UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - INSTITUTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM QUÍMICA – PROFQUI
FRANCISCA REGINARIA GOMES LIMA
SEQUÊNCIA DIDÁTICA NO ENSINO DE TERMOQUÍMICA:
Experimentos investigativos desenvolvidos em grupo
NATAL 2020
FRANCISCA REGINARIA GOMES LIMA
SEQUÊNCIA DIDATICA NO ENSINO DE TERMOQUÍMICA:
Experimentos investigativos desenvolvidos em grupo
Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado Profissional em Química - PROFQUI da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Química.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Ana Cristina Facundo de Brito Pontes
NATAL - RN 2020
U
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Francisco Gurgel De Azevedo - Instituto Química - IQ
Lima, Francisca Reginaria Gomes.
Sequência Didática no Ensino de Termoquímica: experimentos investigativos desenvolvidos em grupo / Francisca Reginaria Gomes Lima. - Natal: UFRN, 2020.
168f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra - CCET, Instituto de Química. Programa de Mestrado Profissional em Química(PROFQUI). Orientadora: Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes. 1. Experimentação Investigativa - Dissertação. 2. Ensino de Termoquímica - Dissertação. 3. Competências e habilidades - Dissertação. I. Pontes, Ana Cristina Facundo de Brito. II. Título.
RN/UF/BSIQ CDU 544(043.3) Elaborado por FERNANDO CARDOSO DA SILVA - CRB-759/15
FRANCISCA REGINARIA GOMES LIMA
SEQUÊNCIA DIDÁTICA NO ENSINO DE TERMOQUÍMICA:
Experimentos investigativos desenvolvidos em grupo
Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado Profissional em Química - PROFQUI da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Química.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Ana Cristina Facundo de Brito Pontes
Aprovada em 30 de outubro de 2020
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________________ Profa. Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes - Orientadora
Universidade Federal do Rio Grande Do Norte - UFRN
_______________________________________________________ Prof. Dr. Carlos Neco da Silva Junior – Examinador Interno
Universidade Federal do Rio Grande Do Norte - UFRN
________________________________________________________ Dra. Regilany Paulo Colares – Examinadora Externa à Instituição Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira - UNILAB
________________________________________________________ Francisca Reginaria Gomes Lima - Discente
Dedico este trabalho ao meu pai Raimundo Nonato Lima (In Memorian), com todo o meu amor e gratidão.
AGRADECIMENTOS
À Deus, autor da minha vida e do meu destino. O meio maior apoio nos momentos difíceis.
À minha orientadora Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes, seus ensinamentos foram o alicerce para a construção desse sonho. Esse título é nosso.
Aos Professores Dr. Carlos Neco e Dra. Regilany Colares por aceitar contribuir com nossa pesquisa.
Ao meu esposo Katson Borges, pelo amor e companheirismo, por não medir esforços para me ajudar nessa etapa tão importante da minha vida.
À minha família pelo amor, carinho e incentivo durante a construção desse trabalho.
Ao corpo docente, aos funcionários, e, em especial aos professores Dra. Márcia Teixeira Barroso e Dr. Fernando José Volpi Eusébio de Oliveira, pelos direcionamentos que contribuirão na construção do Produto Educacional.
Aos meus colegas e amigos do PROFQUI-UFRN, em especial aos meus conterrâneos do Ceará Dinardo, Isaias e Marcelo, irei lembrar sempre das nossas conversas referentes ao desenvolvimento da nossa pesquisa, os vários desabafos, muito obrigado por tudo.
Aos amigos Jarina, Elionete, Inês e Mateus que me incentivaram todos os dias e ofereceram apoio nos momentos críticos.
À direção e aos alunos do 2º ano A (2019) da EEM Gov. Luiz Gonzaga da Fonseca Mota por cederem espaço e contribuírem ativamente para realização da pesquisa.
À Universidade Federal do Rio Grande do Norte, especificamente ao Instituto de Química, por ofertar o mestrado Profissional em Rede Nacional em Química (PROFQUI), orientando e acolhendo maravilhosamente a todos.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
RESUMO
A experimentação investigativa tem sido considerada por diversos pesquisadores como uma alternativa para melhorar a aprendizagem e intensificar o papel ativo do educando nas atividades, possibilitando, assim, uma maior participação deste em todos os processos de investigação, ou seja, desde a interpretação do problema a uma possível solução para ele. Nessa abordagem, os alunos têm a oportunidade de discutirem e questionarem suas hipóteses e ideias iniciais à luz do quadro teórico, coletar e analisarem dados para encontrar possíveis soluções da situação-problema apresentada. Neste sentido, a presente pesquisa buscou desenvolver uma sequência didática, acompanhada de orientações e roteiros experimentais investigativos, fazendo uso do conteúdo de termoquímica, com aplicação das atividades referentes aos fenômenos. O estudo desenvolvido como pesquisa qualitativa foi aplicada com alunos do 2º ano do ensino médio da E.E.M. Gonzaga da Fonseca Mota, localizada na cidade de Quixadá, Ceará. A coleta de dados foi realizada a partir da análise de dois questionários likert e por meio dos roteiros experimentais investigativos desenvolvidos pelos educandos. Comparando os dois questionários referente aos conhecimentos termoquímicos, no qual, o primeiro foi aplicado após as aulas teóricas e o segundo após aula teórica e prática, os quais possibilitou observar uma evolução considerável nas assertivas. Observamos também um crescimento no quantitativo de alunos que conseguiram correlacionar os conteúdos teóricos às atividades experimentais, bem como associar esses conceitos s situações em seu cotidiano. Os educandos ainda confirmaram que a utilização de atividades experimentais investigativas como recurso didático facilitou a compreensão do tema central na qual foram os protagonistas da situação. Por fim, destacamos que durante a elaboração e execução da Sequência Didática, os educandos conseguiram desenvolver a capacidade de refletir acerca dos eventos que fazem parte de fenômenos termoquímicos, além de desenvolverem técnicas básicas laboratoriais, deixando de lado a tradicional “receita” na tentativa de realizar a articulação dos conhecimentos já adquiridos conjuntamente com a formação de novas concepções, colocando-se diante de situações-problema nas quais eles poderão usar o raciocínio lógico, conhecimentos teóricos e a criatividade para propor suas próprias hipóteses, argumentações e explicações, e, deste modo, enriquecer o processo de ensino e aprendizagem.
Palavras chaves: Experimentação Investigativa, Ensino de Termoquímica, Competências e habilidades.
ABSTRACT
The investigative experimentation has been considered by several researchers as an alternative to improve learning and intensify the role of the educational asset in the activities, thus allowing a greater participation of the same in all investigation processes, that is, from the interpretation of the problem to a possible solution to it. In this approach, students have the opportunity to discuss, question their initial hypotheses and ideas in light of the theoretical framework, collect and analyze data to find possible solutions to the presented problem situation. In this sense, the present research sought to develop a didactic sequence, accompanied by guidelines and experimental investigative scripts, making use of the content of thermochemistry, with application of the activities related to the phenomena. The study developed as qualitative research was applied with students of the 2º year of high school of E.E.M. Gonzaga da Fonseca Mota, located in the city of Quixadá, Ceará. The data collection was carried out from the analysis of two likert questionnaires and through the experimental investigative scripts developed by the students. Comparing the two questionnaires referring to thermochemical knowledge, in which the first one was applied after the theoretical classes and the second one after the theoretical and practical classes, we observed a considerable evolution in the assertives. We also observed a growth in the number of students who were able to correlate the theoretical contents with the experimental activities, as well as to associate these concepts with the situations in their daily lives. The students also confirmed that the use of experimental investigative activities as a didactic resource facilitated the understanding of the central theme, in which they were the protagonists of the situation. Finally, we emphasize that during the elaboration and execution of the Didactic Sequence, the students were able to develop the capacity to reflect about the events that are part of thermochemical phenomena, besides developing basic laboratory techniques, leaving aside the traditional "recipe" in an attempt to articulate the knowledge already acquired together with the formation of new concepts. They are faced with problem situations in which they can use logical reasoning, theoretical knowledge and creativity to propose their own hypotheses, arguments and explanations, and thus enrich the teaching and learning process.
