Contexto do estudo

No segundo semestre de 2017, o autor da presente tese realizou um estágio de doutorado sanduíche na Universidade de Harvard, no grupo do professor Eric Mazur. Esse estágio possibilitou o estudo de inovações didáticas em uma universidade que tem tradição em lançar inovações didáticas no ensino de Física, o que faz com que as inovações oriundas dessa universidade tenham potencial de serem difundidas, como foi o caso do método Peer Instruction. Na ocasião, diante do desenvolvimento de um novo método, posto em prática por meio da criação da disciplina Applied Physics 50 (AP50), tivemos a oportunidade única de entender o desenvolvimento e implementação de uma inovação didática com potencial.

A AP50 é uma disciplina de Física introdutória voltada a estudantes de engenharia, caracterizada por uma aprendizagem orientada ao desenvolvimento de equipes e à elaboração de projetos. Há duas edições da disciplina, a AP50a e a AP50b. A primeira trata dos temas relacionados à mecânica clássica, e a segunda de tópicos sobre eletromagnetismo. Cada uma das edições é ofertada uma vez por ano, em sequência. A AP50 conta com no máximo 75 alunos por turma, divididos em equipes de 4-5 estudantes, e com a presença de cerca de oito monitores e dois professores. As equipes são modificadas três vezes ao longo do semestre, isto é, no início de cada novo projeto. São três encontros semanais de duas horas cada, sendo que um deles é em um laboratório adequado à construção de projetos e os demais em uma sala com design propício ao trabalho colaborativo, incluindo quadros brancos móveis (Figura 15).

A partir de um software de leitura colaborativa (Perusall15_{), os estudantes, em casa,} leem e discutem algumas páginas do livro-texto. O Perusall permite que os estudantes façam marcações no livro-texto, façam perguntas e respondam às dos colegas. Na Figura 16, apresentamos um exemplo do ambiente virtual e da dinâmica de leitura colaborativa no software.

15 _{O Perusall (https://perusall.com/) é um software gratuito, utilizado para estudo prévio, que permite a}

colaboração entre estudantes por meio de marcações e anotações em arquivos no formato PDF compartilhados pelo professor.

Em sala, os alunos se envolvem em uma série de atividades que vão, progressivamente, possibilitando o domínio dos conceitos necessários para a construção dos projetos, a serem apresentados em feiras com avaliadores externos à disciplina. As atividades são as seguintes (Miller et al., 2016): Instrução pelos colegas (Peer Instruction), Tutoriais (Tutorials), Atividades de estimativa (Estimation Activity), Atividades experimentais (Experimental Design Activity), Resoluções de problemas e reflexão (Problem Set & Reflection) e Atividades de garantia de preparação (Readiness Assurance Activities). A seguir, discutimos cada uma das atividades.

Figura 15 – Sala de aula da AP50. (Fonte: https://harvardmagazine.com/2012/09/reinventing- the-classroom)

Figura 16 – Material resultante da discussão entre os alunos na plataforma Perusall.

Instrução pelos colegas (Peer Instruction): ao longo do semestre, o professor conduz cerca de oito seções de Peer Instruction (como já descritas na introdução da presente tese), com aproximadamente 1h45min cada. Em uma seção, os alunos respondem de 8 a 12 testes conceituais (Conceptests) a respeito do texto lido antes da aula. Os alunos respondem cada questão individualmente e depois de discutí-la com a sua turma, respondem-na novamente. Esse processo é realizado com o software Learning Catalytics16_{, que possibilita que o professor crie} e organize as questões, bem como monitore as respostas dos alunos em tempo real. Na Figura 17, apresentamos um exemplo de teste conceitual na tela do Learning Catalytics vista pelo professor durante a segunda votação dos alunos.

16 _{O software pode ser acessado em: https://www.pearson.com/us/higher-education/products-services-}

Figura 17 – Exemplo de questão conceitual no Learning Catalytics na visão do professor durante a segunda votação dos alunos.

Tutoriais: em sala de aula, as equipes trabalham para preencher uma lista de questões desenvolvidas para abordar as principais concepções alternativas do conteúdo em estudo. Durante um semestre são utilizados de 6 a 8 tutoriais do livro “Tutorials in Introductory Physics” (McDermott e Shaffer, 1998), nos quais os estudantes trabalham, por aproximadamente 1h, com suas equipes. Abaixo, expomos um exemplo de questão utilizada nessa etapa.

II – Desenhando diagramas de forças

Esboce um diagrama de forças para um livro em repouso sobre uma mesa nivelada. (Lembre-se: um diagrama de forças adequado não deve ter nada nele além da representação do livro e as forças agindo sobre o livro.)

Certifique-se de que o rótulo dado para cada uma das forças indique: - o tipo de força (gravitacional, atrito etc.);

- o objeto sobre o qual a força age; - o objeto que exerce a força.

1. Que evidência você tem da existência de cada uma das forças que você colocou no diagrama?

2. Que observações você pode fazer que permitam que você determine as magnitudes relativas das forças agindo sobre o bloco?

De que maneira você mostrou as magnitudes relativas das forças no seu diagrama? (McDermott e Shaffer, 1998, tradução nossa).

