La enseñanza tradicional de la física, basada principalmente en la simple exposición de una clase por el profesor y la resolución de problemas modelo en el pizarrón, además de las listas de problemas de tarea de algún libro de texto de física, con un mínimo de actividades experimentales, se ha comprobado como un método poco efectivo para el aprendizaje correcto de conceptos de física. Para dar soporte a la declaración de la Comisión Internacional de Educación en Física (icpe, por sus siglas en inglés) y de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (iupap, por sus siglas en inglés), en este apartado exponemos las seis generalizaciones de resultados sobre el aprendizaje de la física de acuerdo con Lillian McDermott (2001):

1. La facilidad para resolver problemas cuantitativos estándares no es un criterio adecuado para evaluar el entendimiento práctico.

2. Frecuentemente las conexiones entre conceptos, representaciones formales y el mundo real son inexistentes después de la instrucción tradicional.

3. Ciertas concepciones erróneas no son superadas con una instrucción tradicional. El acceder a niveles más avanzados de instrucción no necesariamente incrementa el nivel de entendimiento de los conceptos básicos.

4. La instrucción tradicional no promueve una estructura conceptual coherente.

5. El incremento en la capacidad de análisis y razonamiento no es el resultado de una instrucción tradicional.

6. Para la mayoría de los estudiantes la enseñanza basada en la exposición de contenidos es un modo ineficiente de instrucción.

He aquí por qué es importante utilizar las técnicas de aprendizaje activo en la clase tradicional de física. Por consiguiente, para guiar el proceso de enseñanza de la física McDermott (2001) propone lo siguiente:

1. La evaluación del aprendizaje debe ser realizada mediante preguntas esenciales que requieran de un razonamiento cualitativo y de explicaciones verbales. Este tipo de preguntas constituyen a su vez una estrategia efectiva para el aprendizaje.

2. Los estudiantes necesitan una práctica sostenida para interpretar el formalismo físico y relacionarlo con el mundo real.

3. Dificultades conceptuales persistentes deben ser explícitamente atacadas en múltiples contextos.

4. Los estudiantes deben participar en el proceso de construcción de modelos cualitativos y en la aplicación de estos modelos para predecir y explicar los fenómenos del mundo real.

5. El razonamiento científico debe ser expresamente cultivado.

6. Los estudiantes deben estar intelectualmente activos en el proceso de aprendizaje para desarrollar una comprensión funcional.

1.2 Una base científica para la enseñanza de la física

Es importante señalar que la enseñanza de la física no es un arte, sino una ciencia. Edward Redish (1999) propuso que para seguir avanzando en las investigaciones en educación en física se necesita una base teórica que enmarque el trabajo de los distintos grupos y permita, por acumulación, la existencia de conocimiento científico colectivo que caracterice la enseñanza de la física como una ciencia y no como un arte. Redish (1999) propone cinco principios:

1. El principio constructivista. “Los individuos construyen su propio conocimiento haciendo conexiones con el conocimiento existente, ellos usan ese conocimiento para crear productivamente una respuesta a la información que reciben.” Un estudiante que se encuentra activo en las clases, que participa, observa y construye cosas con sus propias manos, alcanza niveles de comprensión más profundos y duraderos que un estudiante que mantiene una actitud pasiva.

2. El principio contextual. “Es razonablemente fácil aprender algo que coincide o extiende un esquema existente, pero cambiar sustancialmente un esquema bien establecido es difícil.” Cuando las predicciones no concuerdan con los resultados el estudiante responde con un estado de desequilibrio, entonces las creencias cambian al confrontar las diferencias entre las observaciones y las predicciones.

3. El principio de cambio. “Lo que la gente construya depende del contexto (incluyendo su estado mental).” La comprensión y el aprendizaje están muy relacionados con las conexiones que el estudiante es capaz de establecer con su propia realidad.

