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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
PROGRAMAS INTERATIVOS DE SIMULAÇÃO NO ENSINO DA
FÍSICA E DA QUÍMICA, EM CONTEXTO DE SALA DE AULA
Dissertação de Mestrado em Ensino de Física e de Química no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário
Anabela Madureira Coutinho Feliciano
Orientação científica de José Paulo Cerdeira Cleto Cravino
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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
PROGRAMAS INTERATIVOS DE SIMULAÇÃO NO ENSINO DA
FÍSICA E DA QUÍMICA, EM CONTEXTO DE SALA DE AULA
Relatório de estágio de Mestrado apresentado à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção de grau de Mestre em Ensino de Física e de Química no 3º ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário
Anabela Madureira Coutinho Feliciano Orientação científica do Prof. Doutor José Paulo Cerdeira Cleto Cravino
Composição do Júri:
Doutora Cristina Maria Correia Marques, Professora Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro;
Doutor José Paulo Cerdeira Cleto Cravino, Professor Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro;
Doutor Armando da Assunção Soares, Professor Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
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Resumo
Ao longo do tempo, as escolas foram sendo dotadas de computadores. Estas máquinas ao serviço do ensino permitem a simulação de fenómenos científicos e de experiências laboratoriais muito úteis na aprendizagem das ciências. Estas ferramentas de trabalho, em contexto de sala de aula, possibilitam a criação de ambientes de aprendizagem mais próximo da sociedade de comunicação e informação em que os alunos estão inseridos.
Das inúmeras interações que os alunos podem estabelecer com o computador a que é objeto de análise neste trabalho é a utilização de programas de simulação no ensino de alguns conteúdos de Física e Química do 3º Ciclo do Ensino Básico. Os programas foram aplicados em contexto de sala de aula, em turmas do 9º ano de escolaridade e encontram-se disponíveis online no portal do PhET.
Os alunos foram divididos em grupos de trabalho (dois a quatro elementos). Cada grupo tinha ao seu dispor um ou dois computadores. A professora da disciplina forneceu a cada aluno um roteiro de exploração, onde estava definido um plano de trabalho comum, para ser desenvolvido na aula, com os respetivos programas de simulação.
O objetivo principal deste estudo foi analisar o impacto da utilização dos programas de simulação na aprendizagem dos alunos. Esta análise foi realizada a partir de observações diretas recolhidas in loco, durante o uso das simulações em sala de aula, e de um inquérito fornecido aos alunos, após conclusão dos trabalhos. Foi ainda elaborada uma análise das respostas dos alunos às questões colocadas no teste de avaliação escrito que visavam avaliar as aprendizagens desenvolvidas pela utilização dos referidos programas de simulação.
Foi possível constatar: que os alunos demonstram uma grande destreza na manipulação das simulações computacionais; um aumento da atenção/concentração na sala de aula; uma maior motivação para a realização das tarefas de aprendizagem solicitadas pelo professor; resultados muito positivos nas questões do teste de avaliação relativas aos conhecimentos desenvolvidos com os programas de simulação.
A utilização deste tipo de simulações computacionais pelos alunos em sala de aula, com o apoio do professor, propícia um maior envolvimento no processo de ensino e de
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aprendizagem, num formato mais “amigável”, contribuindo para a compreensão dos conteúdos científicos.
Palavras- chave
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Abstract
Over time, schools have been equipped with computers. These machines allow, in teaching, the simulation of scientific phenomena and laboratory experiments very useful in learning science. These working tools, in the context of the classroom, allow the creation of learning environments closer to the society of communication and information in which students are immersed.
From the numerous interactions that students can establish with the computer, the one object of analysis in this work is the use of simulation software in teaching some Physics and Chemistry topics in the 3rd Cycle of Basic Education. The computer simulations were used in the classroom, with 9th grade classes (14-15 years old students), and are available in the online PhET portal.
The students were divided into groups (2-4 students). Each group had one or two computers available. The teacher provided an exploration roadmap to each student, with a common set of activities to be developed with the simulation programs.
The main objective of this study was to analyze the impact of the use of simulation software on student learning. We collected data on-site, in the classroom, while students used the computer simulations and using a survey to students after using the simulation programs. We also analyzed the students’ answers to the questions about the topics explored with the simulations, in the written formal assessment tests.
We found: a great ability in handling the simulation programs; increased attention / concentration; greater motivation to perform the intended learning tasks; and very positive results in the formal assessment tests for the knowledge covered in the simulations.
Students’ use of this kind of computer simulations in the classroom, with the teacher’s support, fosters a greater involvement in learning, in a more "friendly" format, which contributes to the understanding of scientific content.
Keywords
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Índice
Capitulo 1: Introdução ... 6
Capítulo 2: Fundamentação Teórica ... 12
2.1 Uma perspetiva sobre o ensino na sala de aula ... 12
2.2 As Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) no ensino ... 13
2.3 Modos de utilização das TIC no ensino e na aprendizagem ... 14
2.4 Fundamento para a utilização das TIC no ensino (da Física e da Química em particular) ... 25
Capítulo 3: Aplicação dos programas de simulação no ensino da distribuição eletrónica ... 28
3.1 Apresentação da atividade prática ... 28
3.2 Descrição da execução da atividade prática ... 37
3.3 Avaliação da implementação da atividade ... 45
Capítulo 4: Aplicação dos programas de simulação no ensino da Lei de Ohm ... 56
4.1 Apresentação da atividade prática ... 56
4.2 Descrição da atividade prática ... 64
4.3 Avaliação da implementação da atividade ... 69
Capítulo 5: Reflexão e análise da aplicação dos programas de simulação no ensino da Físico-Química .. 82
5.1 Reflexão da implementação da atividade ... 82
5.3 Reflexões finais ... 87 Bibliografia ... 90 Anexos 1 ... 93 Anexos 2 ... 98 Anexos 3 ... 111 Anexo 4 ... 116
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Índice de Figuras
Figura 1 - Programa de modelação “Modellus” ... 16
Figura 2 - Programa de simulação “Ohms Law” ... 17
Figura 3 - Programa de simulação “Monte um Átomo” ... 18
Figura 4 - Manual virtual (Porto editora, Lda. 2008) ... 19
Figura 5 - Modelos moleculares tridimensionais ... 19
Figura 6 - Ecrã principal do programa de simulação “Monte um Átomo” ... 28
Figura 7 - Apresentação do roteiro da exploração ... 29
Figura 8- Apresentação do programa de simulação no roteiro da exploração ... 30
Figura 9 - Questão referente aos átomos ... 32
Figura 10 - Introdução ao estudo dos iões ... 32
Figura 11 - Questão dos iões ... 33
Figura 12 - Pontos obtidos no jogo ... 34
