3.1 – Introdução
Este capítulo possui dois objetivos específicos. O primeiro é descrever e analisar, em âmbito geral, o modo como as pesquisas de ensino-aprendizagem de Física que usam o computador e, como suporte teórico, um ou mais dos conceitos de modelos, modelagem, softwares/ambientes de modelagem,
simulações e visualizações computacionais, discutidos no capítulo anterior,
podem ser categorizados. O segundo objetivo, é descrever e analisar a distribuição das pesquisas em periódicos nacionais, de acordo com a categorização estabelecida nesse capítulo nessa primeira década e meia de século XXI.
O trabalho de revisão sobre os aspectos deste capítulo incluem consultas a sete periódicos nacionais. O período estabelecido para busca foi de quinze anos, a partir de 2000. Entretanto, alguns periódicos foram criados posteriormente. De acordo com os critérios de classificação do sistema
WebQualis da Capes, em 2009, tais periódicos se constituem nas principais
referências para o Ensino-Aprendizagem de Física.
Foram consultados os seguintes periódicos: Alexandria – Revista de
Educação em Ciência e Tecnologia, Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Ciência & Ensino, Ensaio – Pesquisa em Educação em Ciências, Revista
48
Investigações em Ensino de Ciências, Revista Brasileira de Ensino de Física e Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências.
Para a seleção dos artigos, os portais eletrônicos de todas as revistas supracitadas foram acessados e, para cada volume a partir do ano de 2000, foi feito uma primeira leitura dos títulos e resumos dos artigos publicados. Após esse processo, foram selecionados todos os artigos que contivessem em seu título ou resumo um ou mais das seguintes palavras/termos chaves:
computador, modelos computacionais, modelagem computacional, softwares/ambientes de modelagem computacional, simulações computacionais, visualizações computacionais ou correlatos e que estivessem
relacionados a práticas de ensino-aprendizagem de Física.
Após essa primeira seleção, procedeu-se uma análise de todos os artigos selecionados e consequente categorização, Tabela 01, cumprindo-se assim o primeiro objetivo do capítulo. Após essa classificação, analisou-se a distribuição de frequência dessas publicações ao longo do tempo, Figura 02, com o objetivo e descrever e analisar a arte de produção de pesquisas na área de interesse desse trabalho. Por fim, cabe ressaltar que para a construção desse capítulo foram utilizados sessenta e oito (68) artigos.
3.2 – Categorização, Descrição & Analises dos Artigos da Área
de Pesquisa, 1° Etapa: Uma Visão Panorâmica das
Concepções, Metodologias, Organização, Conteúdos &
Resultados dos Trabalhos Produzidos.
Após a pesquisa de revisão bibliográfica nos sete periódicos nacionais e suas respectivas seleções e leituras, foi possível estabelecer sete (7) categorias de analises, mostradas na Tabela 01 da próxima página. Tais classificações, foram pautadas por dois critérios principais, são eles: I – Os Softwares utilizados nas pesquisas são de cunho prioritariamente educacional ou comercial e II – Os artigos relatam aplicações reais ou apenas discutem implicações teóricas e/ou possíveis utilizações desse ferramental no contexto educacional.
49 Nesse ponto, é importante entender que essa classificação é utilizada com o intuito de organizar e entender, mesmo que forma parcial, como a produção de trabalhos científicos nessas temáticas se desenvolveram no Brasil ao longo dos últimos anos. Não é objetivo de tal procedimento, criar regras rígidas e herméticas para a categorização de pesquisas nessa área de conhecimento dessa forma, tal procedimento não está isento de sobreposição dos trabalhos aqui revisados entre as categorias estabelecidas.
Tabela_01: Categorias (Cat.) dos Artigos que versam sobre o uso do Computador, Modelos, Modelagem, Softwares/Ambientes de Modelagem, Simulação & Visualizações Computacionais no Ensino-Aprendizagem de Ciências no Brasil nos últimos Quinze anos.
Cat. Descrição da Categoria N° & %.
1
Artigos que são exemplares de aplicações do computador através dos Softwares/Ambientes de Modelagem Computacional, como discutido no Capítulo II, em atividades de Ensino-Aprendizagem de conteúdos específicos de Física no contexto educacional.
