text new page (beta)
Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Automatic translation
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Similars in
SciELO 
Permalink
Introducción
El presente trabajo propuso, puso en práctica y evaluó por medio de encuestas y evaluaciones sumativas los resultados de innovaciones en la enseñanza de la asignatura Termodinámica Metalurgia. Las innovaciones se basaron en generar un conflicto cognitivo que permitiera al estudiante confrontar sus “conceptos alternativos” y modificarlos. La asignatura se imparte en el quinto semestre del plan de estudios de la ingeniería Civil Metalurgia y Materiales de la Universidad Técnica Federico Santa María [UTFSM] (2017, p. 4) de Chile. El número de estudiantes que cursan esta asignatura fluctúa entre 20 y 30 personas. Como prerrequisito figura haber cursado los cursos de física (cuatro cursos), química (tres cursos) y matemáticas (cuatro cursos). El curso se efectuó de forma presencial del 2015 al 2018. Debido a la pandemia de la enfermedad por coronavirus (covid-19), el curso pasó a modalidad virtual para los años 2020 y 2021.
En la literatura existe un amplio número de publicaciones relacionadas con la enseñanza y aprendizaje de la termodinámica, entre los cuales cabe mencionar Bain, Moon, Mack y Towns (2014), Cotignola, Bordogn, Punte y Cappannini (2002), Sözbilir, Pınarbaşı y Canpolat (2004) y Talanquer (2006). Estos estudios indican algunas de las dificultades que interfieren en el proceso de aprendizaje, tales como la naturaleza abstracta de los conceptos, cursos diseñados con sobrecarga de información y utilización de pedagogías centradas en el profesor. También existen numerosos estudios relacionados con las dificultades de modificar conceptos de la termodinámica que fueron construidos de forma inexacta y erróneamente integrados, tales como los trabajos de Haglund y Jeppsson (2013), Nilsson (2012), Nussbaum (1982, 1983), Talanquer (2014). Los autores señalan cómo los conocimientos han sido adquiridos a través de aprendizajes formales y sociales y de la interpretación de metáforas explicativas de fenómenos físicos que usualmente no concuerdan con aquellas validadas por la comunidad científica.
Aunque denominadas de diferentes formas, por ejemplo, en Granville (1985) y Smith, diSessa y Roschelie (1993), estas ideas mal construidas las llamaremos en este trabajo conceptos alternativos. Los estudios sugieren entonces la premisa de que los conceptos alternativos se convierten en barreras mentales para lograr el aprendizaje de la termodinámica.
Las innovaciones pedagógicas de este trabajo buscaron, por tanto, la generación de conflictos cognitivos que permitieran al estudiante confrontar sus conceptos alternativos y modificarlos. Para lo anterior, se diseñaron las siguientes cuatro estrategias metodológicas:
Una secuencia didáctica de clase que busca generar el conflicto cognitivo y que permita al estudiante confrontar sus conceptos alternativos y modificarlos.
La implementación de metodologías activas de enseñanza y aprendizaje a través del trabajo colaborativo y debate argumentado para la generación del conflicto cognitivo.
La búsqueda y análisis de las metáforas que los estudiantes emplearon para construir los conceptos alternativos.
La enseñanza de la termodinámica por medio de postulados a diferencia del método tradicional de enunciados.
Estos cuatro puntos se describen en detalle en los siguientes numerales, donde se incluyen las referencias bibliográficas a partir de las cuales fueron generadas las ideas de las innovaciones.
Elaborar una secuencia en cada clase con metodologías activas que permitieran al estudiante confrontar sus metáforas
Basado en los trabajos de Kuhn (2012) y Toulmin (1975), quienes indican la manera en que la ciencia históricamente ha avanzado a partir de sobrepasar paradigmas mentales, autores como Collins (1987), Hewson (1981), Hewson y Beckett (1984), Nusbaum (1983) y Posner, Stike, Hewson y Gertzog (1982) sugieren procesos similares en el aprendizaje de la ciencia. Algunas de estas ideas están contenidas en la Figura 1, la cual fue construida, sin embargo, especialmente a partir del estudio de Hewson y Beckett (1984), donde se analiza cómo modificar conceptos alternativos a partir de concebir los procesos de enseñanza y aprendizaje como cambios conceptuales.
Fuente: Elaboración propia
Figura 1 Modelo epistemológico considerando el aprendizaje como un proceso de cambio conceptual
Las innovaciones pedagógicas de este trabajo tuvieron como eje principal la idea sugerida en la Figura 1, a saber, que es posible sobrepasar una barrera en el aprendizaje en la medida en que se genere un conflicto conceptual y se ofrezca al estudiante una nueva alternativa racional y secuencial, la cual, para los autores de este trabajo, no es evidentemente clara en los cursos clásicos de termodinámica.