Figura 13 - Ecrã final de pontuação do jogo ... 35
Figura 14 - Respostas dos grupos de trabalho 5 e 10 ... 41
Figura 15 - Resposta dada pelo grupo 5 ... 44
Figura 16 - Resposta dada pelo grupo 10 ... 44
Figura 17 - Comentário do grupo 2 ... 48
Figura 18 - Comentário do grupo 2 ... 48
Figura 19 - Adaptado da versão 1 do teste de avaliação ... 49
Figura 20 - Adaptado da versão 2 do teste escrito ... 50
Figura 21 - Resposta à pergunta 6.1, do aluno nº6 ... 51
Figura 22 - Resposta à pergunta 6.2, do aluno nº1 ... 51
Figura 23 - Resposta à pergunta 6.5 e 7, do aluno nº1 ... 52
Figura 24 - Resposta à pergunta 6.5 e 7, do aluno nº6 ... 52
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Figura 26 - Questões do roteiro de exploração da simulação Circuito Bateria-Resistor ... 59
Figura 27 - Ecrã principal do programa de simulação Ohms Law ... 60
Figura 28 - Roteiro de exploração da simulação Ohms Law ... 61
Figura 29 - Resolução do roteiro de exploração do grupo 7 – parte 1 ... 65
Figura 30 - Resolução do roteiro de exploração do grupo 7 – parte 2 ... 66
Figura 31 - Inquérito de uma aluna do grupo 2 ... 68
Figura 32 - Resposta à questão de um aluno do grupo nº 28 ... 70
Figura 33 - Resposta à questão de um aluno do grupo 17... 70
Figura 34 - Resposta à questão de um aluno do grupo 16... 71
Figura 35 - Resposta às questões de uma aluna do grupo de trabalho 7 ... 71
Figura 36 - Resposta às questões de uma aluna do grupo de trabalho 25 ... 72
Figura 37 - Resposta à questão de um aluno do grupo nº 28 ... 72
Figura 38 – Resposta à questão de um aluno do grupo 17 ... 73
Figura 39 - Resposta à questão de um aluno do grupo 28... 73
Figura 40 - Resposta à questão de um aluno do grupo 8 ... 74
Figura 41 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 8 ... 79
Figura 42 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 17 ... 80
Figura 43 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 8 ... 80
Figura 44 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo17 ... 80
Figura 45 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 5 ... 80
Figura 46 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 3 ... 81
Figura 47 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 15 ... 81
Figura 48 - Resposta à questão do inquérito de um aluno do grupo 11 ... 81
Figura 49 - Resposta à questões do inquérito de um aluno do grupo 10 ... 83
Figura 50 - Resposta à questões de um aluno do grupo nº 18 ... 84
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Índice de Gráficos
Gráfico 1 - Gráfico de pontos obtidos no jogo ... 46
Gráfico 2 - Inquérito de avaliação da aula ... 48
Gráfico 3 – Avaliação dos resultados das questões 6.1,6.2,6.5 e 7... 54
Gráfico 4 – Avaliação obtida pelos alunos nas questões 6.1,6.2, 6.5 e 7 ... 55
Gráfico 5 - Avaliação de roteiro de exploração – 9º B ... 75
Gráfico 6 - Avaliação de roteiro de exploração – 9º E ... 75
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Índice de Tabelas
Tabela 1 - Planificação anual de Físico-Química do 9ºano ... 9
Tabela 2 - Páginas Web que disponibilizam programas interativos de simulação ... 23
Tabela 3 - Extrato da tabela dos átomos ... 31
Tabela 4 - Extrato da tabela referente aos iões... 33
Tabela 5 - Inquérito de avaliação da aula ... 35
Tabela 6 - Constituição dos grupos de trabalho ... 38
Tabela 7 - Trabalho realizado pelos grupos 5 ... 39
Tabela 8 - Trabalho realizado pelos grupos 10 ... 40
Tabela 9 – Trabalho realizado pelo grupo 5 na tabela dos iões ... 42
Tabela 10 – Trabalho realizado pelo grupo 10 na tabela dos iões ... 43
Tabela 11 – Inquérito da avaliação da aula do 1.º Turno... 47
Tabela 12 – Inquérito de avaliação da aula do 2.º turno ... 47
Tabela 13 - Cotações atribuídas às respostas do teste de avaliação ... 53
Tabela 14 - Constituição dos grupos de trabalho ... 64
Tabela 15 – Avaliação de desempenho dos grupos de trabalho ... 69
Tabela 16 - Inquérito de avaliação da aula ... 77
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Capitulo 1: Introdução
O computador hoje em dia é um elemento integrante na nossa vida quotidiana e no próprio processo de ensino e aprendizagem. A história da ascensão dos computadores na educação tem alguns marcos significativos. Um deles é o surgimento dos computadores pessoais, no final década de 70 do século XX, que representam um marco significativo na democratização do uso de computadores. O outro é a criação da linguagem de programação Logo, no ano de 1980, que permitiu desenvolver atividades educacionais para o computador. Na década de 80 é criada a World Wide Web, que se populariza na década de 90. A partir daqui os computadores passam a ser máquinas cada vez mais potentes em termos de hardware e ficam cada vez mais baratos, o que permitiu a sua proliferação por escolas e lares (Fiolhais & Trindade, 2003).
Os alunos que nasceram e cresceram na era digital e que não conseguem viver sem a máquina de calcular, o telemóvel, a Playstation, o computador, o MP4 e inúmeras tecnologias que fazem parte do dia-a-dia de muitas famílias, estão mais exigentes com a escola do séc. XXI. O ensino tradicional, através de quadro e giz, não se torna aliciante para as camadas jovens e pouco se enquadra nesta sociedade de informação e comunicação. A escola precisa de acompanhar a evolução tecnológica, até porque se criaram novas metodologias e desenvolveram novas ferramentas para o ensino, que com alguma facilidade podem ser manipulados por professores e alunos. Um exemplo poderá ser a utilização de software apropriado, tais como programas de simulação que podem facilitar o ensino em quase todas as áreas e em todos os níveis de escolaridade. Hoje em dia existem vários tipos de software educacional, que possibilitam uma escolha mais apropriada às necessidades pretendidas.
“Como se sabe, todas as tecnologias comunicacionais novas geram ambientes e meios novos. Assim foi a invenção da escrita que gerou um cem- número de ambientes e necessidades para o seu uso, desde a placa de barro, passando pelo pergaminho, o papel até à invenção da impressa com os tipos móveis. O mesmo ocorreu com a invenção do telefone, rádio e televisão. Hoje, a internet tornou-se um imenso laboratório de experimentações de todos os formatos” (Marcuschi, 2004 citado por Santos & Alves, 2006, p. 132).
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Muitos teóricos da didática e da prática do ensino alertaram para a necessidade de metodologias inovadoras, que incorporem as tecnologias educativas e acompanhem as exigências da própria sociedade.
“O ensino tradicional de ciências do fundamental ao superior tem-se mostrado pouco eficiente, seja tanto na perspetiva dos estudantes e professores, quanto das expectativas da sociedade” (Borges, 1996, citado por Aliprandini, Schuhmacher, & Santos, 2009).
“As tecnologias de informação e comunicação não são mais uma ferramenta didáctica ao serviço dos professores e alunos…, elas são e estão no mundo onde crescem os jovens que ensinamos.” (Adell, 1997).
Neste contexto, insere-se esta dissertação que pretende abordar a utilização das tecnologias de informação e comunicação, no caso particular dos programas interativos de simulação (do tipo applet-java), como estratégia de ensino nas aulas da disciplina de Física e Química no 3º ciclo do ensino básico. Os programas de simulação encontram-se disponíveis online e estão, muitas vezes, autenticadas de algum modo por entidades, como universidades, empresas de formação, editoras, etc.
Este tipo de software educacional cria em ambientes virtuais a “imitação de comportamentos de um sistema real marcado pela interação entre os intervenientes” (Peres & Pimenta, 2011, p.120).
