Uso del Simulador PHET para la Enseñanza – Aprendizaje de una Competencia Matemática en Educación Primaria

Abstract

Abstract: The objective of this research is to determine the effects of Virtual Simulation PhET on the development and reinforcement of Mathematics competencies, especially focusing on one of them: Due to the objective, this research has been done according to the Sequential mixed approach of Explanatory type and quasi-experimental design, using Pre-Test and Post-Test for the control group and experimental group. [...]a semistructured interview was applied to the classroom teacher to collect her conclusions; subsequently, the data were analyzed through coding and triangulation. The study population was made up of primary students from a private school in the city of Callao, Peru.

Headnote

Resumen: La presente investigación tiene como finalidad determinar los efectos del simulador virtual PhET sobre el desarrollo y fortalecimiento de las competencias matemáticas, centrando la atención en una de ellas: Resolución de problemas de cantidad. Según el objetivo, esta investigación está orientada mediante el enfoque mixto secuencial de tipo explicativo y diseño cuasi experimental, con Pre-Test y Post-Test para el grupo de control y experimental. Además, se aplicó una entrevista semiestructurada a la docente para recoger sus conclusiones; posteriormente se analizaron los datos mediante codificación y triangulación. La población estuvo conformada por estudiantes del nivel primario, de una Institución Educativa Particular del Callao - Perú, la muestra se constituyó por 34 estudiantes de quinto grado para el estudio cuantitativo y el docente de matemática de ambas secciones para el estudio cualitativo. Al concluir los estudios se obtuvo como resultado que la aplicación del simulador permitió desarrollar de forma significativa la competencia "Resuelve problemas de cantidad" del grupo experimental a diferencia del grupo de control.

Palabras-clave: Tecnología de la educación, matemáticas, educación primaria.

Abstract: The objective of this research is to determine the effects of Virtual Simulation PhET on the development and reinforcement of Mathematics competencies, especially focusing on one of them: Solving quantity problems. Due to the objective, this research has been done according to the Sequential mixed approach of Explanatory type and quasi-experimental design, using Pre-Test and Post-Test for the control group and experimental group. In addition, a semistructured interview was applied to the classroom teacher to collect her conclusions; subsequently, the data were analyzed through coding and triangulation. The study population was made up of primary students from a private school in the city of Callao, Peru. The sample was composed of 34 students of two classes of fifth grade of primary for the quantitative study; and both classes Mathematics teacher for the qualitative study. At the end of both studies, the result was that the application of the Simulation provided significantly to develop the competency "Solving quantity problems" in the experimental group in contrast to the control group.

Keywords: Educational technology, mathematics, primary education.

1. Introducción

La pandemia ocurrida en el mundo a causa del COVID-19 no debió significar una situación subitánea, la sociedad debió estar más preparada y así evitar tantas pérdidas humanas y sobretodo de escasez e impacto en la economía porque no fue ni es la única amenaza que el mundo enfrenta (Blandford & Thome, 2020). Es así que desde el 2020, diversos sectores implementaron estrategias para cubrir las necesidades durante y después de la pandemia, entre ellas, la educación. En este ámbito se puso en marcha la educación virtual, que conllevó al esfuerzo de maestros, estudiantes y Estado, no sólo para aprender esta nueva metodología sino para hacerla llegar a todos. Una escuela en el Callao (Perú) implementó este tipo de educación logrando que sus maestros se adapten a las nuevas tecnologías; sin embargo, en el campo de la matemática, los estudiantes no aprendían de manera significativa porque no cumplían los procesos didácticos que se realizaban en la presencialidad, entre ellos, el más importante: manipular un material estructurado o no estructurado.

Este trabajo analizó el uso del simulador PhET como alternativa para reemplazar la manipulación del material concreto en el aprendizaje de la matemática y así poder desarrollar y fortalecer la competencia: Resuelve problemas de cantidad. Se han realizado diversas investigaciones sobre el uso del simulador, en campos de la ciencia y algunos otros en la matemática, pero no frente a un trabajo completamente virtual. En un estudio cualitativo que analizó los procesos de enseñanza aprendizaje usando la herramienta PhET, se concluyó que permite estimular a los estudiantes y ello logra un aprendizaje significativo (Reiss y Rehfeldt, 219). La herramienta también ha sido usada para los aprendizajes de fracciones equivalentes, en ese estudio se analizaron dos grupos, para ambos se observa que este aprendizaje ha mejorado; sin embargo, para el segundo grupo el avance ha sido muy significativo (Díaz, 2017).