Key words: Investigative Experimentation, Teaching of Thermochemistry, Skills and abilities.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Pirâmide de aprendizagem de William Glasser ... 30
Figura 2- Sequência Didática ... 51
Figura 3. Questionário 01 referente ao Ensino de Química ... 59
Figura 4 - Questionário 01 referente às Aulas Experimentais ... 60
Figura 5 - Questionário 01 referente às Aulas Experimentais ... 62
Figura 6- Principais Conceitos Termoquímicos ... 64
Figura 7- Comparação dos questionários 01 e 02 referentes aos conhecimentos de Termoquímica. ... 66
Figura 8- Planejamento e apresentação do Roteiro Experimental Investigativo Combustão dos Alimentos. ... 70
Figura 9. Planejamento do Roteiro Experimental Investigativo Extração e Combustão do Hidrogênio ... 74
Figura 10. Planejamento do Roteiro Experimental Investigativo Extração e Combustão do Hidrogênio. ... 79
Figura 11. Planejamento do Roteiro Experimental Investigativo Comparando As Energias dos Combustíveis. ... 83
Figura 12. Apresentação do Roteiro Experimental Investigativo Energia Térmica Envolvida Em Uma reação de Neutralização. ... 88
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Objetivos pedagógicos da experimentação investigativa ... 24 Tabela 2 - Nível de cognição das questões propostas para os alunos ... 25 Tabela 3 - Classificação da Atividade Experimental de acordo com o grau de
liberdade. ... 26 Tabela 4 - Níveis de abertura de atividades experimentais. ... 27 Tabela 5 - Competência e habilidades da Matriz de Referência do ENEM
para o ensino de termoquímica. ... 45 Tabela 6 - Competências e Habilidades defendidas pela Matriz Curricular do
Estado do Ceará, para a Componente curricular de Química do Ensino Médio. ... 46 Tabela 7 – Questões abordadas no roteiro experimental investigativo: A
Combustão dos Alimentos com suas respetivas Competências e Habilidades, categorização, resposta e percepção alcançada pelos alunos. ... 72 Tabela 8- Questões abordadas no roteiro experimental investigativo: O poder
do ácido clorídrico com suas respetivas competências e habilidades à luz da matriz de referência do Enem e da Escola Aprendente, seguidas de sua categorização, resposta e percepção alcançadas pelos aluno. ... 76 Tabela 9 - Questões abordadas no roteiro experimental investigativo:
Extração e combustão do gás hidrogênio com suas respetivas competências e habilidades, à luz da matriz de referência do Enem e da escola Aprendente, seguidas de sua categorização, resposta e percepção alcançada pelos alunos. ... 81 Tabela 10 - Questões abordadas no roteiro experimental investigativo:
Comparando a energia de combustão do álcool com o querosene com suas respetivas competências e habilidades à luz da matriz de referência do Enem e da escola Aprendente, seguidas de sua categorização, respostas e percepção alcançadas pelos alunos. ... 85
Tabela 11 - Questões abordadas no roteiro experimental investigativo: Comparando a energia de combustão do álcool com o querosene com suas respetivas competências e habilidades à luz da matriz de referência do Enem e da escola Aprendente, seguidas de sua categorização, respostas e percepção alcançada pelos alunos. ... 89
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DCNEB Diretrizes Curriculares Nacionais do Ensino Básico ENEM Exame Nacional do Ensino Médio
INEP Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira
LDB Lei de Diretrizes e Bases
PCN Parâmetros Curriculares Nacionais
Sumário
APRESENTAÇÃO ... 14
INTRODUÇÂO ... 16
1.1 A Construção do Conhecimento no Ensino Investigativo na Perspectiva de Vygotsky ... 18
1.2 Atividades Experimentais Investigativas no Desenvolvimento Competências e Habilidades ... 21
1.3 Atividades em grupo ... 28
1.4 Conceitos Básicos e o Ensino de Termoquímica ... 31
1.4.1 Definição dos termos utilizados em termoquímica ... 32
1.4.2 Teorias do calor no século XVII e XVIII: Flogístico, calórico, movimento ao início da termodinâmica. ... 33
1.4.3 A relação dos conceitos de energia com a termodinâmica no século XX ... 34
1.4.4 Equilíbrios do calórico e a segunda lei da termodinâmica ... 35
1.4.5 Dificuldades e superações no processo de ensino e aprendizagem de energia ... 36
1.4.6 Competências e Habilidades no Ensino de Termoquímica ... 40
2 OBJETIVOS DA PESQUISA ... 48
2.1 Objetivo geral ... 48
2.2 Objetivos específicos ... 48
3 PERCURSO METODOLÓGICO ... 49
3.1 Lócus da Pesquisa... 49
3.2 Construção dos Pré-Roteiros Experimentais Investigativos ... 49
3.3 Abordagem Metodológica ... 50
3.4 Instrumentos de coleta e análise dos dados ... 54
3.4.1 Questionários ... 54
3.4.2 Pré-Roteiros Experimentais Investigativos ... 56
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 58
4.1 Análise discursiva dos questionários ... 58
CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 94
REFERÊNCIAS ... 95
APÊNDICE I – Questionário 01 ... 101
APÊNDICE III – Planos De Aulas Aplicados na Sequencia Didática... 106
APÊNDICE IV - PRODUTO EDUCACIONAL – SEQUÊNCIA DIDÁTICA DE TERMOQUÍMICA BASEADO EM EXPERIMENTOS INVESTIGATIVOS ... 119
APRESENTAÇÃO
Meu interesse principal pela pesquisa surgiu ao relembrar que, quando aluna do Ensino Médio de uma escola pública, o conteúdo de termoquímica foi o mais interessante no período para mim. Essas aulas eram as que mais me aguçavam a curiosidade e, consequentemente, despertaram-me o interesse pelo componente curricular de química. Já na graduação do curso de Licenciatura em Química, deparei-me novamente com o conteúdo, agora diferente, fui apresentada às práticas experimentais. Porém, o conteúdo de termoquímica, em ambas as situações, sempre me deixava com alguma dúvida. No momento em que me tornei professora da rede pública, vivenciando a necessidade de buscar novas formas de aperfeiçoamento, fui apresentada às metodologias ativas experimentais investigativas nos cursos de formação continuada ofertados pela Secretaria de Educação do Estado do Ceará.
Diante das dificuldades dos alunos, da curiosidade pelas práticas experimentais e por conhecer um pouco sobre as metodologias ativas, comecei a desenvolver em minhas aulas de química a cultura da experimentação em grupo. Isso se dava em certo momento de um determinado conteúdo estudado em sala de aula, através do desafio de trazerem experimentos. Assim, como estava sempre no laboratório de ciências, prestava assistência e orientações aos alunos. A partir desta rotina de atividades, foi possível observar um maior interesse dos alunos ao componente curricular de química, o possibilitou a eles adquirirem noções básicas de laboratório necessárias para o desenvolvimento da atividade experimental.
Percebi também, com a prática docente, que os alunos têm dificuldade em diferenciar processos endotérmicos e exotérmicos, apresentando na maioria das vezes concepções errôneas nas justificativas apresentadas. Essas dificuldades podem estar relacionadas à forma como esse conteúdo foi abordado.