Atividades de estimativa: os estudantes recebem cerca de cinco quantidades a serem estimadas relacionadas ao tópico de estudo. Eles têm aproximadamente 30 min para pensar e trabalhar nas estimativas com seus colegas de equipe. As soluções são apresentadas em ordem de grandeza. A seguir, apresentamos um exemplo de atividade de estimativa utilizada no semestre observado.

Instruções: Estime (não adivinhe nem procure na internet!) a ordem de

grandeza mais próxima das quantidades abaixo. Relate todas as suas respostas como uma ordem de grandeza (utilizando as unidades indicadas). Passe os primeiros cinco minutos pensando individualmente acerca de uma estratégia para abordar o problema e, em seguida, discuta com a sua equipe. Você tem exatamente 30 minutos, então pense rápido!

Quando sua equipe concluir todas as perguntas, verifique suas respostas com um dos professores ou monitores.

Importante: comece pelo que você sabe; não procure valores. Finja

que você está sendo questionado sobre essas questões em uma entrevista de emprego. Ou que você quer surpreender as pessoas em um jantar.

Calcule a força de sustentação gerada pelas asas de um avião durante a decolagem. Unidade da resposta: [N]

Estime a altura da montanha que um estudante universitário poderia escalar com a energia economizada apagando as luzes do dormitório, em vez de mantê-las acesas para fazer uma tarefa de casa durante a noite toda. Unidade da resposta: [m] (material da disciplina, tradução nossa) Atividades experimentais: atividades de laboratório e/ou simulações computacionais (ao estilo PhET17_{) que auxiliam no desenvolvimento de habilidades experimentais e analíticas para o} desenvolvimento do projeto. Em uma atividade experimental, intitulada “Pêndulo balístico”, os alunos são solicitados a realizarem cálculos, testar seus aparatos e produzir um vídeo para subsequente análise via software Tracker. Segue, como exemplo, as orientações iniciais da referida tarefa.

Para a atividade experimental de hoje, você construirá um aparato para transformar uma esfera em um projétil. Você será solicitado a calcular onde o projétil pousará (no chão) e colocará o alvo exatamente naquele local. Em seguida, você testará seu aparato e determinará a proximidade da sua esfera em relação ao alvo colocado. Você gravará um vídeo do seu projétil e o analisará no Tracker para verificar os cálculos que você realizou na parte 1. (material da disciplina, tradução nossa).

Resoluções de problemas e reflexão: listas com 4-5 problemas em que os estudantes têm uma semana para trabalharem sozinhos, em casa. É recomendado aos estudantes que se esforcem nas soluções sem consultar os colegas. Em classe, os alunos trabalham com a suas equipes na atividade de reflexão dos problemas. Nessa atividade, os estudantes discutem com seus colegas para melhorar as soluções dos problemas feitas em casa, e são instruídos a refletirem a respeito das partes das soluções que precisam ser melhoradas. Ao final dessa atividade, os alunos entregam as suas soluções e reflexões por escrito ao professor. Um exemplo de problema utilizado nessa etapa é exposto a seguir.

Star Galactic. Em um novo filme intitulado “Star Galactic”, o vilão,

Sir Barron B. Bad, escapa de uma prisão da estação espacial. A prisão está localizada entre galáxias distantes de alguma estrela. Barron rouba uma pequena nave espacial. Ele a acelera em uma linha reta na aceleração máxima possível da nave de 30 m/s². Após 12 minutos, todo o combustível é queimado e a nave desacelera a uma velocidade constante. Enquanto isso, a heroína, capitã Hailey Comet, ouve falar sobre a fuga e corre para recapturar o Sr. Bad. Hailey parte para a perseguição em uma nave cuja aceleração máxima é idêntica a do vilão. Infelizmente, o Sr. Bad tem uma vantagem de 30 minutos. Por sorte, a nave de Barron não estava com o tanque de combustível cheio ao início de sua fuga. Com o tanque cheio, a capitã Comet consegue manter a aceleração máxima por 15 minutos. Quanto tempo levará para a nave de Comet alcançar a de Barron? (material da disciplina, tradução nossa).

Atividades avaliativas de garantia de preparação para o projeto: tratam-se de avaliações realizadas cinco vezes por semestre com o objetivo de garantir que os estudantes estão na mesma linha de aprendizagem dos conceitos básicos do conteúdo. Durante a primeira metade da atividade, os estudantes trabalham individualmente para resolver uma série problemas. Os alunos podem consultar o livro-texto ou a internet, mas não têm permissão para conversar com os colegas. Na segunda metade da atividade, os alunos discutem os mesmos problemas e tentam chegar a um consenso. Ao final, a equipe submete as respostas para avaliação em um software apropriado (Learning Catalitycs). Depois de submeter as respostas, o sistema indica se as

respostas estão certas ou erradas, e, em caso de erro, os estudantes voltam a discutir a questão e podem respondê-la novamente, mas recebem metade da nota referente a questão.

Os alunos ainda avaliam seus colegas de equipe. Todas as equipes se envolvem em projetos com objetivos e orientações similares, dados pelos professores. Como exemplos de projetos estão: um carro com um sistema de propulsão mecânica, uma máquina de Rube Goldberg e um instrumento musical construído com materiais recicláveis.