2. Marco conceptual

2.1.Competencia matemática Resuelve problemas de cantidad

Esta competencia tiene como objetivo que el sujeto pueda plantear o solucionar situaciones problemáticas donde involucre descomponer o formar un número, tomando en cuenta la noción de cantidad. A su vez, se espera que el estudiante logre emplear diversas estrategias para encontrar la solución a un problema y que luego pueda decidir si es una respuesta exacta o una aproximación según el Currículo Nacional de Educación Básica [CNEB] (2016).

Considerando el enfoque de esta área, se debe tener en cuenta situaciones reales y significativas para que le proceso de enseñanza-aprendizaje sea más enriquecedor, es decir, que partan de lo vivencial para que el estudiante pueda utilizar diversos cálculos ya sea de lo más simple a los más completo, todo esto teniendo en consideración el ritmo de aprendizaje y motivación del sujeto. Dentro de esta competencia existen capacidades, que según el Ministerio de Educación [MINEDU], (2016) son los diversos medios que el sujeto utilizará para lograr un propósito, estas se dividen en recursos como conocimiento, habilidades y actitudes. Es primordial llevar a cabo estos recursos para que se puedan lograr las capacidades planteadas en el área.

En la competencia "resuelve problemas de cantidad" se encuentra cuatro capacidades que el docente desarrollará: (1) Convertir del lenguaje matemático al literal y viceversa, (2) Comunicar su conocimiento sobre los números y las operaciones, (3) Usar estrategias para estimar y calcular y (4) Argumentar afirmaciones sobre las relaciones numéricas y las operaciones.

2.2.Simulador PhET

Los simuladores son recursos que se emplean en la educación para modelar situaciones de la realidad, para ello se usan diferentes herramientas digitales (Díaz, 2017). Para que un simulador funcione se usan algoritmos, esta herramienta al modelar una situación le da oportunidad al estudiante de poder representar lo que imagina, además, le permite motivar su exploración e indagación (Paida y Calvache, 2019).

En el caso de PhET, presenta simulaciones de matemática y ciencias para el descubrimiento del mundo como física, química y biología, este simulador brinda situaciones que llaman la atención de los usuarios con sus imágenes a full color, niveles para todas y su fácil e intuitivo manejo, su acceso es sencillo ya que no necesita descargar por lo que puede ser desde un celular u ordenador. El simulador PhET es una adecuada estrategia didáctica (Díaz, 2017) ya que permite que los estudiantes puedan tener un aprendizaje más vivencial y significativo al representar simulaciones contextualizadas (Yáñez, 2018). También, es considerado como un medio de tecnología educativa pues amerita el uso de la virtualidad en el campo de la educación motivando a que la educación sea innovadora (Serrano et al., 2016).

Según lo expuesto, la investigación presente se enmarca en el siguiente objetivo: determinar el efecto de la aplicación del simulador PhET en el desarrollo de la competencia matemática "Resuelve problemas de cantidad" en educación virtual con estudiantes de quinto grado de primaria de una institución educativa del Callao (Lima - Perú).

3.Metodología

La investigación es mixta de tipo secuencial porque desarrolla una fase cuantitativa y luego explica los resultados con una fase cualitativa (Creswell & Creswell, 2018). El primer estudio es de diseño explicativo (Cauas, 2015) correspondiente al tipo cuasi experimental en el que participan un grupo experimental y de control quienes se someten a evaluaciones de Pre Test y Post Test (Santana, 2015). El segundo diseño corresponde al estudio de caso (Silva et al. 2021), que tiene como finalidad analizar las razones de los hallazgos en el primer estudio.

3.1. Muestra

Debido a la metodología mixta secuencial se contó con dos muestras. Para el primer estudio se contó con una muestra intencional (Campbell et al., 2020) de 34 estudiantes quienes cursan el quinto grado de educación primaria. Por ser de diseño cuasi experimental la muestra se estudió en dos grupos, el experimental con 20 participantes y el grupo de control con 14 participantes. Para el segundo estudio, se contó con la participación de un docente del área de matemáticas quien estaba a cargo de enseñar ambas secciones. La muestra del primer y segundo estudio pertenecían a una escuela privada de la provincia del Callao (Lima - Perú).

3.2. Instrumentos

Evaluación de competencias matemáticas (Estudio 1). Este instrumento evalúa la competencia "resuelve problemas de cantidad" mediante 12 preguntas con cuatro alternativas de respuesta. Sus características coinciden con la fase evaluativa (Kushner, 2017), de tipo sumativa (Ngan, 2020). Como se trata del estudio 1 de tipo cuasi experimental se elaboraron dos evaluaciones, una de ellas para el Pre Test y la segunda para el Post Test; ambas aplicadas al grupo experimental y al grupo de control. Así, por ejemplo, para la capacidad "Comunica su comprensión sobre los números y las operaciones" del Pre Test (p. ej.: María ha gastado 1/3 del dinero que le dieron de propina sus abuelos en comprar un libro de aventuras. También se ha gastado 1/9 de su propina en comprar una caja de colores. ¿Qué fracción de propina en total ha gastado?). Este instrumento se evaluó mediante juicio de expertos (Rohmadheny & Laila, 2020), con estudios especializados en educación primaria y con experiencia en la enseñanza de matemáticas en este nivel educativo.