Optou-se por utilizar os simuladores computacionais, na sala de aula, porque permitem estudar determinados tópicos do programa curricular de uma forma mais apelativa quer em termos visuais, quer em termos auditivos.
Diz-me e eu esquecerei, Ensina-me e eu lembrar-me-ei,
Envolve-me e eu aprenderei Provérbio Chinês
Estes aplicativos podem contribuir para aumentar a atenção e a concentração e os níveis de motivação dos alunos e professores. O que pode proporcionar, possivelmente, uma aprendizagem mais dinâmica e mais promissora, uma vez que permite ampliar a interação entre aluno-conhecimento-professor.
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O próprio Currículo Nacional do Ensino Básico – Competências Essenciais, de 2001, refere que “o conhecimento científico não se adquire simplesmente pela vivência de situações quotidianas pelos alunos, por muito útil que estas sejam. É necessária uma intervenção planeada do professor, a quem cabe a responsabilidade de sistematizar os conhecimentos, de acordo com o nível etário dos alunos e o contexto da escola”. O mesmo documento define à saída da educação básica dez competência gerais, cuja primeira é precisamente “Mobilizar saberes culturais, científicos e tecnológicos para compreender a realidade e para abordar situações e problemas do quotidiano.”
Numa tentativa de testar quantitativamente e qualitativamente o impacto das simulações online no ensino da Física e da Química, realizou-se uma investigação numa escola do norte de Portugal, nos anos letivos 2010/2011 e 2011/2012. No ano letivo 2010/2011 foi implementada uma intervenção com uma turma do 9ºano de escolaridade e em 2011/2012 com três turmas do mesmo ano de escolaridade, com alunos de idades compreendidas entre os 13 e os 18 anos. Esta opção, na escolha das turmas, foi realizada em função da distribuição de serviço letivo atribuído à docente da disciplina. Neste estudo procurou-se estudar a questão seguinte:
Qual a mais-valia da aplicação das simulações online no ensino da Física e da Química na sala de aula?
A investigação do comportamento dos alunos face a estes materiais de ensino, as aprendizagens conseguidas e apreciação da proposta pedagógica adotada, são alguns dos parâmetros analisados neste relatório.
As simulações interativas utilizadas são as que se encontram disponíveis na página web do PhET, cujo endereço eletrónico da página principal é:
http://phet.colorado.edu/
O PhET (Physics Education Technology Project) é um portal de simulações de fenómenos físicos do projeto PhET da Universidade do Colorado. Este portal foi escrito em Inglês e foi traduzido para vários idiomas, entre os quais Português do Brasil, mas não Português Europeu. O endereço eletrónico da página do PhET em Português do Brasil é:
http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/new
As Orientações Curriculares para as Ciências Físicas e Naturais no 3º Ciclo do Ensino Básico apontam para o estudo de quatro temas organizadores: Terra no Espaço; Terra em
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Transformação; Sustentabilidade na Terra; e Viver Melhor na Terra. O ensino dos conteúdos, de cada um dos temas organizadores, deve ser feito numa perspetiva de dotar os alunos com um conjunto de competências essenciais que eles devem adquirir até ao final deste ciclo. A escolha do tema Viver Melhor na Terra para o 9º ano de escolaridade deve-se ao facto de ser o último tema de estudo da Física e da Química no 3º Ciclo do Ensino Básico. De acordo com o Currículo Nacional do Ensino Básico, os conteúdos programáticos adotados para este quarto tema organizador compreende uma sequência de subtemas e unidades a estudar que está discriminada na planificação a seguir apresentada, onde é visível a gestão de tempos letivos, adotada para cada unidade.
Tabela 1 - Planificação anual de Físico-Química do 9ºano
As simulações computacionais implementadas nas aulas de Físico-Química integraram os seguintes subtemas:
“Classificação dos materiais”, especificamente a unidade “Estrutura atómica”
“Sistemas elétricos e eletrónicos”, especificamente a unidade “Circuitos elétricos”. PLANIFICAÇÃO ANUAL
DISCIPLINA DE FÍSICO - QUÍMICA - 9º Ano de escolaridade Tema
organizador
Subtema Unidade Aulas por período Avaliação
1º P 2º P 3º P Viver
melhor na Terra
1. Em trânsito 1.1 – Segurança e prevenção. 1.2 – Movimentos e forças.
1.2.1– Alguns movimentos e suas características. 1.2.2– Forças e seus efeitos.
1 7 6 Diagnóstica Formativa Sumativa 2. Sistemas elétricos e eletrónicos 2.1 – Circuitos elétricos. 2.2– Eletromagnetismo. 2.3 – Circuitos eletrónicos e aplicações da eletrónica. 4,5 2 1 Formativa Sumativa 3.Classificação
dos materiais 3.1 – Propriedades dos materiais e Tabela Periódica. 3.2 – Estrutura atómica. 3.3 – Ligação química. 6 5 5,5 Formativa Sumativa Total de aulas 15,5 13,5 10,5 Total de aulas da disciplina 39,5
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No primeiro subtema mencionado foi escolhida a simulação do Phet: “Monte um átomo” e no segundo subtema foram escolhidas duas “Circuito Bateria- Resistor” e o “Ohms-law”. Estes programas foram selecionados por estarem em sintonia com o programa curricular do 9º ano de escolaridade e permitirem que os objetivos de aprendizagem fossem atingidos, tendo por base a experiência de alguns anos de docência.
O programa “Monte um átomo” apresenta um modelo do átomo, que permite a construção de isótopos de alguns elementos químicos, com os protões, eletrões e neutrões disponíveis na simulação e ao mesmo tempo é visualizado o respetivo número atómico, número de massa e carga elétrica. É, também, possível aprender o que faz mudar um elemento químico para outro, o que provoca a alteração no número de massa e na carga do átomo, com formação dos respetivos iões. Disponibiliza, ainda, um jogo para avaliar os conhecimentos adquiridos.
O programa de simulação “Monte um átomo” permite colmatar uma dificuldade sentida pelos professores de Físico – Química neste conteúdo programático, que é ensinar no mundo real os acontecimentos que ocorrem no infinitamente pequeno. Esta tarefa torna-se mais facilitada com simulações como esta. Deixando o aluno interagir com programa de simulação pode criar-se um ambiente de aprendizagem mais dinâmico e interativo na construção dos conhecimentos pretendidos.
Os outros dois programas de simulação escolhidos “Circuito Bateria- Resistor” e o “Ohms-law”, permitem visualizar o comportamento de um circuito elétrico com as alterações produzidas na resistência elétrica, na diferença de potencial e na intensidade da corrente. Estes modelos criados pelos programas “Circuito Bateria- Resistor” e o “Ohms-law” permitem que os alunos façam um estudo qualitativo e quantitativo, respetivamente, da Lei de Ohm. Também possibilita a visualização do funcionamento dos circuitos elétricos em termos do movimento de cargas elétricas, que de outra forma era difícil de visualizar.
