A comienzos de los años 80 del siglo XX, coincidiendo con la difusión de los primeros ordenadores personales, surge la llamada informática educativa en nuestro país. En aquella época se dieron los primeros pasos en política educativa para que los ordenadores entraran en los centros escolares, incorporando en el currículo asignaturas relacionadas con la informática, como la programación¹, formando al profesorado de Primaria y Secundaria e introduciendo los ordenadores en los centros (Martín y Sorando 1984, Valero-Cortés 2009).

Fue entonces cuando se definió la alfabetización digital (en inglés computer literacy), entendida como la capacidad de utilizar las computadoras y la tecnología relacionada de forma eficiente, incorporando una serie de habilidades que cubren los niveles de uso elemental de la programación y la resolución avanzada de problemas (Congress-of-Technology-Assessment US 1984). A finales de los 90 y principios del siglo actual fue cuando se produjo la eclosión y difusión de las llamadas nuevas tecnologías. Los ordenadores y los móviles comenzaron a ser productos de consumo y se generalizó el uso de la red de Internet en una sociedad llamada de la información o del conocimiento.

Coincidiendo con el surgimiento de los primeros programas con ventanas, incorporando el uso del ratón, se abandona la enseñanza de la programación en los centros educativos de primaria y secundaria. El ratón sustituye al uso del ordenador mediante líneas de comando. Esto facilitó mucho el manejo de los ordenadores e hizo posible una universalización de su uso, pero generó un problema: la mayoría de los actuales usuarios desconocen que el hecho de pinchar con el ratón conlleva ejecutar un código. La alfabetización digital se limitó al conocimiento como usuario de las nuevas tecnologías y la enseñanza de las TIC en educación primaria y secundaria ignoró la programación.

En la última década las instituciones educativas han potenciado el uso de las TIC y se ha definido la competencia digital como una competencia preferente en la sociedad actual. En la más reciente reforma educativa se ha impulsado dicha competencia a nivel transversal para todas las asignaturas, estableciendo el tratamiento de la información y competencia digital como una de las ocho competencias básicas «para buscar información, obtener, procesar y comunicar información y para transformarla en conocimiento» (LOE 2007, pp. 686-688), pero obviando el uso del ordenador para la programación.

Los alumnos actuales, en su mayoría, son nativos digitales (nacieron y crecieron con la tecnología) y sus profesores son inmigrantes digitales (adoptaron la tecnología más tarde en sus vidas) (Prenky 2001). Los nativos digitales poseen destreza en el manejo y utilización de la tecnología digital (móviles, tablets, videojuegos, ordenadores, etc.) pero generalmente son analfabetos en lo que respecta a la programación. Hoy día en la mayoría de los centros educativos se dispone de aulas TIC y, en general, son aulas bien equipadas. No obstante, el uso que se hace de ellas es muy limitado y no se aprovecha toda su potencialidad.

En el año 2006, Jeannette Wing popularizó el término pensamiento computacional (PC): «el PC implica resolver problemas, diseñar sistemas y comprender el comportamiento humano, haciendo uso de los conceptos fundamentales de la informática... El PC es una habilidad fundamental para todo el mundo, no sólo para los científicos de la computación. Junto con la lectura, la escritura y la aritmética, debemos de añadir el PC a la capacidad analítica de cada niño» (p. 33). Desde entonces, muchos autores y organismos coinciden en que se trata de una habilidad fundamental que todas las personas deberían adquirir y, por tanto, ser trabajada en los distintos niveles del sistema educativo, entendiéndose como una capacidad básica no sólo para aquellos que van a realizar estudios relacionados con la Informática o con las Ciencias, Tecnología, Ingeniería o Matemáticas (en inglés STEM), sino para todo el mundo (Phillips 2009, Harrison y Conery 2011, National-Research Council 2011, 2012, Grover y Pea 2013).