20 ou ≈ 29,41%
2
Artigos que apresentam possíveis usos do computador através de Softwares/Ambientes de Modelagem Computacional em atividades de Ensino-Aprendizagem de conteúdos específicos de Física, porém, não relatam aplicações desse ferramental no contexto educacional.
13 ou ≈ 19,11%
3
Artigos que são exemplares de aplicações do computador através de Softwares, que não são especificamente Ambientes de Modelagem Computacionais, em atividades de Ensino-Aprendizagem de conteúdos específicos de Física.
6 ou ≈ 8,82%
4
Artigos que são exemplares de possíveis usos do computador através de Softwares, que não são especificamente Ambientes de Modelagem Computacionais, em atividades de Ensino-Aprendizagem de conteúdos específicos de Física, porém, não relatam aplicações desse ferramental no contexto educacional.
13 ou ≈ 19,11%
5
Artigos que são exemplares de aplicações, no contexto educacional, do computador através do uso de Softwares de coleta/aquisição de dados a partir de experiências reais em laboratórios ou salas de aulas para o desenvolvimento de atividades de Ensino-Aprendizagem de conteúdos específicos de Física.
2 ou ≈ 2,95%
6
Artigos que são exemplares de discussões teóricas ou de revisão de literatura a cerca do uso do computador e suas tecnologias, no sentido lato, no contexto de ensino-aprendizagem da Física.
11 ou ≈ 16,18%
7
Artigos que são exemplares de aplicações do uso do computador e suas tecnologias, no sentido lato, em cursos de formação de professores de Física. 3 ou ≈ 4,42% TOTAL 68 ou 100%
Como pode ser observado, os artigos acadêmicos foram classificados em sete (7) categorias: vinte (20) na categoria 1; treze (13) na categoria 2; seis (6) na categoria 3; treze (13) na categoria 4; dois (2) na categoria 5; onze (11) na categoria 6 &, por fim, três (3) na categoria 7 perfazendo assim, o total de sessenta e oito (68) artigos revisados. Nas páginas seguintes são descritos e analisados os principais aspectos desses trabalhos.
50 Categoria 1: Como ponto de partida, pode-se destacar que vários trabalhos dessa categoria propõem, entre outras coisas, a utilização de conceitos/teorias, tais como: princípios de sistemas de Forrester; estratégias de conflitos cognitivos de Posner; teoria sociointeracionista de Vygotsky com ênfase curricular em Ciência-Tecnologia-Sociedade (CTS); ideias de David Hestenes; teoria de aprendizagem significativa de Ausubel; momentos pedagógicos de Delizoicov; pesquisa etinometodológica & modelos conceituais como suporte teórico para as atividades computacionais propostas no contexto educacional.
Outro aspecto importante desses artigos é o fato dos estudos que abordam conteúdos específicos de Física, em muitos casos, serem desenvolvidos através de material instrucional impresso, uma espécie de
“roteiro de atividades”, aliado aos modelos construídos através dos
Softwares/Ambientes de Modelagem Computacional STELLA; WLinklt; Prometeus; Modellus ou similares como a linguagem LOGO; software “Água Viva”; Tracker e Objetos de Aprendizagem (OA).
Em relação aos conteúdos abordados existe uma diversidade de temas, por exemplo, sistema massa-mola; mecânica; leis de Newton; movimento dos corpos; cinemática; Física Quântica – orbital eletrônico, efeito fotoelétrico, dualidade onda-partícula, interação da radiação com a matéria –; colisões; circuitos elétricos simples; pêndulo simples e resfriamento, entre outros. Em relação ao contexto educacional onde tais atividades são desenvolvidas, pode- se observar uma variedade dos níveis, são eles: médio, superior & técnico.