A partir del diseño de las actividades del curso, se busca el cambio conceptual planteado en la Figura 1 y presentado en la Figura 2 como una secuencia sistémica de activación de conocimientos, generación de un desequilibrio cognitivo, la asimilación de un nuevo concepto como una actividad racional, la relación del conocimiento al eje central de energía y la aplicación del conocimiento al área de la metalurgia.
Implementación de metodologías activas de enseñanza y aprendizaje
Tomando como referencia los trabajos de Mazur (2009) y Mills y Treagust (2003), este estudio consideró al docente como el encargado de conectar los procesos de construcción del conocimiento de cada estudiante con el saber colectivo culturalmente organizado. Se enfatizó en una dinámica de clases opuesta a la de clases magistrales. El objetivo principal de las clases fue promover conflictos conceptuales que le permitan al estudiante un aprendizaje de la termodinámica más activo, confrontativo de sus propias ideas y receptivo de las opiniones de sus pares y del profesor, evitando que este último fuese el centro de las actividades.
Análisis de los conceptos alternativos de los estudiantes: en busca de las metáforas con las cuales estos fueron elaborados
En la literatura hay numerosos trabajos relacionados con los conceptos alternativos en el aprendizaje de la termodinámica, tales como Bain et al. (2014), Cotignola et al. (2002), Sözbilir et al. (2004) y Talanquer (2006). En estos estudios, los conceptos alternativos están vinculados con las metáforas, es decir, entendemos y percibimos conceptos básicos en términos de algo que consideramos más fácil de captar con nuestros sentidos. Dicha relación está basada principalmente en los trabajos de Lakoff (2003), los cuales indican cómo en nuestro sistema conceptual las metáforas influyen en nuestra visión del mundo al resaltar ciertos aspectos de los conceptos y ocultar otros. Por tanto, nuestra experiencia del mundo físico está, a su vez, influenciada por nuestro lenguaje, y el lenguaje asimismo influencia nuestra interpretación y entendimiento de nuestras experiencias al interactuar con el mundo físico. Estas ideas tomadas de Lakoff son de utilidad para el presente trabajo como marco conceptual para la estrategia de confrontación y búsqueda de modificación de conceptos alternativos. Vale la pena aclarar que, en sintonía con Ortony (1993), no existe un consenso respecto a la definición de metáfora y su impacto en la forma de conceptualizar las ideas científicas. Conscientes de estas discordancias, y estando fuera del alcance de este trabajo una discusión adicional al respecto, la didáctica de los tópicos utiliza el concepto de metáforas de forma instrumental para analizar los procesos metacognitivos de los estudiantes. Así, desde los conceptos alternativos de los estudiantes, se buscaron aquellas metáforas que obstaculizaban la aprehensión de los conceptos termodinámicos de una forma apropiada.
Enseñanza de la termodinámica por medio de postulados a diferencia del método tradicional de enunciados
La asignatura de termodinámica es un curso fundamental en el programa académico de toda ingeniería. Los contenidos temáticos de esta asignatura en su forma tradicional comprenden los enunciados de las leyes de la termodinámica (primera, segunda y tercera ley), seguido de deducciones de poder calorífico, entalpía, entropía, criterio de equilibrio y energía libre de Gibbs. En el transcurso de la enseñanza, las deducciones se aplican a problemas hipotéticos o de aplicación industrial. Este tipo de estructura es encontrada, por ejemplo, en los libros de texto de Lee (2012), Matsushita y Mukai (2018) y Mortimer (2008).
Todas las representaciones mentales de la termodinámica concuerdan en la parte fenomenológica y aspectos teóricos, sin embargo, como lo señalan Tarsitani y Vicentini (1996), difieren en la estructura lógica y definición de los conceptos fundamentales. Algunos de los métodos alternativos de enseñanza de la termodinámica incluyen el uso extensivo de la matemática (Berker, 2012), la enseñanza basada en proyectos prácticos o en la solución de problemas químicos o termodinámicos (Mills, 2003; Reuf, 1983), cursos basados en simulación dinámica (Schnitker, 2008), técnicas de generación de analogías por parte del estudiante (Haglund y Jeppsson, 2013) e inclusive el empleo de dramatizaciones (Stinner, 2003).