As simulações escolhidas do PhET foram instaladas em vários computadores portáteis da escola e cada grupo de trabalho interagiu com a simulação apresentada. O professor traçou um plano de trabalho num roteiro de exploração, para orientar a utilização dos programas de simulação para os objetivos de aprendizagem pretendidos. Nos roteiros de exploração elaborados iam sendo fornecidas ajudas para a manipulação do respetivo programa de simulação e colocadas questões sobre as informações retiradas da utilização da simulação. As respostas dadas às diferentes questões do roteiro de exploração forneceram informações indicativas da aprendizagem dos alunos. No final foi solicitado o
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preenchimento de um inquérito, que permitiu recolher opiniões sobre a proposta pedagógica adotada. Pelo facto de terem sido aplicados em anos letivos diferentes os inquéritos utilizados foram aperfeiçoados de um ano para o outro, pelo que são diferentes. Há, também ligeiras diferenças no que diz respeito às aprendizagens resultantes da aplicação das duas experiências educativas com os programas de simulação.
Este relatório pretende apresentar o estudo que foi realizado do âmbito da aplicação de programas de simulação computacionais nas aulas da disciplina de Físico - Química. A organização estabelecida foi de 5 capítulos:
- neste primeiro capítulo foi feita uma breve introdução ao trabalho realizado;
- no capítulo 2 é apresentada uma breve resenha dos fundamentos teóricos que norteiam este trabalho;
- no capítulo 3 e 4 é descrita a metodologia de trabalho adotada na aplicação dos programas de simulação no ensino de conteúdos da componente da Química e da Física, respetivamente. São explicitados os objetivos, os procedimentos adotados, os instrumentos de avaliação delineados e os principais resultados obtidos;
- no capítulo 5 são apresentadas as principais reflexões resultantes deste trabalho;
- no final existem alguns anexos que complementam a informação fornecida ao longo deste relatório.
Acrescenta-se que os documentos apresentados e utilizados antes de 2011 não obedecem ao novo Acordo Ortográfico da Língua Portuguesa, que só entrou em vigor no sistema educativo português no ano letivo de 2011/2012.
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Capítulo 2: Fundamentação Teórica
2.1 Uma perspetiva sobre o ensino na sala de aula
A reflexão sobre a tarefa de ensinar jovens, revela-se numa atividade aliciante mas complexa, cujo objetivo final é o desenvolvimento de capacidades fundamentais para a sua inserção na sociedade. Para melhorar este processo é necessário ter em conta um amplo conjunto de fatores externos e intrínsecos ao próprio aluno. O meio em está inserido, as suas vivências, a motivação para a aprendizagem, a própria experiência, as habilidades pessoais e a responsabilidade que assume, vão determinar a sua postura face à aprendizagem.
A investigação mais recente em educação, por si só, não é suficiente para orientar a prática pedagógica, de forma a abranger todos os alunos e todos os contextos em sala de aula. Nathaniel Gage (1917-2008), professor da Universidade de Stanford, um dos mais conceituados investigadores educacionais americanos, descrevia, em 1984, a arte de ensinar da seguinte forma:
“Uma arte instrumental ou prática, e não uma das belas-artes que tem como objetivo último a criação de beleza. Enquanto arte instrumental o ensino é algo que se afasta de receitas, fórmulas ou algoritmos. Requer improvisação, espontaneidade, o lidar com múltiplas possibilidades relativas à forma, ao estilo, à cadência ao ritmo e à adequabilidade, de modos tão complexos que mesmo os computadores seriam, em princípio, incapazes de o fazer, tal como não seriam capazes de realizar o que uma mãe faz com uma criança de cinco anos ou de proferir as palavras que um amante dirige à sua bem-amada” (citado por Arendes,1995, p. 1).
Nesta perspetiva a paixão de ensinar pode ser traduzida pela arte de inovar, para que se possa encontrar soluções eficazes na resolução dos diferentes problemas de aprendizagem. Neste sentido a profissão de professor torna-se exigente, já que é necessário demonstrar uma competência multidisciplinar (escolar, pedagógica, social e cultural, entre outras…). A estes profissionais do século XXI é exigido que tenham capacidade de adaptação e formação contínua em função dos novos desafios e do progresso da ciência e da tecnologia.
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2.2 As Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) no
ensino
O termo Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC), muito em voga no ensino atual, é utilizado para associar a “tecnologia computacional ou informática com a tecnologia da telecomunicação e tem na Internet e mais particularmente na World Wide Web (WWW) a sua mais forte expressão” (Miranda, 2007, p. 43). Estas tecnologias podem ser usadas para fins educativos, nomeadamente para melhorar a aprendizagem e desenvolver ambientes de aprendizagem.
“ O uso da informática na educação através de softwares educativos é uma das áreas da informática na educação que ganhou mais terreno ultimamente. Isto deve-se principalmente a que é possível a criação de ambientes de ensino e aprendizagens individualizados (...) somado às vantagens que os jogos trazem consigo: entusiasmo, concentração, motivação, entre outros.”
(Passerino, 1998, citado por Santos, 2004)
“ Se educar é fazer o homem, a tecnologia propõe-se faze-lo cada vez melhor”
(Sarranona,1986, citado por Blanco & Silva, 1993)
A nível nacional, têm vindo a ser desenvolvidas medidas que visam instaurar e dinamizar a integração das TIC no Sistema Educativo Português.
Em termos legislativos, neste contexto, publicaram-se os Decretos-Lei 6 e 7/2001 de 18 de janeiro, que se referem à reorganização curricular do Ensino Básico e Secundário, respetivamente, onde já se encontram mencionadas as TIC a prepósito das aprendizagens. O Decreto-Lei 6/2001 de 18 de janeiro, que explicita os princípios orientadores do currículo nacional do ensino básico, dá grande relevo à utilização das TIC e consagra no artigo 3º, a alínea h): “Valorização da diversidade de metodologias e estratégias de ensino e actividades de aprendizagem, em particular com recurso a tecnologias de informação e comunicação, visando favorecer o desenvolvimento de competências numa perspetiva de formação ao longo da vida”. No Capitulo II do artigo 6º, do mesmo Decreto-Lei, confere um caráter de formação transdisciplinar à utilização das TIC, “(…) constitui ainda formação transdisciplinar de carácter instrumental a utilização das tecnologias de informação e comunicação, a qual deverá conduzir, no âmbito da escolaridade obrigatória, a uma certificação da aquisição das
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competências básicas neste domínio.” Estas orientações curriculares concebem a utilização das Tecnologias de Informação e Comunicação para o Ensino Básico como aprendizagens que atravessam todas as disciplinas e áreas do currículo. Pretende-se, assim, desenvolver competências numa perspetiva de formação ao longo da vida.
Em termos de projetos, nesta área, foram criadas iniciativas da responsabilidade do Ministério da educação, às quais se salientam o Programa Nónio - Século XXI iniciado em 1996 e a equipa de Missão CRIE (Computadores, Redes e Internet na Escola) criada em 2005, que apetrecharam todas as escolas, incluindo as do 1º Ciclo do Ensino Básico, do país com computadores ligados à Internet. Salientam-se, ainda, a iniciativa mais recente o “e-escola” -lançado em junho de 2007 e alargado em 2008 aos alunos do 11º e 12º anos e aos alunos com necessidades educativas especiais, que permitiu a alunos, professores e adultos em formação obter um computador portátil pessoal com ligação à internet de banda larga, em condições vantajosas. A formação dos professores em TIC, realizada quase em paralelo com as iniciativas governamentais abriu novas possibilidades de aplicação e integração destes recursos no ensino.