São apontados como principais resultados desses estudos, o melhor delineamento e entendimento sobre os seguintes aspectos: interação e desempenho dos alunos na utilização dos ambientes; levantamento das habilidades para construir, alterar, relacionar e explicar modelos propostos em atividades expressivas; dificuldades para delimitar sistemas em estudos, entender influencias de variáveis umas sobre as outras e os conceitos físicos envolvidos; a construção de novas estratégias pedagógicas para a efetivação dessas atividades com o objetivo de promover mudanças de concepções espontâneas & de contraposição de conceitos científicos e concepções dos
51 alunos; o levantamento e superação de dificuldades de analise de gráficos em cinemática & de concepções errôneas sobre orbitais eletrônicos; diferenças e similaridades entre atividades experimentais e com simulação computacional; evolução conceitual; aumento da curiosidade nos conteúdos abordados; maior motivação e engajamento nos estudantes; índices de acertos (desempenho) nas atividades assistidas com modelagem computacional, animações como ferramentas que facilitam a interpretação de modelos conceituais, dentre outros aspectos.
Categoria 2: Inicialmente, observa-se nessas pesquisas que as possíveis aplicações das ferramentas de modelagem podem ser utilizadas, com objetivos distintos, por alunos e professores. No processo de ensino- aprendizagem de Física, são discutidos como principais aspectos dessas possíveis aplicações, os seguintes parâmetros: tratamento de situações não lineares e mais próximas de situações reais; a visualização científica e realidade virtual; visão crítica da ciência e do ensino de ciências e metodologias para a elaboração de modelos computacionais objetivando simular fenômenos físicos. Para tal, são utilizados os seguintes Softwares/Ambientes de Modelagem Computacionais Modellus; Stellarium, SimQuest ou similares, tais como: os softwares Electras; Easy Java Simulations-Ejs; Objetos de Aprendizagem (OA) e Hipermídias.
Os conteúdos abordados podem ser vários como, por exemplo, a 2° lei de Newton; cargas elétricas; campos elétricos; óptica; osciladores acoplados & equações diferenciais; sistemas massa-mola; equação de Schroedinger independente do tempo; dualidade onda-partícula; pêndulo duplo; atrator de Lorenz; lançamento vertical; máquinas térmicas; história da Física através de simulações virtuais do experimento de Galileu para o plano inclinado.
Como principais resultados podem-se apontar: as elaborações de propostas e materiais – modelos computacionais idealizados – para o estudo de fenômenos físicos; algumas possibilidades de usos desses modelos no âmbito educacional; o apoio que tal ferramental pode oferecer para facilitar visualizações de fenômenos & resultados numéricos e analíticos dessas simulações.
52 Categoria 3: Em primeiro lugar, em algumas dessas investigações, foram utilizados aportes conceituais/teóricos, tais como: teoria da aprendizagem significativa de Ausubel; Modelo do Processamento da Informação de Robert Gagné; estratégias como Predict-Observe-Explain (POE) como suporte teórico para as atividades computacionais propostas. Para a implantação dessas atividades, utilizaram-se softwares ou ferramentas computacionais de cunho prioritariamente comerciais, que não possuem uma arquitetura didática específica como, por exemplo, planilhas eletrônicas; plataformas para criação de sites; CD-ROM; textos didáticos em HTML e editores de vídeos.
Tais aplicações são utilizadas para ilustrar fenômenos físicos para alunos de níveis universitário, médio regular e educação especial. Os conteúdos abordados são referentes à gravitação; óptica; luz & visão; campos & potenciais elétricos. Por fim, resultados apontam para aumento da motivação e autonomia nos estudos e boa receptividade desses materiais por parte deles.
Categoria 4: Como ponto de início, pode-se destacar que as pesquisas dessa categoria são desenvolvidas nos âmbitos do ensino médio e universitário. Observa-se em tais trabalhos, perspectiva de utilização de softwares preponderantemente comerciais para o ensino-aprendizagem de Física. São exemplos de tais programas: o Maple (programação); utilização de linguagens de programação diversas; planilhas eletrônicas; programas gratuitos para cálculos numéricos de campos vetoriais; softwares de analise de vídeos; animações em linguagem Flash; software Ansys-CFX 12.1 de métodos de volumes finitos; software (StroboMovie) de captura de frames de vídeos no formato (MPEG); linguagem Actionscript e software MUFCosm, construído em Python.
