EVOLUCIÓN DE LA REPRESENTACI ÓN CONCEPTUAL DE LA FISICA EN ESTUDIANTES UN IVERSITARI OS Y PRE.UNIVERSITARIOS

sther Vargas Medina' y Celia Calzada Ugalde•

'Area de I nvestigación Educativa, Escuela de Ciencias de la Educaciór.

ªEscuela Preparatoria, Universidad u Sale.

RESUMEN.

Un problema central en el estudio de los procesos de aprendizaje, es contar con técnicas y teorías que expliquen Ja adquisición y estructura conceptual de un conocimiento en particular.

En este trabajo, se utiliza la teorla y técnica de "Redes Semánticas Naturales", para estudiar cuél es el conocimiento de Física, que tienen los estudiantes al inicio de su proceso educativo a nivel preparatoria . Se analizan los supuestos al respecto de que el proceso de conformación de estructuras cognitivas firmes al respecto de Ja Frsica, es anterior al proceso de formación como flsico. Esto tiene serias implicaciones para la educación formal, dado que el conocimiento y manejo de las propias estructuras informacionales (esquemas) juega un papel preponderante en el uso de estrategias de aprendizaje acordes con la dinámica de este proceso (por ejemplo, la construcción de "mapas conceptuales" y el uso de técnicas de aprendizaje significativo en el salón de clase).

I N TRODUCCIÓN.

Una de las situaciones más paradójicas en Ja educación, sobre todo en los paises desarrollados, es la gran cantidad de literatura, publicaciones especiales y esfuerzo que se hace en analizar el problema de la enset'íanza de la Física; sin embargo, los resultados y las soluciones prácticas y directas son muy escasas. A pesar de este gran esfuerzo, no se encuentran demostraciones contundentes y significativas, de que un procedimiento de ensef'lanza de la Flsica es mejor que otro.

En general, lo que se realiza es la creación de formas novedosas de presentación de material y experimentos. -con diferentes grados de complejidad- o bien, se presenta cierta parte muy específica de los formalismos de la Flsica y de sus teorlas en forma accesible, recomendando que se utilicen estas técnicas; sin que se presenten demostraciones controladas de que éstas tengan algún efecto significativo en el cambio de las estructuras de conocimiento de los estudiantes.

Una de las pocas ideas novedosas que existen en la ensef'lanza de la Física, es la de los "preconceptos" y su efecto en el conocimiento de los estudiantes. Esta idea se origina de una serie de trabajos de los afies 60's en los Estados Unidos,en donde se encontró que los estudiantes manejaban una serle de conceptos que correspondlan a diferentes épocas del desarrollo de la Física; en este sentido, se habló de conceptos aristotélicos,conceptos galileanos, conceptos newtonianos, etc. Al utilizar el término "preconceptos" ,se pretende afirmar que el conocimiento que tienenlos sujetos, corresponde a esas épocas de teorlas físicas.

Un aspecto importante de esta concepción fue, que muchas de estas "visiones del mundo", aparecen antes del proceso escolar y estas ideas se encuentran fuertemente organizadas en su conocimiento general. Esta es la razón principal de que, en la actuaftdad, se hace un gran esfuerzo por estudiar la forma en cómo cambiar y reorganizar estos conocimientos -muchas veces incorrectos- que interfieren con el nuevo material que se les ensefla.


La idea de hablar de preconceptos, fundamental mente viene de la experiencia educativa práctica (en el salón de clases), pero el fundamento psicológico teórico no se ha analizado con precisión, para explicar cómo operan estos preconceptos a nivel cognitivo.

En la teoría cognitiva moderna (1,2), se pueden encontrar modelos de extraordinaria solidez que explican la estructura del conocimiento humano, y que sin embargo, las personas dedicadas a la ensef'ianza -y en este caso particular de Flsica-, no las toman como punto de partida o base teórica, en sus implementaciones pedagógicas.