Para el curso se buscó un método que permitiera ofrecer al estudiante el desarrollo de una nueva idea como una actividad racional. Las características deseadas concuerdan en gran medida con la conceptualización de la termodinámica desde la formulación axiomática desarrollada por Tisza (1978), compilada en el libro de texto de termodinámica de Callen (1985). El desarrollo de estos dos autores contrasta con la forma tradicional que trata los principios termodinámicos como leyes. Recientemente, un libro en la misma línea axiomática de Tisza ha sido publicado por Keszei (2012).
Considerando lo anterior, las siguientes preguntas fueron planteadas durante el desarrollo del presente trabajo:
¿Un cambio metodológico en la enseñanza de la termodinámica, basado en las cuatro estrategias metodológicas mencionadas, puede conducir a los estudiantes a construir los conceptos previamente adquiridos hasta alcanzar un cambio conceptual?
¿Los estudiantes perciben que las innovaciones metodológicas del curso de termodinámica contribuyen positivamente en su proceso de aprendizaje?
La hipótesis propuesta fue que el conflicto cognitivo puede conducir a un cambio en la estructura conceptual del estudiante y promover un aprendizaje racional de los conceptos termodinámicos.
Los objetivos planteados fueron los siguientes:
Elaborar una propuesta de innovación didáctica para asegurar conceptos en un curso de termodinámica metalúrgica y promover el pensamiento crítico.
Soportar las innovaciones teniendo como base una revisión bibliográfica en el área de la enseñanza de la termodinámica.
Implementar las estrategias en el aula.
Evaluación del impacto de las innovaciones por medio de encuestas escritas y verbales a los estudiantes.
Consideramos que este trabajo es un aporte a la innovación didáctica de la educación de la termodinámica a nivel universitario, ya que abordan los procesos de enseñanza y aprendizaje a través de un cambio conceptual, con la combinación de las estrategias antes mencionadas, y con un análisis acerca de sus resultados obtenidos.
Metodología
La metodología de investigación comprendió una extensa revisión bibliográfica referente a la enseñanza de la termodinámica. Basado en esta, se seleccionaron cuatro innovaciones educativas para el diseño del curso basadas en generar un conflicto cognitivo que permita al estudiante confrontar sus conceptos alternativos y modificarlos. Estas innovaciones fueron implementadas durante los años del 2015 al 2019 y fueron ajustadas a una modalidad no presencial durante los años 2020 al 2021. La evaluación de los impactos de las innovaciones se efectuó a partir de las opiniones de los estudiantes recogidas por medio de encuestas escritas y entrevistas grupales y de los resultados de evaluaciones sumativas. Unas breves descripciones de la implementación en aula se presentan en los siguientes numerales.
Implementación de la secuencia didáctica de cada clase
Concordante con los objetivos planteados, el diseño de la clase fue pensado de tal forma que generara un conflicto cognitivo según la secuencia presentada en la Figura 2 y ofrecer la alternativa lógica para superar el concepto alternativo. La clase inicia con una pregunta, por ejemplo, “¿Qué entiende por entropía?”, las cuales, además de responderlas, deben complementar con un ejemplo. La respuesta es anónima y electrónica por medio de un sitio existente en la página web del curso. El estudiante tiene la oportunidad de reflexionar acerca de sus respuestas y compararla con las de sus pares. Seguidamente, como indica la Figura 3, el profesor efectúa una corta exposición acerca de los conceptos alternativos reportados en la literatura. La siguiente sección corresponde a una discusión en grupos, donde los estudiantes comparan sus respuestas con los conceptos alternativos expuestos. Seguidamente, el concepto de entropía aceptado por la comunidad científica y en concordancia con la metodología del curso es presentado por el profesor. En esta etapa del curso, se ha discutido en clases previas los conceptos de energía, sistema termodinámico simple, sistema termodinámico compuesto, paredes adiabáticas y diatérmicas, restricciones en un sistema compuesto y el postulado de equilibrio. La entalpía es, entonces, la postulación de una función para sistemas en equilibrio, para la cual los valores de los parámetros de energía interna, volumen y número de moles de cada uno de los componentes del sistema deben ser tales que minimicen el valor de la función. En las subsiguientes secciones, en grupos, los estudiantes discuten acerca del concepto y su relación con la energía. En algunos casos, se conecta el concepto con consideraciones del comportamiento de la materia a nivel microscópico y se cierra la clase con ejemplos de aplicación del concepto en el área de la metalurgia. Como se puede apreciar, la secuencia de cada clase contiene el encadenamiento para la generación del conflicto cognitivo teorizado en la Figura 2.
