Recursos digitais para o ensino da Química no 10º ano Hipertextos e outros recursos no tema Espectros e modelo quântico do átomo

Departamento de Química

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Recursos digitais para o ensino da Química

no 10º ano – Hipertextos e outros recursos no tema

“Espectros e modelo quântico do átomo”

Dissertação de Mestrado em

Q

E

Lília

Sofia

Afonso

Pires

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:

Prof. Doutor João Carlos de Matos Paiva

Prof. Doutor Carlos Melo Pereira

PORTO

Junho 2007

A

Aggrraaddeecciimmeennttooss

Ao meu orientador, professor Doutor João Carlos Matos Paiva, por todo o apoio que disponibilizou, pelos conselhos e sugestões e acima de tudo pelas palavras de ânimo, reconhecimento e incentivo a cada momento. Agradeço ainda o apoio e os incentivos constantes ao longo de todo o Mestrado.

Ao meu co-orientador, Professor Doutor Carlos Melo, pela sua disponibilidade, comentários e sugestões, pela sua leitura e revisão do texto.

Ao Rijo Madeira, pela sua disponibilidade e pela sua arte na elaboração de vídeos digitais.

Ao Engenheiro Ilídio Martins, pela sua disponibilidade, pelos seus conhecimentos e pela sua arte na programação.

Aos colegas de Mestrado em Química para o ensino 2005/2007, com quem partilhei um bom ambiente de aprendizagem, pelo companheirismo e amizade que sempre demonstraram.

Aos professores de Física e Química que colaboraram na realização das entrevistas de estudo sobre o impacto dos recursos digitais elaborados.

À Porto Editora por ter disponibilizado informações do CD multimédia “Testes e exercícios – Química 10ºano”, 2005, em cujo desenvolvimento a autora participou.

Ao programa pós-conhecimento, da União Europeia, pelo financiamento do projecto.

Ao meu irmão, pelas sugestões e pelos seus conhecimentos na área de informática, pela paciência e compreensão durante todo este trabalho.

Aos meus pais, pela compreensão, paciência e incentivo ao longo deste trabalho e ao longo de toda a vida.

E a todos os outros que me ajudaram ou contribuíram directa ou indirectamente, com sugestões e críticas para que o trabalho atingisse os melhores resultados possíveis.

R

Reessuummoo

Este trabalho debruça-se sobre dois sub-temas da unidade 1 (“Das estrelas ao átomo”) do programa de Física e Química A do 10º ano de escolaridade: “Espectros, radiações e energia” e “Átomo de Hidrogénio e estrutura atómica”. Procurou-se enquadrar científica e pedagogicamente estas temáticas, no sentido de contribuir para inovar no processo de aprendizagem. Apresenta-se uma pesquisa bibliográfica sobre conceitos importantes relacionados com os sub-temas, o papel do professor no ensino de alguns desses conceitos bem como algumas das dificuldades dos alunos sentidas na aprendizagem dos mesmos.

Foram desenvolvidos recursos digitais envolvendo as áreas referidas, de modo a proporcionar aos alunos e professores um processo ensino-aprendizagem atraente e colmatar algumas dificuldades dos alunos. Um dos recursos digitais desenvolvidos foi um hipertexto com os conteúdos apresentados através de tiras de banda desenhada, nas quais aparecem os conceitos inerentes aos sub-temas abordados. Clicando nos conceitos chegar-se-á à sua descrição e desenvolvimento. Outro recurso digital desenvolvido neste trabalho foi o vídeo da actividade laboratorial “Teste de chama”. Este encontra-se integrado no hipertexto, ao qual é possível aceder através de uma hiperligação.

Para estudar e avaliar os recursos digitais criados foi feita uma investigação qualitativa através da análise de entrevistas individuais feitas a professores de Física e Química, após a interacção destes com o hipertexto e os vídeos associados. Esta investigação recolheu opiniões sobre a contribuição destes recursos digitais para o desenvolvimento do gosto pela química nos alunos e para uma melhor compreensão sobre os conteúdos abordados neste trabalho. Ao mesmo tempo, extraíram-se das entrevistas efectuadas preciosas sugestões de melhoramento dos recursos.

Os resultados revelaram que os recursos digitais produzidos poderão contribuir para alguma inovação educativa na Química, usando as tecnologias. O hipertexto e os vídeos digitais sobre este tema podem melhorar, no entender dos professores, a motivação e aprendizagem da química, apesar de existirem ainda constrangimentos no que concerne à real utilização nas escolas.

No final do trabalho, após uma análise reflexiva, foram retiradas algumas conclusões e encontradas ideias e sugestões de melhoramento e enriquecimento dos recursos digitais desenvolvidos, muito úteis para projectos futuros.

A

Abbssttrraacctt

This work reflects upon two sub topics of Unit 1 (“From Stars to Atom”) of the Chemistry-Physics curriculum of the 10th grade: “Spectrum, Radiation and Energy” and “Hydrogen Atom and atomic structure”. We tried to frame these thematics in a scientific and pedagogical way, in order to contribute for innovation in the learning process. We present a bibliographic research about important issues related to the above two sub topics, the teacher‘s role in the teaching of some of those concepts as well as some difficulties felt by students while learning them.