Barr y Stephenson (2011, p. 39) consideran el PC como un proceso de resolución de problemas que incluye: (1) la formulación de problemas que permita su resolución mediante ordenador; (2) la organización, representación y análisis de la información; (3) la automatización de las soluciones mediante pensamiento algorítmico (secuenciación y estructuración de pasos a seguir); (4) la identificación y análisis de posibles soluciones para optimizar el procedimiento de resolución; y (5) la generalización de procesos de resolución para su identificación en otros problemas.

Esta competencia, aplicada en contextos concretos de la Ciencia como la Física o las Matemáticas, permite al alumno un aprendizaje más significativo, facilitando el pensamiento lógico, matemático, reflexivo y abstracto, y fomentando la actitud crítica, el aprendizaje autónomo y la creatividad.

Desde el año 2013 existe una intensa campaña internacional a favor de fomentar el PC a través de la programación. Muchas universidades, empresas (Google, Twitter, Microsoft) e instituciones (Ministerios de Educación de EEUU y de algunos países europeos) están promocionando proyectos para acercar a los niños de todas las edades a la programación. La razón es doble: (1) por los beneficios que aporta a la formación integral de los individuos y (2) por la demanda social de programadores que se prevé para el año 2020 a nivel mundial. En 12 países europeos la programación ya forma parte del currículo y en siete (entre ellos España) planean integrarlo (European-Schoolnet 2014). Como ejemplo, en España la organización, llamada Programamos², creada por un grupo de profesores para introducir el PC a través de la programación de videojuegos y aplicaciones para móviles en todas las etapas escolares, dispone de materiales y recursos para los alumnos y el profesorado.

En España la actual Ley de Educación (LOMCE 2014) incorpora la materia llamada Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) como opcional en el bloque de asignaturas específicas del curso 4º de la ESO, y como TIC I y II en 1º y 2º de Bachillerato, respectivamente. En la asignatura TIC de 4º de ESO no se imparte programación. Los bloques 5 y 1 de las materias TIC I y II, respectivamente, sí se dedican a programación, donde se requiere que el alumno realice programas sencillos (1º Bachillerato) y de mediana dificultad (2º Bachillerato) que solucionen problemas de la vida real.

Desde la Administración existe interés en integrar las TIC en las aulas y vincularlas al resto de materias, y que en Bachillerato sea una materia de «consolidación de una serie de aspectos tecnológicos indispensable tanto para la incorporación a la vida profesional como para proseguir estudios superiores» (BOE 3 de enero 2015, p. 532). Sin embargo, en la LOMCE no se habla del desarrollo del PC ni se establece como competencia.

Si a los estudiantes no se les muestran las capacidades que estimulan la programación y el PC para las carreras científico-técnicas, no se sentirán atraídos hacia éstas y se decidirán por otros estudios, provocando que siga en aumento la escasez de alumnos en las carreras científico-técnicas (Rocard et al. 2007, Osborne y Dillon 2008, Sjberg y Schreiner 2010), con el consiguiente perjuicio para el desarrollo económico y tecnológico.

En la última década han proliferado en Internet las simulaciones por ordenador sobre fenómenos físicos llamadas Fislets (Applets para Física). Se trata de aplicaciones que incluyen cálculos matemáticos y representaciones gráficas que emulan un fenómeno de la naturaleza a través de un modelo físico-matemático, y donde los alumnos pueden controlar algunos parámetros para realizar su propia simulación. Se destacan sus ventajas como herramientas didácticas para un aprendizaje más significativo y activo en la clase de Física en Educación Secundaria, resaltando de manera especial el que ayudan a comprender la relación entre la realidad y las teorías o modelos, y que facilitan la adquisición de los conocimientos conceptuales y procedimentales (Zorrilla et al. 2014, Amadeu y Leal 2013, Bouciguez y Santos 2010, Torres-Climent 2010).