Implementación de metodologías activas
Se diseñó un esquema del curso con los métodos de enseñanza presentados en la Tabla 1 (las ideas referidas corresponden a una adaptación de las metodologías planteadas en el trabajo de Henao, Chávez, Pizarro, García e Ibáñez [2018]). Antes del 2015, el curso tenía la orientación indicada en la columna izquierda; las innovaciones didácticas buscaron orientar los métodos de enseñanza a los descritos en la columna derecha. El énfasis se centró en la generación del conflicto cognitivo, promoción de un pensamiento crítico y en guiar al estudiante a encontrar sus conceptos alternativos.
Tabla 1 Comparación de los dos métodos de enseñanza
Fuente: Elaboración propia
En los cursos virtuales, un factor primordial en la metodología activa era asegurar la asistencia a las sesiones a través de la plataforma Zoom. Esto se logró incluyendo un incentivo en la nota total de evaluación para aquellos con asistencia superior a 85 % durante el semestre. En el caso de que la mayoría de los estudiantes hubiesen optado por estudiar las clases grabadas, habrían forzado un cambio de metodología no contemplada en el diseño del curso. Para los años donde el curso se realizó de forma no presencial, la asistencia de los estudiantes a las sesiones de Zoom fue mayor a 80 % en promedio.
Implementación de la búsqueda y análisis de las metáforas
Un pilar fundamental de la innovación en este trabajo es el reconocimiento de que nuestro sistema conceptual es fundamentalmente de naturaleza metafórica. Estas metáforas nos permiten percibir algunos componentes del concepto, pero necesariamente oculta otros. Por ejemplo, de acuerdo con Lancor (2012), es frecuente tratar de entender el concepto de energía como algo material (una sustancia que fluye), sin embargo, esto dificulta captar el aspecto de la degradación de la energía y, por tanto, entender los conceptos asociados como la entropía.
En la presente innovación pedagógica, las respuestas de los estudiantes a preguntas como qué es equilibrio, energía, entalpía, entropía y otras fueron analizadas durante los años 2015 a 2021. Como se explicó en el numeral anterior, sus respuestas fueron analizadas para dilucidar las posibles metáforas asociadas a las ideas expresadas por ellos y discutidas con sus compañeros de clase. Un análisis comparativo entre las respuestas colectadas desde los estudiantes con el concepto aceptado por la comunidad científica fue presentado en clase, a fin de que los estudiantes compararan, reflexionaran y discutieran sus respuestas con sus pares. Las respuestas recopiladas son presentadas a los estudiantes y las metáforas (o asociaciones) son señaladas por el instructor (o los estudiantes). Un ejemplo resumido y clasificado respecto al concepto de entropía se indica en la Tabla 2; allí, las respuestas fueron ordenadas en columnas por elaboración del concepto, ejemplos y posibles metáforas o asociaciones. Las filas de acuerdo con la manera en que los estudiantes asocian la entropía como desorden, probabilidad y equilibrio. En la asociación de entropía con energía, los estudiantes no complementaron sus respuestas con ejemplos; en las asociaciones relacionadas a desorden y probabilidad, los ejemplos están relacionados a factores cotidianos. Puede observarse, además, que las respuestas son vagas y que los ejemplos asociados a la cotidianidad no tienen relación alguna con la definición científica. Los conceptos alternativos reportados en la literatura no difieren de los expresados por los estudiantes del curso. Por ejemplo, en la publicación de Brain (2014) los estudiantes definen la entropía como ‘desorden’, sin establecer lo que el término desorden significa en relación con la física/estadística/termodinámica. Información similar a la tabulada en la Tabla 2 se desarrolla para los diferentes tópicos de la termodinámica que se estudian durante el curso.
Tabla 2 Conceptos alternativos, ejemplos y metáforas asociadas al concepto de entropía
| Asociación | Elaboración del concepto. Lo que mide la entropía | Ejemplos | Posible metáfora asociada |
| Energía |
|
No reportaron ejemplos |
|
| Desorden |
|
|
|
| Probabilidad | El sistema se encontrará donde mayor sea su probabilidad de estar Medida del posible ordenamiento de moléculas |
|
Asociación espacial de probabilidad. |
| Equilibrio | Si un sistema no cambia y es homogéneo, su entropía es cero (si un sistema no cambia, ningún parámetro cambia). | Una caja con pelotas de colores. Si se agita, se homogeniza. | De las respuestas, no es clara la asociación entre entropía y equilibrio |
Fuente: Elaboración propia
Enseñanza de la termodinámica por medio de postulados
En la representación mental de la termodinámica seleccionada para el curso, el estudiante reconstruye los conceptos de la termodinámica a partir del concepto de energía interna de un sistema considerando cuatro postulados básicos: equilibrio, función de entropía, atributos matemáticos de la función de entropía y el comportamiento de la función de entropía a condiciones límites. De forma paralela, relaciona los fenómenos naturales de su entorno y analiza ejemplos prácticos vinculados con el área de la metalurgia. El esquema indicado en la Figura 4 muestra cómo los conceptos de la termodinámica se interrelacionan con los de energía interna, lo que constituye una estructura lógica y secuencial. Las flechas indican las correlaciones existentes entre los diferentes conceptos y definiciones.
