UMA VISÃO DE ENSINO DE CIÊNCIAS BASEADA EM MODELAGEM

Neste trabalho, utilizaremos a definição de modelo proposta por Gilbert, Boulter e Elmer

(2000) – representação de uma ideia, objeto, evento, processo ou fenômeno para um dado

sistema, que apresenta uma finalidade específica – que é bastante coerente com os

aspectos discutidos na seção anterior por enfatizar a principal característica de um modelo: ser uma representação com objetivo definido.

No Ensino de Ciências, é importante distinguir alguns tipos de modelo. Modelos

científicos são definidos como modelos expressos que ganham aceitação social através de

teste e aprovação por uma comunidade científica. Como muitas vezes os modelos científicos são complexos (por exemplo, formulações matemáticas muito elaboradas), simplificações desses modelos, denominados modelos curriculares, são ensinados aos alunos. Tais simplificações devem, é claro, ser coerentes com o nível cognitivos dos alunos. Assim, existem vários modelos curriculares para um mesmo modelo científico. No contexto escolar, é importante também distinguir os modelos curriculares dos modelos de ensino. Os últimos são representações criadas com o objetivo de ajudar os alunos a aprender aspectos dos modelos curriculares. Os principais modelos de ensino utilizados são: bidimensionais (2D), tridimensionais (3D), computacionais (simulações) e analogias (Gilbert et al., 2000).

É possível aprender com modelos ao usá-los e/ou construí-los. Segundo Morrison e

Mo ga , s o ap e de os uito ape as o se a do u odelo – nós aprendemos

muito mais ao construí-lo e manipulá-lo , p. -12) . No Ensino de Ciências, também

há vários pesquisadores (por exemplo, Erduran, 2001; Erduran & Duschl, 2004; Millar & Osborne, 1998) que têm enfatizado a importância de os estudantes não apenas aprenderem as abrangências e limitações dos principais modelos curriculares, mas como estes são gerados e avaliados no domínio científico, o que inclui aspectos de natureza da ciência.

Hodson (1992) apresentou os objetivos do Ensino de Ciências como favorecer a aprendizagem de Ciências, isto é, promover situações nas quais os alunos tenham condições de compreender o conhecimento científico conceitual; sobre Ciências, isto é, sobre aspectos de história, filosofia e metodologia de Ciências; relacionada a fazer Ciência, isto é, criar situações nas quais os alunos tornem-se capazes de participar de atividades que objetivem a aquisição de conhecimento científico. Tais objetivos foram devidamente interpretados para o domínio dos modelos por Justi e Gilbert (2002):

 aprender ciências, os alunos devem saber sobre a natureza, abrangência e limitações dos principais modelos científicos ou curriculares;

 aprender sobre ciências, os alunos devem ser capazes de avaliar o papel de modelos no desenvolvimento e disseminação dos resultados da pesquisa científica;

 aprender a fazer ciência, os alunos devem ser capazes de criar, expressar e testar seus próprios modelos.

A pesquisa apresentada nesta tese visa favorecer a aprendizagem de ciências nestas três instâncias a partir do ensino por modelagem. Quando se comenta sobre a relação entre modelagem e aprendizagem, torna-se necessário esclarecer o que se entende por aprendizagem. Como comentado anteriormente (e representado na figura 2.1), de acordo com a filosofia construtivista, o conhecimento é construído pelo ser humano, nunca é confirmado e a escolha da melhor teoria ou modelo depende das circunstâncias. A consideração das ideias construtivistas leva a definir aprendizagem como um processo de estabelecimento de relações mentais entre o conhecimento já existente e novas informações (Driver, 1989). Nesse sentido, a aprendizagem depende de três aspectos: o que o aprendiz já sabe; as características da situação de aprendizagem em si e a natureza das relações que são estabelecidas. Nessa perspectiva, a aprendizagem pode ser avaliada a partir de uma mudança cognitiva do indivíduo, que pode ser observada indiretamente através de atividades sucessivas. Numa perspectiva sócio-cultural, a aprendizagem é vista como um processo que emerge das interações sociais (Vygotsky, 1978).

