Misconceptions persistence on the electric circuits of direct current

Persistencia de Preconcepciones sobre los Circuitos Eléctricos de Corriente Continua

Persistencia de Preconcepciones sobre los Circuitos Eléctricos de Corriente Continua

(Misconceptions persistence on the electric circuits of direct current)

F. Solano1^*, J. Gil, A.L. Pérez y M.I. Suero

Grupo Orión, Área de Óptica, Dpto. Física,

Universidad de Extremadura, Avda. de Elvas s/n, C.P. 06071 Badajoz, Espanha

Recebido em 23 de julho, 2002. Aceito em 16 de setembro, 2002.

En este trabajo pretendemos comprobar que las preconcepciones que los alumnos poseen sobre los circuitos eléctricos de corriente continua son comunes a alumnos de diferentes edades y están tan fuertemente arraigadas que ni la instrucción durante muchos años permite modificarlas.

In this work we seek to check that the misconceptions that the students possess on the electric circuits of direct current they are commons to students of different ages and they are so strongly ingrained that neither the instruction during many years allows to modify them.

I Introducción

Asumiendo una actitud constructivista respecto al aprendizaje en la enseñanza de las Ciencias una de nuestras preocupaciones fundamentales –aunque desde luego no la única ni la última– debería ser conocer qué es lo que los alumnos ya saben sobre lo que vamos a enseñarles.

Siempre que una persona intenta comprender algo, necesita activar las ideas que ya posee y que le sirvan para organizar la nueva información y darle sentido (Ausubel, 1978), de ahíla importancia que han adquirido los estudios sobre las ideas distintas a las científicas que tiene el alumnado. Se dispone de abundantes datos sobre las preconcepciones de los estudiantes con respecto a los fenómenos tanto físicos (Viennot, 1985; Driver, 1989; Montanero, M. et al.,1995; Gil, J. et al., 1998) como químicos (Driver et al., 1985), biológicos (Giordan et al.,1987), sociales e históricos (Carretero et al., 1989) e incluso matemáticos (Orton, 1988).

En este trabajo se presenta un estudio sobre las preconcepciones que poseen los alumnos de todos los niveles del sistema educativo español sobre el funcionamiento de los circuitos de corriente continua. Y más concretamente sobre las magnitudes que intervienen en ellos, intensidad de la corriente eléctrica, diferencia de potencial y la relación entre ellas. Realizaremos un análisis comparativo de los resultados obtenidos en los dos Sistemas Educativos que durante más de 10 años han estado coexistiendo en nuestro País. En la tabla I se muestra una breve descripción de estos dos Sistemas Educativos.

Aunque somos conscientes de que se han realizado muchos estudios sobre este tema y diversas revisiones bibliográficas (Closeet,1983; Shipstone, 1984; Varela et al., 1988; Hierrezuelo et al., 1988; Manrique et al., 1989; Metioui et al., 1996; Koumaras et al., 1997; Furió et al., 1999; Pontes et al., 2001) la mayoría son de carácter descriptivo (Solano, I. et al., 2000) y no evolutivo que permitan conocer como progresa el conocimiento de los alumnos sobre un determinado contenido de enseñanza. Por otra parte ninguno aporta datos obtenidos del nuevo sistema educativo español y que abarque desde la Educación Primaria hasta la Universidad.

II Fundamento teórico

Como se indica en el apartado anterior desde hace varios años se vienen realizando numerosas investigaciones acerca de las ideas previas que poseen los alumnos sobre los circuitos eléctricos y las magnitudes que intervienen en su estudio.

Como en otros campos de la Ciencia la enseñanza convencional ha sido incapaz de conseguir que estas preconcepciones evolucionen hacia las ideas admitidas por la comunidad científica, poniéndose de manifiesto la necesidad de buscar nuevas estrategias de enseñanza.

A continuación indicaremos alguna de las preconcepciones que se han detectado en los alumnos y que han sido estudiadas en numerosos trabajos sobre el tema.

Circuito cerrado.

En estudios anteriores realizados por Fredette et al.(1980), "los circuitos eléctricos no son caminos cerrados''. Esta teoría la presentan los alumnos de todos los niveles del Sistema Educativo incluido el nivel universitario, aunque conforme subimos en los niveles desciende la problemática.

Modelos de corriente.

Modelo unipolar: Según los trabajos de Osborne (1981), Shipstone (1984) y Anderson (1986), "la corriente eléctrica circula solamente desde un polo de la pila hasta la bombilla, siendo el otro cable de seguridad''.

Modelo concurrente: De los trabajos de Osborne (1983), Shipstone (1984), Anderson (1986) y Varela et al. (1988), se deduce que "la corriente eléctrica circula desde la pila hasta la bombilla a través de dos cables, produciéndose la luz como consecuencia del encuentro de ambas corrientes''.

