Diseño e implementación de actividades STEM a partir del trabajo en robótica, con metodologías activas en 3º ciclo de educación primaria

Resumen

Esta tesis doctoral está estructurada en una serie de trabajos, siendo el fin prioritario el estudio del impacto sobre la actitud hacia las ciencias y matemáticas de una propuesta didáctica con una de orientación STEM, en la que la programación de robots y el trabajo en relación a la sustentabilidad y el cuidado del medio ambiente son elementos clave del diseño. Esta investigación tiene dentro de sus objetivos ofrecer información bibliométrica sobre la literatura existente en la educación STEM y robótica educativa así como realizar una revisión sistemática de dicha literatura, conjuntamente con el desarrollo de un estudio sobre lo textos escolares analizando en una primera instancia la existencia de actividades STEM y posteriormente investigando sobre el nivel integración de las presentaciones STEM según los modelos que se detallan. A su vez, todo lo anterior debe contribuir al objetivo de diseñar, implementar y evaluar un proyecto interdisciplinar, denominado CISOGRA (Ciudad Sostenible Granatensis-Granada), de acuerdo al enfoque STEM para estudiantes españoles de tercer ciclo de Educación Primaria en contextos vulnerables; esto se hará a través de metodologías activas, que permitan relacionar los contenidos de las áreas STEM con su entorno, mejorando la actitud hacia las ciencias y matemáticas y potenciando las competencias clave, especialmente la competencia matemática y las competencias clave en ciencia y tecnología mejorando así el aprendizaje en ciencias y matemáticas e identificando la percepción que este trabajo genera en la comunidad educativa, entendiendo como tal a los maestros de los cursos a los cuales pertenecen los estudiantes. Para conseguir los resultados bibliométricos se caracteriza la producción científica STEM según diversos indicadores estadísticos propios de la bibliometría (productividad, países, etc) en la base de datos Scopus. Posteriormente la revisión sistemática sobre utilización de la robótica y educación STEM en Educación Primaria considera unidades de análisis o variables que se estructuran en tres bloques: a) indicadores bibliométricos y tipología de los documentos analizados, b) caracterización de la robótica y las mejoras educativas que propicia, y c) aspectos sobre contexto social y género. La muestra para este estudio provenía de las bases de datos Scopus de Elsevier), Educational Resource Information Center (ERIC), del Departamento de Educación de los Estados Unidos, de América y Web of Science (WoS) de Clarivate Analytics. Posteriormente, en el análisis de textos desarrollado, se trabaja bajo un enfoque cualitativo y descriptivo. Específicamente se emplea el método de análisis de contenido desde una perspectiva comparada al centrarnos en los libros de texto de dos países hispanoamericanos, como son Chile y España, en la cual se utiliza la recolección de datos con base en la medición numérica y el posterior análisis de los resultados obtenidos. La muestra estuvo compuesta por 12 libros de texto de Ciencias Naturales de Chile y España. Seguidamente se realiza un análisis de integración de actividades STEM en libros de texto chilenos y españoles, dando a conocer resultados sobre la existencia de actividades que se ajustan al desarrollo de una propuesta de trabajo en base al enfoque de integración STEM en una muestra de 4 textos escolares. Para el análisis de trabajo con alumnos en el proyecto CISOGRA, la investigación presenta un diseño cuasi-experimental pre y post-test con un grupo control establecido por un proceso de “matching” para las variables dependientes actitud hacia las ciencias, actitud hacia las matemáticas y calificación académica. En relación a la visión de los maestros sobre los resultados de implementar el proyecto, estas se establecen dentro de una perspectiva cualitativa utilizando la aplicación de una entrevista semi estructurada que permite ordenar, describir, analizar e interpretar los datos mediante conceptos y razonamientos. Se utiliza un guión que incluye una serie de preguntas que han sido usadas de forma flexible, junto con ello se realiza un análisis de contenido, utilizando un sistema de categorías construido de forma deductiva e inductiva, generando diversas variables de análisis. Finalmente la investigación de evaluación por competencias fue realizada a través de un diseño metodológico de carácter exploratorio-descriptivo y cuasiexperimental con un solo grupo. El instrumento se crea compilando preguntas extraídas de distintas evaluaciones externas de competencias científico-tecnológicas y matemáticas desarrolladas por distintas Comunidades Autónomas de España. En cuanto a los resultados del estudio bibliométrico, los trabajos sobre educación STEM entre los años 2010 y 2018 muestran un incremento paulatino, siendo el año 2017 el de mayor producción (26,2%). La mayoría corresponde a documentos de sesión (52,3%). El autor que más destaca en estos documentos es Justin L. Hess, investigador del STEM Education Innovation and Research Institute (SEIRI) de la Indiana University and Purdue University (Indianapolis, Estados Unidos) quien en la base de datos SCOPUS presenta 35 documentos, siendo el año de mayor producción el 2016 con 10 publicaciones. En relación a las palabras clave la más recurrente es “estudiantes”, la cual aparece en 19 documentos (29,2%). Por otra parte, el 65,6% de los documentos analizados pertenecen al área de ciencias sociales mientras los autores pertenecen mayoritariamente a instituciones de Estados Unidos, correspondiendo a 39 de los 65 documentos. Considerando los resultados de la revisión sistemática, nuevamente Estados Unidos (42,3%) lidera la productividad. En relación al sexo de los autores se presenta una similitud de publicación (13) para cada género y el área o disciplina STEM más trabajada en las investigaciones corresponde a tecnología (38,1%). Destaca que el 88,5% de los documentos presentan resultados empíricos, siendo el tipo mixto de investigación el más frecuente con 8 documentos (30,7%). En relación al análisis sobre la presencia de actividades con una estructura STEM en libros de texto de acuerdo al modelo de Toma y Greca (2017), los resultados evidencian la presencia de este tipo de actividades en los libros analizados, si bien son aún son escasas. En particular, se observa una baja presencia de las fases 4 (resolución del problema inicial) y 5 (evaluación). Son éstas las que requieren un mayor grado de trabajo, conocimiento y desarrollo por parte de los estudiantes, por lo que con el paso de los cursos deberían ser más frecuentes. De igual manera los resultados permiten observar coincidencias en los indicadores de: presencia de actividades STEM utilizando para su desarrollo el uso de dispositivos, el diseño de un experimento y realización del mismo, los que pertenecen a la fase de indagación guiada. Además, se presentan actividades donde existe la discusión de los resultados. Por otro lado, los indicadores menos frecuentes son las relacionados con la existencia de un momento para proponer nuevas preguntas sobre la resolución del problema (55,6% y 61,9%, en textos chilenos y españoles respectivamente), la generación de solución al problema (33,3% y 47,6%, en textos chilenos y españoles respectivamente) y la aplicación tecnológica del descubrimiento al problema (11% y 0%, en textos chilenos y españoles respectivamente). En relación al segundo análisis de textos, el cual busca identificar la integración de las actividades STEM, se concretó analizando 12 textos escolares, identificaron 462 actividades, siendo 164 (menos del 50%) las que trabajan alguna área STEM. Dichas actividades se clasificaron según el modelo de análisis de currículos integrados, que plantea seis maneras de abordar la integración de una actividad de este tipo, observando que el enfoque conectado, muestra una mayor relevancia en los libros de texto españoles (50%) y chilenos (46%). Posteriormente, se clasificaron según una adaptación del enfoque de perspectivas de Educación Ambiental. Dentro de los 5 enfoques existentes, el experiencial (60%) y el práxico (50%) fueron los más presentes. Hay que subrayar la necesidad, desde los primeros cursos, de incrementar las actividades STEM integradas en los libros de texto. El proyecto CISOGRA, que fue diseñado e implementado atendiendo a los objetivos establecidos, implicó 12 sesiones con talleres prácticos en horario extraescolar. Mediante la utilización de la robótica educativa, se enfrentó a los estudiantes a diversos problemas de programación, en la que los escolares previamente a su resolución tenían que anticipar respuestas a modo de hipótesis, en un entorno de “ciudad sostenible”. Esta ciudad cuenta con diversos dispositivos que modelizan fuentes de energía para sustentar la alimentación eléctrica de los edificios. Además, se utilizan sensores, tales como un medidor de temperatura, velocidad y distancia, a través de los cuales se registran y presentan distintas magnitudes físicas haciendo notar la variabilidad de las medidas y el necesario tratamiento matemático. El trabajo con los estudiantes se realizó bajo una metodología de indagación y resolución de problemas. La evaluación del mismo consideró un grupo experimental con 15 estudiantes de 3º ciclo de Educación Primaria, formándose el grupo control a partir de un proceso de matching con el resto de estudiantes del centro. Los resultados muestran que la implementación del programa STEM genera mejores resultados en la actitud hacia las ciencias (p=,004 TE= 1,254), aunque no tanto en la actitud hacia las matemáticas donde las diferencias no son estadísticamente significativas (p=,574 TE=,382). Las herramientas tecnológicas utilizadas, el tiempo de trabajo y el proceso de conexión entre disciplinas en STEM refuerzan el trabajo realizado durante el taller. En la valoración de competencias, la científica arroja una diferencia positiva de 0,35 puntos de media entre la prueba pretest y el postest. En el caso de matemáticas, la diferencia a favor del post test es de 0,18 puntos. En relación a los resultados en la evaluación general (16 preguntas) la diferencia entre el pre y post test es de 0,26 puntos positivos. En cuanto al análisis de las entrevistas realizadas a los maestros encontramos los siguientes categorizaciones: valoración del proyecto como propuesta didáctica (42,39%), impacto del proyecto hacia la actitud de las ciencias y matemáticas (30,43%), caracterización de los estudiantes y apoyo familiar (8,15%) y caracterización docente (19,02%). Se puede destacar la valoración de los maestros de la intervención didáctica y que que valoraron que está facilitó que los estudiantes descubran y entiendan la realidad que nos rodea y el cambio tecnológico al cual nos enfrentamos como sociedad.