esta idea se refleja sobretodo en la Q6 donde un 32% confunde la dependencia entre la intensidad de corriente y la diferencia de potencial.

-        Aplicación incorrecta de la ley de Ohm. Tal como queda reflejado en la mayoría de las respuestas de este cuestionario, y en particular en las cuestiones Q3, Q6, Q7, Q8 y Q9.

Algo que llama la atención en este estudio es la persistencia de las ideas previas que hemos detectado en estos estudiantes. Estas concepciones alternativas, presentes en alumnos que inician el estudio del Electromagnetismo a nivel universitario de Ingeniería, van a dificultar el aprendizaje significativo de la Teoría de circuitos. Si recordamos que estos alumnos ya han recibido una instrucción previa en el bachillerato podemos confirmar la gran persistencia de estos preconceptos, ya que estas ideas previas ya se han detectado en estudiantes antes de recibir instrucción en esta área de la física ^[10].

¿Por qué son tan resistentes al cambio las ideas previas de los alumnos?

La respuesta debe estar relacionada tanto con la naturaleza de las ideas previas como con el tipo de enseñanza recibida que debería cambiarlas. Entre los factores de tipo psicológico podemos destacar que los alumnos tienen tendencia a considerar únicamente las pruebas que confirman sus hipótesis, en lugar de buscar aquellas que le ayudarían a falsearlas, tienen tanta confianza en sus hipótesis que no se preocupan de verificarlas. Otros factores que ayudan a la persistencia de las ideas previas están relacionados con la forma como se desarrollan las clases, es decir, en el sistema utilizado en la enseñanza. En primer lugar, la gran mayoría de profesores desconoce las ideas previas de sus alumnos, por lo que le es imposible diseñar las actividades necesarias para superarlas. De la misma manera, los métodos de evaluación no analizan la existencia de preconceptos ni el grado de superación de los mismos, como lo demuestra el hecho que los estudiantes que aprueban con buenas notas mantengan las mismas ideas que sus compañeros.

Con frecuencia, los alumnos se inician en el estudio de la electricidad de manera muy teórica, teniendo pocas oportunidades de manipular y poner en funcionamiento circuitos y montajes eléctricos. En muchas ocasiones, el estudio de la electricidad se hace de manera rápida y superficial, basado principalmente en cálculos numéricos, desaprovechando las múltiples oportunidades que brinda este tema para el razonamiento y la libre exploración ^[5].

Atendiendo a los resultados obtenidos en nuestro estudio enumeramos algunas ideas que consideramos pueden mejorar el aprendizaje significativo de los conceptos más básicos de la Teoría de circuitos en los cuales nos hemos centrado en este trabajo:

1.      La necesidad de que el circuito esté cerrado para que funcione. La utilización por parte de los alumnos del modelo unipolar está relacionada con el papel que asignan a la pila: si la pila lo que hace es dar electricidad es lógico que sólo se necesite un polo de la misma para que la corriente llegue hasta el elemento donde se consume. Para combatir este error los alumnos deberían concebir el circuito como un todo, como un sistema en el que todos los elementos están relacionados entre sí. Sería beneficioso insistir también en que todo elemento que se coloque en un circuito deberá tener siempre un borne de entrada para la corriente y un borne de salida.

2.       La pila no es una fuente de corriente. La idea de que la pila es una fuente de corriente constante aparece, como se ha demostrado, en niveles universitarios. Se debería dejar bien claro que la ddp es la variable independiente del problema, mientras que la intensidad depende de ella. Esta dependencia se ve oscurecida por el uso habitual que se hace de la ley de Ohm, la cual se suele escribir como V_A-V_B = RI. Nosotros creemos que sería más adecuado presentarla como I = (V_A-V_B)/R. Matemáticamente no hay diferencia, pero físicamente sí: en la segunda forma queda claro que I depende del valor de V, y no al revés. Algunos autores proponen introducir el voltaje como concepto primario en los circuitos de corriente continua y describen con detalle la secuencia a seguir [¹¹].

3.       Distinguir entre fuente de tensión y fuente de corriente. Para ello sería útil analizar diferentes circuitos alimentados por una fuente de corriente y circuitos alimentados por una fuente de tensión. Analizando las semejanzas y las diferencias ayudaríamos a los alumnos a entender que una pila es una fuente de tensión, no un fuente de corriente.

