Transformando laboratorios de física con tecnología Arduino

Nueva tecnología, como los microcontroladores Arduino, ofrece una oportunidad para mejorar los laboratorios de física para los Estudiantes. Estos dispositivos son asequibles y flexibles, lo que los convierte en una forma útil para que los estudiantes aprendan a usar equipos avanzados. Por eso, añadimos nueva tecnología, incluyendo placas Arduino Due, a un laboratorio de física de segundo año con honores. El objetivo era mejorar las experiencias de aprendizaje de los estudiantes. Este cambio se realizó en tres módulos de laboratorio y buscaba reducir la confusión que a menudo se encuentra en los laboratorios tradicionales. Se fomentó que los estudiantes se involucraran en resolver los problemas que encontraban.

La importancia de resolver problemas fue enfatizada por el instructor, quien lo destacó como una parte necesaria de la realización de Experimentos. Este cambio en el laboratorio también requería que los estudiantes completaran trabajos que superaran las tareas de laboratorio habituales para parte de su calificación. La mayoría de los estudiantes acogieron bien los nuevos aspectos tecnológicos, pero nos dimos cuenta de que eran necesarios ajustes en los métodos de enseñanza para mejorar la experiencia para todos. Específicamente, muchos estudiantes necesitaban apoyo adicional para abordar el trabajo extra. También notamos que algunos estudiantes, especialmente grupos subrepresentados como las mujeres, podrían requerir una guía cuidadosa del instructor para evitar sentirse excluidos cuando el trabajo de laboratorio debía realizarse en parejas. Si los estudiantes elegían a sus propios compañeros, algunos terminaban trabajando solos y asumiendo una carga de trabajo pesada. Teniendo en cuenta estas lecciones, observamos mejoras notables en las experiencias de los estudiantes en el laboratorio modificado.

Los laboratorios de física son cruciales para formar a los futuros físicos. Estos laboratorios deberían ayudar a los estudiantes a pensar como físicos y proporcionar habilidades útiles tanto para carreras académicas como no académicas. Sin embargo, los laboratorios tradicionales a menudo utilizan equipos complicados y costosos que no preparan a los estudiantes para la investigación o trabajos del mundo real. Aunque la investigación de pregrado puede conectar el aprendizaje en el aula con los laboratorios reales, generalmente requiere habilidades que los estudiantes no aprenden en sus cursos de laboratorio regulares.

Así que queda claro que los laboratorios de física necesitan cambiar para preparar mejor a los estudiantes para experiencias de investigación reales y empleos. Un método comprobado para mejorar estos laboratorios es el uso efectivo de computadoras y electrónica de bajo costo, que es parte de nuestra estrategia para cambiar el laboratorio de física de honores en nuestra escuela.

En la Universidad de Pittsburgh, los estudiantes de primer año en ciencias físicas toman un curso de laboratorio separado después de su curso inicial de física. Esto significa que el primer laboratorio al que asisten los estudiantes de física es un laboratorio de principiantes regular o el laboratorio de honores del que estamos hablando. El laboratorio de honores requiere una buena calificación en la clase introductoria y es conocido por su trabajo riguroso, con dos sesiones de laboratorio de tres horas cada semana. La clase generalmente tiene entre 10 y 16 estudiantes, y aproximadamente el 30% de nuestros estudiantes de física eligen el laboratorio de honores.

El proceso de cambiar un laboratorio de física ha sido bien documentado. El primer paso implicó identificar objetivos hablando con la facultad y revisando pautas relevantes. Luego, diseñamos nuevas tareas y procedimientos de laboratorio basados en esta retroalimentación. Finalmente, evaluamos los cambios, que incluyeron tres nuevos módulos de laboratorio basados en Arduino, así como una tarea extra en cada laboratorio.

Dos objetivos principales guiaron nuestros esfuerzos: ayudar a los estudiantes a pensar como físicos y enseñarles importantes técnicas de investigación. Estos objetivos dieron forma a dos principios clave durante el diseño de los nuevos módulos. Primero, el equipo debería ser herramientas reales de investigación utilizadas en diversos experimentos, en lugar de solo dispositivos complicados. Segundo, los estudiantes deberían poder solucionar problemas del equipo, probar diferentes variables y colaborar entre ellos.

Para cumplir con el primer objetivo, creamos un instrumento de prueba digital basado en Arduino. Todo el software producido para esta transformación es de código abierto y está disponible en línea. Para abordar el segundo objetivo, cambiamos la forma en que se llevaba el curso, incluyendo la adición de una tarea extra para el trabajo de laboratorio.