2.3 Modos de utilização das TIC no ensino e na aprendizagem
Um dos obstáculos iniciais que são colocados aos docentes é a falta de conhecimento das possibilidades apresentadas pelas tecnologias de informação e comunicação e, em particular, do computador.No ensino presencial, os computadores com os seus periféricos (hardware) e programas (software), permitem criar formas alternativas de ensinar ciências. Segundo Fiolhais e Trindade (2003), os principais modos de utilização do computador no ensino das ciências são a seguir mencionados.
A) Aquisições de dados por computador
A utilização de sensores, como por exemplo de movimento, pH, força, luz, temperatura, voltagem, etc, permitem que os alunos possam efetuar medições de grandezas físicas de acontecimentos reais em tempo real. Esta utilização exige uma interface adequada ao computador e um software
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apropriado, tornando, assim, possível a aquisição, representação gráfica e tratamento dos dados recolhidos.
B) Modelização e ou simulação
A modelização oferece ao aluno a possibilidade de desenvolver o modelo do fenómeno que pretende estudar, implementá-lo no computador e simulá-lo no imediato. No caso da simulação, propriamente dita, há uma ilustração virtual de uma situação ou de um determinado fenómeno, que já foi previamente criada, e que é selecionada para ser estudada.
Segundo Valente, a modelização (modelagem na terminologia do autor) e a simulação são agrupadas da seguinte forma: “Na modelagem, o modelo do fenômeno é criado pelo aprendiz, que utiliza recursos de um sistema computacional para implementá-lo. Uma vez implementado, o aprendiz pode utilizá-lo como se fosse uma simulação. Portanto, a diferença entre o software de simulação e o de modelagem está em quem escolhe o fenômeno e em quem desenvolve o seu modelo. No caso da simulação, isso é feita a priori e fornecido ao aprendiz”. (Valente, 1999, p.79)
C) Multimédia
O uso do multimédia engloba um programa que pode incluir textos, sons, imagens (paradas ou em movimento), simulações ou vídeos e que facilita a sistematização das ideias. O multimédia pode funcionar a partir dos recursos existentes na internet ou recorrendo a CD disponíveis no mercado. Também há a opção de produzir os próprios documentos multimédia.
D) A realidade virtual
A realidade virtual pode ser criada com a acoplação ao computador de um conjunto de tecnologias (como por exemplo: óculos especiais, capacetes de visualização, cadeiras móveis, etc), de forma a criar a ilusão que se está noutra realidade. O aluno tem a liberdade para interagir diretamente com os objetos virtuais em tempo real. Esta forma de trabalho é utilizada para estudar “situações tridimensionais complexas” (Fiolhais e Trindade, 2003).
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A internet utiliza a World Wide Web (WWW) que permite o estabelecimento de hiperligações (links) para as fontes de informação. Cada página da web é designada sítio, mais conhecido por site (site), possuindo um endereço eletrónico chamado Universal Resource Locator (URL). O acesso direto às fontes de informação é feito pelos chamados navegadores (browser´s) tais como: Netscape, Internet Explorer ou Google Crome. Esta facilidade em navegar na internet permite aceder a qualquer tipo de informação, inclusive os programas de simulação, as apresentações multimédia, e alguns exemplos de realidade virtual, entre outros.
“Ela tornou-se a maior e mais ativa de todas as bibliotecas do mundo, tendo as paredes das salas de aulas sido «derrubadas» através da ligação directa às fontes de informação.” (Fiolhais e Trindade, 2003).
Relativamente a estes modos de utilização das TIC são apresentados, alguns exemplos de aplicação no ensino e na aprendizagem da Física e da Química.
Um exemplo de um ambiente de modelização é o software “Modellus”, que permite simular sistemas físicos a partir da utilização de equações matemáticas.
Figura 1 - Programa de modelação “Modellus”
Em relação à simulação propriamente dita, há autores que atribuem uma classificação de acordo com o grau de envolvimento dos alunos. Segundo Valente, a simulação, “pode ser
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fechada, e, portanto, mais semelhante a um tutorial, ou aberta e, neste caso, mais semelhante ao que acontece na programação”. Há simulações em que o grau de envolvimento dos alunos pode ficar limitado à alteração de valores de algumas variáveis, ou modificações dos parâmetros de entrada e observação das alterações nos resultados (designadas de simulações fechadas, segundo Valente 1999, p. 80).
A Figura 2 ilustra um exemplo deste tipo de simulação, em que o estudo da Lei de Ohm pode ser realizado pela movimentação alternada de dois cursores, que permite a variação dos valores da tensão e da resistência elétrica.
Figura 2 - Programa de simulação “Ohms Law”
Há outras simulações que são mais desafiadoras para os alunos, uma vez que exige uma análise mais atenta das variáveis que influenciam o seu comportamento e dos conceitos envolvidos. Isto requer um grau de envolvimento maior com a simulação (designadas de simulações abertas, segundo Valente 1999, p. 80). A Figura 3 ilustra um exemplo de um programa de simulação que permite uma maior interatividade e uma maior envolvência com o programa de simulação.
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Figura 3 - Programa de simulação “Monte um Átomo”
Há simulações que têm associada uma atividade lúdica, do tipo jogo, que colocam pequenos desafios relacionados com o acontecimento apresentado e fornecem, de imediato, um resultado pela obtenção de um certo objectivo.
Na opinião de Valente, há algumas limitações no ensino ministrado pelo computador “…a simulação ou modelagem não cria a melhor situação de aprendizado. Para que a aprendizagem ocorra, é necessário criar condições para que o aprendiz se envolva com o fenómeno e essa experiência seja complementada com elaboração de hipóteses, leituras, discussões e uso do computador para validar essa compreensão do fenómeno. Nesse caso, o professor tem o papel de auxiliar o aprendiz a não formar uma visão distorcida a respeito do mundo (que o mundo real pode ser sempre simplificado e controlado da mesma maneira que nos programas de simulação) e criar condições para o aprendiz fazer a transição entre a simulação e o fenómeno no mundo real” (Valente, 1999, p.80).
Um exemplo, entre muitos outros, do uso do multimédia no ensino é o Manual Virtual em CD, que muitas editoras estão a optar por editar. Neste tipo de manual surgem determinadas animações, eventualmente com alguma interatividade, em alguns dos conteúdos programáticos (Figura 4).
Em qualquer multimédia utilizada o aluno pode apenas seguir toda a sequência apresentada ou ser mais ativo e interagir por meio de hiperligações e/ou opções disponíveis. “Uma vez que tanto a interatividade como a flexibilidade são necessárias para assegurar uma aprendizagem individual e ativa, as vantagens educacionais do multimédia têm sido defendidas. Os seus adeptos afirmam que se trata de um formato conveniente para a
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aprendizagem por o nosso cérebro processar a informação por livre associação de conceitos.” (Fiolhais e Trindade, 2003).
Figura 4 - Manual virtual (Porto editora, Lda. 2008)
A figura seguinte ilustra um exemplo de um site
(http://nautilus.fis.uc.pt/molecularium/stereo/moleculas/c9h13no3.jpg), onde se pode encontrar uma galeria de modelos moleculares tridimensionais.