Na perspectiva de uso de tal aporte computacional, foram abordados conteúdos referentes há: teoria eletromagnética; física nuclear; interferência ondulatória; pêndulo simples; movimento browniano; história da Física; mecânica dos fluídos; movimento dos corpos; sistema solar; evolução do universo, entre outros. Observou-se ainda, atividades interdisciplinares entre Física, Matemática e Computação em um dos artigos aqui analisados.
53 Em termos de resultados podem-se destacar as novas possibilidades do uso do computador como instrumento pedagógico; apresentação dos resultados das simulações promovidas e suas interpretações a partir de analises gráficas; resultados de estudos comparativos entre métodos analíticos e numéricos para cálculos de capacitância/força elétrica e fluxo elétrico/forças de campos elétricos; avaliações dessas ferramentas computacionais no contexto da educação de ciências; explicitação das linhas de códigos – quando a aplicação foi desenvolvida em alguma linguagem de programação.
Categoria 5: Inicialmente pode-se destacar que, nas pesquisas dessa categoria, foram utilizados equipamentos eletrônicos, tais como: emissores e receptores de ondas sonoras e sensores de forças. Tais aparelhagens, conectadas a computadores que possuem softwares de aquisição de dados proporcionam atividades de ensino-aprendizagem de Física com design específico para laboratórios de ciências.
Os conteúdos abordados nessas atividades foram à velocidade do som e atrito cinético entre duas superfícies respectivamente. Como resultados, pode-se destacar que tais trabalhos apresentam as montagens experimentais & respectivos resultados encontrados nos experimentos e por fim, sugestões de aplicação no contexto educacional para laboratórios de Física e sala de aula.
Categoria 6: Os artigos dessa categoria, são direcionados as discussões conceituais/teóricas, sobre o uso do ferramental computacional, relacionadas com os seguintes fatores: vantagens e desvantagens de tal uso; importância das animações, simulações & modelagem no contexto de ensino- aprendizagem; conexões com os parâmetros curriculares nacionais (PCNEM); desenvolvimento histórico dos processos de modelagem computacional e suas relações com algumas teorias de aprendizagem; visões panorâmicas sobre a arte da produção desses trabalhos; uso do computador como ferramenta de aquisição de dados em laboratórios de Física e interface tecnologia/conhecimento no ensino-aprendizagem específico de Física.
Têm-se também, que alguns desses artigos procuram estabelecer diálogos com teorias educacionais da aprendizagem significativa de Ausubel-
54 Novak-Gowin; Teoria dos Modelos Mentais de Johnson-Laird; diagramas AVM – adaptação do V do Gowin para a modelagem computacional.
Tais trabalhos procuram mostrar, entre outras coisas, características essências de Softwares/Ambientes de Modelagem Computacionais como o Modellus bem como, delinear outras perspectivas de uso do computador como, por exemplo, realidade virtual; aquisição de dados em laboratório e/ou pela internet, entre outras possibilidades.
Como resultados principais, pode-se apontar: perspectivas teóricas e metodológicas para o uso desse ferramental no contexto educacional; estabelecimento de relações entre simulações e experimentação real em ciências; potencialidades e dificuldades de implantação das estratégias computacionais para o ensino-aprendizagem de Física; predileção, em trabalhos da área por abordagens em mecânica newtoniana; convicção que a modelagem computacional é uma das mais efetivas estratégias didáticas para a melhoria da compreensão de conceitos científicos; constatação de que a modelagem possui um entendimento amplo e, por fim, que muitas vezes desconsidera o seu contexto de utilização dentro das ciências exatas.
Categoria 7: Inicialmente, pode-se destacar que esses trabalhos expõem a necessidade de se investir em cursos de formação inicial e pós- graduação de professores; na concepção e construção de ferramentas computacionais com design específicos para as particularidades de cada ciência. Apresenta-se também, alguns softwares educativos utilizados em estudos de formação de professores, tais como: Vest 21 Mecânica; hipertextos; planilhas eletrônicas e o software/ambiente Modellus.
Alguns resultados desses estudos indicam que essas ferramentas computacionais utilizadas em cursos de formação de professores são bem avaliadas; tem a potencialidade de promover mudanças nas concepções sobre ensino, conteúdo, metodologia, e avaliação na Física indicando assim, boa aceitação de tais ferramentais pelos professores em suas práticas educativas.
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