Digital resources were developed involving the referred areas in order to offer students and teachers an appealing teaching/learning environment so that we could cover some of the students’ difficulties. One of the digital resources that has been developed was an hypertext with contents presented in cartoon format, in which the inherent contents to the approached sub topics appear. When you click on the concepts you will go to its description and development. Another digital resource that has been developed in this work was the video of the laboratorial activity “Flame test”. This one is integrated in the hypertext, which can be reached through a hyperlink.

To study and evaluate, at a pilot stage, the digital resources created, it has been performed a qualitative research through the analysis of individual interviews done to teachers of Chemistry and Physics, after these had interacted with the hypertext and associated videos. This investigation has recollected opinions to detect which of the digital resources created will contribute to develop among students the desire to learn Chemistry and if its use will help students to learn the contents here approached in an effective way. At the same time, we have extracted from the interviews precious suggestions to improve the resources.

The results have revealed that the produced digital resources may contribute for an educational innovation in Chemistry when using the new technologies. The hypertext and the digital videos on this topic may improve, in the teachers’ opinion, the motivation and learning of Chemistry, although there are still some constraints in what concerns its real use in schools.

In the end of this work, after a reflexive analysis, some conclusion were taken and found some ideas and suggestions for the improvement and enrichment of the developed digital resources, very useful for future projects.

Índice Agradecimentos...II Resumo...III Abstract...IV Índice de figuras...VIII Índice de tabelas...X 1 – Introdução...1 2 – Contextualização química 2.1 – Um pouco de história acerca da espectroscopia...6

2.2 – Efeito fotoeléctrico...10

2.3 – Das primeiras teorias atómicas à teoria de Bohr do Átomo de Hidrogénio...14

2.4 – O princípio da incerteza de Heisenberg...18

2.5 – A equação de Schrodinger aplicada ao átomo de hidrogénio...20 yy 2.6 – Números quânticos...23

2.7 – Representação e energia das orbitais atómicas...26

2.8 – Configuração electrónica...30

2.9 – Contradições da mecânica quântica...35

3 – Contextualização didáctica 3.1 – Enquadramento do ensino dos sub-temas:...38

• Espectros, radiações e energia • Átomo de hidrogénio e estrutura atómica 3.2 – Mecânica quântica no ensino secundário...40

3.3 – O papel do professor no processo ensino-aprendizagem dos modelos atómicos...42

3.4 – Concepções alternativas acerca de alguns conceitos inerentes ao modelo quântico do átomo...45

4 – As TIC no ensino das ciências Físico-Químicas 4.1 – Ensino de Físico-Química na sociedade da informação...49

4.2 – A Internet na Educação...53

4.3 – Usabilidade de um site...55

4.4 – O Hipertexto...59

4.5 – A história do hipertexto...62

4.6 – Hipertexto vs livro...64

4.7 – O hipertexto no ensino...66

4.8 – Vantagens e desvantagens do uso do hipertexto no ensino...68

4.9 – Recursos digitais existentes para o ensino dos espectros ao modelo quântico do átomo...69

5 – Recursos digitais elaborados: Hipertexto/ Vídeo da actividade laboratorial 5.1 – Descrição do protótipo desenvolvido para aplicação pedagógica - Hipertexto...79

5.2 – Proposta de metodologia da utilização do hipertexto elaborado...84

5.3 – Actividades laboratoriais no ensino de Química...93

5.3.1 – Enquadramento do ensino da actividade laboratorial “Teste de chama”...94

5.3.2 – A actividade laboratorial “Teste de chama”...95

5.3.3 – Vídeo da actividade laboratorial “Teste de chama”...99

6 – Estudo de impacto dos recursos: Hipertexto/Vídeo da actividade laboratorial 6.1 – Descrição do estudo e caracterização da amostra...105

6.2 – Instrumento de recolha de dados...107

7 – Discussão dos resultados 7.1 – Apresentação e discussão dos dados obtidos...110

8 – Notas finais 8.1 – Algumas conclusões...119

8.2 – Sugestões de melhoramento e enriquecimento dos recursos desenvolvidos...121

8.3 – Autocrítica e reflexão...123

9 – Bibliografia...125

10 – Anexos

Anexo I – Guião de exploração do hipertexto para realização do trabalho de investigação “Átomo de hidrogénio e estrutura atómica”...134

Anexo II – Guião da entrevista...139

Anexo III – Transcrição das entrevistas...142

Anexo IV – Afirmações dos professores sobre a relação entre os recursos digitais e a prática laboratorial/ Afirmações dos professores sobre os pontos fortes e fracos do recurso...166