Quando soube da existência do PROFQUI visualizei a oportunidade de retomar a um momento da formação profissional para ampliar minhas ações de caráter didático-pedagógico. Fiquei muito feliz por minha aprovação e bastante entusiasmada para iniciar as aulas, mesmo consciente da distância que deveria
percorrer para os momentos presenciais. Foi assim, com entusiasmo, vontade de aprender e transformar minha prática docente que ingressei no Programa.
Assim, a escolha do tema não poderia fugir da minha realidade como docente, por isso a escolha deste e o produto educacional terem como foco abordarem conceitos relativos ao conteúdo da termodinâmica, a partir de atividades experimentais à termodinâmica.
INTRODUÇÂO
A sociedade está em um processo de globalização na qual o grande desafio da educação é contribuir para a formação de cidadãos capazes de opinar e tomar decisões sobre diversos temas, mas, principalmente, os que envolvam ciência e tecnologia. Desse modo, o cidadão contemporâneo deve se apoderar criticamente do conhecimento e usá-lo para viver melhor em sociedade, propondo e efetuando transformações que contribuam para essa melhoria.
Para os conteúdos do Ensino Médio, o Ministério da Educação tem como parâmetro as Diretrizes Curriculares Nacionais para Educação Básica (DCNEB) (BRASIL, 2013). Essas são orientações primárias para a Educação Básica que orientam o planejamento curricular das escolas e dos sistemas de ensino. Diante disso, este documento descreve, especificamente, que o Ensino de Ciências deve focar no desenvolvimento científico e tecnológico, e ressalta que os mesmos são algo a ser superado, sendo a função do professor traçar melhores estratégias para seu ensino, lembrando sempre que o conhecimento científico deve manifestar significado e relevância para os educandos.
Para as DCNEB, os espaços escolares têm o dever de ofertar um ensino que conceba um sujeito crítico e reflexivo, preparado para atuar ativamente em nossa sociedade. Assim, deve ofertar uma educação que não se limite a conteúdos teóricos, mas que consiga levar seus estudantes a construírem a sua identidade como cidadão.
Nessa perspectiva, pretende-se que o Ensino de Química possa propor ao educando condições na qual o mesmo seja capaz de reconhecer e compreender de forma integrada as transformações químicas que ocorrem ao seu redor. Em sintonia com as Orientações Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (OCNEM) (BRASIL, 2006), na qual se defende o tratamento contextualizado dos conteúdos escolares por meio de atividades experimentais.
Entende-se, portanto, que o ensino investigativo, principalmente a experimentação, tem se destacado como um recurso metodológico eficaz na construção ativa do conhecimento. O mesmo busca o desenvolvimento de habilidades cognitivas no estudante, no qual este consiga construir a teoria
através da curiosidade, utilizando aparato científico para resolver uma situação-problema que seja de seu interesse.
Diante disso, observa-se que a química é uma ciência constituída em grande parte pela atividade experimental, uma vez que o desenvolvimento de muitos conceitos científicos, primeiramente, observa os fenômenos para depois elaborar as explicações teóricas, e então justificá-los. Assim, há a necessidade do uso de práticas experimentais, o que nem sempre é possível na educação básica.
Nessa perspectiva, Oliveira (2017) justifica que, para o aluno, se o conteúdo for trabalhado somente de formar teórica, este pode se tornar entediante e desgastante, pois, este pode vir a fazer as tarefas porque é obrigado, e com isso não vê sentido no processo de ensino, e no término da atividade. Não vê sentido, pois, segundo o educando, “não serve para nada”. Não acrescentou em nada na sua vida e nas dos demais colegas. Desse modo, por mais que esse aluno seja inteligente e esforçado, fará a atividade, normalmente, mas não saberá dar significado a esta, que para ele, não terá quase nenhuma aplicabilidade em sua vida.
Diante de tal situação, a questão foco que norteia essa pesquisa é a seguinte: de que forma as atividades experimentais investigativas contribuem no processo de ensino e aprendizagem para os educandos no ensino de termoquímica?
Assim, a presente dissertação apresenta os resultados de minha pesquisa cientifica, na qual elaboramos uma sequência didática baseada em atividades experimentais investigativas para a construção dos conhecimentos relacionados a fenômenos Termoquímicos. Desse modo, esperamos que as atividades desenvolvidas nessa pesquisa criem condições para os educandos compreenderem o conteúdo de Termoquímica, de tal forma que sejam capazes de correlacioná-los com os fenômenos observados no seu cotidiano.
1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Após a identificação da questão foco do trabalho deu-se a busca por um referencial teórico que pudesse orientar a construção da sequência didática do conteúdo de termoquímica utilizando a experimentação investigativa. Portanto, a seguir, são apresentados alguns destes referenciais.
1.1 A Construção do Conhecimento no Ensino Investigativo na Perspectiva de Vygotsky
A busca em entender o processo ensino/aprendizagem, nos diversos níveis estudantis, é uma atividade rotineira no meio educacional, na qual as principais bases psicológicas nesse processo são a do desenvolvimento cognitivo e do contexto social. Diante da relevância da temática abordada, a presente pesquisa foi realizada à luz das teorias de Lev Vygostsky (1896-1934). No presente estudo, buscou-se relacionar o Ensino por Investigação por pares, e para tanto, buscamos os fundamentos através dos temas desenvolvidos em seus trabalhos.
Sabemos que os estudos de Vygotsky sobre a aprendizagem decorrem da compreensão do homem como um ser que se forma em contato com a sociedade. Os temas mais fundamentais em suas pesquisas são: as mais elevadas funções mentais do indivíduo em processos sociais, que modificaram a relação/interação entre aluno-professor e aluno-aluno e demonstrar que os processos sociais e psicológicos se firmam através de ferramentas, de elementos culturais que fazem parte da interação entre os indivíduos e o mundo físico (REGO, 1998).
Para Vygotsky (2009), todo aprendizado é necessariamente mediado, no qual o primeiro contato da criança com novas atividades escolares, com habilidades cognitivas, motoras, atitudinais ou sociais devem ter a participação de um adulto. Diante disso, no ambiente escolar, o professor se tornar um ser determinante nesse processo.
Corsino (2003, p. 32) destaca que Vygotsky afirma que o desenvolvimento não deve ser considerado como único, visto que ocorre em dois níveis: o desenvolvimento real, o qual é determinado pela solução independente de problemas, e o potencial, “[...] determinado através da solução de problemas sob
a orientação de um adulto ou em colaboração com companheiros mais capazes”. Já, Andrade (2007) afirma que o nível de desenvolvimento real se refere às funções já amadurecidas, ou seja, àquelas tarefas que a criança já realiza sozinha; enquanto que o nível de desenvolvimento potencial representa “[...] os ciclos ou processos que estão ainda começando a se desenvolver ou que se desenvolverão em um futuro próximo” (ANDRADE, 2007, p. 54). A partir dessa divisão, Vygotsky formula o conceito de Zona de Desenvolvimento Proximal.
Para Damiani e Neves (2006), o professor deve fazer uso do Ensino por investigação utilizando às teorias de Vygotsky com destaque na interação social, da fala e da Zona de Desenvolvimento Proximal, visando a estimular o desenvolvimento cognitivo do educando possibilitando assim o diálogo, a interação e o levantamento de hipóteses entre os estudantes, propiciando maior engajamento destes (DAMIANI, NEVES, 2006). Pois, segundo os autores, os processos mentais superiores, que envolvem os pensamentos, as linguagens e os comportamentos, têm origem nos processos sociais, e ao desenvolver o cognitivo gera a conversão entre as relações sociais e as funções mentais.