4. El principio de la función de distribución. “Dado que cada individuo construye su propia estructura mental, diferentes estudiantes tienen diferentes respuestas mentales y diferentes acercamientos al aprendizaje. Cualquier población de estudiantes mostrará una variación significativa en un número grande de variables cognitivas.” Redish afirma que cada estudiante tiene su interpretación personal, de manera que no hay una realidad compartida de conocimientos. Por ello, los alumnos individualmente obtienen diferentes interpretaciones de los mismos materiales, cada uno construye (reconstruye) su conocimiento según sus esquemas, sus saberes y experiencias previas.

5. El principio de aprendizaje social. “Para la mayoría de las personas, el aprendizaje es más eficaz a través de interacciones sociales.” Este principio se basa en el trabajo de Vygotsky (1978). El socio-constructivismo de Vygotsky ha tenido un profundo impacto en las teorías modernas de enseñanza y aprendizaje, puesto que el aprender es una experiencia social donde el contexto es muy importante. El trabajo en grupo maximiza el aprendizaje de los estudiantes.

El método de aprendizaje activo en algunas de sus formulaciones intenta reproducir el proceso científico en el aula, desarrollando habilidades de razonamiento útiles en la física. La manera de promover el aprendizaje activo en los estudiantes es variada y se puede considerar como un sistema que envuelve cinco elementos principales:

1. Objetivos de aprendizaje claramente establecidos.

2. Metodologías de enseñanza acordes con los objetivos.

3. Mecanismos de apoyo o ayuda en el salón de clase.

4. Sistemas de evaluación consistentes.

5. Mecanismos de apoyo fuera del salón de clase (tecnologías de la información).

La combinación de estos elementos puede garantizar que los estudiantes se conviertan en responsables de construir su aprendizaje, y así el profesor sólo representará una ayuda oportuna y eficiente.

1.3 Hacia una nueva didáctica de la física

En este apartado comentaremos algunas reflexiones compartidas por el profesor Inglés John Ogborn durante su ceremonia de premiación de la medalla icpe en el año 2006, en Tokio, Japón. Cabe señalar que éste es el máximo galardón internacional en el área de educación en física. Es interesante conocer la perspectiva de este prestigioso investigador con más de 50 años de experiencia. Puesto que estamos interesados en plantear las directrices de una nueva didáctica de la física, nos damos a la tarea de examinar brevemente las seis líneas de trabajo propuestas por Ogborn.

1.3.1 Reforma de la educación de la física

En la década de 1950 se realizó una gran reforma mundial del currículo, la cual se ha continuado de forma ininterrumpida y debe considerar el avance tecnológico y económico. No obstante los avances, es necesaria una actualización del currículo que incluya nuevos temas y nuevas estructuras de temas. También se debe hacer hincapié en la divulgación e interés por la ciencia, así como prestar especial atención a la retórica sobre el proceso de aprendizaje: “aprender haciendo”, esto es, considerar el aprendizaje activo. Pero aprender no sólo es hacer, se necesita pensar antes, durante y después del hacer. Por consiguiente, debe tenerse cuidado de las dificultades que ocasionan clases largas y con pocos recursos. La Organización para las Naciones Unidas para la educación, la Ciencia y la Cultura (unesco, por sus siglas en inglés) lleva más de dos décadas fomentando las metodologías del aprendizaje activo de la física (aaf).

Hay tres lecciones de la reforma de la Educación en Física que debemos tener presentes:

• La naturaleza e implementación de la reforma tiene sus características nacionales.

• El cambio curricular es mucho más lento de lo que se piensa.

• Hay constricciones comunes en todas las reformas.

Estas constricciones comunes son:

• Cambios en la física misma.

• La función social de la física misma.

• La estructura del sistema de educación.

• Qué profesores se tiene.

• Qué nuevas demandas sociales deben reunir.