Visando estruturar atividades de ensino que pudessem favorecer a aprendizagem de ciências nas instâncias destacadas, utilizamos como referencial o diagrama Modelo de Modelagem. Tal diagrama foi proposto por Justi e Gilbert (2002) a partir de estudos sobre

como cientistas constroem modelos e de propostas de outros pesquisadores (Clement,

apresentamos uma breve descrição da proposta de modelagem de Clement (1989, 2000). Posteriormente, apresentamos uma descrição detalhada do diagrama proposto por Justi e Gilbert (2002) a partir da publicação original e de outras publicações de seus autores (Justi, 2006; Justi & Gilbert, 2006). Os aspectos relacionados ao ensino são exemplificados a partir da pesquisa envolvendo ligação iônica (Mendonça & Justi, 2009a, 2009b; Mendonça & Justi, 2011). Por fim, destacamos a coerência da proposta em relação à de Giere e em relação aos objetivos traçados para o Ensino de Ciências atualmente (AAAS, 1990; Brasil, 2001; Millar & Osborne, 1998).

Segundo Clement (1989), cientistas raciocinam de acordo com um processo cíclico de geração, avaliação e modificação de modelos, denominado por ele de ciclo GEM (figura 2.5). Ele descreve a construção de modelos como um processo no qual um modelo inicial é criticado e revisado, originando uma série de modelos com crescente aumento de complexidade e sofisticação. A ideia geral apresentada na figura 2.5 é a de que um modelo é gerado pelo(s) indivíduos(s) ao tentar resolver um problema (por exemplo, explicar a ocorrência de um fenômeno). Esse modelo passa por uma avaliação, de forma a averiguar se ele cumpriu o objetivo para o qual foi proposto. Caso haja problemas complexos com esse modelo, ele deve ser descartado e outro modelo deverá ser proposto. Caso os problemas sejam simples, o modelo pode sofrer alguma(s) modificação(ões) e passar novamente por avaliação.

Figura 2.5. Ciclo GEM (geração, avaliação e modificação de modelos) (Clement, 1989). Clement (2000) também propôs uma estrutura (figura 2.6) para descrever o caminho de aprendizagem do indivíduo a partir da construção de modelos. De acordo com essa

estrutura, o objetivo do ensino é que o estudante possa atingir um modelo alvo, que pode

ou não ser sofisticado como o modelo científico consensual17. As ideias prévias do estudante

(que podem ser modelos e conceitos coerentes e incoerentes em relação à situação problema), assim como seu raciocínio, constituem as unidades de construção para o desenvolvimento do modelo alvo, o que pode ocorrer via modelos intermediários parciais (modelo Mn para Mn+1, e assim sucessivamente).

Figura 2.6. O caminho de aprendizagem proposto por Clement (2000, p. 1042).

Em uma das publicações mais recentes de Clement e seus colaboradores (Clement & Rea-Ramirez, 2008), foram apresentadas formas pelas quais professores podem estruturar e conduzir suas intervenções a partir de co-construção de modelos, isto é, um processo de construção de conhecimentos via geração, avaliação e modificação de modelos guiados pelo professor, mas com participação dos alunos. Segundo esses autores, o professor deve dar suporte ao estudante a partir da proposição de questões dirigidas. Eles destacam dois tipos de questões. Uma delas é chamada de questão suporte. Ela é desenvolvida para ativar o conhecimento já existente do estudante, de forma a relacionar esse conhecimento a experiências e dados disponibilizados na modelagem, contribuindo para a geração e modificação de modelos. As outras questões são denominadas discrepantes e são formuladas com o intuito de favorecer a insatisfação do estudante com um modelo, contribuindo para a sua reformulação. Essas questões podem contribuir para a ap e dizage do estuda te po ue ele te de a a io i a a pa ti do o i e to de oda o seu modelo mental a fim de verificar a funcionalidade do mesmo em explicações e

17 _{Discordamos desse ponto de vista do autor, por julgamos que na escola são ensinados modelos} curriculares (ver figura 2.6).

previsões. Com base na análise de situações de ensino, os autores perceberam que o professor também pode contribuir no processo a partir de novas informações e observações disponibilizadas aos estudantes, referências a comentários anteriores e dicas para integração de ideias visando a geração de um modelo. Os autores também ressaltam a importância de organizar os estudantes em grupos pela relevância das interações sociais na construção do conhecimento.