4.       La corriente no es sinónimo de energia. Esta sería la idea subyacente al error persistente de que la corriente se va gastando a medida que circula por el circuito. Parece claro que esta idea está originada por el mal uso del lenguaje cotidiano, y si tenemos en cuenta que el alumno no tiene muy clara la naturaleza de la corriente eléctrica es fácil que aplique esta idea al análisis de los circuitos que se le propongan. En este punto se debería recurrir a la explicación microscópica de la corriente eléctrica e insistir en el principio de conservación de la carga. Tambien podría ser útil realizar diversas mediciones de la intensidad de la corriente en diferentes puntos del circuito serie para apoyar la idea de que la intensidad es la misma en todos los puntos.

5.       Evitar el razonamiento secuencial. El concepto del circuito eléctrico como un todo nos ayudaría a combatir otra idea errónea muy común: cualquier variación en un elemento de un circuito sólo afecta a los elementos situados detrás de él. Se debería observar que el efecto de situar un determinado elemento en un punto u otro del circuito serie no depende del orden en el que esté colocado dentro del circuito.

6.       Insistir en el manejo conceptual del potencial y la intensidad. Para ellos sería interesante analizar diferentes circuitos de forma cualitativa para evitar que el alumno aplique la ley de Ohm de forma mecánica e irreflexiva.

Parece claro que uno de los puntos débiles del método de enseñanza utilizado comúnmente es la poca importancia que se le da a los razonamientos cualitativos sobre la interdependencia de las magnitudes eléctricas presentes en los circutos. Se insiste mucho en la aplicación matemática de la ley de Ohm, pero sin profundizar en su análisis cualitativo desde el punto de vista físico. Para intentar remediar esta carencia sería interesante ayudarnos de las posibilidades que nos ofrecen las nuevas tecnologías, en forma de programas de aprendizaje autónomos e interactivos, experimentos virtuales de física mediante applets, ejercicios de simulación a través de internet [¹²].

Referencias

1. D.E. Brown, Using Examples and Analogies to Remediate Misconceptions in Physics: Factors Influencing Conceptual Change, Journal of Research in Science Teaching. 29 (1), pp. 17-34 (1992).

2. J.M. Campanario y J.C. Otero, Más allá de las ideas previas como dificultades de aprendizaje: las pautas de pensamiento, las concepciones epistemológicas y las estrategias metacognitivas de los alumnos de Ciencias, Enseñanza de las Ciencias, 18 (2), pp. 155-169 (2000).

3. J. Clement, D.E. Brown and A. Zietsman,  Not all preconceptions are misconceptions: finding ‘anchoring conceptions’ for grounding instruction on students’ intuitions, International Journal of Science Education, 11 (special issue), pp. 554-565 (1989).

4. R. Cohen,  B. Eylon and U. Ganiel, Potential difference and current in simple electric circuits: A study of students’ concepts, American Journal of Physics, 51(5), pp. 407-412 (1983).

5. C. Furió and J. Guisasola, Difficulties in Learning the Concept of Electric Field, Science Education, 82(4), pp. 511-526 (1998).

6. R. Driver, The pupil as scientist? Open University Press. Milton Keynes. (1983).

7. J.H. Wandersee, J.J. Mintzes and J.D. Novak, Research on Alternative Conception in Science. Handbook of Research on Science Teaching and Learning. Ed Gabel, Macmillan Publishing Company, New York(1994)

8. J.M. Campanario y A. Moya, ¿Cómo enseñar ciencias? Principales tendencias y propuestas, Enseñanza de las Ciencias, 18 (2), pp. 155-169 (1999).

9. R. Driver and V. Oldham, A constructivist approach to curriculum development in science, Studies in Science Education, 13, pp. 105-122 (1986).

10. D.M. Shipstone, A study of children’s understanding of electricity in simple DC circuits, European Journal of Science Education, 6(2), pp 185-198 (1984).

11. C.V. Röneck, The introduction of Voltage as an independent variable, the importance of Preconceptions, Cognitive Conflict and Operation Rules, Aspects of Understanding Electricity, pp 275-286 (1985).

12. J. Clinch and K. Richards, How can the Internet be used to enhance the teaching of physics?, Physics Education, 37(2), pp 109-114 (2002).