Transformación de preguntas de física de exámenes de ingreso a la universidad en kits de experimentos.
Un nuevo proyecto que reinventa las clases de física de la escuela secundaria
Las preguntas de física de los exámenes de ingreso a la universidad suelen partir de la premisa de un "mundo idealizado" abstracto —por ejemplo, un suelo sin fricción o una resistencia del aire insignificante— que solo existe como un experimento mental. Cualquiera que haya estudiado física probablemente se haya enfrentado a este tipo de suposiciones al menos una vez.
Miembros del proyecto del Laboratorio de Exámenes de Física: Serie de Laboratorios de Exámenes de Física™. De izquierda a derecha: Ueno, Iwata, Kawasaki y Matsumoto de Shimadzu Rika Corporation.
Shimadzu Rika Corporation, responsable de la división de enseñanza de física y química del Grupo Shimadzu, ha lanzado una iniciativa en colaboración con la Asociación Conmemorativa de la Olimpiada Internacional de Física 2023 para transformar preguntas de física de exámenes de ingreso universitarios anteriores en kits de experimentos. Hablamos con miembros de Shimadzu Rika sobre Physics Exam Lab: Physics Exam Lab Series™, un proyecto diseñado para acercar la física a los estudiantes.
Cómo llevar los experimentos mentales a la práctica en el aula
“Responder a las preguntas de los exámenes de ingreso y realizar experimentos se han convertido en dos cosas completamente distintas en el aula”. Esta preocupación nos la suelen expresar los profesores de secundaria. Al mismo tiempo, el Examen Común de Admisión Universitaria y los exámenes de ingreso a las mejores universidades incluyen cada vez más preguntas basadas en experimentos u observaciones”, afirma Takashi Matsumoto, gerente de la Sección de Equipamiento de Laboratorio Científico de Shimadzu Rika Corporation y líder del proyecto.
El equipo de Matsumoto fue responsable de producir 450 kits de experimentos para la Olimpiada Internacional de Física de 2023. Para lograrlo, superaron diversos desafíos, como las limitaciones presupuestarias, la necesidad de garantizar una calidad constante mediante la producción en masa y el mantenimiento de la confidencialidad de las preguntas del examen, y entregaron los kits con éxito. Según se informó, los participantes internacionales elogiaron los kits, destacando su excepcional calidad.
Esto derivó en una invitación para unirse al Laboratorio de Exámenes de Física, un nuevo proyecto impulsado principalmente por los profesores que organizaron la Olimpiada Internacional de Física de 2023 en Japón. Dicha invitación marcó el inicio del desarrollo de la Serie del Laboratorio de Exámenes de Física, que transforma las preguntas de los exámenes de ingreso en kits de experimentos.
El equipo está desarrollando actualmente kits de experimentos basados en las siguientes tres preguntas del examen de ingreso.
- “Tren magnético pasando a través de la bobina” (Examen común de física de 2022, pregunta 3)
- “Velocidad terminal de un vaso de aluminio” (Examen común de física de 2023, pregunta 2)
- “Accesorio de péndulo con carrito” (Examen de admisión de primera ronda de la Universidad de Tokio 2018, pregunta 1 de física)
1. Tren de imanes que pasa a través de la bobina: Los imanes en movimiento generan electricidad.
Ueno, el líder del equipo para el desarrollo
Ueno, el líder del equipo de desarrollo, explicó: “Desarrollamos un kit en el que un imán —que representa un tren— pasa a través de un tubo conductor, lo que permite a los estudiantes observar tanto los cambios en el movimiento como la inducción electromagnética. La inducción electromagnética, donde se genera un voltaje cuando un imán pasa a través de una bobina, aumenta con la velocidad a la que el imán se mueve a través de la bobina. Cambiar la orientación del imán invierte la polaridad del voltaje. Los estudiantes también pueden observar cómo cambia el voltaje al variar el número de vueltas de la bobina”.
Fotografías de pantallas de PC que muestran cambios de voltaje debido a la inducción electromagnética.
Para el experimento, utilizaron la bobina patentada de Shimadzu Rika Corporation, que recientemente celebró su décimo aniversario en el mercado. Una característica clave es la estabilidad del bobinado, lo que garantiza una adquisición de datos fiable. Además, una sola bobina permite alternar entre 600 y 300 vueltas para los experimentos, lo que facilita a los estudiantes la comparación de los cambios en la forma de onda bajo diferentes condiciones.