Nuestro enfoque de aprendizaje se basó en el modelo de aprendizaje colaborativo, que sugiere que los estudiantes aprenden mejor cuando se les muestra un buen desempeño y luego se les da apoyo para aprender habilidades importantes antes de practicar de manera independiente. Creemos que la asistencia en el desarrollo de nuevas habilidades es crucial en los cursos de laboratorio. Tanto la Resolución de problemas como el trabajo extra solo beneficiarán a los estudiantes si reciben la orientación que necesitan para tener éxito en el laboratorio modificado.

Para medir el éxito de los nuevos módulos basados en Arduino y las tareas extra, analizamos el trabajo de los estudiantes, evaluamos sus actitudes hacia la experimentación utilizando una encuesta, y realizamos observaciones e entrevistas con los estudiantes en el laboratorio.

#Nuevos Módulos de Laboratorio

La simplicidad, bajo costo y eficacia del Arduino Due lo hacen adecuado para el laboratorio de física. Mientras que trabajos anteriores se centraron principalmente en proyectos únicos emocionantes, nosotros informamos sobre un sistema flexible que lleva la electrónica avanzada al laboratorio de honores de segundo año. Usando una placa simple, una placa de pruebas y una computadora, el sistema basado en Arduino puede imitar muchos dispositivos de laboratorio tradicionales. Los datos fluyen desde el Arduino a una computadora, donde un software de código abierto los analiza, replicando las funciones de un osciloscopio, sintetizador, analizador de espectro y otras herramientas. El enfoque está en ayudar a los estudiantes a entender y solucionar problemas de un equipo, en lugar de luchar con muchos dispositivos complicados. Enseñar habilidades de solución de problemas fue un objetivo significativo de la transformación del laboratorio.

El Arduino Due se conecta a dispositivos de prueba y circuitos analógicos a través de una placa diseñada a medida. Esta conexión permite a los estudiantes usar piezas más asequibles y reemplazables. El sistema Arduino es más barato en comparación con el equipo tradicional. Se alienta a los estudiantes a ver los dispositivos basados en Arduino como herramientas que pueden entender. Aprenden algunos conceptos básicos de programación en las primeras semanas y se sienten motivados a explorar y modificar tanto el análisis de datos como el código de adquisición de datos. La mayoría de los estudiantes también toman cursos de programación científica y electrónica digital, que usan las mismas herramientas, lo que hace que sea más fácil para ellos comprender los dispositivos basados en Arduino cuando comienzan la investigación.

En general, los estudiantes respondieron positivamente a la introducción del Arduino en el laboratorio de honores, expresando entusiasmo por su trabajo de laboratorio. Más de la mitad de los estudiantes optaron por realizar uno o más experimentos basados en Arduino cuando se les dio la opción.

A continuación, se describen los tres experimentos diseñados para utilizar los dispositivos basados en Arduino. Estos experimentos reemplazan tareas anteriores que dependían de equipos obsoletos o no eran capaces de realizar análisis necesarios de manera efectiva. Cada tarea está estructurada para introducir gradualmente nuevas características y equipos, permitiendo a los estudiantes pensar críticamente sobre sus herramientas y solucionar problemas de manera efectiva. Los tres experimentos se alinean con nuestros objetivos generales de ayudar a los estudiantes a pensar como físicos y aprender técnicas experimentales útiles.

#Mediciones de Prueba

Después de un período introductorio de cuatro semanas que cubre procedimientos de laboratorio y técnicas de programación, los estudiantes comienzan con este laboratorio para aprender a usar varias herramientas de prueba. Esto incluye un amplificador de bloqueo, analizador de espectro y otros dispositivos que operan en el sistema Arduino. Los estudiantes comienzan comprendiendo las mediciones y luego proceden a analizar señales a través de circuitos RC simples. Utilizan diferentes herramientas para investigar cómo se comportan los circuitos a diferentes frecuencias. Este módulo también permite a los estudiantes explorar la descomposición de Fourier de señales o repetir el experimento con circuitos RL.

Este laboratorio está diseñado para ayudar a los estudiantes a captar los fundamentos de las herramientas basadas en Arduino mientras aprenden conceptos electrónicos cruciales. Dado que todos los estudiantes pueden trabajar en esto sin compartir equipo costoso, facilita un aprendizaje rápido sobre principios electrónicos fundamentales.

#Circuitos RLC

En este laboratorio de dos semanas, los estudiantes examinan el comportamiento de un circuito RLC. Primero analizan la respuesta a corto plazo usando herramientas como osciloscopios y luego investigan la respuesta en estado estacionario con dispositivos adicionales. Estudian cómo reacciona el circuito cerca de la resonancia y comparan la respuesta del circuito con la de un oscilador armónico. Este experimento es más abierto, dando a los estudiantes libertad para elegir qué parámetros y herramientas usar.

