Investigación en didáctica de la física

La investigación en educación física ( IEF ) es una forma de investigación educativa disciplinaria específicamente relacionada con el estudio de la enseñanza y el aprendizaje de la física , a menudo con el objetivo de mejorar la eficacia del aprendizaje de los estudiantes. La IEF se nutre de otras disciplinas, como la sociología , la ciencia cognitiva , la educación y la lingüística , ^{[ 1 ]} y las complementa al reflejar el conocimiento y las prácticas disciplinares de la física. ^{[ 2 ]} Aproximadamente ochenta y cinco instituciones en los Estados Unidos realizan investigación en educación científica y física.

Uno de los objetivos principales de la investigación en física pedagógica (PER, por sus siglas en inglés) es desarrollar técnicas y estrategias que ayuden a los estudiantes a aprender física de manera más eficaz y a los instructores a implementarlas. Dado que incluso los conceptos básicos de la física pueden resultar confusos, y considerando la posibilidad de que se formen ideas erróneas científicas al enseñar mediante analogías, las clases magistrales a menudo no logran eliminar las ideas erróneas comunes sobre física que los estudiantes adquieren antes de comenzar a estudiar la materia. La investigación suele centrarse en comprender mejor estas ideas erróneas que los estudiantes traen consigo a clase de física, con el fin de diseñar técnicas que les ayuden a superarlas.

En la mayoría de los cursos introductorios de física, la mecánica suele ser la primera área que se enseña. Las leyes del movimiento de Newton, que describen las interacciones entre fuerzas y objetos, son fundamentales para el estudio de la mecánica. Muchos estudiantes tienen la idea errónea, propia de Aristóteles, de que se requiere una fuerza neta para mantener un cuerpo en movimiento; sin embargo, en la física moderna, el movimiento se modela con la primera ley de la inercia de Newton , que establece que un cuerpo mantendrá su estado de reposo o movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza neta . Al igual que los estudiantes que tienen esta idea errónea, Newton llegó a sus tres leyes del movimiento mediante análisis empírico, aunque lo hizo con un extenso estudio de datos que incluía observaciones astronómicas. Los estudiantes pueden disipar esta idea errónea en un entorno prácticamente sin fricción, donde descubren que los objetos se mueven a una velocidad casi constante sin una fuerza constante.

El objetivo general de la comunidad PER es comprender los procesos involucrados en la enseñanza y el aprendizaje de la física a través de una investigación científica rigurosa.

Según el grupo PER de la Universidad de Washington, uno de los pioneros en el campo, ^{[ 3 ]} el trabajo dentro de PER tiende a encajar en una o más de varias descripciones amplias, que incluyen:

• Identificación de las dificultades de los estudiantes
• Desarrollar métodos para abordar estas dificultades y medir los avances en el aprendizaje.
• Elaboración de encuestas para medir el rendimiento estudiantil y otras características.
• Investigación de las actitudes y creencias de los estudiantes en relación con la física.
• Estudiar la dinámica de grupos pequeños y grandes analizando los patrones de los estudiantes utilizando el encuadre y otros métodos epistemológicos nuevos y existentes ^{[ 4 ].}

"Una introducción a la investigación en educación física", de Robert Beichner, ^{[ 5 ]} identifica ocho tendencias en la investigación en educación física:

• Comprensión conceptual: Investigar qué saben los estudiantes y cómo lo aprenden es un pilar fundamental de la investigación en educación física (PER). Las primeras investigaciones se centraron en identificar y abordar las ideas erróneas sobre los principios de la física. Desde entonces, el término ha evolucionado hacia "dificultades del estudiante" basándose en la consideración de marcos teóricos alternativos para el aprendizaje. Una dificultad con un concepto puede integrarse en un concepto correcto; una idea errónea se erradica y se reemplaza por una concepción correcta. El grupo de PER de la Universidad de Washington se especializa en la investigación sobre la comprensión conceptual y las dificultades del estudiante. ^{[ 6 ]}
• Epistemología : PER comenzó como un enfoque de ensayo y error para mejorar el aprendizaje. Debido a las desventajas de dicho enfoque, las bases teóricas para la investigación se desarrollaron tempranamente, sobre todo a través de la Universidad de Maryland . Los fundamentos teóricos de PER se construyen principalmente en torno al constructivismo piagetiano . Redish, Hammer, Elby y Scherr, ^{[ 7 ]} propusieron teorías sobre la cognición en el aprendizaje de la física, quienes se basaron en el "Conocimiento en Piezas" de diSessa. El Marco de Recursos, ^{[ 8 ]} desarrollado a partir de este trabajo, se basa en la investigación en neurociencia, sociología, lingüística, educación y psicología. Próximamente se presentarán marcos adicionales, el más reciente el "Marco de Posibilidades", ^{[ 9 ]} que se basa en la investigación sobre razonamiento deductivo iniciada por Wason y Philip Johnson-Laird .
• Resolución de problemas: Desempeña un papel fundamental en los procesos que impulsan la investigación en física, y se aborda en numerosos ejercicios de los libros de texto convencionales. La mayor parte de la investigación en este campo se centra en examinar la diferencia entre principiantes y expertos en la resolución de problemas (estudiantes de primer y segundo año, y estudiantes de posgrado y posdoctorado, respectivamente). El grupo PER de la Universidad de Minnesota se ha dedicado a investigar la resolución de problemas. Recientemente, se publicó un artículo en la Sección Especial PER de PRL que identifica más de 30 comportamientos, actitudes y habilidades utilizadas en la resolución de un problema típico de física. En este campo, se requiere mayor precisión y atención a los detalles.
• Actitudes: La Universidad de Colorado desarrolló un instrumento que revela las actitudes y expectativas de los estudiantes sobre la física como asignatura y como curso. A menudo se observa que las actitudes de los estudiantes disminuyen después de la instrucción tradicional, pero trabajos recientes de Redish y Hammer muestran que esto puede revertirse y que se pueden observar mejoras actitudinales positivas si se presta atención a "explicar los elementos epistemológicos del currículo implícito". ^{[ 10 ]}
• Aspectos sociales: Se han realizado investigaciones sobre género, raza y otros aspectos socioeconómicos que pueden influir en el aprendizaje de la física y otras disciplinas. Otras investigaciones han analizado el impacto del lenguaje corporal, la dinámica de grupo y la organización del aula en el aprendizaje de la física.
• Tecnología: Los sistemas de respuesta para estudiantes (mandos a distancia) se basan en el trabajo de Eric Mazur sobre la instrucción entre pares. La investigación en PER examina la influencia, las aplicaciones y las posibilidades de la tecnología en el aula.
• Intervenciones didácticas: El diseño curricular de PER se basa en más de dos décadas de investigación en didáctica de la física. Entre los libros de texto más destacados se encuentran Tutorials in Physics , Physics by Inquiry , Investigative Science Learning Environment y Paradigms in Physics , además de numerosos libros de texto nuevos para cursos introductorios y de nivel intermedio. El Grupo de Investigación en Didáctica de la Física de la Universidad Estatal de Kansas ha desarrollado un programa, Visual Quantum Mechanics (VQM), para enseñar mecánica cuántica a estudiantes de secundaria y universitarios sin conocimientos avanzados de física o matemáticas.
• Materiales didácticos: Para los estudiantes de pregrado, las editoriales ahora enfatizan una base PER para sus libros de texto de física como un importante argumento de venta. Uno de los primeros libros de texto de física completos que incorporó hallazgos de PER fue escrito por Serway y Beichner. Además de los libros de texto, el material didáctico para estudiantes de física preuniversitaria ahora incluye simulaciones PhET (Tecnología de Educación Física). Esto es posible gracias a los avances en el hardware de las computadoras personales, software independiente de la plataforma como Adobe Flash Player y Java , y más recientemente HTML5 , ^{[ 11 ]} CSS3 y JavaScript . ^{[ 12 ]} Según Wieman, ^{[ 13 ]} las simulaciones PhET ofrecen una herramienta directa y poderosa para explorar el pensamiento y el aprendizaje de los estudiantes.

Los artículos de investigación en educación física en Estados Unidos se publican principalmente en cuatro revistas. ^{[ 14 ]} Los artículos enviados al American Journal of Physics : Physics Education Research Section (PERS) están dirigidos principalmente a usuarios de la investigación en educación física. El Journal of the Learning Sciences (JLS) publica artículos que tratan sobre entornos reales o fuera del laboratorio, a menudo en el contexto de la tecnología, y se centran en el aprendizaje, no en la enseñanza. Por otro lado, los artículos de Physical Review Special Topics: Physics Education Research (PRST:PER) están dirigidos a quienes realizan investigaciones sobre educación física en educación física, en lugar de a usuarios. El público de Physics Education Research Conference Proceedings (PERC) está diseñado para una combinación de usuarios e investigadores. Este último ofrece una visión general del campo y, como tal, está abierto a resultados preliminares e investigaciones en curso, así como a artículos que simplemente inviten a la reflexión a la comunidad de educación física en educación física. Otras revistas incluyen Physics Education (Reino Unido), European Journal of Physics (Reino Unido) y The Physics Teacher . Leon Hsu y otros publicaron un artículo sobre la publicación y la revisión de artículos en la investigación en educación física en 2007. ^{[ 14 ]}

• Enseñanza de la mecánica cuántica