UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM QUÍMICA EM REDE
NACIONAL (PROFQUI)
LEONARDO ALEXANDRE VELTRONE
MODELAGEM ATÔMICA: O ELO ENTRE EXPERIMENTAÇÃO E SIMULAÇÕES VIRTUAIS NO ENSINO DE QUÍMICA
MEDIANEIRA 2019
LEONARDO ALEXANDRE VELTRONE
MODELAGEM ATÔMICA: O ELO ENTRE EXPERIMENTAÇÃO E SIMULAÇÕES VIRTUAIS NO ENSINO DE QUÍMICA
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Química, do Programa de Mestrado Profissional em Química em Rede Nacional, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientadora: Profa. Dra. Ana Cristina Trindade Cursino.
Coorientador: Prof. Dr. Jaime da Costa Cedran.
MEDIANEIRA 2019
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Veltrone, Leonardo Alexandre
Modelagem atômica: o elo entre experimentação e simulações virtuais no ensino de química / Leonardo Alexandre Veltrone. – Medianeira, 2019.
1 arquivo de texto (120 f): PDFA; 13,62 MB.
Orientadora: Ana Cristina Trindade Cursino Coorientador: Jaime da Costa Cedran
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós- Graduação em Química em Rede Nacional, Medianeira, 2019.
Inclui bibliografias.
1.Educação básica. 2.Aprendizagem baseada em problemas. 3. Química - Dissertações. I. Cursino, Ana Cristina Trindade, orient. II. Cedran, Jaime da Costa, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Química em Rede Nacional. IV. Título.
Biblioteca da UTFPR - Câmpus Medianeira
Bibliotecária/Documentalista: Marci Lucia Nicodem Fischborn – CRB-9/1219
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Programa de Mestrado Profissional em
Química em Rede Nacional - PROFQUI
TERMO DE APROVAÇÃO
MODELAGEM ATÔMICA: O ELO ENTRE EXPERIMENTAÇÃO E SIMULAÇÕES VIRTUAIS NO ENSINO DE QUÍMICA
Por
LEONARDO ALEXANDRE VELTRONE
Essa dissertação foi apresentada às catorze horas, do dia vinte e dois de novembro de dois mil e dezenove, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Química, Linha de Pesquisa Novos Materiais, no Mestrado Profissional em Química em Rede Nacional - PROFQUI - Polo Medianeira, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
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Profa. Dra. Ana Cristina Trindade Cursino (Orientadora - PROFQUI)
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Profa. Dra. Graciela Leila Heep (Membro Externo - UTFPR)
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Prof. Dr. Erick Ceschini Panighel Benedicto (Membro Externo - IFSP)
RESUMO
Na educação básica, a apresentação dos modelos atômicos, segue, muitas vezes, uma ordem cronológica e não problematizada pelo professor. Dessa forma, não fica claro até que momento é possível ou não trabalhar com um determinado modelo e quais as necessidades científicas que levam à elaboração de um modelo mais aprimorado. Baseando nisso, o presente trabalho teve como proposta educacional a elaboração e aplicação de uma Sequência Didática (SD): Intitulada “Experimentações e simulações, o caso da combustão”. Como eixo central foi trabalhado as representações que os estudantes assimilam sobre o Fogo (macroscópica, submicroscópica e simbólica) na qual a contextualização dos modelos atômicos está em interação a conceitos químicos, como: reações químicas, fórmulas químicas, balanceamento de equações e transições eletrônicas, por meio de atividades experimentais e simulações virtuais. Após aplicação SD, notou-se que os estudantes interagiram nas aulas experimentais e os relatos feitos por eles mostram como associaram determinados fenômenos químicos no campo das representações a nível simbólico das experiências no cotidiano. Muitos questionamentos apresentados pelos estudantes revelam que associaram o nível simbólico aos fenômenos macroscópicos, sendo que muitas concepções trazidas por eles fazem sentido dentro da proposta de estudo das combustões. Pressupõe-se que os estudantes entenderam a importância da modelagem atômica adequada ao conceito e teoria de combustão e a variedade de conteúdos químicos abordados. As simulações virtuais permitiram criar ambientes que ampliaram as possibilidades de interação e representação aos níveis do conhecimento, permitindo aos estudantes a capacidade de modelagem a nível atômico, aproximando ao nível submicroscópico, pela visualização e interatividade dos modelos.