#Resonancia Acústica

Este laboratorio de dos semanas se centra en los modos acústicos en una caja de madera utilizando altavoces y micrófonos. Los estudiantes miden las frecuencias de estos modos y analizan la respuesta de fase. Pueden mover el micrófono para mapear estos modos resonantes. Esta tarea es diferente del análisis del circuito RLC, ya que permite a los estudiantes explorar el concepto de resonancia de una manera más compleja y tangible.

#Aprendizaje de los Estudiantes

Además de introducir nuevas herramientas, alteramos varios elementos del curso para alinearlos con nuestros objetivos de transformación. Las hojas de trabajo del laboratorio se ajustaron de formatos rígidos a discusiones más flexibles de los temas a explorar. Cambiamos el sistema de calificación para resaltar la importancia de mantener un cuaderno de laboratorio detallado. El cambio a instrumentos basados en Arduino ayudó a reducir los aspectos confusos de los laboratorios tradicionales y requirió más tiempo dedicado a ayudar a los estudiantes a aprender cómo operar sus nuevas herramientas.

Los estudiantes aprendieron la importancia de la solución de problemas como parte fundamental del curso de laboratorio. El instructor motivó este cambio al discutir cómo resolver problemas es vital para pensar como un físico. Los estudiantes necesitan orientación para aprender a solucionar problemas de su equipo de manera efectiva. Enseñamos la solución de problemas de dos maneras principales. Inicialmente, se guió a los estudiantes a través del módulo de Mediciones de Prueba, donde aprendieron a observar cómo los componentes electrónicos individuales influyen en las señales. Usaron sondas para tomar mediciones en varios puntos del circuito para entender cómo y por qué las señales cambiaron. Un aspecto significativo de la solución de problemas fue rastrear señales a través de circuitos en la placa de pruebas para encontrar errores de cableado.

En segundo lugar, los instructores de laboratorio tenían como objetivo ayudar a los estudiantes a diagnosticar problemas a lo largo del curso. Los instructores sugerían mediciones específicas que podrían ayudar a los estudiantes a identificar problemas que enfrentaban en sus experimentos.

Otro cambio fue el requisito de que el 20% de los informes de laboratorio discutieran exploraciones adicionales más allá de lo que se asignó. Los estudiantes tenían la opción de presentar un informe de laboratorio tradicional para su experimento final, calificado según descripciones claras y análisis correctos. El requisito de 'más allá de lo asignado' animó a los estudiantes a pensar como físicos, ofreciendo oportunidades para la exploración independiente y el desarrollo de habilidades. Algunos estudiantes abordaron y presentaron experimentos que plantearon preguntas interesantes, mostrando su curiosidad y comprensión de la física.

Para evaluar la efectividad de la transformación, analizamos 28 informes de laboratorio durante un semestre. Encontramos una amplia variedad de trabajos adicionales realizados por los estudiantes, mostrando su creatividad y comprensión. Algunos estudiantes eligieron investigar aspectos teóricos de sus resultados, mientras que otros dieron seguimiento a hallazgos inesperados, extendieron su recolección de datos o mejoraron su aparato.

A pesar de estos resultados alentadores, la falta de apoyo para el trabajo extra dificultó que algunos estudiantes sobresalieran. Aquellos que no se comprometieron con exploraciones adicionales pueden haber necesitado más orientación o ejemplos de trabajo aceptable. Nos dimos cuenta de que proporcionar ejemplos anteriores de exploraciones adicionales exitosas en ofertas de cursos subsiguientes ayudó significativamente a los estudiantes.

Para evaluar cómo cambiaron las actitudes hacia la física experimental debido a la transformación, dimos a los estudiantes una encuesta al principio y al final del semestre. La encuesta midió cuánto creían los participantes que pensaban como expertos en física experimental. Encontramos que las puntuaciones en nuestro laboratorio de honores eran similares a las de los cursos enfocados en trabajos abiertos.

#Experiencias de los Estudiantes

El laboratorio de física puede proporcionar un entorno de apoyo para que los estudiantes desarrollen habilidades de investigación útiles y aumenten su interés en la física. En general, los estudiantes respondieron positivamente a las nuevas herramientas de Arduino y muchos encontraron la experiencia emocionante. Algunos pudieron aplicar habilidades de laboratorio de inmediato en entornos de investigación.