1.3.2 Actualización del contenido de la física

La física, como todas las ciencias, está en constante evolución, año tras año se incorporan más conocimientos y resultados nuevos. Por consiguiente, el futuro necesita actualizarse reformando el contenido existente, y debe tener cuidado de no vivir en el pasado, pues esto lleva a conceptos obsoletos y a seguir enseñando una física desactualizada. Se debe, pues:

• Responder al desarrollo de la física.

• Realizar la transposición didáctica de los nuevos conocimientos científicos generados.

• Prestar especial interés al nivel de profundidad de los temas a enseñar.

• Se requiere una fuerte selección y simplificación del currículo actual. Algunos ejemplos son los temas de: introducción de física moderna, física cuántica, relatividad, física de partículas, física nuclear, microelectrónica y termodinámica, que, desafortunadamente, a veces son opcionales.

En el futuro se necesita considerar los siguientes temas: el uso de computadoras en la experimentación, el modelado y el procesamiento de datos, la visualización de fenómenos, el procesamiento de imágenes, el gran desarrollo de la óptica y la opto-electrónica, los sensores, la instrumentación y las tecnologías de la información y la comunicación (tic).

1.3.3 El futuro de las matemáticas en la física

Otro punto importante en la didáctica de la física es el lenguaje matemático, que es la forma de expresar las leyes y principios, y que presenta muchas dificultades a los estudiantes en su comprensión y manipulación, no obstante su complejidad, son absolutamente cruciales, aunque no trabajen bien. Desafortunadamente, los matemáticos ahora están menos interesados en las matemáticas para la física, y su enseñanza se da por la vía tradicional, que es el mecanicismo. Existe una ventaja con las matemáticas: pocos conceptos, amplia variedad de herramientas matemáticas desarrolladas, pero el problema es que no hay interés en actualizar su enseñanza. Recordemos que varias ramas de las matemáticas fueron desarrolladas por los físicos al hacer sus investigaciones.

Una propuesta de matemáticas en la física es que sean parte del curso de física “Modelos matemáticos y métodos”, y que puedan desarrollar una secuencia de esquemas matemáticos, cada uno de un rango de ejemplos físicos; como ejemplos pueden ser proporcionalidad simple, resortes, presión, flujo, circuitos simples, el cambio exponencial, la ecuación diferencial de primer orden, el decaimiento exponencial, el decaimiento de carga, el amortiguamiento, la aceleración y las oscilaciones, la ecuación de segundo orden y el movimiento acelerado, así como el movimiento armónico. En suma, la propuesta para abordar las matemáticas en el currículo de física es:

• Enseñar matemáticas dentro de la física.

• Explotar más los métodos numéricos: soluciones iterativas paso a paso.

• Ser mucho más visual en matemáticas.

1.3.4 Trabajo práctico en el futuro

En cierta forma este punto ya se ha abordado en la declaración del icpe-iupap, el trabajo experimental en la enseñanza de la física no debe ser descuidado, relegado o sustituido con simulaciones computacionales, es importante dedicar tiempo para las clases experimentales y de laboratorio. La propuesta para la reforma curricular es tener presentes tres funciones principales:

• Demostración de principios y aplicaciones “ver y creer”.

• Aprender a desarrollar habilidades y a ser cuidadoso.

• Investigando por sí mismo (tratar, fallar, intentar).

• Se necesita un mejor balance de las tres.

1.3.5 Lecciones de la investigación

Hay un problema importante en la investigación realizada en la enseñanza de la física en los últimos 50 años y la forma en que ésta impacta en la educación en la actualidad. Hay una gran desarticulación de la investigación y el llevar sus resultados a la práctica. Mucho se ha escrito al respecto, pero la realidad es incuestionable, la gran mayoría de profesores de física de todos los niveles educativos desconocen los resultados más significativos de la investigación educativa. Podemos señalar, brevemente, que los resultados más fuertes son:

• Las ideas que los estudiantes tienen sobre el mundo deciden cómo entienden lo que se les enseña.