Modelo fuente-consumidor: Otra de las preconcepciones que se deducen de los trabajos de Fredette et al. (1980) y de Shipstone (1984), es que "la corriente eléctrica que fluye de la batería se va gastando a medida que avanza en el circuito''. Esta teoría surge por la confusión entre los términos de corriente y energía. Algunos autores la atribuyen (Anderson, 1986) al uso incorrecto que se da a estos términos en la vida cotidiana.

Modelo de atenuación: "La corriente circula en una dirección alrededor del circuito, debilitándose gradualmente''. Los últimos componentes recibirán menos y los primeros más, aunque sean iguales. Los alumnos no consideran que la corriente eléctrica se conserva en un circuito.

Modelo de reparto: En este modelo "la corriente se reparte entre los elementos del circuito''.

Tensión y corriente.

De los estudios realizados por Cohen et al. (1983), los alumnos consideran "la tensión como una consecuencia de la corriente y no como su causa''. Según Rhoneck (1983), los alumnos tienen una enorme confusión entre corriente y tensión.

Razonamiento secuencial.

Cuando el circuito es complejo, del trabajo de Closset (1983), se deduce que "los alumnos realizan un análisis local del mismo, y de esta forma si modificamos un elemento del circuito, la corriente que entra en él es la misma que antes pero la que sale no''. Este tipo de razonamiento aparece sobre todo en la Enseñanza Secundaria, por lo que algunos autores consideran que aparece por la secuencia con que se introducen los contenidos en este nivel.

III Objetivos del estudio

Con el presente trabajo perseguimos dos objetivos fundamentalmente, por un lado, estudiar la evolución de las preconcepciones que poseen los alumnos sobre los circuitos eléctricos de corriente continúa, después de varios años de instrucción.

Por otro, analizar si la reforma del sistema educativo español, que propugna partir de las ideas previas de los alumnos buscando un aprendizaje significativo, ha supuesto una mejora en el rendimiento de los estudiantes, y como no, la superación de los problemas detectados en este y otros trabajos desde hace años.

IV Diseño experimental

Para elaborar los instrumentos de trabajo de este estudio inicialmente consideramos dos posibilidades, realizar pruebas de tipo teórico o pruebas de tipo práctico. Si bien éstas últimas tienen unas ventajas, como que permiten observar al alumno en el laboratorio, apreciando su espíritu de investigación, sus reacciones ante una situación compleja, su actitud para disponer y presentar los datos obtenidos, etc.; también presentan serios inconvenientes, como la falta de objetividad, interferencias de factores extraños, dificultades para organizar los grupos, disponibilidad de laboratorios adecuados en todos los Centros, etc.; lo que nos llevó a optar por las pruebas de carácter teórico.

Con esta decisión tomada, se nos plateaban dos alternativas: la oral o la escrita. En la prueba oral encontramos unas ventajas como la existencia de un "contacto'' personal y directo con el alumnado, o la posibilidad de pedirle una explicación a su respuesta; pero presenta notables inconvenientes, entre los que destacamos la insuficiente objetividad y fiabilidad de los resultados y un coste excesivo de tiempo, sobre todo si el número de estudiantes es elevado (como es nuestro caso); lo que nos hizo optar por la prueba escrita.

De nuevo se nos ofrecían dos posibilidades: los exámenes tradicionales y las llamadas "pruebas objetivas''. Siguiendo a Downie (1967), los primeros presentan ventajas como que el alumno expone sus conocimientos, ordena sus ideas, demuestra su capacidad de expresión; pero tiene inconvenientes, como dificultad para conseguir objetividad, limitación en las áreas de conocimientos que pueden estudiarse, dificultad de puntuación, etc.

Esto nos llevó a pensar que las pruebas más adecuadas para nuestra finalidad eran las pruebas teóricas objetivas, que presentan, entre otras ventajas, las siguientes: aseguran objetividad, mejoran la fiabilidad, aumentan los aspectos sobre los que un alumno pueden ser juzgado, permiten una puntuación más fácil y rápida. Aunque no debemos olvidar inconvenientes tales como respuestas al azar, el alumno deja de ser creativo y las pruebas son de difícil confección.

Después de lo dicho, y antes de llevar a cabo el desarrollo experimental, decidimos elaborar un test inicial formado por 20 ítems, validado previamente por profesores de Física de los diferentes niveles educativos y pasándoselos a diferentes grupos de alumnos que no serían objeto de nuestra investigación. Este test se ha pasado a un colectivo de 500 alumnos.