Los estudios contemporáneos en memoria humana, en especial las teorlas de representación del conocimiento, pueden SE;r una poderosa herramienta para entender y analizar en forma detallada "eso" que los dedicados a la ensef'ianza de la Fisica refieren como "preconceptos". Los primeros en postular un modelo de organización en la memoria fueron Collins y Quillían (3) 0f er referencia 4 para una bibliografía

completa), quienes sugirieron que la información estaba representada en una memoria semántica y que el significado se almacena a través de redes de conceptos. Esta simple forma de organización permite codificar grandes cantidades de información por medio de redes que están compuestas de unidades (nodos) y vlnculos de asociación (relaciones semánticas jerárquicas); de ahl el concepto de redes de información. Un ejemplo es la red original usada por Collins y Quillian (3) para predecir que ciertos tipos de respuestas son más rápidos o lentos, dependiendo del nivel en que se encuentren en la red.

EJEMPL O DE UNA RED SEMÁNTICA ARTIFICIAL

DE COLLINS & QUILLIAN (1969)

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Una de las utilidades que han tenido los modelos de redes semánticas es la de los sistemas para contestar preguntas; por ejemplo: un sistema desarrollado por Carbonell (5) consiste en información geográfica de Latinoamérica, y contiene los datos de ríos, lagos . montanas, su localización geográfica y sus principales características. Un ejemplo de información contenida en el serla: el rfo Amazonas , que está situado en Brasil, es el más largo y ancho de los rlos de Latinoamérica. Después de cargar toda la información, se podía preguntar a la computadora: ¿cuál es la montana más alta, cuyo nombre comienza con "A", que no está en Chile?. El problema general en la aproximación semántica consiste en ver como tiene que estar almacenada la información y cuáles mecanismos de manipulación de la misma se tienen que introducir para que se pueda dar respuesta, en especlal cuando ésta no está almacenada directamente como información en la máquina. Por ejemplo, la pregunta: ¿dónde está el rlo Amazonas?, es muy fácll de contestar con la información directa de la computadora; no as! la pregunta acerca de ta montana .

En general, la idea de "memoria semántica" trata de describir la riqueza de las relaciones que se tienen en la memoria humana (6,7,8,9). El aspecto que más caracteriza a estas teorlas es el enunciado de que son las redes las que determinan el significado del concepto, en donde un concepto es definido por otros conceptos y a su vez sirve como definidor de otras situaciones -es decir, los conceptos son definidos y definidores al mismo tiempo, dependiendo de qué parte de la red se active-.

En este estudio nuestro interés fue analizar, utilizando la teoria y técnica de "redes semánticas naturales" (10,11), las estructuras de conocimiento al respecto de conceptos que definen a la Fisica, en estudiantes del primer semestre de nivel preparatoria. Lo que se pretende conocer y analizar es cómo están las redes de Física antes de entrar al proceso de ensef'\anza de la misma. a nivel preparatoria y comparar esta información con las formas de estructuración de conocimiento en estudiantes avanzados (utilizando como criterio las respuestas de sujetos expertos: investigadores en Física).

M ÉTODO.

SUJETOS : Participaron como sujetos (§§.) tres grupos de alumnos de primer ano de preparatoria de Ja ULSA, seleccionados entre 7 grupos en función de la disciplina y disposición para el trabajo en clase mostrados por los mismos.

GRUPO 1. Farmado por 44 alumnos: este grupo presenta problemas de disciplina y orden en clase, con poca disposición de llevar a cabo la tarea escolar. Cabe senalar que existen, en este grupo, algunos Ss. que destacan por su participación e interés, que constantemente hacen preguntas y aportan ideas.

GRUPO 2: Formado por 48 alumnos y caracterizado por tener un "buen nivel académico" (según evaluación de dos de sus profesores). Si bien su disciplina no es ejemplar, no les crea problemas para el desempef'\o del trabajo escolar.

GRUPO 3: Formado por 46 alumnos, observa buena disciplina y orden en clase, una buena disposición para abordar el trabajo escolar y en el que algunos Ss. demuestran especial interés.

PROCEDIMIENTO .

-AREA 1. A cada grupo, se les instruyó para que,en forma individual, generará en forma de lista los 10 conceptos que considerara fundamentales de la Flsica. Una vez concluido esto, se les pidió ordenar los conceptos, dando el número 1al que consideraran como el más importante;el 2, al siguiente en importancia, y así sucesivamente con los demás conceptos generados . La tarea la realizó cada grupo en un salón de clases, sin comunicación entre ellos y sin límite de tiempo.