• El aprendizaje necesariamente y siempre transforma lo que se enseña.

• Si se quiere entender o resolver un problema real, se tiene que enseñar y practicar con él.

• Enseñar mediante rutinas de ejercicios y esperar por su uso el entendimiento no funciona.

• La discusión y argumentos con otros estudiantes ayuda.

1.3.6 Desafíos para el futuro

Si bien la icpe ha señalado desafíos muy generales de la enseñanza de la física, éstos tienen rasgos comunes en regiones próximas, sea Norteamérica, Latinoamérica, Europa, Asia, etc., el problema debe ser analizado de acuerdo a las circunstancias particulares de los diferentes países y debe formar redes de trabajo colaborativo en las diferentes regiones del planeta para difundir los resultados, organizar eventos académicos sobre la enseñanza de la física y coordinar proyectos editoriales de acceso gratuito tanto para estudiantes como para profesores. En general, se puede plantear lo siguiente:

• Es necesaria una mayor incidencia en la secundaria, ya que en ese nivel se concentra una gran cantidad de estudiantes a nivel mundial.

• La física debe ser más adecuada para el entendimiento del público, es necesario hacer una mayor labor divulgativa de la ciencia en general:

– Más social y con aplicaciones tecnológicas.

– Más filosófica y en el contexto histórico.

– Pero muchos profesores no están listos para esto.

• Aumentar el interés para que los estudiantes estudien física.

• Se necesita mantener en actualización continua de la enseñanza de la física.

• Se necesita mejorar la manera en que se enseña física tomando en cuenta diferentes teorías educativas.

Las líneas principales serían las siguientes:

• Investigación en física educativa (aprender qué aprenden los alumnos).

• Opciones curriculares (investigación basada en materiales).

• Replanteamiento de metas (el currículo escondido).

• Enseñar a los estudiantes a pensar (aprender a aprender).

• Uso de tic.

1.4 Fundamentos teóricos del aprendizaje activo

El aaf se considera como el conjunto de estrategias y metodologías para la enseñanza-aprendizaje de la física, en el que los alumnos son guiados para construir su conocimiento de los conceptos físicos mediante observaciones directas del mundo físico (Sokoloff, 2006, p. 3). En este proceso se utiliza un ciclo de aprendizaje que incluye predicciones, discusiones en grupos pequeños, observaciones y comparaciones de resultados observados con las predicciones. Este ciclo de aprendizaje se ha llegado a conocer como pods (Predicción, Observación, Discusión y Síntesis). Un antecedente de este ciclo es la secuencia poe (Predecir, Observar, Explicar) desarrollada por White y Gunstone (1992), la cual surgió en la enseñanza de las ciencias. El término aprendizaje activo depende del contexto y de quién lo esté utilizando. En muchas ocasiones se utiliza indistintamente cuando se habla de aprendizaje colaborativo o de aprendizaje cooperativo. Puede abarcar una variedad de actividades, desde que los estudiantes discutan un problema o un concepto durante la clase a lo largo del semestre. Aprendizaje activo significa, básicamente, que los estudiantes están involucrados en algún tipo de actividad guiada en la clase a fin de que estén haciendo algo en el aula, además de sentarse y escuchar al instructor dar una conferencia o viendo los problemas de trabajo en el pizarrón. Esta definición tiene dos consecuencias (Breslow, 1999):

1. En el aula, los alumnos no son receptores pasivos de conocimiento, sino que son aprendices activos.

2. Los profesores no son vistos como fuentes de información, sino más bien como mentores o entrenadores.

El punto medular de las actividades del aaf es que los estudiantes trabajen juntos siguiendo una secuencia didáctica específica utilizando actividades experimentales. Richard Hake (2007) ha señalado que

[…] los métodos de participación interactiva son diseñados en parte para promover la comprensión conceptual a través de la participación interactiva de los estudiantes en actividades mentales (siempre) y de manos a la obra (en general) que producen información inmediata a través de la discusión con sus compañeros y/o instructores.