Entrevista semi - estructurada (Estudio 2). Esta técnica resultó idónea debido a que según el orden de las preguntas se le permitió cierto grado de libertad al participante (Mahat-Shamir et al., 2021). Se diseñó una guía de entrevista considerando los objetivos, las variables tomaron el rol de categorías de investigación; luego se plantearon seis subcategorías de acuerdo a las capacidades curriculares (Estrategia didáctica, traduce cantidades a expresiones numéricas, comunica su comprensión sobre los números y las operaciones, tecnología educativa, usa estrategias y procedimientos de estimación y cálculo, argumenta afirmaciones sobre las relaciones numéricas y operaciones). Se elaboraron 12 interrogantes; por ejemplo, la segunda pregunta de la dimensión "comunica su comprensión sobre los números y las operaciones" (p. ej.: ¿Cómo ayudó el simulador a que los estudiantes se puedan expresar usando términos numéricos? ¿Podría contar alguna experiencia?). La guía de entrevista fue validada por juicio de expertos en el que se contó con el apoyo de tres profesionales (Colson & Cooke, 2018); todos con estudios especializados en educación y en investigación pedagógica.

3.3. Procedimientos de investigación

La presente investigación se planificó y se ejecutó con la previa coordinación de las autoridades de la escuela. Luego, se planificó las sesiones de aprendizaje en las cuales se aplicaría el Simulador PHET para la enseñanza de la competencia matemática "resuelve problemas de cantidad". Con la planificación de las sesiones se validaron el Pre Test y el Post Test (Estudio i) por juicio de expertos (Rohmadheny & Laila, 2020). Como siguiente fase se ejecutaron las sesiones de aprendizaje para el Grupo Experimental y el de Control aplicando en la sesión inicial el Pre Test y al final el Post Test. Las sesiones se desarrollaron aplicando la plataforma Zoom (2021). Los niveles de variación entre el Pre Test y el Post Test se analizaron aplicando los criterios de Rustom (2012), identificando así la influencia del Simulador PHET en los aprendizajes matemáticos en el Grupo Experimental.

Para la fase cualitativa (Estudio 2) se aplicó la entrevista semi estructurada al docente a cargo de los estudiantes del experimento. Las respuestas obtenidas se sometieron a un procedimiento de triangulación metodológica (Fusch et al., 2018) de codificación abierta (textual), axial y selectiva (organizadores gráficos), extrayendo así categorías emergentes para discutir los resultados (Williams & Moser, 2019). Es importante aclarar que ambos estudios se realizaron respetando los criterios de ética respetando la participación voluntaria de los participantes y la confidencialidad de sus datos personales (Goodwin, 2010); evitando mencionar cualquier información de la institución educativa que permita identificarlo (Nduna et al., 2022).

4.Resultados del Estudio 1

4.1.Pre-Test y Post-Test

Según los instrumentos aplicados, se procedió a analizar los resultados y en la Figura 1 se observa que el Grupo Experimental en el Pre-Test alcanzó una puntuación mínima de 4; que de acuerdo con el MINEDU (2016) representa un "logro en inicio" y lograron una puntuación máxima de 22 que representa "logro destacado". Luego, al evaluar el Post Test los estudiantes del Grupo Experimental alcanzaron una puntuación mínima de 4 y la máxima de 22; indicando que los estudiantes están entre el "logro en inicio" al "logro destacado".

Luego, en la Figura 2 se observa que el Grupo de Control en el Pre-Test alcanzó una puntuación mínima de 8; que de acuerdo con el MINEDU (2016) representa un "logro en inicio" y una puntuación máxima de 24 que representa "logro destacado". Además, al evaluar el Post Test los estudiantes del Grupo de Control alcanzaron una puntuación mínima de 2 y la máxima de 24; indicando que los estudiantes están entre el "logro en inicio" al "logro destacado".