O nível de desenvolvimento real é dinâmico, ele aumenta dialeticamente com os movimentos do processo de aprendizagem, pois o desenvolvimento potencial é determinado pelas habilidades que o indivíduo já construiu, porém encontram-se em processo contínuo. Isso significa que a dialética da aprendizagem gera o desenvolvimento real, resultando também em habilidades que se encontram em um nível menos elaborado que o já consolidado (VIGOTSKY, 2009). Portanto, o desenvolvimento potencial é aquele que o sujeito poderá construir. Nessa concepção, as interações têm um papel decisivo e determinante no avanço das Zonas de Desenvolvimento Proximal, isto é, atuando como elemento de intervenção, de ajuda.
A mediação como intermediação das trocas compartilhadas está presente nas investigações teóricas, com destaque, na perspectiva de Vygotsky. Os conceitos da teoria sociointeracionista propõe que a unidade do conhecimento se encontra na relação entre o homem e o meio, sujeito e objeto, num movimento dialético. Damiani e Neves (2006) elucidam também que Vygotsky tem como objetivo principal estudar como se constroem as funções psicológicas superiores
que caracterizam o funcionamento psicológico tipicamente humano (atenção voluntária, memória, abstração, capacidade de resolver problemas e etc.).
Desde modo, segundo Vygotsky (2009), o desenvolvimento do sujeito, incluindo a sua aprendizagem, ocorre de modo intimamente relacionado à apropriação da sua cultura. Para que isso se consolide é necessária uma ativa participação desse ser humano nos hábitos, valores e estilos de vida, tornando próprio dele os modos sociais de perceber, sentir, falar, pensar e se relacionar com os outros. Assim, o que está no entorno do sujeito em termos de valores sociais e culturais são resultado da criação, imaginação e da ativa operação transformadora do humano com os recursos disponibilizados na natureza e mediados pelas relações sociais e interpessoais.
Carvalho (2013) cita que o aprendizado não se subordina totalmente ao desenvolvimento das estruturas intelectuais da criança, pois um complementa o outro, provocando saltos de nível de conhecimento. Ressalta-se que o ensino, para Vygotsky, deve antecipar-se ao que o aluno ainda não sabe, nem é capaz de aprender sozinho, porque na relação entre aprendizado e desenvolvimento, o primeiro vem antes. É a isso que se refere um dos seus principais conceitos, o da Zona de Desenvolvimento Proximal, que seria a distância entre o desenvolvimento real de uma criança e aquilo que ela tem o potencial de aprender, potencial que é demonstrado pela capacidade de desenvolver uma competência com a ajuda de um adulto (CARVALHO, 2013). Em outras palavras, a Zona de Desenvolvimento Proximal é definida entre a distância do nível de desenvolvimento real, determinado pela capacidade de resolver um problema sem ajuda do nível de desenvolvimento potencial determinado através da resolução de um problema sob a orientação de um adulto ou em colaboração com outro companheiro.
Em resumo, a teoria de Vygotsky mostra como o aluno adquire o conhecimento pelas interações sociais. Nesta perspectiva, pode-se afirmar que essa teoria apresenta, a importância das atividades em grupo, a socialização do conhecimento, bem como, ainda, a inclusão do ensino através da investigação para que o discente adquira o novo conhecimento.
1.2 Atividades Experimentais Investigativas no Desenvolvimento Competências e Habilidades
As pesquisas voltadas para a melhoria do processo de ensino e aprendizagem da química vêm aumentando nos últimos tempos, sendo a utilização de atividades experimentais investigativas uma das estratégias mais abordadas. Assim, baseado nas reflexões apresentadas, foram selecionados alguns autores para discutir as atividades experimentais investigativas, dentre eles: Carvalho (2013), Souza (2013), Silva (2017), Suart e Marcondes (2008), Belthan e Ciscato (1991), Scarpa (2015) e por fim, Scarpa, Sassen e Silva (2017).
Bachelard (1938, p.89) já dizia: “todo conhecimento é resposta a uma questão”, à luz deste pensamento, a experimentação por investigação consiste em uma abordagem que provoca o questionamento, que requer um planejamento, uma coleta de evidências, relatos com bases nas evidências e na comunicação para expressar os conhecimentos adquiridos. De tal modo, a utilização das metodologias da investigação científica e conhecimentos científicos podem promover no educando o aprender a fazer ciência, e sobre ciência. Assim, aproximando-se do estudo do referido autor sobre a formação do espírito científico e a construção de conhecimento.
Em seu trabalho Scarpa, Sasseron e Silva (2017) descrevem que para Piaget a aquisição do conhecimento é estabelecida pela busca do equilíbrio: quando um novo fato é exposto, não encontrando formas de compreensão nas referências já existentes, o indivíduo passa por um processo de desequilíbrio, que pode ser temporário e culmina em um novo equilíbrio com uma nova percepção da situação. Sob essas concepções, a construção do conhecimento é um processo complexo de ideias, que se tornam mais completas e coesas, correspondentes às novas situações planejadas, arquitetadas e pesquisadas (SCARPA, SASSERON, SILVA, 2017).
Considerando as ideias de Piaget e Bachelard, uma questão que permite a construção de novas ideias deve oferecer uma forma de analisar uma nova situação ou mesmo uma nova forma de refletir sobre aspectos bem conhecidos. Para tanto, surge a necessidade de considerar mais do que somente a pergunta que se faz: a pergunta fará sentido e impulsionará o envolvimento dos estudantes
e a busca por soluções caso evidencie situações conflitantes, para as quais não são suficientes os conhecimentos já adquiridos.
Nessa perspectiva, a experimentação apresenta-se com o propósito de constituir um conhecimento racional e sistemático capaz de revelar aspectos da realidade. Corroborando com a reflexão apresentada pelos estudiosos, Lima (2016) afirma que assumir a experiência, certifica e limita o indivíduo a verificar e a investigar os fenômenos observados, aceitar a verdade definida por ele atingível, concebendo o conhecimento alcançado a algo de caráter universal, sendo inviável para o ser individual.
Souza (2013) descreve que as atividades experimentais de natureza investigativa consistem em um aparato de recursos pedagógicos, os quais são planejados a fim de proporcionar a elaboração de conceitos e o desenvolvimento de habilidades de pensamento relacionadas aos processos da ciência para maior formação do aluno, para o autor:
uma atividade de ensino investigativa deve partir de uma situação problema que possa despertar o interesse dos alunos a participarem da investigação, suscitando a busca de informações, a proposição de hipóteses sobre o fenômeno em estudo, o teste de tais hipóteses, e a discussão dos resultados para a elaboração de conclusões acerca do problema. Nesse processo, os alunos mobilizam os conhecimentos que já têm e buscam outros para formular suas hipóteses e propor maneiras de solucionar o problema apresentado, devem argumentar, procurando justificar tais hipóteses e procedimentos propostos, e estabelecer relações entre fatos e possíveis explicações e aplicar os conhecimentos construídos em outras situações. Os alunos, dessa maneira, têm um papel ativo, sendo o professor o orientador desse processo, no qual incentiva os alunos a participar, indica ou fornece informações necessárias, questiona os encaminhamentos dados pelos estudantes na busca de soluções para o problema, auxilia-os na elaboração de procedimentauxilia-os e na análise dauxilia-os dadauxilia-os. (SOUZA, 2013, p. 14).
Percebe-se então, que se uma atividade experimental contempla esses objetivos, ou parte deles, possibilitará que os educandos aprendam, além dos procedimentos e condutas científicas experimentais, a construir um raciocínio como base construtiva para o campo conceitual da ciência.