En todos los ejemplos y tareas, al estudiante se le solicita plantear los parámetros descriptivos de los sistemas en sus estados iniciales, las restricciones removidas entre los sistemas que permitieron el desarrollo de un proceso, los parámetros descriptivos de los estados finales de los sistemas y reflexionar acerca de por qué el proceso se lleva a cabo y por qué los sistemas adquirieron dichos parámetros finales.
A partir de estos postulados, el estudio de la termodinámica se torna en una operación de análisis lógico-matemático a partir de la cual se define temperatura, presión y potencial químico. Posteriormente, por medio de una transformada matemática (transformada de Legendre), se define entalpía y energía libre de Gibbs. En seguida, se determinan las propiedades susceptibles de medir como el poder calorífico. Todo lo anterior aplicado a predecir (modelar) procesos de reciclaje de metales, producción de metales, procesos de producción de materiales y efectuar evaluaciones energético-ambientales.
Metodología de evaluación de resultados de las innovaciones
Los impactos de las innovaciones fueron analizados por medio de encuestas clase a clase, por encuestas escritas y verbales a mitad y final del semestre, a través de evaluaciones cuantitativas del desempeño del docente y por medio de evaluaciones sumativas del curso.
Encuestas clase a clase
Al final de cada clase, se solicitó a los estudiantes escribieran brevemente sobre lo siguiente:
Las respuestas no debían ser menores a 20 palabras. Con ambos ítems se buscaba conocer de manera inmediata las impresiones de los estudiantes respecto a la metodología de enseñanza de la clase y el nivel de aprendizaje que el alumno percibía alcanzar de los temas de estudio. Se encontraron respuestas referidas a si el tiempo de las discusiones en clase era suficiente, si las presentaciones del profesor eran claras y si la secuencia de la clase sí contribuía al conflicto cognitivo y al aprendizaje racional o si el estudiante percibía que su nivel de aprendizaje aumentaba. La encuesta era discutida en la clase siguiente y las sugerencias se implementaban oportunamente, esto es, se efectuaban las modificaciones metodológicas propuestas por los estudiantes. Estas encuestas permitían además detectar dificultades en los procesos de enseñanza y aprendizaje. Todas las respuestas fueron analizadas semana tras semana y, adicionalmente, compiladas durante todo el semestre. Un resumen de todas las respuestas obtenidas durante el semestre del 2018 está incluido en la Tabla 4 (ver anexos).
Encuestas escritas o verbales a mitad y final de semestre
Una encuesta de evaluación docente con pautas autoaplicadas se efectuó a mitad y final de cada semestre La encuesta se elaboró con el objetivo de obtener información respecto a las metodologías implementadas. Se solicitó a los estudiantes redactar sus opiniones sobre su experiencia de aprendizaje. Podían referir críticas, mejoras y sugerencias en torno a la metodología, contenidos del curso y el quehacer docente de acuerdo con el siguiente formato de la Tabla 3.
Tabla 3 Formato de encuesta de evaluación docente efectuada a mitad de semestre
| Opine cuáles fueron los aspectos positivos y los aspectos a mejorar de la experiencia educativa en los siguientes aspectos:
|
Fuente: Elaboración propia
Con el fin de conocer la opinión de los estudiantes respecto a la educación no presencial, en los años de educación no presencial se incluyó la siguiente pregunta:
Para este curso en particular, ¿consideras que la experiencia educativa de esta asignatura hubiese sido más completa de forma presencial?
Las respuestas de las encuestas fueron estudiadas por medio de un método de análisis del contenido del discurso, según metodología propuesta por Bardin (2002). Con esta herramienta se identificaron categorías, resultados y hallazgos sobre estas opiniones usando un software comercial para el análisis de contenido cualitativo (MAXQDA 2018). Lo anterior circunscrito a un diseño de investigación cualitativo exploratorio descriptivo descrito por autores tales como Salgado (2007), Touraine (2012) y Valdivia (2008). Ejemplos de resumen de los resultados para los cursos de los años 2018 y 2021 son indicados en la Tabla 5 y Tabla 6 (ver anexos).