Existen Fislets para casi todas las ramas de la Física: ondas, mecánica, dinámica, electricidad, etc. Algunas simulaciones poseen especial interés porque sustituyen a los experimentos que no se pueden realizar en un laboratorio, tales como los relativos a las interacciones gravitatorias (por ejemplo, movimientos planetarios o de satélites), pudiendo considerarse, por tanto, laboratorios virtuales donde los alumnos pueden simular y manipular los parámetros para reconstruir un fenómeno físico.

Las Fislets ayudan a los alumnos a comprender los fenómenos físicos y los acercan a una visión más adecuada sobre el método y el pensamiento científico. Según algunas investigaciones los alumnos mejoran en la adquisición de conceptos y procedimientos, ayudan a entender el método científico y muestran opiniones favorables sobre su utilización (Sierra 2003; Kercher et al. 2013; Zorrilla et al. 2014).

En las Fislets los autores generalmente mantienen el código oculto al usuario y lo implementan mediante aplicaciones con botones en las que aquel modifica las variables haciendo uso del ratón. La mayor parte del trabajo lo realiza el programador que dedica muchas horas a programar, pero el alumno en realidad es un mero usuario de la aplicación concreta. Existen muy pocas simulaciones en Física donde se facilite el código y la mayoría lo son en lengua inglesa o están desarrolladas para los primeros cursos de la universidad. Estas circunstancias constituyen una limitación importante, ya que los alumnos desconocen una parte muy importante de las simulaciones, como es el planteamiento del problema, el razonamiento lógico para su resolución y su implementación. Para ellos, la simulación es una ventana cerrada, desconocida e inaccesible. Las ventajas de abrir esa ventana y facilitarles el código pueden ser numerosas ya que, además de poseer las cualidades de las simulaciones sin código, a largo plazo permiten a los alumnos adquirir el PC y acercarlos al método y pensamiento científico. Conocer el código y saber programar las simulaciones les capacita también para crear sus propios códigos para la resolución de cualquier problema de Física, de Matemáticas, de Economía, de Arte, de la vida cotidiana o, incluso, les proporciona herramientas para ser creativos, abriendo amplias posibilidades para encontrar trabajo en el futuro dentro de la sociedad del siglo XXI.

En definitiva, a pesar de que hemos obviado otras fuentes de evidencia como las procedentes del ámbito psicológico (p. ej., el aprendizaje multimodal, Perales 2006), creemos que los argumentos mostrados con anterioridad avalan suficientemente la necesidad de implementar experiencias originales como la que aquí vamos a mostrar y, en su caso, extrapolarlas a otros contextos educativos.

A nivel global en este artículo pretendemos:

1. Fundamentar teóricamente una experiencia de innovación consistente en enseñar a los estudiantes a programar simulaciones de ordenador para la resolución de problemas de Física en Educación Secundaria.

2. Implementarla en forma de un estudio piloto como taller voluntario ofrecido a los centros educativos.

3. Evaluar tal experiencia a través de las opiniones de los profesores y estudiantes implicados.

A nivel de aula pretendemos:

1. Facilitar, a través de la programación de simulaciones de Física, la asimilación de los conocimientos de esta materia.

2. Iniciar a los alumnos en la programación (desarrollo de su propio código para resolver nuevos problemas) y en el PC.

En la LOMCE esta actividad de programación puede implementarse en el aula en la asignatura de Física y Química de 2º, 3º y 4º de ESO. A la programación se podría dedicar una hora cada dos semanas, debido a que la carga lectiva de esta asignatura es de dos horas a la semana en 2º y 3º de ESO, y de tres horas a la semana en 4º de ESO. En el Bachillerato de la modalidad de Ciencias y Tecnología, la asignatura de Física y Química ocupa cuatro horas semanales, por lo que la mejor opción sería dedicar una hora semanal a la programación de los problemas vistos en clase.