4.2.Coeficiente de Variación

Una vez analizados el Pre test y el Post test se estudiaron las diferencias de las puntuaciones del Grupo Experimental y del Grupo de Control con la finalidad de identificar la influencia del Simulador PHET (ver tabla 1). Este análisis se ejecutó mediante los coeficientes de variación (CV) y para interpretar el grado de diferencia entre grupos de asumieron los criterios de Rustom (2012) quien sugiere que los coeficientes poseen "gran homogeneidad" si son menores a 5%, "homogeneidad moderada" se logran valores entre 5% al 20%, "heterogéneos" si sus valores oscilan entre 20% al 50% y se les considera de "gran heterogeneidad" si son mayores a 50%. De acuerdo a estos niveles, se identificó que el CV del Grupo de Control era de 00% evidenciando que su desempeño en el Pre Test y el Post Test ha sido de "gran homogeneidad" (lo cual es evidente porque las calificaciones fueron las mismas). Esto podría decir que al no aplicar el Simulador PHET en sus aprendizajes la competencia matemática se mantuvo sin significativos progresos. Sin embargo, la variación sí se pudo observar en el Grupo Experimental quienes lograron un CV de 26% considerado "heterogéneo" evidenciando que sí hubo un incremento en la competencia matemática; lo cual se observa entre el Pre Test y el Post Test. Este incremento en la calificación final y la diferencia entre grupos evidencia que el Simulador PHET influye eficientemente en el aprendizaje matemático en estudiantes del quinto grado de educación primaria. Por lo que se puede concluir que, como es característico de los estudios cuasi experimentales, la diferencia significativa entre grupos demuestra que, el experimento logró su propósito (Zurita, et al, 2018).

5.Análisis y Discusión de Resultados del Estudio 2

5.1. Estrategia didáctica

En la educación se usan diversos medios y procedimientos para que el aprendizaje pueda ser más consciente y significativo, de esta manera la enseñanza sea más dinámica, beneficiando al proceso formativo (Díaz, 2017) siguiendo este planteamiento, se pasan a sintetizar las categorías emergentes en un organizador de codificación selectiva, donde se evidencia el inicio, procesos y cierre de la entrevista.

5.2.Tecnología Educativa

En el proceso de enseñanza-aprendizaje se necesitan usar diversos medios para brindar una educación integral; por ello, surge la tecnología educativa que moviliza el uso de diferentes herramientas virtuales y competencias digitales en sus usuarios, por lo que se considera una forma de innovar (Serrano et al., 2016) en coherencia con ello, se sintetizan las categorías emergentes en un organizador de codificación selectiva:

6. Conclusiones

De acuerdo a los resultados presentados en este estudio, se concluye que el uso del simulador PhET influye favorablemente en el desarrollo de la competencia matemática "resuelve problemas de cantidad". Según el primer estudio, se evidencia que, en el grupo de control, las calificaciones se mantuvieron igual tanto en el Pretest como en el Post Test; mientras que, en el grupo experimental, se evidenciaron calificaciones más altas en el Post Test, lo que demuestra que la competencia fue aprendida significativamente con el uso del simulador. Respecto al segundo estudio, la docente entrevistada señala que el simulador es una estrategia didáctica adecuada por los resultados en su práctica pedagógica, se concluye entonces que el uso de esta herramienta tecnológica permite desarrollar capacidades como la de convertir cantidades a expresiones numéricas y la de comunicar en el lenguaje matemático gracias a su diseño, ya que presenta diferentes recursos y su uso resulta intuitivo fortaleciendo la autonomía de los estudiantes. A su vez, se concluye que el simulador PhET es una herramienta tecnológica importante, que al reflejar situaciones reales fortalece el aprendizaje de la ya mencionada competencia matemática". A su vez, se fortalece la capacidad de argumentar relaciones numéricas, gracias a la facilidad de realizar trabajo colaborativo y superar en equipo los diversos retos que proponía el simulador. Finalmente, es importante destacar que el maestro es pieza fundamental en el aprendizaje usando herramientas digitales y que el uso adecuado de los simuladores mejora el desarrollo de las matemáticas.

7. Recomendaciones

Para llevar a cabo este estudio experimental es necesario que todos los participantes tengan las mismas condiciones frente a la virtualidad y esto no afecte al desarrollo de sus actividades. Así como, se debe buscar la autonomía de los mismos al resolver las diversas pruebas que se les presenta, ya que al intervenir los padres de familia no se tendría un resultado que refleje el logro real de la competencia evaluada. Por este motivo, se recomienda realizar el estudio en una muestra con estudiantes con cierto grado de autonomía; por ejemplo, a partir de los 10 años de edad.

El presente trabajo ha sido realizado en la modalidad de educación virtual, por lo que se recomienda analizar el uso del simulador en un tipo de educación híbrida, donde la manipulación de material concreto para la construcción de la matemática esté presente, esto es importante ya que se evalúa el simulador como herramienta más que como única estrategia. Constituyendo un recurso didáctico para el logro de competencias de otras áreas (biología, física, química y ciencias de la Tierra). Se sugiere, para futuras investigaciones abordar el uso del simulador bajo otros enfoques y tipos de investigación; por ejemplo, la investigación acción participativa, con el cual, esta metodología cíclica podría permitir aplicar y revaluar el uso del simulador con la sugerencia de estudiantes, padres y docentes.

References

Referencias

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