Para Sassen (2015), o problema aparece como principal elemento de uma investigação, em uma perspectiva epistemológica, fundamentada nas ideias de
Vygotsky. Nesse contexto, o problema estabelece uma relação com o objeto de conhecimento, possibilitando o nascimento e desenvolvimento de conceitos. Já do ponto de vista educacional, o problema torna-se um recurso para o desenvolvimento da compreensão sobre os conceitos. Um problema considerável em uma aula de ciências, especialmente nas de química, compreende a construção do panorama de investigação. Esse cenário envolve conceitos trabalhados nas aulas anteriores, ou por elementos da experiência do dia-a-dia dos alunos. Assim, é relevante que o problema seja capaz de motivar a atuação dos estudantes e, por isso, é necessário que se encontre vinculado aos seus conhecimentos prévios.
Nesse ínterim, as atividades de investigação no ensino de ciências exigem certa atenção no desenvolvimento em diferentes momentos pedagógicos. Segundo Carvalho (2013),
[...] as quatro etapas básicas se fundamentam na apresentação de propostas investigativas: o problema para a construção do conhecimento; a passagem da ação manipulativa para a ação intelectual na resolução do problema; a tomada de consciência; e a construção de explicações [...] (CARVALHO, 2013, p.121).
A importância do problema anteriormente mencionada pelo autor acima, com base nos estudos de Piaget, Bachelard e Vygotsky, é vista como subsídio na construção do conhecimento. Ressalta-se, desse modo, que a transição da ação manipulativa para a ação intelectual na resolução do problema é um fator importante para o entendimento dos fenômenos, analisando os aspectos não vistos e manipulados em uma dada situação, e colabora para a construção abstrata do pensamento.
As características básicas das atividades de caráter investigativas expostas nos estudos de Souza (2013, p. 15) são descritas como:
• aprendizagem dirigida por problemas;
• aprendizagem fundada por um processo contínuo em busca do conhecimento e da construção de novos saberes;
• ensino focado na aprendizagem; o docente tem função de um facilitador; • aos discentes atribui-se a responsabilidade por sua autoaprendizagem, gradativamente;
• desenvolvimento de habilidades cognitivas, e perante autorreflexão do desenvolvimento das situações problema;
• processo ativo de aprendizagem.
Os objetivos pedagógicos em relação à experimentação investigativa são resumidos em uma lista de seis grupos, conforme mostra a Tabela 1, elaborado com base no trabalho de Blosser (1988). Segundo esse autor, os objetivos acima explicitados são possíveis apenas em aulas investigativas, uma vez que essa estratégia permite a participação direta do aluno na construção do seu conhecimento com a mediação do professor.
Tabela 1 - Objetivos pedagógicos da experimentação investigativa
Grupos Objetivos pedagógicos
Habilidades Manipular, refletir, ler, escrever, questionar, investigar, organizar e comunicar.
Conceitos Levantar hipóteses, apresentar modelos teóricos e categorizar taxonômicamente a categoria taxionômica.
Habilidades cognitivas
Pensamento crítico, soluções de problemas, aplicação e síntese.
Compreensão da natureza da
ciência
Empreendimento científico, como os cientistas trabalham a existência de multiplicidade de métodos científicos, as inter-relações entre ciência-tecnologia-sociedade, e também, entre as
várias componente curriculares científicas.
Atitudes
Curiosidade, interesse, correr risco, objetividade, precisão, perseverança, satisfação, responsabilidade, consenso,
colaboração e gostar de ciência. Tomada de
decisão
Conhecimento construído de maneira intercomponente curricular com múltiplas alternativas para a resolução do mesmo problema.
Fonte: elaborada pela autora (2020), baseada em Blosser (1988).
Conforme Carvalho, Azevedo e Nascimento (2006), a finalidade das atividades investigativas, práticas ou teóricas é levar o aluno a pensar, a debater, a questionar, a agir, a justificar as suas ideias e a aplicar os seus conhecimentos a situações novas, usando os conhecimentos científicos, tecnológicos, culturais, éticos, históricos e matemáticos. Dessa maneira, espera-se que com a experimentação investigativa o aluno apresente uma maior autonomia e participação na construção de seu conhecimento.
Logo, no início do planejamento de uma atividade experimental investigativa, no ensino de química, deve-se considerar a aplicação dos aspectos pedagógicos na sala de aula. Nesse contexto, Silva (2017) sugere os seguintes aspectos a serem ponderados:
• objetivos conceituais, procedimentais e atitudinais;
• situação problema, cujas atividades experimentais propostas ajudam a responder;
• conhecimentos e concepções que os alunos apresentem sobre o tema; • atividades pré-laboratório: informações a serem apresentadas e hipóteses solicitadas aos alunos;
• atividade experimental, por demonstração ou realização pelos alunos; dados a serem coletados e maneiras de organizá-los;
• atividades pós-laboratório: questões formuladas aos alunos para análise dos dados, conclusão e aplicação do conhecimento; sistematização dos resultados e conclusões; aplicação a novas situações.
As problemáticas contextualizadas formuladas pelos professores para seus alunos podem auxiliá-los na análise dos resultados e de suas próprias ideias no desenvolvimento de raciocínios científicos. Para isso, na elaboração dessas perguntas envolvendo atividades investigativas, deve-se considerar o grau de cognição que elas exigem dos educandos. Corroborando com a reflexão, Suart e Marcondes (2008) qualificam essa demanda em três níveis expostos na Tabela 2.
Tabela 2 - Nível de cognição das questões propostas para os alunos
Nível Descrição
1 Requer que o estudante somente recorde uma informação partindo dos dados obtidos.
2 Requer que o estudante desenvolva atividades como sequenciar, comparar, contrastar, aplicar leis e conceitos para a resolução do problema.
3 Requer que o estudante utilize os dados obtidos para propor hipóteses, fazer inferências, avaliar condições e generalizar.
O nível 1 compreende que as situações problema com menor exigência cognitiva têm função de trazer assuntos que relacionem dados ou conhecimentos prévios. Já o nível 2 demanda habilidades cognitivas com grau mais elevado, pois estimula o educando a reconhecer e a associar os conceitos prévios a uma situação problema. As questões de níveis 3 envolvem um alto grau desde o reconhecimento da situação, relação entre conceitos teóricos com o problema analisado, até mesmo a avaliação. Isso, em um cenário investigativo com atuação ativa do educando. Destaca-se que uma serie investigativa se caracteriza por se envolver com destaque nos dois últimos níveis expostos.
As atividades experimentais envolvem o que se denomina grau de liberdade. São os níveis de abertura proporcionados pelo professor aos educandos na execução da atividade experimental, na qual quanto maior a intervenção do professor, menor o grau de abertura (SOUSA, 2013).
Vários autores expõem esse grau de liberdade como característica para se definir o tipo de atividade experimental, dentre esses, destacamos os estudos de Herron (1971 apud SOUZA, 2013), o qual é dividido em cinco categorias, em uma escala de zero a quatro. A Tabela 3 expõe as características para cada categoria.
Tabela 3 - Classificação da Atividade Experimental de acordo com o grau de liberdade.
Nível 0 1 2 3 4
Nome Demonstrativa Exercício Investigativa estruturada
Investigativ a aberta
Projeto
Objetivo Dado Dado Dado Dado Dado em
parte ou aberto
Material Dado Dado Dado todo ou
em parte
Aberto Aberto
Método Dado Dado Dado em parte
ou aberto
Aberto Aberto
Solução Dado Aberto Aberto Aberto Aberto
Tipo de prática
Verificacionista Verificacionista Verificacionista ou investigativa
Investigativa Investigativa
No que se refere aos elementos para uma atividade investigativa, Pella (1961 apud SOUZA, 2013) expõe esses níveis em comparação às práticas experimentais tradicionais, apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 - Níveis de abertura de atividades experimentais.