Figura 5 - Modelos moleculares tridimensionais
Valente chama a atenção: “ tanto o uso de sistemas multimeios já prontos quanto os da Internet são atividades que auxiliam o aprendiz a adquirir informação, mas não a
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compreender ou a construir conhecimento com a informação obtida”. Neste âmbito o Professor tem um trabalho muito importante a desenvolver com os seus alunos. Este trabalho não passa só pela orientação na recolha e seleção da informação mais relevante, mas deve garantir que essa informação seja posta em prática, para que ocorra uma efetiva aquisição de conhecimentos.
No âmbito desta dissertação destacam-se as simulações online, que podem ser utilizadas tanto dentro como fora da sala de aula. Na opinião de Martins, Fiolhais e Paiva (2003), as simulações fora e dentro da sala de aula têm formas de utilização diferentes:
“Dentro da sala de aula destacam-se três formas de utilização:
- O professor pode recorrer a um computador ligado a um projetor. A simulação pode servir para sensibilizar, questionar ou transmitir conteúdos.
- Os alunos divididos em grupos utilizam vários computadores. Cada grupo trabalha de forma independente de acordo com um plano comum traçado pelo professor (para isso é necessário um roteiro de exploração). Esta é uma forma interessante de trabalhar, por favorecer o trabalho colaborativo, embora possa haver problemas de acompanhamento e coordenação dos diferentes grupos de trabalho.
- Cada aluno trabalha com o seu computador.
Fora da sala de aula, as simulações online, tal como outro software educativo, podem ser utilizadas pelos alunos em espaços de estudo, nas bibliotecas das escolas, em suas casas, ou noutros locais, para:
- Estudar determinados tópicos e/ou esclarecer dúvidas; - Verificar algumas equações ou expressões matemáticas; - Verificar as soluções obtidas na resolução de exercícios.
As simulações devem ser utilizadas de forma a desenvolver um estilo de trabalho que proporcione uma participação ativa dos alunos. (Morais, Fiolhais, Paiva, 2003)”.
Segundo os mesmos autores e baseados nas opiniões de Pankaj Kamthan (1999) e de Mário Belloni e Wolfang Chistian (2001), existem três modos de aplicação das simulações online:
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- Relacionamento e aplicação de conteúdos; - Avaliação de conhecimentos;As simulações usadas para introduzir novos conteúdos são geralmente muito simples, não permitindo grande interatividade. (Morais, Fiolhais, Paiva, 2003)”.
A tabela seguinte apresenta alguns exemplos de páginas web, onde se podem encontrar programas de simulação para o ensino das Ciências em geral e da Física e Química em particular, passíveis de se poder fazer o respetivo download. Os exemplos escolhidos foram editados por diversas instituições e abrangem muitos conteúdos programáticos da Física e Química abordados no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário.
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URL Designação (Breve descrição) Entidades promotoras software Simulações de Física e Químicahttp://phet.colorado.edu/en/simulations Portal “PhET”
(Apresenta vários programas de simulação educacional para o ensino da Física, Química, Matemática, Biologia e Ciências da Terra e da Vida e permite fazer download).
Universidade do Colorado
Estão apresentadas por temas de ensino da Física e da Química.
http://nautilus.fis.uc.pt/softc/
Portal ”SoftCiências”
(Apresenta alguns links de acesso a software educacional para o ensino da Física, Química e Matemática com permissão para fazer download).
Sociedades Portuguesas de Física, Química e Matemática. Essencialmente no link existe um pequeno grupo de programas de simulação para a Física e Química
http://www.mocho.pt/search/local.php?i nfo=./local/software.info
Portal “mocho”
(Permite o acesso a outras páginas Web com simulações por temas de conteúdos da Física, Química e Matemática e permite fazer download).
Centro de Física Computacional (Portal Português de ciência e cultura científica) (Paiva, Costa & Fiolhais, 2002)
Disponibiliza todos os
programas de
simulação dos portais ”SoftCiências”
“Molecurarium” e mais alguns de Física e Química
http://nautilus.fis.uc.pt/molecularium/ Programa “Molecularium”
(Apresenta um conjunto de simulações moleculares, para o ensino da Física e da Química). Faculdade de Ciências da Universidade do Porto – Departamento de Química; Centro de Física Computacional;
Centro de Ciência Viva de
Disponibiliza pequenos programas de simulação mais vocacionados para os conteúdos da Termodinâmica.
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URL Designação (Breve descrição) Entidades promotoras software Simulações de Física e Química Coimbra.http://www.skoool.pt/ Programa “Skoool.pt”
(Simulações, baseadas em vídeo descrição, para o ensino das diferentes disciplinas de Ciências do 2º e 3º Ciclo).
Intel;
Universidade de Coimbra; Instituto Politécnico de Castelo Branco
Apresenta alguns links para programas de simulação, por conteúdos programáticos da disciplina de Física e Química do 3º Ciclo http://nautilus.fis.uc.pt/personal/antoni ojm/applets_pagina/ens_basi_secuns.h tm Portal “Nautilus”
(Apresenta simulações enquadradas nos conteúdos programáticos do ensino básico e secundário da disciplina de Física e Química. Em algumas das simulações encontra-se um roteiro de exploração com diversas atividades para o aluno efetuar).
Universidade de Coimbra Os links abrem páginas da net, com programas de simulação noutros idiomas além do português.
http://nautilus.fis.uc.pt/cec/teses/cristia
na/moleculito/index.html Portal “Nautilus”
(Criado no âmbito de uma tese de mestrado, apresenta um conjunto de recursos multimédia para o estudo dos átomos e moléculas no Ensino básico)
Faculdade de Ciências da
Universidade do Porto Apresenta Vídeos, Simulações jogos, dos átomos e das moléculas
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No âmbito deste trabalho destaca-se o portal PhET (Physics Education Technology Project), que começou por ser um projeto focado em simulações de Física, mas que foi alargado para outras ciências (Química, Biologia, Matemática e Ciências da Terra e da Vida). Atualmente funciona como um repositório de simulações de fenómenos físicos, que “habilitam os alunos a fazer conexões entre os fenómenos da vida real e a ciência básica, aprofundando a sua compreensão e apreciação do mundo físico” (citado no site do PhET).
As simulações interativas apresentadas neste portal são fundamentadas em pesquisas teóricas sobre como os alunos aprendem, e em pesquisas no uso das simulações, com entrevistas a alunos feitas individualmente (Bransford et al., 2000, citado no portal do PhET). São realizadas entre quatro a seis entrevistas por cada simulação, que são utilizadas para o estudo do design da interface e da aprendizagem dos alunos. Além das entrevistas a alunos as simulações são testadas e avaliadas em palestras e trabalhos de grupo, entre outros. Este estudo tem demonstrado que as simulações do PhET são mais eficazes na compreensão dos conceitos, em atividades da sala de aula e com a colaboração de professor, como por exemplo: para iniciar um novo tema, para a construção de conceitos, no reforço de ideias, ou na promoção de uma revisão e reflexão final. Estas simulações têm o mínimo de texto possível para mais facilmente serem integradas em cada atividade da disciplina. Estão gratuitamente disponíveis no portal do PhET, utilizam as linguagens de programação Java e Flash e são fáceis de instalar no computador, ou serem manipulados diretamente a partir de um navegador web qualquer, desde que o Java e Flash estejam instalados.