TAREA 1 . Se les presentó uno a uno la lista de 10 conceptos considerados como los más importantes y representativos de esta disciplina, según el criterio de investigadores del Instituto de Flsica de la UNAM. a tarea consistió en definir cada uno de los conceptos, según la técnica clásica de "redes semánticas naturales" antes descrita.

La lista de conceptos fundamentales generados por los investigadores del Instituto de Flsica se presentan en la Tabla 1 (12,13) .

TABLA ·1


1. TIEMPO

2. ENERGIA

3. ESPACIO

4 . FUERZA

5. MASA

6. CARGA

7. CAMPO

8. MOVIMIENTO

9. RELATIVIDAD 1O. SIMETRiA


169

159

120

114

111

99

87

59

47

45


ANÁLISIS DE DATOS.

TAREA 1.JERARQUI ZACIÓN. Se realizó un análisis de frecuencias de los conceptos dados por los grupos de estudiantes. obteniéndose las jerarqulas generadas para cada grupo.

TAREA 2 REDES SEMÁNTICAS NATURALES Para evaluar a cada grupo se generaron los siguientes valores para analizar los datos obtenidos:

1) VALOR J - Se enlistan todas las palabras definidoras diferentes generadas por un grupo de Ss. para ada concepto y se obtiene el número total de definidoras, es decir, se cuantifica la RIQUEZA DE LA RED.

2) VALOR - Se hacen columnas a la derecha de la lista de las palabras definidoras y se numeran del 1 al 1O. A continuación, se toman los protocolos de los Ss. y se localiza cada definidora y su jerarquía en la lista hecha anteriormente, marcando una frecuencia en la columna que indica el número dado en el protocolo.

De esta forma, en la tabla se concentra el número de veces que a cada palabra definidora se le asigna "x" lugar de Importancia. Se obtiene el valor de cada una de las palabras definidoras multiplicando la frecuencia

de cada una de ellas por la posición que ocupa de acuerdo al orden asignado por los Ss., dándole un valor de 1O a los conceptos ordenados en primer lugar, 9 al segundo lugar y asf sucesivamente hasta llegar al valor de 1 cuando el concepto se ha jerarquizado en décimo lugar; se van sumando los productos parciales.

Este sistema de puntuación permite cuantificar y diferenciar la importancia que dan los Ss. a cada una de las palabras definidoras en la red semántica generada para un concepto especifico, por lo que indica el PESO SEMÁNTICO de cada definidora .


3) CONJUNTO SAM - es el grupo de las 1O definidoras de valor M más alto generadas por un grupo para cada concepto, con estas definidoras se construyen las REDES SEMÁNTICAS básicas de los conceptos.

4) VALOR G - se toma el conjunto SAM y se obtiene el promedio de las diferencias entre los valores M de las definidoras de la siguiente manera: al valor M que se encuentra en primer lugar se le resta el valor M del segundo lugar, y asf sucesivamente para después sumarse y dividirse entre 9. Este valor permite cuantificar la DENSIDAD de la red semántica.

5) VALOR FMG - se toma el conjunto SAM para cada concepto y a la primera palabra definidora -es decir, a la de valor M más alto- se le asigna un valor de 100% y se determina el porcentaje de las siguientes palabras definidoras con respecto a la primera. Este valor permite cuantificar la DISTANCIA entre las palabras.

6) VALOR Q - se toman los conjuntos SAM de dos grupos diferentes y se calcula el INDICE DE CONSENSO que hay entre ellos. Si una definidora aparece en el mismo lugar del conjunto se asignan 10 puntos y por cada lugar que se aleje se resta un punto. Se suman los puntos obtenidos en cada palabra y se calcula el porcentaje con respecto al máximo puntaje posible, que es 1OO.