Tradicional Investigativa
Nível 1 Nível 2 Nível 3
Elaboração do problema
Não há Professor Professor Aluno
Elaboração de hipótese Não há Não há, ou o professor Aluno Aluno Proposição dos procedimentos
Professor Professor Aluno Aluno
Coleta de dados
Aluno Aluno Aluno Aluno
Análise dos dados
Professor Aluno Aluno Aluno
Elaboração da conclusão
Aluno/professor Aluno Aluno Aluno
Fonte: Pella (1961).
A escolha de uma atividade experimental deve se preocupar com os níveis de dificuldades que sejam adequados aos educandos, visto que estes não se sintam desmotivados e incapazes de executarem a atividade proposta.
Segundo Beltran e Ciscato (1991), um dos principais problemas da docência em Química é a ausência de atividades experimentais bem planejadas, nas quais o aluno participa de situações de investigação, de modo a contribuir com a construção do conhecimento químico. Então cabe ao professor fazer um bom planejamento de uma atividade experimental, explorando os conceitos e as habilidades cognitivas, da mais simples a mais complexa, e não apenas observar e comprovar o fenômeno químico. As habilidades que estabelecerão relações propõem hipóteses e elaboram conclusões. Pode não ser simples esse planejamento, mas se torna compensador a partir do momento em que o educando consegue se apoderar do conhecimento (SOUZA, 2013).
Na experimentação com caráter investigativo, o educando desenvolve a habilidade de trabalhar em grupo, o que lhe oportuniza conhecer e vivenciar como é o trabalho de um cientista (SUART, 2008). Todavia, tais competências e habilidades não são observadas em aulas práticas com perfil tradicional, pois a abordagem dessa forma acaba se encaminhando para uma aprendizagem mecânica de apenas memorização, que apresenta a química como uma ciência com verdades absolutas e inquestionáveis.
Assim, as sequências de ensino investigativas apresentam-se como uma metodologia capaz de auxiliar no processo ensino-aprendizagem, por conseguirem dar conta de conteúdos curriculares com uma demanda mais complexa e por terem vários ciclos de atividades planejadas.
1.3 Atividades em grupo
As atividades em grupo fazem uso da metodologia ativa, principalmente as que trabalham com atividade investigativa, pois ocorre uma promoção colaborativa e cooperativa da aprendizagem na qual os estudantes desenvolvem uma participação protagonista no processo ensino-aprendizagem, o que lhes atribui maior controle sobre a própria aprendizagem (CLEMENT, CUSTÓDIO, ALVES FILHO 2015). Através desse método, os estudantes participam da discussão para problematização e apropriação das situações-problemas; fazer perguntas de forma a debater aspectos que sejam de seu interesse e que estejam relacionados a essas situações; interagir com os seus colegas ao longo do trabalho. Com isso, terão a possibilidade de desenvolver maior senso de controle e autonomia diante do desenvolvimento das atividades.
A necessidade de relacionamento também pode ser satisfeita pelas interações estabelecidas com os colegas nos trabalhos em grupo e com o professor, durante as orientações e dúvidas direcionadas a ele. Nesse contexto, todo processo de apropriação conceitual, procedimental e atitudinal contribuirá de forma significativa para o desenvolvimento da competência dos estudantes.
Carvalho (2013) descreve que em suas ações, os professores já têm o costume de utilizarem em suas aulas o trabalho em grupo, e que os educandos apresentam condições de se desenvolverem potencialmente em termos de
conhecimento e habilidades com parceria de seus colegas. Porém, a utilização dessa dinâmica grupal, dentro da teoria Vigotskiana, reforça que o professor deve instruir seus alunos a trabalharem juntos; promovendo discussões que permita que o ensino dos conteúdos e habilidades sejam direcionados de forma a oportunizar a troca de ideias e ajuda conjunta no trabalho coletivo.
Rivard e Straw (2000) citam a importância da discussão em conjunto às aulas práticas e em grupo. Salientam a discussão de ideias é importante para gerar, clarificar, compartilhar e distribuir ideias entre o grupo, enquanto o uso da escrita como instrumento de aprendizagem realça a construção pessoal do conhecimento. Por fim, destacam que o emprego das atividades de linguagem na construção do conhecimento científico é fundamental para a solidarização e consolidação do conhecimento (OLIVEIRA, CARVALHO, 2005).
Mazur (1997) afirma que é mais fácil um aluno compreender a explicação de outro aluno do que do professor. Muitos limites de linguagem e de distância de contato com o conteúdo, enfrentados na relação professor-aluno, podem ser superados dessa forma. Logo, o aprendizado deixa de ser uma relação de via única e passa a constituir-se como um processo colaborativo.
Segundo William Glasser (1925-2013), psiquiatra norte-americano, a grande causa dos alunos simplesmente esquecerem o que viram em sala, deve-se apenas ao uso da memorização, ainda deve-segundo o pesquisador, o aluno aprende quando realiza também uma atividade, segundo sua teoria, o grau de aprendizagem está relacionado com a técnica utilizada. Para isso, ele propôs uma pirâmide de aprendizado em que indica o percentual de aprendizado em cada uma das atividades (Figura 1). De acordo com Glasser, aprendemos 95% quando ensinamos a outros; 80% quando fazemos (incluem-se práticas e ferramentas de ensino usando tecnologia pedagógica); 70% quando discutimos com alguém (incluem-se as 27 ferramentas de ensino que estimulam discussões em sala); 50% quando vemos e ouvimos; 30% quando observamos; 20% quando ouvimos e somente 10% quando lemos (SILVA, 2015).
Figura 1 - Pirâmide de aprendizagem de William Glasser
Fonte: SILVA (2015)
Com isso, observamos que as metodologias baseadas num modelo de ensino expositivo, através de práticas tradicionais como ler, ver e escutar compõem o topo da pirâmide proposta por William Glasser. Práticas mais completas envolvendo conversas e debates em grupos, ilustrações, reproduções, dramatização, ensinar e expor ideias resumidas, entre outras, são mais eficazes na retenção do conhecimento e no processo de aprendizado, pois tais ações requerem uma participação mais ativa do aluno e um maior envolvimento com a temática a ser aprendida, compondo a base da pirâmide de Glasser.
Berbel (2011) ainda acrescenta que as novas propostas e perspectivas transformam a relação entre professores e alunos. Quando a centralidade do processo de ensino e aprendizagem é assumida pelo diálogo, há maior estímulo à autonomia e à cooperação em sala de aula. O professor deixa de representar o detentor do conhecimento legítimo e passa a atuar como orientador e facilitador, incentivando que o aluno “pesquise, reflita e decida o que fazer para atingir os
10% 20% 30% 50 % 70 % 80 % 95%
objetivos de aprendizado estabelecidos” (BERBEL, 2011, p. 29). Trata-se do professor auxiliar no percurso de busca pelo conhecimento, o que não diminui a importância da sua existência em sala de aula. Inclusive, pode-se dizer que se exige um maior esforço e atribui-se uma maior responsabilidade, visto que é necessário motivar e encorajar alunos que contam com diferentes experiências e vivências, bem como constantemente recordar que o novo modelo de ensino e aprendizagem ainda insere-se em um sistema de ensino, majoritariamente, tradicional.