En esta experiencia hemos desarrollado la propuesta didáctica para la parte de Física de la asignatura de Física y Química de 1º de Bachillerato dado que puede servir como puente de conexión entre la formación preuniversitaria y la universitaria. Los alumnos que la cursan tienen claro que desean hacer una carrera universitaria tecnológica o científica, donde les van a exigir que aprendan algún lenguaje de programación por ordenador (a veces varios) desde el primer año de la carrera.

En la propuesta didáctica se desarrolla el temario de física correspondiente al estudio de la cinemática, dinámica y energía de 1º de Bachillerato, que corresponden a los bloques 2, 3 y 4 de la LOE (Real Decreto 1467/2007 de 2 de noviembre 2007, pp. 45445-45448) y los bloques 6, 7 y 8 de la LOMCE (Real Decreto 1105/2014 26 diciembre 2014, pp. 270-276)³.

El desarrollo del PC y de las habilidades de programador requiere aprender algún lenguaje de programación. Dominarlo con todos sus detalles y posibilidades es un reto que excede la presente propuesta didáctica (más aún si esta se implementa como parte de una asignatura). Por ello es necesario seleccionar los contenidos a impartir, teniendo en cuenta que todos los lenguajes poseen en común características con las que conviene se familiarice el alumno desde el principio: los mecanismos para representar la información mediante variables, la existencia de instrucciones de control de flujo, las operaciones algebraicas y lógicas básicas, la posibilidad de estructurar un programa en subprogramas y las herramientas para la entrada y salida de datos. La sintaxis para trabajar con los elementos va a cambiar en función del lenguaje de programación, pero todos los elementos van a estar presentes en cualquiera de ellos. El PC está mucho más relacionado con la gramática y la semántica del código que con la sintaxis específica en un lenguaje concreto, y el desarrollo de los contenidos debe considerar el lenguaje de programación como un instrumento para materializar el algoritmo. Los contenidos y criterios de evaluación para la adquisición de conocimientos de programación y la adquisición del PC se presentan en la tabla 1.

Tabla 1.
Contenidos y criterios de evaluación para el desarrollo del PC a través de la programación.

Parte del temario se trabaja con una metodología tradicional en la que el profesor expone los conceptos de programación necesarios para que se pueda avanzar con buen ritmo en el aprendizaje. Una vez que los alumnos han adquirido las habilidades de programación suficientes para programar ellos solos en una versión simple, el papel del profesor pasará a ser de organizador, estimulador, generador de conflictos conceptuales y facilitador de la información nueva, a fin de que el alumno sea constructor de sus propios conocimientos. Las actividades de aprendizaje deben de adecuarse al nivel de partida del alumno y es muy importante la interacción con sus iguales. A este respecto, se pueden proponer actividades de programación que requieran la colaboración de varios participantes.

La propuesta se ha planificado para una intervención de una hora a la semana de las cuatro que tiene la asignatura de Física y Química de 1º de Bachillerato. La temporización, actividades y contenidos para aplicar la propuesta didáctica se indican en la tabla 2. En las primeras siete sesiones se establecen los conocimientos básicos de programación y a partir de la octava semana se programan los problemas estudiados en la parte teórica. En cada sesión el profesor realiza una exposición y los alumnos abordan de forma práctica las tareas propuestas.

Tabla 2.
Actividades, temporalización y contenidos de la propuesta didáctica de programación de los problemas de física.

Para el desarrollo de la propuesta didáctica se necesita para cada alumno, como material hardware, un ordenador y un software que permita la programación. Es preferible utilizar un lenguaje de programación de alto nivel (con un código más sencillo y comprensible) disponible para diversos sistemas operativos. Nuestra elección ha sido el programa Octave (versión libre, muy similar a MatLabTM). Este lenguaje está orientado al cálculo numérico y puede procesar gran cantidad de datos de forma fácil y rápida. Sus principales características son: (1) que permite realizar operaciones matemáticas relativamente complejas con instrucciones simples; (2) que permite acceder desde la consola a los valores de las variables sin necesidad de compilar en modo debugging; y (3) que dispone de herramientas gráficas potentes y de fácil utilización para representar las variables de los programas.