O portal do PhET apresenta cerca de 100 simulações interativas para o ensino e aprendizagem em ciência, traduzidas para vários idiomas, incluído o português do Brasil ou com possibilidade de tradução online para outros idiomas, recorrendo à ferramenta disponível no site. Este portal apresenta, ainda, sugestões de atividades de sala de aula enviadas por professores para serem usadas com as simulações do PhET. Existe também a possibilidade de compartilhar o próprio material letivo com os outros utilizadores do site.
A equipa do PHET é formada por mais de vinte colaboradores, incluindo professores das diferentes áreas das ciências, engenheiros informáticos, web designers e técnicos de marketing, entre outros. O projeto é patrocinado por algumas Instituições de Ensino, de Ciência e Tecnologia, tais como: Universidade do Colorado, Universidade King Saud, National Science Foundation, Texas Instruments, a Fundação O'Donnell, entre outros.
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Por todas estas características, foi tomada a opção de escolher este portal para fonte dos programas de simulação a usar no ensino da Físico-Química no âmbito deste trabalho.
2.4 Fundamento para a utilização das TIC no ensino (da Física e
da Química em particular)
As práticas pedagógicas que utilizam o TIC de forma planeada, sistemática e devidamente integrada em contexto curricular, têm diversas e reconhecidas potencialidades (Wild, 1996, citado por Morais e Paiva, 2007):
• Uma das mais notórias potencialidades das TIC é o facto de ajudarem o aluno a descobrir o conhecimento por si: é uma forma de ensino ativo em que o professor ocupa um lugar intermédio entre a informação e os alunos, apontando caminhos e avivando a criatividade, a autonomia e o pensamento crítico.
• Existe uma relação refletiva e interventiva entre o aluno e o mundo que o rodeia.
• As tecnologias promovem o pensamento sobre si mesmo, a organização desse pensamento e o desenvolvimento cognitivo e intelectual, nomeadamente o raciocínio formal.
• A diversificação das metodologias de ensino-aprendizagem, o aumento da motivação de alunos e professores, o volume de informação disponível e a potenciação da interdisciplinaridade.
• Igualmente reconhecida é a capacidade de que as TIC têm de permitir formular hipóteses, testá-las, analisar resultados e reformular conceitos, pelo que estão de acordo com a investigação científica.
• Possibilitam o trabalho em simultâneo com outras pessoas geograficamente distantes, propiciam o recurso a medidas rigorosas de grandezas físicas e químicas e o controlo de equipamento laboratorial (sensores e interfaces).
• Podem, ainda, apontar-se como potencialidades pedagógicas das TIC a criação de micromundos de aprendizagem: são capazes de simular experiências que na
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realidade são rápidas ou lentas demais, que utilizam materiais perigosos ou que decorrem em condições impossíveis de reproduzir.
• As tecnologias são também boas aliadas na deteção das dificuldades dos alunos.
• Favorecem o trabalho em grupo.
Carlos Fiolhais e Jorge Trindade (2003) afirmam que uma das características da Física que a torna particularmente difícil para os alunos é o facto de lidar, por vezes, com conceitos abstratos e em larga medida contra- intuitivos. A capacidade de abstração dos estudantes, em especial dos mais novos, é reduzida. Em consequência temos o insucesso nos vários níveis de ensino e em vários países. É da responsabilidade dos docentes proporcionar aos seus alunos experiências de aprendizagem eficazes, combatendo as dificuldades mais comuns e atualizando, tanto quanto possível, os instrumentos pedagógicos.
No Ensino das Ciências, as TIC começam a ter uma grande aplicabilidade, pois a sua capacidade didática é-lhe intrínseca e a sua utilização é fundamental na exploração da simulação, modelação, interatividade, movimento e perspetiva tridimensional, entre outros aspetos (Cachapuz et al, 2002, citado por Morais e Paiva 2007). Na Físico-Química, o uso do computador tem sofrido algumas evoluções. Destas destaco as simulações computacionais para o ensino. À medida que o software e o hardware se tornaram mais sofisticados, as simulações estão a tornar-se mais realistas, com muito mais opções para o utilizador controlar a dinâmica do fenómeno representado no ecrã (Mintzes, 1998, citado por Morais & Paiva, 2007). Estas permitem manipular experiências de realização complexa, morosas e até perigosas de serem reproduzidas na sala de aula. O aluno pode manipular variáveis e verificar as alterações in loco, analisar resultados e tirar, por si próprio, as conclusões. Esta forma de ensino permite um contacto mais “real” com os conceitos envolvidos no problema em estudo e uma aprendizagem mais interativa de “aprender fazendo".
Estes modernos meios de ensino não substituirão inteira e radicalmente as formas tradicionais de ensinar, nem são garantia, por si só, de um determinado tipo de abordagem mais centrada no professor ou no aluno. O estudo realizado por Zhao (2007), sobre a integração da tecnologia nas aulas, constatou-se que os professores usavam a tecnologia num contínuo que vai de uma abordagem centrada no professor até uma abordagem centrada no aluno. As próprias simulações computacionais não devem substituir as atividades experimentais, mas devem ser aplicadas nomeadamente quando as condições
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logísticas são difíceis de ultrapassar. Não faz sentido simular um processo que pode ser facilmente observado (Boyle, 1997, citado por Morais & Paiva, 2007). Estas simulações também não substituem o professor, que passa a ter um novo papel a desempenhar: o de facilitador da aprendizagem, apoiando o aluno na sua construção individual e colaborativa do conhecimento; proporcionando-lhe autonomia na aprendizagem, incentivando ao desenvolvimento de pensamento crítico, à capacidade e à aprendizagem de nível elevado (Morais & Paiva 2007).
De uma maneira geral, pode-se afirmar que, a integração das TIC na escola constitui um meio auxiliar bastante poderoso para inovar o processo ensino-aprendizagem. As tecnologias são um bom pretexto para a mudança, mas não mais do que isso, pois a renovação terá de estar sempre para além de uma máquina! (Morais & Paiva, 2007).
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Capítulo 3: Aplicação dos programas de simulação no
ensino da distribuição eletrónica
3.1 Apresentação da atividade prática
Uma das experiências educativas implementadas nas aulas da disciplina de Físico – Química insere-se numa das unidades de ensino de Química do Ensino Básico, “Classificação dos materiais” e integra-se no conteúdo “Estrutura atómica”. Esta unidade iniciou-se com a lecionação dos temas relacionados com a organização da Tabela Periódica dos Elementos Químicos e respetivas semelhanças nas propriedades químicas e físicas das substâncias que contêm os elementos químicos dos grupos 1, 2, 17, 18. Posteriormente, foi ministrada uma evolução histórica aos modelos atómicos e, nesta fase do ano letivo, seguia-se o tema “Níveis de energia e distribuição eletrónica”.
Esta aula foi planificada com o objetivo de dotar os alunos de ferramentas que lhes permitissem compreender a estrutura dos átomos e dos iões, a partir da distribuição dos eletrões pelos níveis de energia. Neste sentido foi utilizado um dos programas de simulação do PhET. O programa escolhido foi “Build-an-Atom” (na tradução para Português do Brasil, chama-se “Monte um átomo”), na versão 2.03, obtida a partir do download do site eletrónico: http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/build-an-atom
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Baseado neste programa de simulação foi elaborado um roteiro de exploração, que será objeto de explanação posteriormente. Este roteiro pretende orientar o trabalho que os alunos têm de realizar, de forma a atingirem as aprendizagens pretendidas. Nesta perspetiva, foi colocada no início do roteiro, e após a indicação do endereço eletrónico do programa de simulação, uma breve informação teórica relacionada com a distribuição dos eletrões pelos diferentes níveis de energia. Nesta informação, ainda se associou a imagem dos níveis de energia que se encontra no manual dos alunos (Figura 7).