Anexo V – CD com os recursos digitais criados no âmbito desta tese

Índice de figuras

Fig.1 Luz branca a atravessar um prisma de vidro...6

Fig.2 Espectro visível da radiação solar...7

Fig.3 A - Espectro contínuo B - Espectro descontínuo...8

Fig.4 Espectroscópio de Bunsen e Kirchhoff...8

Fig.5 Espectro de absorção e de emissão, respectivamente, de um mesmo elemento...9

Fig.6 Esquema simplificado do efeito fotoeléctrico...11

Fig.7 Esquema experimental de aplicação do efeito fotoeléctrico...12

Fig.8 Esquema representativo do bombardeio do metal ouro por partículas α...14

Fig.9 Níveis de energia do electrão do átomo de hidrogénio e as várias séries de emissão...17

Fig.10 Nuvem electrónica...21

Fig.11 Esquema do STM...22

Fig.12 Formas das orbitais 1s, 2s e 3s do hidrogénio...26

Fig.13 Formas das orbitais 2p...27

Fig.14 Formas das orbitais 3d...27

Fig.15 Diagramas dos níveis energéticos das orbitais num átomo polielectrónico...29

Fig.16 Diagrama de Pauling...31

Fig.17 Esquemas de preenchimento das orbitais p...32

Fig.18 Configuração electrónica dos primeiros 25 elementos da Tabela Periódica...33

Fig.19 Imagem da experiência interactiva sobre espectros...70

Fig.20 Imagem da experiência interactiva sobre o efeito fotoeléctrico...71

Fig.21 Imagem da experiência interactiva da série de Balmer...72

Fig.22 Imagem da experiência interactiva da transição do electrão...73

Fig.23 Imagem da experiência interactiva da aplicação do modelo de Bohr...73

Fig.24 Imagem da experiência interactiva da aplicação do modelo de Bohr...74

Fig.25 Imagem da experiência interactiva da quantificação dos níveis energéticos....74

Fig.26 Imagem da experiência interactiva da forma das orbitais do tipo p...75

Fig.27 Imagem da animação do numero quântico de spin...75

Fig.28 Imagem da experiência interactiva da aplicação dos números quânticos n e l...76

Fig.29 Imagem da experiência interactiva sobre configuração electrónica do átomo de magnésio...76

Fig.30 Imagem da experiência interactiva do preenchimento de orbitais...77

Fig.31 Imagem da página inicial do hipertexto...80

Fig.32 Representação esquemática do hipertexto...81

Fig.33 Imagem da página correspondente ao conceito espectro...82

Fig.34 Mapa de conceitos existente no hipertexto...83

Fig.35 Imagem da página com a banda desenhada “Kit de arco-íris”...85

Fig.36 Imagem da página com as imagens referentes ao conceito espectro...86

Fig.37 Imagem da página com a banda desenhada “Kit de arco-íris”, parte 2...87

Fig.38 Imagem da página com a banda desenhada “A aurora boreal”...88

Fig.39 Imagem da página com o vídeo da actividade laboratorial “Teste de chama”...89

Fig.40 Imagem da página com uma parte da banda desenhada “O electrão esquivo”, parte 1...91

Fig.41 Imagem da página com uma parte da banda desenhada “O electrão esquivo”, parte 4...92

Fig.42 Imagem do portal de ciência e cultura científica, Mocho...99

Fig.43 Etapas seguidas na concepção do vídeo digital...100

Fig.44 Teste de chama do cloreto de bário, cloreto de sódio e potássio...102

Fig.45 Teste de chama do cloreto de cobre...102

Fig.46 Teste de chama do cloreto de lítio...103

Fig.47 Teste de chama do cloreto de potássio...103

Fig.48 Gráfico relativo ao número de recursos digitais utilizados pelos Professores...110

Fig.49 Gráfico relativo ao número de constrangimentos dos professores associados à TIC...111

Fig.50 Gráfico relativo aos comentários sobre o aspecto visual do hipertexto...112

Fig.51 Gráfico relativo aos comentários sobre os pontos e pontos fortes do recurso digital elaborado neste trabalho...113

Índice de tabelas

Tabela 1. Relação entre os números quânticos e as orbitais atómicas...28

Tabela 2. Ordem pela qual devem ser preenchidas as orbitais num átomo polielectrónico...30

Tabela 3. Números quânticos que caracterizam os electrões do átomo de sódio...33

Tabela 4. Mudanças ocorridas no ensino com a utilização de computadores...49

Tabela 5. Cores das chamas de alguns elementos...101

Tabela 6. Utilização das TIC e do Hipertexto pelos professores na sala de aula...110

Tabela 7. Recursos digitais mais utilizados...111

Tabela 8. Constrangimentos associados às TIC...112

Tabela 9. Pontos fortes e pontos fracos do programa...114

Tabela 10. Outras relações entre os recursos digitais e a prática laboratorial...115

Tabela 11. Alterações ao recurso digital...115

Tabela 13. Afirmações dos professores sobre os pontos fortes e fracos do recurso...167

Tabela 14. Afirmações dos professores sobre a relação entre os recursos digitais e a prática laboratorial...168