7) Se obtuvo una matriz de doble entrada en donde se muestran cuantas definidoras comunes tiene cada par de conceptos resultantes de todas las combinaciones posibles. Esto índica las DEFINIDORAS QUE CONECTAN a los conceptos de las redes y, por lo tanto, su interrelación. Con esta información, se graficaron las REDES SEMÁNTICAS por concepto para cada uno de los grupos y en general.

RESULTADOS.

TAREA 1. En la Tabla 2 se muestran las jerarquías de importancia de los tres grupos de la ULSA. Se puede observar que son 7 conceptos en que coinciden los grupos, la riqueza de la red es similar entre los 3 grupos y el consenso entre grupos (valor Q) es del 65%, lo cual nos muestra la afta consistencia entre ellos.

El total de conceptos diferentes en cada grupo fue de 71,70 y 70 respectivamente, 1o cual muestra mucha variabilidad y riqueza conceptual, sin embargo, los 1O conceptos con mayor frecuencia tienen alta consistencia; es decir, dieron "muchos" conceptos, pero los más importantes fueron consistentemente mencionados en los primeros lugares.

En la tabla 3 se comparan estos resultados con los del estudio de Bravo et.al. (12) tomando como criterio de referencia los datos del grupo de investigadores de la UNAM en primer lugar, los de los estudiantes de la Facultad de Ciencias (UNAM) y los de un grupo de estudiantes de 11o. trimestre de CBI de la UAM-1. La tabla nos muestra que la jerarquía de los grupos de la Preparatoria ULSA son en su estructura muy similares a la de los estudiantes universitarios y algunos conceptos como "tiempo", "energla" y "fuerza" son considerados como los más importantes de la Ffsica -tanto por los investigadores, los estudiantes de la Facultad de Ciencias, los estudiantes de CBI de la UAM-1 y los 3 grupos de preparatoria de la ULSA-.

Esto nos muestra cómo los estudiantes que inician el nivel de preparatoria tienen, en lo general, una idea clara de los conceptos básicos dados por sujetos especialistas. Las jerarqufas de los sujetos de preparatoria son parecidas a las dadas por Ss. "expertos": 8 de los conceptos (80%) de nuestros grupos de nivel preparatoria son los mismos que los dados por los estudiantes de la UAM-1; 5 de los 10 (50%) son iguales entre nuestros grupos y los investigadores de la Facultad. de Ciencias de la UNAM y 4 de los 1O conceptos de nuestros grupos son iguales a los conceptos considerados como los más importantes por los investigadores del Instituto de Ffsica de UNAM.


J

TABLA 2

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA FiSICA CON LOS CONCEPTOS JERARQUIZADOS SEGÚN ORDEN DE IMPORTANCIA

M FMG

M

F MG

M

FMG

Movimiento

274

100

FJerza

176

100

Energla

179

100

Fuerza

226

82

Velocidad

171

98.27

Fuerzél

176

98.32

Energla

211

77

Energla

171

98.27

Velocidad

160

89.38

Gravedad

199

73

Movimiento

138

79.31

Gravedad

119

66.48

V elocidad

174

64

Tiempo

131

75.29

Materia

119

66.48

Tiempo

147

54

Aceleración

130

74 .71

Movimiento

109

60.89

Aceleración

111

41

Óptica

130

74 .71

Tiempo

107

59.78

Electricidad

109

40

Gravedad

123

70.69

Trabajo

77

43.02

Materia

101

37

Distancia

112

64.37

Masa

75

41.90

Trabajo

97

35

Trabajo

112

64.37

Distancia

74

41.34


J::: 71 G=19.44

Q(1-2)*= 64%


J= 70

G=6.55

Q(1-3)= 64 %


J=70 G=11.67 Q(2-3)=66%


En la tabla 4 se presenta a manera de ejemplo las definidoras de las redes semánticas para el .;;oncepto TIEMPO.