Villani e Pacca (1997) descrevem pesquisas que demonstram que um dos maiores níveis de apreensão e entendimento de conceitos e ideias relaciona-se com a capacidade ou condição de ensinar uma outra pessoa. Afirmam que para o aluno é insuficiente apenas escutar o que o professor está ensinando em sala de aula; fazer atividades reforçam o conhecimento, mas lacunas podem permanecer; assistir a videoaulas ou animações e simulações na internet, ainda que de fontes fidedignas, é também alternativas de valor para quem busca se aprofundar nos estudos; no entanto, a apropriação real e a compreensão maior dos saberes se dá quando os educandos explicam para os demais o que lhes foi traduzido em aulas.
Diante do exposto observamos que o trabalho em grupo requer do educando uma maior responsabilidade, pois assume, por meio das ações por ele desempenhada, dar suporte para seus colegas. Para isso, ele tem o compromisso de estar em dia com seus estudos, compreendendo, da melhor forma possível, os conceitos que estão ensinando, realizar as atividades com antecedência, estudando além daquilo que foi trazido em sala de aula.
1.4 Conceitos Básicos e o Ensino de Termoquímica
Parafraseando Atkins (2013), a ciência termoquímica é derivada da Termodinâmica, a qual analisa as trocas de calor que podem ocorrer durante os fenômenos físicos e as reações químicas. É derivada da termodinâmica que, por um olhar mais amplo, é responsável pelos diversos estudos que contemplam os fenômenos físicos e químicos ocorridos no universo, verificando os fatores que
contribuem na troca de energia entre o sistema e suas vizinhanças. A energia térmica está diretamente ligada aos estudos termoquímicos e, ao analisá-la como grandeza física, vemos que a mesma sempre se conserva, isto é, a quantidade total de energia nunca muda.
1.4.1 Definição dos termos utilizados em termoquímica
Os conceitos de energia, calor, temperatura, transferência de calor, entre outros, compõem o estudo da Termodinâmica. Atkins (2013) define esses conceitos da seguinte forma: a energia como uma capacidade de efetuar trabalho. O calor é definido como a energia transferida entre corpos que tem temperaturas diferentes. Já para as reações químicas, considera-se em exotérmicas e endotérmicas quando ocorre liberação ou absorção de energia, respectivamente.
O estudo das quantidades de energia envolvidas em reações químicas e fenômenos físicos que ocorrem troca de calor é feito por meio dos estudos sobre calorimetria (ANTUNES, 2013). Este princípio torna possível estimar a quantidade de energia liberada ou absorvida em uma reação, quando a mesma troca energia térmica com uma quantidade conhecida de água, sendo possível medir a variação de temperatura do sistema e calcular a quantidade de calor envolvido no processo.
Para a realização do cálculo mencionado anteriormente, utiliza-se a equação,
Q = m. c. ∆t (1)
Onde Q representa a quantidade de energia térmica ou calor (em calorias ou joules), m a massa da substância (gramas), c é o calor específico da substância (calorias / grama. Kelvin) e ∆t a variação de temperatura (kelvin) do sistema. No qual é possível estabelecer esses valores através de um dispositivo chamado calorímetro. Este consegue determinar as quantidades de energia térmica liberado ou absorvido durante um processo físico ou uma reação química (PAZINATO, 2012).
1.4.2 Teorias do calor no século XVII e XVIII: Flogístico, calórico, movimento ao início da termodinâmica.
A procura por uma explicação mais adequada dos conceitos envolvendo calor surgiu a partir do século XVII, partindo da relação sobre o estudo da combustão. George Stahl (1660-1734), em 1697, propôs uma teoria que sugere que todos os corpos são formados por uma substância invisível e sem peso, chamada flogisto. Esta era responsável pela combustão dos corpos. Essa teoria durou mais de meio século, sendo usada para explicar todas as reações químicas e a combustão, até que Joseph Black propôs que a combustão e a transferência de calor ocorriam em razão da presença de um fluido, ao qual denominou calórico, que podia passar de um corpo para outro (AUTH, ANGOTTI, 2001).
Posteriormente, em 1774 Antoine Lavoisier (1743-1794) passou a
questionar duramente essa teoria, quando em seus estudos experimentais percebeu que a massa dos reagentes e dos produtos, na verdade, se conservava, contrariando assim, a teoria do flogisto e chegando a comprovar que o ar atmosférico é composto de dois gases diferentes – o ar vital, que mais tarde defini-o como oxigénio, e o azoto. Essa descoberta serviu de base para o aprofundamento dos estudos envolvendo os fenômenos da respiração e combustão, em detrimento da teoria do flogisto (AUTH, ANGOTTI, 2001).Em paralelo a isso, Benjamin Thompson (1753-1814) desenvolveu experimentos que comprovavam que o calor é energia transferida de um corpo para outro. Thompson, ao notar a perfuração de canos de canhões, observou que o calor era sempre produzido enquanto um metal permanecesse em atrito com outro. Repetindo este ensaio com atenção, de modo que cavalos girassem um pedaço de metal dentro de um cilindro metálico, ele observou que o metal aquecia a água colocada dentro dele. Segundo a teoria do calórico, o calor, sendo um fluido, se esgotaria após algum tempo e o metal não aqueceria mais o líquido, mas a água continua sendo aquecida enquanto o material girava (KUHN, 2011).
Este experimento mostrou que existe uma relação entre o trabalho produzido pelos cavalos, o calor produzido por eles e o calor que aquece a água.
Assim começa a teoria da dinâmica do calor, a fim de superar as limitações apresentadas pela teoria do calórico. De maneira que em 1824 Sadi Carnot (1796-1832) publicou o livro “Reflexões sobre o poder motor do fogo”, o primeiro livro da nova ciência que passaria a se chamar Termodinâmica. Contudo, o declínio da teoria do calórico ocorreu paralelamente à acedência do conceito de energia introduzido por Thomas Young, em 1807 (KUHN, 2011).
1.4.3 A relação dos conceitos de energia com a termodinâmica no século XX Peculiarmente o entendimento sobre energia torna-se sólido no cenário científico a partir das concepções exploradas com a equação de Albert Einstein (1879-1955) anunciada em 1905, através da publicação de seu artigo chamado “A inércia de um corpo depende do seu conteúdo de energia?”. Neste material, é exposta as ideias do autor estabelecendo uma relação entre energia e massa, a relatividade especial, através de uma maneira inovadora e radical de relacionar os movimentos dos objetos no universo.
E=m.c² (2)
Esta se apresenta como uma equação simples, onde Einstein afirma que a energia (E) em um sistema (um átomo, uma pessoa, o sistema solar) é igual à sua massa total (m) multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz (c, igual a 3 .108 metros por segundo) (KARAM, CRUZ, COIMBRA, 2006). Assim, temos que energia e massa não são apenas matematicamente relacionadas, mas, são sim, maneiras diferentes de medir a mesma coisa.
Os estudos apresentados por Albert Einstein constituíram-se de grande valor para os desenvolvimentos dos conceitos que envolvem a Termodinâmica, onde podemos destacar o desenvolvimento de uma teoria para o cálculo do calor específico de sólidos.
No que diz respeito aos princípios Termodinâmicos, estes estudam os processos de transformação de energia e o comportamento dos sistemas nos processos, baseados em quatro princípios fundamentais denominados de lei zero da Termodinâmica, primeira, segunda e terceira leis da Termodinâmica (MACEDO, 1976).
A Termodinâmica Clássica apresentada três tipos de sistemas que, de maneira geral, são classificados em:
Sistemas Isolados: nem matéria nem energia podem ser transportadas através de seus limites;
Sistemas abertos: tanto a matéria como a energia podem ser transportados através de seus limites.
Sistemas fechados: a matéria não pode ser transportada através de seus limites, mas a matéria contida pode ser afetada por fontes externas de energia.