A la vista de los resultados anteriores el diseño experimental ideado está formado por un test de 5 ítems (^{Anexo I}), diseñados por nosotros, de opción múltiple y respuesta válida única. En cada uno de ellos se ofrecen 4 respuestas cerradas y una abierta por si se considera que ninguna de las cuatro anteriores es correcta y para hacer aflorar posibles preconcepciones. En cada ítems se requiere al alumno que justifique su respuesta.

El test se ha pasado a un total de 3300 alumnos, distribuidos según se observa en la tabla 2, pertenecientes a 20 Centros de la región.

El test fue aplicado a todos los grupos por investigadores del Grupo Orión con experiencia en este tipo de pruebas, cuando los alumnos aún no habían recibido instrucción, durante ese curso, sobre el tema de circuitos eléctricos. Puede indicarse que los alumnos no tuvieron ningún tipo de problema de comprensión con los enunciados de los ítems.

V Análisis y discusión de los resultados obtenidos

El fin último de este trabajo es averiguar si las preconcepciones que poseen los alumnos sobre los circuitos eléctricos de corriente continua, estudiadas anteriormente por diversos autores (Fredette et al., 1980; Osborne, 1981; Cohen et al., 1982; Closset, 1983; Shipstone, 1984; Anderson, 1986; Varela et al., 1988; Metioui et al., 1996; Koumaras et al., 1997; Furió et al., 1999; Pontes et al., 2001); persisten a pesar de años de instrucción y a pesar de que en nuestro país se ha modificado el sistema global de enseñanza, pasando del denominado Sistema de Enseñanza Tradicional (Ley del 70) al Nuevo Sistema Educativo (sistema LOGSE), en el que se introducen pautas del aprendizaje significativo y áreas en los niveles inferiores, directamente relacionadas con el tema de electricidad (el nuevo sistema de enseñanza introduce el área de Tecnología como materia obligatoria a partir de 1^º de E.S.O. (11-12 años)) y de carácter eminentemente práctico.

En las tablas 3 y 4 recogemos los porcentajes de alumnos que eligen cada una de las respuestas de los ítems que forman el test, indicando en negrita la opción correcta.

El análisis de estas tablas arroja los siguientes resultados:

Ítem 1: El objetivo que perseguimos con este ítem es averiguar si los alumnos creen que la corriente eléctrica que circula por un circuito se va "debilitando gradualmente''.

Del análisis de las tablas observamos que la respuesta correcta es la más acertada en la mayoría de los niveles y en ambos Sistemas Educativos, aunque es de destacar, que a pesar de ser una pregunta simple no es acertada ni siquiera por el 50 % de los alumnos en los niveles superiores (para 1^º de Universidad en el Sistema Educativo Tradicional, a partir de ahora SET, es del 47,06 %; mientras que para el Nuevo Sistema Educativo, a partir de ahora NSE, es del 45 %). En este ítem llama la atención la gran variedad de respuestas que dan, pues a pesar de acertar con la opción correcta, en la justificación de la misma se observa perfectamente que una gran mayoría piensa que la corriente eléctrica se va debilitando progresivamente. También podemos observar la confusión que existe a la hora de utilizar los términos corriente y energía (Anderson, 1986; Andrés, 1990). Alguna de las justificaciones que alegaron aparecen en la tabla 5.

Para comprobar la evolución de las respuestas con los años de instrucción decidimos calcular el Índice de Facilidad o Destreza (I.D.) para cada grupo de alumnos, utilizando el programa informático LXR-TEST de Logic Extension Resources.

En la gráfica 1 representamos los resultados obtenidos para este índice. En ella podemos observar que a pesar de la instrucción recibida los alumnos de los cursos superiores no consiguen mejores resultados que los de los cursos inferiores. La causa de este comportamiento puede ser que a partir de los 18 años no aparecen contenidos relacionados con electricidad en el currículo oficial, excepto en enseñanzas universitarias muy específicas.

Ítem 2: Para este ítem, que es complementario del anterior, y en el que tratamos de investigar las ideas intuitivas que poseen los alumnos referentes a la dependencia entre voltaje, resistencia e intensidad, la media en porcentajes de aciertos sobrepasa en ambos sistemas educativos el 50 %, siendo mayor en el caso del NSE (72 %).

Los comentarios que hacen los alumnos como justificación a su elección están en la línea del ítem anterior, llamando la atención la variedad de explicaciones que dan y el lío de conceptos que tienen. En la tabla 6 podemos observar alguno de ellos, y como a pesar de acertar en la respuesta, el concepto en síno está muy claro.

Para este ítem (gráfica 2) en el SET el máximo se encuentra a los 13 años (8^o E.G.B.) mientras que el NSE presenta el máximo a partir de los 18 años (1^º de Universidad), pero manteniéndose en niveles casi constante y altos desde los 13 años (Educación Primaria) hasta los 17 años (1^º Bachillerato). La causa de este comportamiento puede estar en la existencia del área de Tecnología en el NSE, que permite que los alumnos tengan activados los esquemas conceptuales adquiridos con la instrucción y utilicen en menor grado sus esquemas particulares para responder a la pregunta del ítem.