Considerando relatos de como cientistas constroem modelos, assim como as ideias originais de Clement e as de Giere, Justi e Gilbert (2002) propuseram o diagrama Modelo de

Modelagem (figura 2.7). Justi e Gilbert (2003) salientaram a possibilidade de utilização do

diagrama como estruturador do Ensino de Ciências baseado em modelagem, o que tem fundamentado as pesquisas desenvolvidas em nosso grupo de pesquisa. Todas elas ocorreram no contexto de aplicação de estratégias de ensino planejadas a partir do diagrama Modelo de Modelagem, isto é, as atividades de ensino foram elaboradas de forma que os alunos vivenciassem todas as etapas do processo de modelagem constituintes do diagrama.

De acordo com o diagrama, o processo de modelagem compreende quatro etapas. A primeira corresponde à produção de um modelo mental. Essa fase abrange quatro subetapas. Inicialmente, é necessário definir os objetivos para os quais o modelo será construído. Numa situação de ensino, essa tarefa é expressa nas atividades e pelo professor. Para tanto, é importante que o professor tenha claro um modelo curricular, isto é, uma simplificação do modelo científico que se espera que os alunos aprendam. Entretanto, é importante que o professor não fique preso a esse modelo como a única possibilidade ou o o o ú i o odelo o eto , u a ez ue outros modelos, igualmente coerentes e com poderes de explicação e previsão adequados podem ser propostos pelos alunos. Por exemplo, no ensino de ligações iônicas por modelagem, os alunos produziram modelos do

tipo NaCl e ede ue e fatiza a ias i te ações eletrostáticas entre íons de cargas

opostas), mas a maioria18 não apresentou uma estrutura cúbica de face centrada. A

professora ressaltou a coerência do modelo para explicar os dados experimentais (por exemplo, elevada temperatura de fusão) e enfatizou que não haveria como eles saberem exatamente o tipo de rede, pois as atividades realizadas não forneciam dados para isso.

Para a produção de modelos, é necessário que o sujeito tenha conhecimentos e modelos prévios que sirvam de base para a proposição de um novo modelo, ou que os conhecimentos sejam adquiridos a partir de observações e busca na literatura. No diagrama, isso se relaciona a ter experiências com o alvo. No ensino, as atividades de modelagem e o professor apresentam fenômenos e sistemas interessantes (observáveis ou não), dados (teóricos ou empíricos) e informações relevantes aos alunos com o intuito de dar suporte ao processo de elaboração do modelo. Ao selecionar essas informações, o professor deve estar atento às concepções alternativas que os alunos comumente desenvolvem sobre o tema a ser estudado. Ele também deve averiguar se os alunos têm noção de conceitos prévios que são pré-requisitos para favorecer a construção de um modelo mental. No ensino de ligações iônicas, por exemplo, esperava-se que os estudantes tivessem noções das propriedades periódicas energia de ionização e afinidade eletrônica, pois esses seriam os pré-requisitos

para compreender quais são os íons que dão origem ao NaCl (Na+ _{a partir de Na(s) e Cl}— _a

partir de Cl2(g)), aspecto essencial para se atingir o objetivo do modelo: explicar como o

cloreto de sódio é formado.

18 _{Apenas os alunos que admitiram ter visto a estrutura cúbica do cloreto de sódio em livros didáticos} expressaram esse tipo de estrutura em seu modelo.

Simultaneamente à organização dessas experiências na mente do indivíduo, ocorre a seleção de aspectos da realidade que podem ser usados para descrever o alvo (origem). Esses aspectos podem ser situações com as quais parece possível estabelecer uma analogia, ou recursos matemáticos adequados para a situação em questão (seleção da origem do

modelo).

A partir do processo dinâmico de ocorrência dessas subetapas (organização de experiências e seleção de uma fonte adequada), somado à criatividade e ao raciocínio crítico do indivíduo, um modelo mental inicial é construído (produção de um modelo mental).

A segunda fase compreende a expressão do modelo em algum dos modos de representação (material, visual, verbal, gestual ou matemático), ou em uma combinação deles. No ensino, diante de uma situação problema, o aluno é solicitado a construir um modelo que possa elucidar o mesmo. Após a elaboração desse modelo mental, ele o expressa de modo a permitir que outras pessoas (como o professor e seus colegas) também possam conhecê-lo. Nesse momento, deve haver uma adequação entre o modelo que a pessoa elaborou em sua mente e o modelo expresso. Na busca dessa adequação, pode ocorrer um ciclo de alterações em ambos (modelo mental e modelo expresso) até o ponto em que um modelo esteja satisfatoriamente de acordo com o outro. Cabe ao professor disponibilizar vários materiais e recursos para a expressão do modelo, de forma a possibilitar ao indivíduo melhores condições de comunicar seu modelo mental. Além disso, o professor não deve limitar a expressão do modelo a alguma forma de representação convencionada (a não ser que exista uma convenção representacional para determinado sistema), deixando tal decisão a cargo da criatividade de cada aluno. No ensino de ligações iônicas, o papel do professor foi primordial ao favorecer a discussão dos códigos de representação utilizados por cada grupo de forma a contribuir para que os estudantes entendessem a importância da escolha adequada da forma de expressão de seus modelos (Maia, Queiroz, Mendonça, & Justi, 2007).