Vídeo de montaje del experimento "Tren magnético pasando a través de la bobina" (del canal de YouTube Physics Exam Lab), en japonés.
2. Pantalla de cuadrícula de análisis de vídeo para la velocidad terminal de una copa de aluminio
Kawasaki, quien desarrolló la pantalla de análisis de vídeo, explicó: «Este kit se basa en la pregunta 2 del examen común de física de 2023. Esta pregunta se centra en la velocidad terminal: el punto en el que la aceleración del vaso de aluminio que cae se vuelve cero. Al realizar experimentos, grabamos vídeos y los analizamos con una aplicación, pero desarrollé una pantalla para facilitar este proceso. Las líneas de la cuadrícula impresas en la pantalla facilitan el análisis y permiten observar con mayor claridad los cambios en la distancia recorrida en el vídeo. El material utilizado es lona que no se enrolla, elegida por su resistencia a las arrugas. Además, un profesor del laboratorio de exámenes de física desarrollará una aplicación de análisis gratuita que se podrá usar en un navegador».
Kawasaki explica cómo usar la pantalla que desarrolló.
Vídeo instructivo para el kit de experimento de caída de un vaso de aluminio (del canal de YouTube Physics Exam Lab), en japonés.
3. Accesorio de péndulo para carro que oscila sobre un suelo sin fricción.
Iwata, diseñador del accesorio de péndulo para carrito, explicó: «Este kit corresponde a la pregunta 1 de física del examen de ingreso de la Universidad de Tokio de 2018. Esta pregunta analiza el movimiento general de un péndulo suspendido de un pilar sobre un carrito colocado en un suelo horizontal, suponiendo que no hay fricción entre el suelo y el carrito. Al montar la unidad en nuestra plataforma Smart Cart, simulamos las condiciones de un suelo sin fricción. Lo diseñamos para que los estudiantes puedan analizar las preguntas y verificar los resultados por sí mismos. Nos centramos en la facilidad de uso en el aula, incorporando características como longitudes de cuerda ajustables y escalas angulares para garantizar que el kit sea fácil de manejar durante las clases».
También explicó que “los estudiantes pueden confirmar visualmente el punto fijo que se forma en la cuerda del péndulo como resultado del movimiento combinado del carro y el péndulo, tal como predice la teoría”.
Kits de experimentación desarrollados mediante la colaboración en equipo.
En el desarrollo de los kits, cada miembro se responsabiliza de un dispositivo específico, mientras que todo el equipo realiza las revisiones de diseño. El equipo también consulta con profesores del Laboratorio de Exámenes de Física y prueba prototipos con estudiantes universitarios y de secundaria, incorporando sus comentarios para perfeccionar el diseño.
Comentario del responsable de Shimadzu Rika Corporation
Cuando los profesores de la Olimpiada de Física nos propusieron adaptar las preguntas del examen de ingreso directamente a kits de experimentos, pensé: "Este es precisamente el tipo de trabajo que debería estar haciendo Shimadzu Rika".
Nuestro objetivo era recrear, con la mayor fidelidad posible, los “dispositivos imposibles” mostrados en los diagramas del examen, combinando equipos existentes con enfoques innovadores. Al releer la pregunta del examen con la intuición adquirida tras el experimento, el significado de las fórmulas cobra sentido de forma natural. Es probable que los estudiantes que realizan el experimento antes de responder las preguntas del examen logren una comprensión más profunda y una impresión más positiva de la física que aquellos que solo estudian con el texto.
Hasta ahora, a menudo sucedía que, incluso después de realizar experimentos y dedicar tiempo a graficar los resultados, no había tiempo suficiente para verificar los hallazgos cruciales. Hoy en día, los sensores de alta precisión pueden capturar los resultados experimentales y convertirlos en datos, lo que nos permite proporcionar materiales didácticos que ayudan a los estudiantes a analizar los resultados de manera más eficiente y a aprender con mayor eficacia.
Nos encantaría que nuestros kits sirvieran como una solución fundamental para los profesores que tienen dificultades para encontrar tiempo para realizar experimentos. Sobre todo, esperamos que estos kits inspiren a los estudiantes a descubrir lo fascinante que puede ser la física.
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