Con los resultados de estas tablas y con el objeto de poder generar las redes semánticas de los grupos, se obtuvo una matriz triangular para cada grupo, en donde se cuantificó la cantidad de definidoras compartidas (comunes) para los conceptos

En la tabla 5 se observan los conceptos que además de ser definidos sirven como definidores de otros, éstos son: fuerza,espacio, tiempo, energfa y movimiento; y a la vez muestra claramente que son pocas las definidoras que conectan el concepto TIEMPO con otros. Los conceptos adicionales que se utilizan como


definidores son: trabajo, lugar, eléctrico, potencia, velocidad, dimensión, peso, cuerpo, medida, similitud, y cambio

TABLA 3

JERARQUIZACIÓN DE LOS CONCEPTOS MAS IMPORTANTES DE LA FISICA, ENTRE Ss. NOVATOS

(Nivel Preparatoria) VS. EXPERTOS

INST. FISICA UNAM

FAC. CIENCIAS UNAM

UAM-1

CONCEPTOS

GRUPO 1

GRUPO 2

GRUPO 3

4

3

2

1

2

5

5

2

3

2

2

1

3

3

1

8

4

1

1

4

6

1

6

2

6

5

7

7

7

6

11

7

7

10

4

6

4

9

9

10

15

10

12

NOTA: Los números en la tabla corresponden al orden de importancia dado por cada grupo de Ss.

los 3 grupos coinciden en utilizar los mismos conceptos que son definidos como definidores, (a excepción de masa que sólo es usado por el grupo 2 y movimiento que aparece únicamente como definidora en los grupos 1 y

2) y destaca el concepto FUERZA como el más recurrido para definir. Es notable también observar que el concepto TIEMPO es muy utilizado como definir pero que es pobremente definido en los 3 grupos.

Los conceptos adicionales que son utilizados para definir y que son compartidos por los 3 grupos son: trabajo, lugar, peso, cuerpo y medida. Coinciden además los 3 grupos en utilizar LUGAR para relacionar campo y espacio , CUERPO para relacionar carga y masa y MEDIDA para relacionar simetrla y tiempo.


TABLA 4

RED SEMANTICA PARA EL CONCEPTO: TIEMPO (LAS 10 DEFINIDORAS CON VALOR ..M.. MAS ALTO)

CONCEDTO; T1EMPO

L

U1 1 2

\i r-'í .,

M

FMG

M

FMG

M

FMG

Horas

140

100

Medida

286

100

Medida

75

100

Medida

124

88.57

Espacio

72

25.17

Intervalo

75

100

Segundos

105

75

Horas

61

21.33

Instante

58

77.33

Minuto

87

62.14

Referencia

57

19.93

Tardanza

49

65.33

Reloj

75

53.57

Unidades

47

16.43

Espacio

48

64

Intervalo

67

47 .86

Transcurso

46

16.08

Segundo

48

64

Ola

65

46.43

Segundos

42

14.68

Unidad

46

61.33

Dimensión

65

46 .43

Minutos

38

13.29

Periodo

34

45.33

Cambios

46

32.86

Dfa

32

11.1g

Momento

33

44

Transcurso

45

32.14

Momento

28

9.79

Lapso

30

40

A continuación se presentan las "Redes Semánticas" generadas por los grupos de Ss. de nuestro estudio. En términos generales podemos hacer las siguientes observaciones generales:

RED SEMÁNTICA 1 (GRUPO 1): Los conceptos que se encuentran formando bloques debido a que la "distancia entre palabras" es corta son: fuerza-energla, relatividad-tiempo y espacio-campo. Los conceptos de simetría, masa y movimiento se encuentran alejados de los demás bloques y alejados entre sf.

RED SEMÁNTICA 2 (GRUPO 2): Algunos conceptos, debido a que la "distancia entre palabras" es muy corta, se encuentran formando bloques de la siguiente manera: espacio-campo, energia-fuerza, carga-masa­ relatividad y simetrfa-tiempo. En cambio el concepto movimiento a pesar de estar fuertemente relacionado, se encuentra alejado de los demás.


RED SEMÁNTICA 3 (GRUPO 3): Los conceptos que forman bloques son: campo-espacio, fuerza-energía, relatividad-tiempo, y carga-masa. Los conceptos que se encuentran aislados son: simetrfa y movimiento.

En las 3 redes se observa que los bloques de conceptos comunes son: fuerza-energía y espacio-campo ; en cambio el bloque relatividad-tiempo sólo es compartido por los grupos 1 y 3 y el bloque carga-masa por los grupos 2 y 3. El concepto movimiento se observa en las 3 redes fuertemente relacionado con los demás

conceptos pero aislado y alejado.