Os modelos de cada grupo devem ser socializados para a turma. A relevância disso está relacionada ao próprio fazer científico, contexto no qual os modelos são apresentados à comunidade científica para julgamento, e também ao fato de o modelo de determinado grupo poder influenciar outro grupo a modificar, ou mesmo abandonar, seu modelo inicial (a partir da percepção de incoerências no mesmo após explicações dos colegas). Tendo identificado os diversos modelos produzidos pelos alunos, o professor não deve

simplesmente julgar e sentenciar o certo e o errado em relação ao modelo curricular, mas observar a coerência do modelo à situação-problema. O professor tem papel importante na socialização da aprendizagem ao favorecer a negociação de ideias entre alunos, criando condições para que as coerentes em relação ao modelo curricular sejam expandidas. No ensino de ligação iônica, verificamos que isso ocorreu através da aceitação de determinadas ideias, da introdução de questões sobre tais ideias ou do reforço positivo a questões apresentadas por outros alunos.

A fase 3 corresponde aos testes do modelo, que são realizados visando identificar sua adequação em relação aos objetivos para os quais foi proposto. Os testes podem ocorrer de duas formas: a partir de experimentos empíricos (seguidos ou antecedidos por

experimentos mentais) ou apenas a partir da condução de experimentos mentais19. No

ensino, cabe ao professor trazer novos elementos que possam se contrapor às incoerências observadas, levando os alunos a testar seus modelos através da condução de experimentos mentais. Se o modelo responder positivamente ao teste (isto é, for capaz de explicar os novos dados) deve-se seguir para a próxima fase; caso contrário, o modelo deverá ser modificado ou até mesmo rejeitado, iniciando-se o processo novamente. O conhecimento envolvido na rejeição de um modelo pode ser utilizado pelo estudante na produção de um novo modelo. É importante que o professor valorize os modelos dos alunos, ao comparar o processo vivenciado por eles com a construção de conhecimentos na ciência.

Na fase de testes, os experimentos empíricos nem sempre são necessários ou possíveis de ser realizados. Isso depende da entidade a ser modelada e da disponibilidade de recursos materiais. Além disso, mais de um teste pode ser realizado, o que está diretamente relacionado à natureza da entidade modelada. Por exemplo, no ensino das ligações iônicas, foram realizados apenas experimentos mentais a partir da análise de dados secundários e foram propostas duas atividades de testes do modelo visando favorecer a discussão de o epç es alte ati as f e ue tes e t e os alu os p i ipal e te a ideia de NaCl ol ula . Isto a o te eu po que ligação química é um tema de natureza fortemente abstrata, no qual não é possível, em situações escolares regulares, realizar a experimentação pa a edi a aio ia das p op iedades físi as dos o postos, as possí el oda o modelo na mente para explicá-las.

19 _{Consistem de situações imaginárias nas quais o aluno deverá aplicar seu modelo – od -lo a} mente (Reiner & Gilbert, 2004) – de modo a perceber sua aplicabilidade ou poder de explicação.

A fase 4 compreende a avaliação do modelo. Se na fase de teste o modelo proposto for bem sucedido, pode-se dizer que o objetivo inicial foi atingido. Neste caso, é necessário somente discutir as abrangências e as limitações do modelo. No caso das ligações iônicas, após a socialização dos modelos da turma (quando todos os grupos já haviam desenvolvido a ideia de modelo em rede), estabeleceu-se um modelo consensual da turma, que teve sua abrangência ressaltada (isto é, aquilo que ele era capaz de explicar foi destacado). A seguir, a professora apresentou o modelo curricular do NaCl e enfatizou aos alunos que eles não tinham recebido dados para concluir sobre o formato da rede iônica, sendo tal aspecto, portanto, uma limitação do modelo proposto por eles.