Sin embargo, para algunos estudiantes que no recibieron la asistencia adecuada, las experiencias de laboratorio podrían afectar negativamente su percepción de su lugar en la física. Para medir el impacto de la transformación del laboratorio, realizamos entrevistas y observaciones en el entorno de laboratorio.

En general, el ambiente del laboratorio fue positivo, con estudiantes formando buenas relaciones con los instructores y entre ellos. Tenían la opción de trabajar solos o con compañeros, y la mayoría prefería formar equipo. Cuando había un número impar de estudiantes, a menudo uno quedaba solo.

El instructor enfatizó la necesidad de que los estudiantes aprendieran habilidades de solución de problemas: ser pacientes y metódicos al aprender a diagnosticar problemas basados en resultados inesperados. Esta habilidad puede frustrar a los estudiantes que no están seguros o no tienen un compañero que los apoye.

Por ejemplo, un estudiante masculino que tuvo que trabajar solo encontró muy difícil la tarea y tuvo una experiencia negativa. Por otro lado, una estudiante femenina, la única mujer en su clase, se sintió aislada mientras sus compañeros masculinos se emparejaban, lo que le dificultó buscar ayuda. Le resultó difícil manejar la solución de problemas sin un compañero. Frustrada, comenzó a cuestionar su lugar en la física.

Aunque ambos estudiantes enfrentaron desafíos similares, la estudiante femenina experimentó efectos más negativos al trabajar sola. Debido a su menor confianza, finalmente cambió al laboratorio introductorio regular en lugar de completar el curso.

Para evitar este problema en clases posteriores, tomamos medidas para asegurar que los estudiantes tuvieran la oportunidad de trabajar en grupos de tres si era necesario, y el instructor formó parejas activamente cuando fue necesario. En el curso más reciente, las estudiantes femeninas pudieron encontrar compañeros, y ninguna se retiró debido a la aislamiento. Dos estudiantes femeninas que colaboraron encontraron sus experiencias positivas. Apreciaron las frecuentes verificaciones del instructor y se sintieron cómodas haciendo preguntas en privado sin miedo a ser juzgadas.

#Discusión y Resumen

A partir de nuestras experiencias, sugerimos varios pasos para los instructores que buscan proporcionar oportunidades de aprendizaje equitativas en los laboratorios:

1. Asegurarse de que cada estudiante pueda trabajar con un compañero, incluso si prefieren trabajar solos.
2. Asignar grupos cuando sea necesario, asegurando que los estudiantes subrepresentados no queden aislados.
3. Rotar ocasionalmente los grupos para fomentar la colaboración y prevenir malos hábitos.
4. Revisar regularmente a los estudiantes, normalizando el hecho de hacer preguntas sin miedo, y proporcionar asistencia tranquila cuando sea necesario.

Los laboratorios que se centran en los estudiantes de física pueden ayudarles a desarrollar habilidades prácticas y fomentar una mentalidad de físico. El instrumento basado en Arduino del que se habla aquí es una herramienta dinámica que puede mejorar la experiencia de aprendizaje. Los cambios en la estructura del curso, como el apoyo a las habilidades de solución de problemas y la promoción de la exploración adicional, pueden proporcionar a los estudiantes habilidades esenciales para futuros proyectos académicos o profesionales.

Si bien los diversos tipos de trabajo adicional que los estudiantes han realizado son impresionantes, seguimos buscando mejorar la calidad de ese trabajo y ayudar a aquellos que luchan por cumplir con esta expectativa. Reconocemos este desafío como encontrar un equilibrio entre la innovación y la necesidad de práctica en las habilidades de laboratorio.

La investigación indica que el aprendizaje activo puede reducir las brechas de rendimiento entre varios grupos de estudiantes, pero la forma en que se implementa es clave para lograr este resultado. Por lo tanto, nos centramos en las experiencias individuales de los estudiantes a través de entrevistas y observaciones para capturar las necesidades de los estudiantes típicamente subrepresentados durante la transformación del laboratorio.

El laboratorio de honores es particularmente importante para los estudiantes que pueden encontrarlo ya difícil identificarse como físicos. Buscamos abordar las necesidades de estos estudiantes, incluso cuando son pocos en el curso.

Los cambios realizados en el currículo del laboratorio de honores abren oportunidades emocionantes para mejorar la relevancia y la accesibilidad en la educación en física. Es crucial que estas transformaciones se realicen mientras se asegura de que los estudiantes reciban el apoyo adecuado, teniendo en cuenta los procesos de desarrollo de habilidades. Al hacerlo, nuevos cursos de laboratorio como este pueden ayudar a todos los estudiantes a desarrollar una sólida identidad en física y adquirir valiosas habilidades de laboratorio para la investigación.