La parte más importante del material didáctico la constituyen los problemas de clase y sus simulaciones mediante programas informáticos. La selección de los problemas se ha realizado de modo que se cumplan los objetivos especificados en el currículo, incluyendo problemas de cinemática, dinámica y energía, tales como problemas de tiro parabólico, plano inclinado, choques elásticos e inelásticos, retrocesos, caídas, etc. En función del ritmo docente y del criterio del profesor se pueden implementar más problemas siguiendo el modelo propuesto o se puede abordar únicamente una selección de los mismos.

Un programa sencillo de un problema de Física conlleva únicamente unas pocas líneas de código para la definición de variables, el planteamiento de las ecuaciones y la salida de la solución escrita por pantalla. Si se quiere elaborar tablas o gráficas se precisa más código. Para hacer simulaciones con movimiento del fenómeno físico conviene dividir el problema en distintas partes y que un programa principal llame a subprogramas o funciones que realicen cálculos determinados. Por tanto, para un mismo problema se pueden diseñar diferentes versiones de programas con mayor o menor dificultad en programación. Esto permite estructurar los programas en grados de dificultad, en función de los conocimientos de programación del alumnado⁴.

La evaluación de esta propuesta didáctica requeriría una intervención longitudinal de al menos un curso completo. Como paso previo, se ha realizado una intervención a modo de estudio piloto en forma de taller, lo que permite una evaluación prospectiva extensible posteriormente a un mayor número de alumnos y profesores. El taller fue conducido por la primera autora de este trabajo y consistió en una sesión de dos horas de duración, en donde inicialmente se hizo una presentación, que incluía un vídeo motivador, después se enseñó a los alumnos los comandos básicos de programación y se les proporcionaron programas con diferentes grados de dificultad para realizar simulaciones de un problema de física de tiro parabólico. Al finalizar el taller se mostró a los alumnos un juego que usa los conceptos físicos del problema estudiado. Tal intervención se llevó a cabo de modo voluntario y fuera del horario escolar, con asistencia de los profesores titulares de las asignaturas.

En la figura 1 se presenta la ficha del problema trabajado, mostrando las distintas alternativas de programación que permite. Los recursos hardware utilizados fueron ordenadores del aula TIC u ordenadores portátiles de los alumnos. Como recurso software se usó el programa Octave.

Figura 1.
Ficha de un problema típico de tiro parabólico.

El taller se realizó para los alumnos de 1º de Bachillerato de la Modalidad Científico-Tecnológica que cursaban la asignatura de Física y Química. En el momento de su realización ya habían completado la parte de la asignatura correspondiente a Física.

En la tabla 3 se detallan las características de la muestra participante en el taller. Todos los centros pertenecían a la provincia de Granada.

Tabla 3.
Muestra participante. Se indica el tipo de centro (público o concertado), el número de alumnos y profesores que participaron en el taller, y la duración del mismo.

Una de las dificultades para llevar a cabo la propuesta didáctica es la motivación y formación del profesorado. Como hemos podido comprobar, actualmente hay una generación de profesores (formados entre los años 80 y 90) que están sensibilizados con la utilidad de la programación porque han tenido experiencia programando alguna vez, en los comienzos de la era informática. Estos profesores sólo necesitan actualizarse con lenguajes de programación apropiados. Existe otra generación de profesores más jóvenes que pueden tener una carencia en su formación en programación. No es de esperar que las generaciones futuras (los que se forman ahora) encuentren dificultades, pues el aprendizaje de la programación es cada vez más habitual en las carreras universitarias. Desde nuestro punto de vista, la formación del profesorado no debería suponer una gran limitación, siempre que aquel esté motivado y crea en las ventajas de la programación. La propuesta didáctica en ningún caso sustituye al trabajo en el laboratorio, si bien es verdad que en algunas ocasiones, cuando los experimentos son imposibles de realizar (a nivel planetario o del espacio, por ejemplo), las simulaciones abren grandes posibilidades. Además, la programación ayuda en la materialización de algunos pasos en las estrategias deseables para la resolución de problemas (Perales, 2000): planteamiento, hipótesis, variables que intervienen, aproximaciones, limitaciones, resolución, análisis de resultados, conclusiones, descomposición en subproblemas, gradación de la complejidad, etc.