Reconhecemos que não é possível descrever todas as ações vivenciadas pelos indivíduos envolvidos na modelagem, visto que seus raciocínios são idiossincráticos. Entretanto, acreditamos que a proposta expressa no diagrama Modelo de Modelagem é capaz de refletir as principais etapas do processo. Também julgamos que esse diagrama reflete bem essa idiossincrasia porque é uma proposta bastante flexível e coerente, devido à dinamicidade evidenciada por suas setas duplas, que demonstram uma sequência não necessariamente linear e tampouco unidirecional.

Há coerência do diagrama com a proposta de Giere (advinda da filosofia da ciência) pela ênfase nos objetivos para proposição do modelo, assim como na verificação das abrangências e limitações do modelo. Deste modo, não se pensa no modelo como verdadeiro ou falso em relação ao mundo. Também se enfatiza a importância dos testes para verificar a adequação dos modelos, o que sinaliza a coerência quanto à visão de experimentação.

A partir da descrição das duas propostas para o processo de modelagem no Ensino de Ciências, percebemos que ambas enfatizam a geração, o teste e a modificação (ou reformulação) de modelos de forma a atender os objetivos para os quais o modelo foi proposto, ou seja, ambas são coerentes entre si. Isto era esperado visto que a proposta de Clement (1989) serviu de subsídio para a elaboração do diagrama Modelo de Modelagem. Na fase de geração, ambas enfatizam a importância das ideias prévias e modelos base para proposição de outros modelos. Entretanto, na proposta de Justi e Gilbert (2002), há destaque para a fase de expressão do modelo mental (em algum dos modos de representação). Nos textos de Clement e colaboradores, destaca-se a importância de elementos visuais e verbais dos modelos para a aprendizagem dos estudantes, o que é

ha ado pelos auto es de odelos isuais (Clement & Rea-Ramirez, 2008, p. 20), mas não há destaque explícito para esse aspecto no diagrama GEM. No diagrama Modelo de Modelagem o entendimento da etapa de avaliação é mais amplo do que o que é concebido por Clement no processo GEM. No primeiro caso, há ênfase no levantamento de abrangências e limitações de um modelo frente ao curricular ou outros possíveis modelos em avaliação e não apenas se um modelo conseguiu responder a um teste. Com relação as ações do professor, há aspectos similares nas duas abordagens: questões para fomentar o desenvolvimento e reformulação do modelo, não sentenciar os modelos em corretos e incorretos, retomada de conhecimentos prévios, etc. Entretanto, um aspecto que fica mais

evidente ao seu utilizar o diagrama Modelo de Modelagem no ensino – a valorização do

plano social no processo de ensino-aprendizagem, isto é, a aprendizagem é vista como um processo que emerge das interações sociais (Vygotsky, 1978). Portanto, o foco de análise é a comunidade que interage e o contexto no qual as interações ocorrem (Driver, 1989; Nussbaum, 1989).

A partir da descrição do diagrama Modelo de Modelagem, percebe-se coerência do mesmo com os objetivos para o Ensino de Ciências atuais. Com relação às características consensuais sobre natureza da ciência para o Ensino de Ciências (Wong & Hodson, 2010), a utilização do mesmo no ensino favorece a compreensão de que:

 a ciência é uma tentativa (vários modelos produzidos e testados no processo), baseada em dados empíricos, e subjetiva;

 observação é diferente de inferência (conhecimentos expressos nos modelos construídos com base nas experiências com os fenômenos e avaliados pelos dados obtidos na fase de testes);

 a produção do conhecimento científico é uma prática social colaborativa.

A fase de testes constitui-se de boa oportunidade para entendimento dos estudantes sobre o papel da experimentação não como receita a ser seguida, mas como fonte de dados para avaliação de modelos e produção de novos (Erduran, 2001). Com relação ao aprendizado conceitual, tal fase favorece a externalização das concepções alternativas e a ocorrência da mudança conceitual (Jonassen, 2008; Vosniadou, 2002) a partir do momento em que o aluno percebe as discrepâncias do modelo com os dados e o mesmo é modificado de forma consciente a fim de explicá-los (para mais detalhes, ver Mendonça & Justi, 2009b; Mendonça & Justi, 2011).

A escolha do diagrama Modelo de Modelagem como referencial teórico para