Con el objetivo de obtener datos comparativos, se incluyó en este trabajo resultados cuantitativos de las encuestas docentes efectuadas por la universidad al final de los semestres 2018, 2019, 2020 y 2021. A través de estas se indagó el parecer de los estudiantes acerca del “manejo de contenidos y habilidades pedagógicas” y “la relación profesor-estudiante”. La primera incluyó preguntas respecto al docente: ¿mostró dominio de los contenidos?, ¿transmitió los contenidos del curso de forma clara y comprensible?, ¿creó un ambiente favorable para el aprendizaje?, ¿respondió adecuadamente las preguntas de los estudiantes?, ¿motivó a los estudiantes a adquirir el contenido del curso?, ¿estimuló la participación activa de los estudiantes en sus clases?, ¿mostró compromiso con el proceso de aprendizaje de los estudiantes?.
La segunda incluyó las siguientes preguntas respecto al docente: ¿promovió el diálogo entre los estudiantes?, ¿fue respetuoso con los estudiantes?, ¿estuvo abierto a recibir críticas y sugerencias de parte de los estudiantes?, ¿estableció una relación de confianza con los estudiantes?.
En esta encuesta los resultados son ponderados en una escala de calificación de cero a cuatro. Cabe señalar que la encuesta institucional incluye la pregunta “¿Cuánto aprendiste con este profesor en el curso?” y que esta se ponderó en una escala de uno a siete. Los resultados se presentan en la Tabla 7 (ver anexos).
Evaluación sumativa del contenido del curso
Para evaluar el nivel de conocimiento conceptual de la termodinámica alcanzado a partir de postulados básicos y concluyendo en la formulación de funciones de uso práctico en la metalurgia, al finalizar el curso los estudiantes atendieron una evaluación sumativa escrita e individual. Los estudiantes debían desarrollar un mapa conceptual explicando las definiciones de las variables termodinámicas, relacionarlas entre sí, siendo el concepto de energía interna el eje central de toda la construcción conceptual. En la Tabla 8 y Tabla 9 (ver anexos) incluye el instrumento utilizado para la evaluación con la rúbrica de calificación respectiva.
Resultados
La innovación de enseñanza de la asignatura Termodinámica Metalúrgica a través de metodologías activas y el desarrollo de la termodinámica en términos de postulados, inició en el año 2015. Se trató de un proceso que partió de la identificación de necesidades para el aprendizaje de conceptos y enseñanzas centrales del ramo, tomando en cuenta las opiniones de los estudiantes por medio de encuestas clase a clase, encuestas a mitad de semestre y entrevistas grupales. En paralelo, se investigó acerca de las posibles innovaciones educativas a aplicar. Lo anterior sustentado en un diseño metodológico cualitativo descriptivo exploratorio que otorgó una aproximación sistemática y científica a lo referido por los estudiantes, de tal forma que permitió la elaboración de categorías que orientaron el diseño mencionado. Con esto se logró una planificación didáctica y un diseño instruccional que orientó un tránsito paradigmático, no solo metodológico y técnico. A través de las encuestas, los estudiantes ponderaron y sometieron a crítica las actividades grupales, las explicaciones del profesor, la discusión plenaria, las actividades individuales de simulación y revisión de material. Los años del 2015 al 2017 pueden ser considerados como de implementación. La metodología descrita en los numerales anteriores y la adaptación de las innovaciones educativas fueron completamente implementadas a partir del 2018.
El estudio indica un alto grado de aceptación de las innovaciones educativas en el curso tanto para la modalidad presencial como para la modalidad no presencial. Los estudiantes expresaron cómo el curso los condujo a un cambio conceptual y les provocó el despertar de un sentido crítico sobre los contenidos de la termodinámica. Se desprende, desde el estudio cualitativo de las respuestas, que no existe una mayor dificultad para poder adaptarse a la metodología activa. Como se indica en la Figura 5, 58 % de los estudiantes muestra una tendencia a reconocer el método implementado como un instrumento que ayuda al aprendizaje del concepto y tan solo 3 % reafirma cambiar el curso de forma completa. Esto revalida la metodología implementada tomando como factor esencial de este las encuestas realizadas. Se reconoce que una de las mejoras centrales del curso es optimizar el tiempo de trabajo grupal y guiar a los estudiantes en la constante búsqueda de respuestas.
Fuente: Elaboración propia
Figura 5 Estadística de respuestas positivas y negativas sobre el método de enseñanza 2018
Respecto al profesor como un mediador entre el conocimiento y los estudiantes, 57 % lo valida, lo que da cuenta de que el docente tiene un claro impacto en la forma en que los estudiantes sociabilizan conocimientos, por la manera en la que se desarrolla la discusión grupal. Esto cumple con los objetivos de la metodología activa, sin embargo, 43 % de los estudiantes cree que las explicaciones suelen ser abstractas, además de ser presentadas muy rápido.