Figura 7 - Apresentação do roteiro da exploração
Em seguida, o roteiro de exploração apresenta uma descrição de todas as valências do programa de simulação “Monte um átomo” e a forma de interagir com elas, Figura 8. O que pretende provocar no aluno interesse e curiosidade para o manuseamento do programa.
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Figura 8- Apresentação do programa de simulação no roteiro da exploração
Na segunda página do roteiro de exploração, é solicitado aos alunos o manuseamento do referido programa, indicando-lhes um conjunto de tarefas que devem ser realizadas na construção computacional de isótopos de alguns elementos químicos. A informação obtida nesta construção dos isótopos permite o preenchimento da Tabela 3, que contribui para a recolha de informação essencial para que os alunos compreendam a distribuição dos eletrões por níveis de energia.
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Tarefa Manuseamento do programa de simulação Repres. Esquemát. Número Distribuição dos electrões nos níveis de energia n=1 e n=2 Distribuição electrónica (distribuição dos electrões pelos níveis de energia) Número de: AtómicoMassa E le ct rõ es P ro tõ es N eu tr õ es 1.1 Construir isótopo do átomo de hidrogénio-2 Arrastar com o cursor os protões, neutrões e o electrão para o modelo do átomo H 2 1 1 2 1 1 1.2 Construir o isótopo do átomo de hélio-4 Arrastar com o cursor os protões, neutrões e electrões para o modelo do átomo 2 4 2 1.3 Construir o isótopo átomo de _______ Arrastar com o cursor os protões, neutrões e electrões para o modelo do átomo 3 6 2-1 3 3Tabela 3 - Extrato da tabela dos átomos
Seguidamente foi colocada a questão “Como se distribuem os eletrões nos
átomos?”. A intenção desta questão é de verificar se os alunos conseguem sistematizar a
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Figura 9 - Questão referente aos átomos
Após ter sido dada a resposta à questão anterior segue-se o estudo dos iões, com uma breve introdução teórica que explica o tipo de iões que cada átomo tem tendência a formar.
Figura 10 - Introdução ao estudo dos iões
Dando seguimento à estrutura estabelecida para o estudo dos átomos, também aparece no estudo dos iões uma tabela. Esta nova tabela deverá ser preenchida mediante a construção computacional de alguns iões definidos na coluna da “Tarefa” do roteiro de exploração (ver Tabela 4).
Introdução ao estudo dos iões Introdução ao estudo dos iões Introdução ao estudo dos iões Introdução ao estudo dos iões
Um átomo, embora seja uma partícula eletricamente neutra, pode perder ou pode perder ou pode perder ou pode perder ou ganhar ele
ganhar ele ganhar ele
ganhar eletrões, transformandotrões, transformandotrões, transformandotrões, transformando----se nuse nuse nuse num ião. Num ião, o número de elem ião. Num ião, o número de elem ião. Num ião, o número de elem ião. Num ião, o número de eletrões trões trões trões não é igual ao número de protões.
não é igual ao número de protões. não é igual ao número de protões. não é igual ao número de protões.
• Um átomo pode transformarUm átomo pode transformarUm átomo pode transformarUm átomo pode transformar----se num ião positivo, designado por se num ião positivo, designado por se num ião positivo, designado por se num ião positivo, designado por catião, se perder electrões.
catião, se perder electrões. catião, se perder electrões.
catião, se perder electrões. Ao perder electrões, fica com mais protões do que electrões, e torna-se numa partícula positiva. • Um átomo pode transformarUm átomo pode transformarUm átomo pode transformarUm átomo pode transformar----se num ião negativo, designado por anião, se num ião negativo, designado por anião, se num ião negativo, designado por anião, se num ião negativo, designado por anião,
se ganhar electrões. se ganhar electrões. se ganhar electrões.
se ganhar electrões. Ao ganhar electrões, fica com mais electrões do que protões, e torna-se numa partícula negativa.
Como se distribuem os ele Como se distribuem os ele Como se distribuem os ele
Como se distribuem os eletrões nos átomos?trões nos átomos?trões nos átomos?trões nos átomos?
_______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ___________________________ ______________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________
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Tarefa Manuseamento do programa de simulação Repr. Esq. do ião Número Carga eléctrica Distribuição eletrónica (distribuição dos electrões pelos níveis de energia) Número de: Atómico Massa E le ct rõ es P ro tõ es N eu tr õ es 2.1 Construir o ião nonopositivo do átomo de hidrogénio-H+ Retirar, do nível n=1, ou colocar electrões no modelo do átomo para formar o ião H 2 1 + 1 2 +1 0 0 2.2 Construir o ião nonopositivo do átomo de lítio (Li+) Retirar, do nível n=1, ou colocar eletrões no modelo do átomo para formar o ião + Li 6 3 3 6 +1 2Tabela 4 - Extrato da tabela referente aos iões
A última questão colocada é referente aos iões (“Como se distribuem os eletrões
nos iões?”) (Figura 11) e pretende analisar se os alunos reconhecem que nos iões também
há uma distribuição dos eletrões por níveis de energia e que possivelmente os possa levar a uma descrição que diferencie os átomos dos iões, em termos do número de eletrões.
Figura 11 - Questão dos iões Como se
Como seComo se
Como se distribuem os electrões nos iõesdistribuem os electrões nos iõesdistribuem os electrões nos iõesdistribuem os electrões nos iões
__________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ____________________________________________ ________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________ ____________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ __________________________________________ ____________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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3- Responder às perguntas do jogo do programa de simulação e registar o resultado obtido na tabela seguinte.
Fim do Jogo Fim do JogoFim do Jogo Fim do Jogo Nível Nível Nível Nível 1111 2222 3333 444 4 Pontos Tempo
No final do roteiro de exploração era sugerido a ativação da opção jogo, disponibilizada no próprio programa de simulação e fazer o registo dos pontos obtidos em cada nível jogado (Figura 12). Este registo permite obter algum feedback das aprendizagens conseguidas.
Figura 12 - Pontos obtidos no jogo
O jogo é constituído por 4 níveis de desempenho e cada nível tem cinco questões de resposta direta e cada questão vale dois pontos. As questões colocadas são genericamente para:
- identificar o elemento da Tabela Periódica que corresponde a um determinado número de protões, eletrões e neutrões (questões do nível 1);
- identificar a carga elétrica, ou o número de massa, ou o número atómico, para uma determinada representação (questões do nível 2 e 3);
- representação de um determinado elemento químico com o respetivo número atómico, número de massa e carga elétrica, para uma determinada representação. relacionada com a constituição dos átomos e dos iões.
Quando se identifica corretamente o elemento químico questionado no jogo, aparece um “smile contente”, no caso contrário aparece um “smile triste”. Na segunda tentativa de resposta, esta passa a valer apenas um ponto e na terceira é sugerida a opção “Ver resposta”, não sendo cotada na pontuação final. Existe, também, a possibilidade de parametrizar a aplicação computacional com ou sem som para assinalar a resposta. No final