1.4.4 Equilíbrios do calórico e a segunda lei da termodinâmica
Nos estudos iniciais sobre a Termodinâmica, a Lei Zero, Equilíbrio Calórico, foi estabelecida pelo cientista Ralph H. Fowler (1889 - 1944), no qual o mesmo postula que dois corpos estão em equilíbrio térmico quando possuem a mesma temperatura, ou seja, se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. Isso significa que essa lei demonstra como acontecem as trocas de calor entre os corpos (WYLEN, SONNTAG, BORGNAKKE, 2009). Em síntese, o princípio básico da lei zero da termodinâmica é o que permite o sentido macroscópico de temperatura e a construção dos termômetros.
Para o Princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada e nem destruída, ela apenas muda de forma, deste modo, o calor recebido será transformado em algo. Assim temos que a Primeira Lei da Termodinâmica define que quando um gás ideal passa por qualquer tipo de processo (expansão, compressão, entre outros), a relação entre calor (Q), trabalho (t) e energia interna (U) sempre seguirá a equação:
Q = t + U (3)
A Primeira Lei da Termodinâmica não tem nenhuma restrição para as transferências de energia, requer apenas sua conservação, por exemplo, é permitido o fluxo de calor de um corpo em temperatura menor para um corpo em
temperatura maior, contudo esse processo não existe na natureza, ou seja, não é espontâneo.
Já, a Segunda Lei da Termodinâmica tem relação direta com a entropia, em que é medido o número de estados termodinâmicos de um sistema, na qual podem ser de dois modos os processos reversíveis que ocorrem em um universo em constante equilíbrio, e os processos irreversíveis como se manifesta em “degrada-se”, (WYLEN, SONNTAG, BORGNAKKE, 2009). Assim temos que, após algum processo, a segunda lei da termodinâmica sugere que a variação de entropia no universo será sempre maior ou igual à zero.
1.4.5 Dificuldades e superações no processo de ensino e aprendizagem de energia
No intuito de identificar as principais dificuldades relacionadas ao ensino de termoquímica, selecionaram-se alguns autores, dentre eles: Barros (2009), Mortimer e Amaral (1998), Silva (2005), Andrighetto, Cardoso e Luchese (2019), Silva e Pitombo (2006), Marques e Teixeira Júnior (2012), Souza e Justi (2011), Mortimer e Machado (2013), Silva e Pitombo 2006), os quais trazem pesquisas envolvendo conceitos de termoquímica com foco nas questões relacionadas às energias envolvidas nas reações e suas implicações conceituais de alguns tópicos, tais como entalpia, reações exotérmicas e endotérmicas, energia de ligação, Lei de Hess, dentre outros. Nessas publicações é possível identificar quais as concepções alternativas que os alunos trazem e suas dificuldades na compreensão dos conceitos da termoquímica.
A termoquímica é responsável por analisar os diversos processos reacionais com relação à absorção e a liberação de energia. Tais processos podem ser exotérmicos, no qual acontece a liberação de calor, ou endotérmicos, ocorrendo à absorção de calor. Em seus estudos, Barros (2009, p. 241) observou que é corriqueiro, na abordagem da termoquímica, os alunos demonstrarem dificuldades “relacionadas às variações de temperatura em processos endotérmicos e exotérmicos ou outras ligadas às energias cinética e potencial das partículas”. Nesse sentido, o autor acha necessário apresentar uma interpretação atômico-molecular de processos endotérmicos e exotérmicos, com certa clareza,
principalmente quanto aos aspectos macroscópicos dos experimentos, fazendo com que, assim, muitas dificuldades apresentadas pelos educandos no estudo da Termoquímica sejam resolvidas ou mesmo evitadas (BARROS, 2009).
A utilização de gráficos e tabelas se tornaram fundamentais na prática pedagógica diante da evolução dos conhecimentos produzidos, demonstrando ser uma maneira eficiente de trabalhar as interpretações em dados reais de forma contextualizada. Em um artigo, Andrighetto, Cardoso e Luchese (2019) descrevem as dificuldades que os educandos têm em analisar e interpretar informações termoquímicas contidas em gráficos. Além desses conceitos, os autores ainda destacam as dificuldades no entendimento relacionado às variações de temperatura, consequentemente, na identificação de processos endotérmicos e exotérmicos ou às energias cinética e potencial das partículas.
Já os conceitos termoquímicos que envolvem as dificuldades na aprendizagem dos conceitos de calor e temperatura são relatados no artigo de Mortimer e Amaral (1998). Estes relataram que conceitos como energia, calor e temperatura geram inquietações na compreensão por parte dos alunos, uma vez que têm significados diferentes na ciência e na linguagem comum. Sabe-se que esses termos estão comumente inseridos no cotidiano das pessoas, mas, mesmo assim, falta compreensão científica de alguns sobre os mesmos, um exemplo disso é a aplicação do termo calor, por exemplo, é citado por diversas vezes em nosso cotidiano para se referir a um aumento de temperatura.
Para Marques e Teixeira Júnior (2012), o ensino da termoquímica envolve o entendimento de que os fenômenos químicos “ocorrem com trocas de energia entre o sistema e o ambiente que o circunda”. Já, especificamente, em seus estudos sobre as dificuldades dos conceitos da Lei de Hess observaram que os educandos “demonstraram não entender o significado da Lei de Hess, não compreendendo a necessidade de se inverter as equações e nem o sinal da ΔH” (MARQUES e TEIXEIRA JÚNIOR, 2012, p.1). Além disso, é necessário dar mais foco às questões conceituais e fenomenológicas, pois, na maioria das vezes, as mesmas são deixadas de lado para serem trabalhados com maior ênfase os aspectos matemáticos, ou seja, quantitativos, envolvidos nos processos químicos são enaltecidos.
Quanto à energia envolvida nas transformações químicas, Souza e Justi (2011) destacam a importância de se desenvolver atividades que abordem as relações energéticas envolvidas no rearranjo dos átomos, sua estequiometria (quebra e formação de ligações), de modo que o processo seja classificado como endotérmico ou exotérmico analisando o saldo energético final. Nesse sentido, é necessária a inserção e incorporação de metodologias que consigam abordar o entendimento dos fenômenos em nível submicroscópico.
Mortimer e Machado (2013) ressaltam a importância da representação com equações das transformações que envolvam aspectos termoquímicos, na qual se destaque
[...] a identificação do estado físico dos reagentes e dos produtos, os coeficientes estequiométricos, das variedades alotrópicas (quando for o caso), a temperatura e a pressão, bem como a variação da entalpia da reação. (2013b, p. 101).
Assim, neste nível a reação química pode ser definida como um processo que transforma as propriedades das substâncias envolvidas no processo, ação esta em que a massa dos participantes é conservada, assim como os elementos que constituem os compostos.
Nos estudos referentes à entalpia, Silva (2005) descreve que o tratamento didático para esse tema não é algo fácil, sendo de difícil compreensão principalmente no ensino médio. Entender o significado da entalpia requer conhecer o problema que iniciou o processo e o encaminhamento da solução. Caso contrário, pode acontecer de os educandos apenas memorizarem mecanicamente uma expressão para uso escolar sem qualquer vínculo com os outros ambientes onde vivem (SILVA, 2005). Já Castro et al (2013) citam a importância de o professor incluir outros recursos pedagógicos no ensino da Lei de Hess, dando exemplo metodológico do uso de uma aula dialogada e contextualizada de acordo com o assunto abordando, incluindo as equações-problemas que trazem reações conhecidas pelos alunos ou que estão próximas do cotidiano destes.
Estudos realizados com educandos do Ensino Médio relatam que ainda há dificuldade na compreensão dos conceitos sobre queima e combustão. Diante