En relación con las encuestas al final de cada clase, consideraron que ayudó a transparentar el desarrollo del curso.
Los estudiantes admiten que es complejo entender la dirección del curso en sus etapas iniciales. Sin embargo, una vez superado ese periodo, empiezan a entender los conceptos como una secuencia claramente conectada y consideran estar aprendiendo con claridad. Aprecian que el curso fuese planeado con meticulosidad y se efectura una retroalimentación clase a clase. Perciben deficiencias en el orden de las presentaciones de PowerPoint.
Consideran, además, que el método puede ser extendido a otros cursos, lo que ayudaría a enfrentar con pensamiento crítico cualquier área del conocimiento. Los estudiantes indicaron cómo la metodología empleada ha hecho llevadero el cambio de modalidad de presencial a no presencial, aunque consideran por unanimidad que las clases presenciales serían más provechosas.
En las clases presenciales, se logró la participación de los estudiantes para responder a las preguntas planteadas, según la secuencia de la clase, al enviar sus respuestas de forma electrónica y anónima. En las clases no presenciales, fue mucha menor la participación verbal, el trabajo colaborativo y el debate argumentado. Por tanto, aunque se lograron adaptar las metodologías a las circunstancias de enseñanza no presencial, es necesario efectuar ajustes adicionales a las metodologías activas para esta modalidad.
La información cuantitativa incluida en el anexo 4 indica cómo, para los parámetros evaluados, la ponderación de los estudiantes del curso en cuanto a manejo de contenidos y habilidades pedagógicas y la relación estudiante-docente en todos los años estuvo por encima del promedio del departamento y del promedio del campus de la universidad, sin presentarse para el curso una diferencia apreciable entre el modo presencial y no presencial (información obtenida del portal del Sistema de Gestión de la UTFSM).
Respecto a la pregunta de cuánto aprendió con el profesor del anexo 4, se observa un aumento significativo en la ponderación de los estudiantes en las clases no presenciales. Estos resultados, sumados al análisis de las encuestas escritas, indican una adaptación adecuada del curso a la modalidad no presencial (información obtenida del portal del Sistema de Gestión de la UTFSM).
Discusión
La hipótesis del presente trabajo planteó que el conflicto cognitivo puede conducir a un cambio en la estructura conceptual del estudiante y promover un aprendizaje racional de los conceptos termodinámicos. Para tal fin, se propusieron y pusieron en práctica innovaciones educativas en la enseñanza de la termodinámica para el curso de termodinámica metalúrgica de un programa de ingeniería. Las innovaciones incluyeron una secuencia de clase que permitieran al estudiante confrontar sus conceptos alternativos y modificarlos; implementación de metodologías activas de enseñanza y aprendizaje; búsqueda y análisis de las posibles metáforas que los estudiantes emplearon para construir los conceptos alternativos, y enseñanza de la termodinámica por medio de postulados a diferencia del método tradicional de enunciados. Los impactos de las innovaciones fueron analizados por medio de encuestas y evaluaciones sumativas.
El resultado de la evaluación sumativa y el análisis de las encuestas sugieren que el curso posibilitó en la mayoría de los estudiantes el cambio conceptual esperado en ambas modalidades, presencial y no presencial.
Sin embargo, parte de la conclusión anterior se obtuvo a partir de la percepción del estudiante acerca del curso. Es difícil evaluar si el cambio conceptual se mantendrá por largo plazo o si su efecto es perecedero. Es importante señalar que diversos estudios indican la persistencia de los conceptos alternativos y la dificultad de erradicarlos aun después de innovaciones educativas bien planificadas.
Una limitación en la implementación de las primeras etapas del curso es la dificultad de los estudiantes de entender la dinámica y orientación de las clases. Es posible considerar que esto es debido a la formación recibida en los cursos de física. Igual que el planteamiento de la termodinámica en términos de postulados, la física es susceptible de enseñarse de la misma forma a partir del principio de mínima acción (o principio de Hamilton). Este podría considerarse equivalente al postulado de una función de entropía. Por tanto, una labor aún por hacer es integrar los cursos de física con esta innovación de enseñanza de la termodinámica.