Tal como se mencionó en la introducción, en los últimos años se han desarrollado, en los Estados Unidos y en otros países desarrollados, diversos estudios de investigación en física educativa que han demostrado la eficacia del aprendizaje activo para generar un conocimiento más profundo de conceptos físicos tratando de conectar éstos con experiencias reales comprensibles para los alumnos. Las principales características de las herramientas didácticas que fundamentan el aprendizaje activo (Thornton y Sokoloff, 1990) son:

1. Las herramientas tecnológicas permiten a los alumnos dirigir su práctica sin consumir la mayor parte del tiempo en recolectar datos para su demostración.

2. Los datos son graficados en tiempo real y permiten a los alumnos una inmediata retroalimentación y poder ver los datos en forma comprensible.

3. Debido al hecho de que los datos son rápidamente obtenidos y analizados, los alumnos pueden examinar fácilmente las consecuencias de un gran número de cambios en las condiciones experimentales durante una sesión de laboratorio. Los estudiantes pasan una gran parte del tiempo observando fenómenos físicos e interpretándolos, discutiendo y analizando datos.

4. Las herramientas de hardware y software son generales, es decir, independientes de los experimentos, por lo cual los alumnos son capaces de enfocarse en la investigación de muchos fenómenos físicos sin perder tiempo usando instrumentos más complicados.

5. Las herramientas tecnológicas no determinan ni el fenómeno a investigar, los pasos de la investigación, ni el nivel o sofisticación del objetivo de aprendizaje, por lo que son útiles desde el nivel elemental hasta el universitario.

Los modelos de aaf se han desarrollado como una consecuencia de las deficiencias de la enseñanza tradicional; en la tabla 1.1 se muestran algunas de las principales diferencias entre el aprendizaje tradicional y el activo (Mazzolini, 2002; Sokoloff, 2006).

Tabla 1.1. Comparación entre ambientes de aprendizaje tradicional y activo
Ambiente de aprendizaje pasivo	Ambiente de aprendizaje activo
El instructor y el libro de texto son las autoridades y fuente de todo conocimiento.	Los alumnos construyen su conocimiento al poner manos a la obra y al hacer observaciones. Las observaciones reales del mundo real son la autoridad.
Las creencias de los alumnos rara vez son contrastadas.	Se utiliza el ciclo de aprendizaje en el que los alumnos son desafiados a comparar sus predicciones (basadas en sus creencias) con las observaciones de experimentos reales.
Puede ser que los alumnos nunca perciban el conflicto entre sus creencias y lo que se les enseña en clase.	Las creencias de los alumnos cambian cuando los alumnos son confrontados ante las diferencias entre sus observaciones y sus creencias.
El rol del profesor es de autoridad.	El papel del instructor es de guía en el proceso de aprendizaje.
La colaboración entre compañeros no es fomentada.	Se fomenta la colaboración entre compañeros.
Las clases de física a menudo presentan los “hechos” de la física con poca referencia a la experimentación.	Los resultados de experimentos reales son observados en formas comprensibles.
El trabajo de laboratorio, si lo hay, se usa para confirmar teorías “aprendidas” en clase.	El trabajo de laboratorio se utiliza para aprender conceptos básicos.

El aaf es un modelo de aprendizaje centrado en el estudiante (scl, por sus siglas en inglés) en donde el estudiante se encuentra en el centro de su propio proceso de aprendizaje, participa activamente en su proceso de formación, aprende a su propio ritmo usando sus propias estrategias; desarrolla habilidades tales como la solución de problemas, pensamiento crítico y reflexivo, explicar y se adapta a diferentes estilos de aprendizaje (Benítez, 2012). El scl se distingue del centrado en el profesor porque éste se caracteriza por la exposición de información de un experto en el conocimiento (profesor) para un receptor pasivo (estudiante) o consumidor.