Para este ítem, el distractor más elegido es el "c'', que no es el correcto, pero que nos indica que una gran mayoría de alumnos asocia el brillo de la bombilla con el número de pilas que posea el circuito, sin tener en cuenta la conexión de estas pilas. Este comportamiento se observa sobre todo en los cursos inferiores de ambos sistemas educativos, indicándonos la dificultad que la asociación en paralelo de generadores implica en el alumnado. No deja de llamar la atención, que en los niveles superiores (17 años, 18 años y Universidad) el porcentaje para el distractor "c'' sea casi tan elevado como el del distractor correcto. Esto nos indica que una gran mayoría de alumnos a pesar de los años de instrucción sigue contestando según los esquemas particulares que posee y olvida la instrucción recibida.

Alguna de las justificaciones dadas por los alumnos para este ítem pueden observarse en la tabla 7.

Respecto al I.D. para este ítem podemos observar que existen unos dientes de sierra en ambos sistemas educativos, ratificándonos lo dicho anteriormente, los alumnos contestan basándose en las ideas particulares que tienen en ese momento.

Ítem 4: Por último, con los ítems 4 y 5 tratamos de buscar en qué medida los alumnos pueden establecer diferencias entre corriente eléctrica y diferencia de potencial. Asímismo, pueden proporcionarnos información adicional sobre lo que los alumnos entienden por cortocircuito y cómo interpretar un esquema simple de circuito eléctrico.

Para este ítem el distractor más elegido en los cursos inferiores (11, 13 y 16 años), en ambos sistemas educativos, es el "a'', que es el correcto. Mientras que el distractor más elegido en los cursos superiores (17 y 18 años y Universidad) es el "d''. Esto nos indica que a niveles inferiores el alumno responde basándose en que la pila al cerrar el interruptor se gastará y por lo tanto su potencial será mayor al estar abierto; mientras que a niveles superiores los alumnos identifican la existencia de una diferencia de potencial con la existencia de corriente eléctrica (Cohen et al., 1982), y no como la causa. En la gráfica 4 observamos perfectamente este comportamiento.

Alguna de las justificaciones dadas por los alumnos para este ítem pueden observarse en la tabla 8.

Es de destacar que muy pocos alumnos se dan cuenta que al cerrar el interruptor se produce un cortocircuito entre los puntos 1 y 2, y por lo tanto la diferencia de potencial entre ellos será nula.

Para el ítem 5 (gráfica 5), el índice de facilidad presenta una cierta constancia a lo largo de todos los niveles de los dos sistemas educativos, no sobrepasándose en ningún caso el 40 % de aciertos.

Los comentarios sobre las justificaciones están en la misma línea que los ítem anteriores y nos indican que las preconcepciones sobre corriente eléctrica y diferencia de potencial son evidentes y ni siquiera los años de instrucción consiguen corregirlas.

En la tabla 9 podemos observar alguno de ellos.

VI Conclusiones

Del análisis comparativo realizado anteriormente podemos extraer las siguientes conclusiones:

a) Después de más de 8 años de instrucción sobre los circuitos eléctricos de corriente continua los alumnos siguen respondiendo a preguntas simples sobre los mismos con las ideas particulares que poseen en ese momento, olvidándose casi por completo de la formación recibida durante años.

b) Aunque se introduzca una reforma educativa, basada en la "Teoría Constructivista del Aprendizaje'' y en las ideas previas de los alumnos, y se incluya en ella áreas directamente relacionadas con el tema y eminentemente práctica (área de Tecnología a partir de los 12 años), se observa que los rendimientos siguen siendo análogos a los del sistema tradicional y que las preconcepciones que poseen los alumnos son difíciles de corregir, por lo menos, en aquellos casos en los que antes de realizar el test los alumnos no habían recibido durante ese curso instrucción sobre el tema de ningún tipo.

c) Consideramos necesario que los profesores de todos los niveles educativos se conciencien de la existencia de estas preconcepciones y las tengan en cuenta a la hora de abordar su instrucción formal relativa al tema.

Estos resultados nos plantean la necesidad de profundizar y ampliar este tipo de estudio, introduciendo formación inicial reciente antes de la realización del test y elaborando materiales que permitan a los alumnos corregir los problemas detectados, para de esta forma contrastar los resultados con los obtenidos en el presente trabajo.

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Anexo I

Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  24 Feb 2003
• Fecha del número
  2002

Histórico

• Recibido
  23 Jul 2002
• Acepto
  16 Set 2002