La evaluación de la propuesta didáctica se ha realizado sobre su implementación en forma de taller (que es un modelo a escala) y no sobre una propuesta didáctica global, debido a las limitaciones temporales existentes en los centros. La intervención realizada es breve pero los resultados son esperanzadores y presuponen que, llevada a cabo de forma continua durante un curso completo, sería viable y efectiva. Algo en lo que estamos trabajando actualmente.

Casi la totalidad de los estudiantes consideran que utilizan mucho el ordenador pero que tienen escasos o nulos conocimientos sobre programación. Su uso se limita a algún software, a jugar o a utilizar algunas aplicaciones de Internet. Esto confirma que los alumnos generalmente son nativos digitales pero analfabetos en programación, y son conscientes de esto. Después del taller, la mayoría se sienten capaces de usar el ordenador para programar, creen que el nivel es adecuado a su edad y que les puede ser útil saber programar. Su actitud hacia la programación es muy positiva, se sienten satisfechos con la experiencia y les gustaría repetirla, a pesar del esfuerzo que les ha supuesto como actividad extraescolar. De hecho, 18 de los 40 alumnos solicitaron más información para practicar en casa. Conocer el mundo y las posibilidades de la programación puede estimular vocaciones hacia las ramas de las ciencias y tecnologías (las menos elegidas y las que ofrecen mejores posibilidades profesionales).

La propuesta didáctica ha tenido asimismo una buena aceptación entre el profesorado, independientemente de su procedencia de una formación inicial en Física o Química. La mayoría pertenecen a la generación que en los 80 se inició en la programación en su etapa de estudiantes de educación secundaria. Todos los profesores que participaron en el taller mostraron gran interés y estaban convencidos de su utilidad, como reflejan los resultados del cuestionario de opinión. En dos centros, en concreto, mostraron su deseo de ponerlo en práctica el curso siguiente, tanto en la asignatura de Física como en las de Informática o Matemáticas. Al finalizar el taller se facilitó al profesorado todo el material utilizado (charlas, programas, manuales, software de Octave, etc.) para que pudieran emplearlo en sus clases de Física.

La propuesta didáctica presentada se puede adaptar a distintos niveles y asignaturas, bien incluyéndola en el horario oficial (con intervenciones de una hora semanal o quincenal) o incorporándola a las asignaturas de Informática y orientando la programación a la resolución de problemas de otras asignaturas. Sería conveniente su implementación desde los primeros niveles de la ESO, pues dada su capacidad motivadora, la propuesta puede ayudar a generar vocaciones hacia carreras científicas y tecnológicas, y contribuir a la igualdad de género en estas carreras (mayoritariamente masculinas). Si se implementa en cursos más bajos, la utilización de juegos como recurso motivador puede ser muy útil pues los alumnos serían capaces de aprender Física, desarrollar la creatividad y divertirse al mismo tiempo (los juegos realizados en el taller han provocado más de una carcajada).

La tendencia educativa actual con respecto al PC y la programación (a pesar del retraso en la legislación española en este contexto) hace que la propuesta desarrollada tenga un gran potencial de cara al futuro. Encaja perfectamente en esta tendencia y proporciona además un modelo (que ha sido probado con resultados positivos) que puede ser utilizado para desarrollar nuevos materiales docentes y extender la propuesta a otras asignaturas y niveles.