TABLA 5. MATRIZ DE DOBLE ENTRADA DONDE SE MUESTRAN LAS DEFINIDORAS COMUNES PARA LOS CONCEPTOS DADOS POR EL GRUPO 1

TIEMPO \ ENERGIA

ESPACIO ' ne

FUERZA

MASA ugar Peso

CARGA Fuerza En g ¡ \,lJt(Jm

El r nialo

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CAMPO uerz ¡: oa c 1 l'Z<l

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TIEMPO ENERGiA ESPACIO FUERZA MASA CARGA CAMPO MOVIM. RELAT. SIMETR!A


D I SCUSIÓN Y CONCWSIONES.

Los resultados muestran que el proceso de organización del conocimiento acerca de los conceptos más importantes de la Flsica en una forma muy cercana al de Ss. expertos, ya se encuentran en los estudiantes de nivel preparatoria. Estos grupos de alumnos muestran una concepción muy clara y parecida a la de especialistas.

Esta técnica de "redes semánticas naturales" es muy útil para analizar la organización del conocimiento en memoria, nos permite además detectar conceptos mal definidos, distorsionados, falta de conocimiento y estructuras de información que no posibilitarán un conocimiento correcto de los contenidos académicos dados en un curso. Por ejemplo, en el estudio realizado en México por Bravo y cols. (12), que sobre el mismo objetivo se realizó en preparatorianos de una escuela de la UNAM (los cuales ya habían elegido "área de concentración": sociales, humanidades, qufmico-bíológicas, básicas), se encontró que el concepto más Importante para definir a la Flsica fue "Matemáticas". Esto nos habla

(aunado a otros resultados detallados en el reporte respectivo) de la distorsión que se tiene de lo que es la disciplina, por Ffsica se está entendiendo el trabajar matemáticas y con fórmulas -en una u otra forma- y se manifiesta muy poca comprensión de lo que constituyen las ideas centrales de la Física. Este aspecto de distorsión en este sentido, no se refleja en nuestros estudiantes de primer ingreso de la ULSA. Serfa muy interesante analizar estos aspectos en semestres últimos, en donde los alumnos ya han elegido área de concentración (es decir, hay una idea de la carrera -o área por to menos- que se va a estudiar) y medir si este hecho re-estructura la información y conocimiento (concepciones).

Nuestros resultados obtenidos con la utilización de estas técnicas derivadas de ta investigación básica y fundamentadas en la teorfa cognitiva moderna, permite estudiar fácilmente cuáles son tas estructuras de conocimiento en estudiantes; en este caso, conocimiento al respecto de ffsica. Además, esta técnica es to suficientemente poderosa para describir una serie de detalles muy especificas de ta concepción que tienen los diferentes grupos estudiados al respecto de una disciplina.

Uno de los puntos importantes del trabajo es et mostrar que eso que se denomina "preconceptos", en algunos casos se encuentran en una forma muy sistemática en los grupos de Ss. de nivel preparatoria que aún no han elegido carrera y en tos que van para el área básica, to cual no sucede en grupos que van para otras áreas. Si bien esto pareciera obvio, cuando se habla de preconceptos, no se analiza et hecho de que son los grupos de pertenencia de los Ss. Y NO SOLO EL ASPECTO COGNOSCITIVO, el que determina esas estructuras de conocimiento. En resumen, la parte central de nuestro trabajo fue mostrar que el estudio en forma detallada de las estructuras de conocimiento de los estudiantes, nos puede guiar fácilmente, para analizar en el plano de la docencia- qué es lo que se necesita modificar o reorganizar en le conocimiento que se tes da a los grupos particulares, asl como la posibilidad de utilizar el conocimiento apropiado y bien fundamentado para emplearlo como anclaje para los nuevos contenidos, lo cual nos permite un aprendizaje más significativo en los estudiantes ,


RED SEMANTICA GRUPO 1

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RED SEMANTICA

GRUP0 2


RED SE A TICA

GRUPO 3

51


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