Las investigaciones de enseñanza y aprendizaje de la termodinámica se podrían clasificar en estudios de conceptos alternativos con análisis de temas específicos como energía, calor, entropía u otros. Usualmente, incluyen recomendaciones metodológicas para lograr cambios conceptuales. Asimismo, la literatura reporta el uso de metáforas para examinar conceptos termodinámicos y su enseñanza y aprendizaje. Otra área activa de investigación es el uso de diferentes alternativas de enseñanza de la termodinámica, por ejemplo, desde un punto de vista matemático, histórico, molecular y otros antes mencionados. Este tipo de investigaciones usualmente reportan resultados de aprendizaje. Considerando que el presente trabajo empleó un conjunto de diferentes metodologías para el diseño del curso, una de sus limitaciones es la dificultad de evaluar el peso de cada una en el proceso de aprendizaje. Por lo anterior, resulta difícil efectuar una comparación del presente trabajo con los encontrados en la literatura. Se podría considerar que la enseñanza por medio de postulados y la generación del conflicto cognitivo que esto contribuye a generar son los factores de mayor impacto en los estudiantes.
Conclusiones
Los resultados de las evaluaciones sumativas mostraron que 84 % de los estudiantes pasaron la evaluación con un promedio de un 75/100 en sus calificaciones, lo cual puede ser considerado como un indicio adicional de la efectividad de las metodologías implementadas. En el año 2018, se iniciaron las pruebas de un modelo de test de conocimientos con el fin de evaluar el posible cambio conceptual comparativo al inicio y final del curso. Los resultados serán el tema de un próximo trabajo.
Está fuera del alcance del estudio evaluar cuál (o cuáles) de las cuatro estrategias es más efectiva en el proceso de enseñanza y aprendizaje. De los resultados de los años presenciales y no presencial, se extrae que probablemente la metodología activa no es la más importante. A pesar de las dificultades en su implementación en la modalidad no presencial, la percepción del curso por parte de los estudiantes en algunos aspectos mejoró. Tampoco tenemos respuestas acerca de cómo implementar una modalidad no presencial que incluya en mayor medida metodologías activas. Los estudiantes sugieren dividir el grupo en pequeñas sesiones, donde se lleven a cabo discusiones interactivas de pequeños grupos. Estas ideas serán implementadas en los cursos siguientes, en caso de que estos continúen de forma no presencial.
En este trabajo no se presentan comparaciones entre un curso tradicional y este empleando las cuatro metodologías. La única comparación posible en el momento es el curso tradicional a cargo de otro docente. Como indica el anexo 4, para ese curso en particular los estudiantes lo ponderaron de forma cuantitativa por debajo del promedio del departamento y del campus.
Futuras líneas de investigación
La implementación del curso de forma no presencial se debió a situaciones fuera de nuestro control, por tanto, las adaptaciones metodológicas se efectuaron sobre la marcha. Futuras investigaciones podrían estudiar referencias bibliográficas que permitan tener un soporte conceptual para incorporar de forma planificada metodologías no presenciales. Con esta base, las investigaciones podrían incluir comparaciones objetivas entre cursos presenciales y no presenciales.
Por otro lado, en la mayoría de los grupos de estudiantes con los cuales se efectuó esta investigación, es claro que un porcentaje de ellos tiene dificultades para adaptarse a las metodologías de enseñanza implementadas. Estos estudiantes, de ser identificados previamente, podrían hacer parte de un grupo de control. De esta forma, se compararía con mayor certeza el método de enseñanza tradicional con el planteado en este estudio. La identificación de los estudiantes como posibles integrantes del grupo de control podrían ser seleccionados a través de test sicológicos y con la aceptación del estudiante.
Otro aspecto a incluir en investigaciones futuras es el impacto de las metodologías de este estudio en la solución de problemas prácticos de la metalurgia, en comparación con el método tradicional de enseñanza de la termodinámica. Este estudio se podría efectuar de forma paralela con el sugerido en el numeral anterior.
El presente estudio será complementado en un futuro con una evaluación de conocimientos conceptuales de la termodinámica al inicio y final del curso, diferente a la evaluación sumativa. En el momento se está desarrollando el instrumento necesario para dicha evaluación. Si bien en la literatura existen este tipo de instrumentos, su objetivo es evaluar conceptos muy puntuales como el de energía, sin tener en cuenta una integración general de la termodinámica.
Otra línea interesante de estudio está relacionada con determinar el impacto a largo plazo de las metodologías implementadas en el curso. Por ejemplo, su influencia en otros cursos, en la solución de problemas de ingeniería donde la termodinámica no sea el factor preponderante (por ejemplo, los aspectos cinéticos de los procesos) y en el desempeño en la vida laboral como ingenieros. Esto requeriría un seguimiento del estudiante a largo plazo en su desempeño universitario y laboral.