ABSTRACT
In high school, the teachers explain about atomic models often follows a chronological order and they do not relate atomic models with other chemical concepts. Due to this, it is not clear how far you can work with a particular model and when it needs to be replaced to improved atomic model. Based on this, the present work is an educational proposal to elaborate and apply a Didactic Sequence (SD): Experiments and Simulations, The Case of Combustion. It was worked the representations that students assimilated about Fire (macroscopic, submicroscopic and symbolic) with concepts about atomic models in interaction with other chemical concepts, such as: chemical reactions, chemical formulas, equation balancing and electronic transitions. To developed this, it was using, experiments and virtual simulations. After SD application it was noted better interaction of the students in the experimental classes and they associated the symbolic level (chemical phenomena) with macroscopic representations. Many questions presented by students reveal that they associate this symbolic level with macroscopic representations, and many conceptions brought by them make sense within the proposal of combustion study. It assumes that students were an effective learning of atomic modeling when it was approached with combustion theory and other chemical concept. Virtual simulations allowed the creation of environments that expanded the possibilities of interaction and representation, allowing students the ability to understand the atomic level, approaching the submicroscopic representational level, through the visualization and in interactivity of the models.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Níveis do conhecimento químico propostos no triângulo de Johnstone ... 13 Figura 2: Representações do fogo citadas pelos estudantes no formato wordcloud (pré-diagnóstico) ... 24 Figura 3: Alunos em interação com o software de simulação: Construa uma molécula (PhET) ... 29 Figura 4: Alunos em interação com o software de simulação: Balanceamento de equações químicas (PhET) ... 30 Figura 5: Visualização de simulações atômicas pelo uso do aplicativo quimicAR .... 35 Figura 6: Combustão de 3 mL diferentes álcoois. a) Metanol, b) Etanol e c) Propanol
... 37 Figura 7: Interação entre os alunos com o simulador na construção das moléculas de álcoois ... 39 Figura 8: Combustão de 3 mL de etanol em presença de sais metálicos: a) CaCO3, b) CuSO4 e c) NaCl ... 43 Figura 9: Página inicial simulador animado: A química dos fogos de artifício Labvirt 44 Figura 10: Página inicial simulador: Monte um átomo (PhET) ... 46 Figura 11: Página inicial simulador: Modelos para átomos de hidrogênio (PhET) .... 46 Figura 12: Representações do fogo citadas pelos estudantes no formato wordcloud. (pré e pós-diagnóstico) ... 48
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: SD - Experimentações e modelagens, o caso da combustão ... 21 Quadro 2: Temáticas científicas relacionadas às falas dos estudantes pela cor da chama: queima do gás x queima da vela ... 27 Quadro 3: Categorias desenvolvidas pelos estudantes no uso das modelagens atômica virtual pelos estudantes ... 31 Quadro 4: Percepção dos alunos sobre uso do aplicativo de celular... 35 Quadro 5: Informações coletadas de um grupo de alunos posterior às observações 37 Quadro 6: Percepção dos alunos posterior interação a simulação de modelagem para os alcoóis ... 40 Quadro 7: Descrição das falas dos estudantes para o questionamento sobre a cor dos fogos de artifício ... 41 Quadro 8: Cor das chamas e seus respectivos sais metálicos ... 42 Quadro 9: Descrição das respostas dos estudantes relativas às simulações animadas
...45 Quadro 10: Categorias selecionadas posterior o uso de modelagens atômica de Bohr 47
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
SD - Sequência Didática APP – Aplicativo
TIC’s – Tecnologia da Informação e Comunicação GLP – Gás Liquefeito de Petróleo
PhET - Physics Educacional Technology USP – Universidade de São Paulo LABVirt – Laboratório Didático Virtual EUA – Estados Unidos da América
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 9
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 10
2.1 Modelos e a Ciência ... 10
2.2 Representações e a Química ... 12
2.3 Modelos para átomos ... 14
2.4 Sequência didática e modelos atômicos ... 15
2.5 TIC’s como ferramenta pedagógica... 16
2.6 Experimentação no ensino... 18
3. DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA ... 19
3.1 Desenho metodológico de pesquisa... 19
3.2 Produto educacional: Sequência didática (SD) ... 21
3.3 Caracterização da amostra ... 23
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 23
4.1 Aula 1- Fogo e átomo ... 24
4.2 Aula 2 - Combustão e Ambiente virtual ... 26
4.3 Aula 3 - Modelagem atômica com aplicativo de celular ... 33
4.4 Aula 4 - Proporções químicas e modelos atômicos ... 37
4.5 Aula 5 - Teste de chama e simulações animadas ... 41
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 49
6. REFERÊNCIAS ... 50
7. APÊNDICE ... 56
7.1 Apêndice 1: Sequência didática (SD): Experimentações e simulações, o caso da combustão ... 56
8. ANEXOS ... 76
8.1 Anexo 1: Descrição dos fenômenos de cor da chama observados pelos estudantes pelo questionamento: Se o fogo é resultado de uma reação de combustão, por que algumas chamas possuem cores diferentes? ... 76
8.2 Anexo 2: Descrição dos estudantes pelo uso do simulador virtual de modelagem atômica virtual ... 86
8.3 Anexo 3: Descrição pelos estudantes sobre o uso de aplicativo de celular no ensino ... 92 8.4 Anexo 4: Descrição pelos estudantes da percepção que tiveram na interação entre a modelagem atômica virtual e os conceitos químicos sobre os álcoois ... 101 8.5 Anexo 5: Descrição das falas dos estudantes, para o questionamento sobre a cor dos fogos de artifício ... 106 8.6 Anexo 6: Descrição dos estudantes sobre o que mais chamou a atenção pela interação da simulação animada da Labvirt ... 112 8.7 Anexo 7: Descrição das respostas dos estudantes sobre o uso das modelagens atômica de Bohr ... 116
1 INTRODUÇÃO
A química está presente no cotidiano de todos os indivíduos, participando ativamente do desenvolvimento das sociedades. Todavia, o entendimento de que a química faz parte do contexto diário das pessoas pode passar despercebido por grande parte da população, muitas vezes, por ser associada apenas a pesquisas de laboratório ou à produção industrial, por exemplo. Segundo Usberco e Salvador (2002), quando o distanciamento entre o conhecimento científico e a vida cotidiana é superado, torna-se possível o pensamento crítico, consciente, ético e solidário dos indivíduos, no sentido de melhorar a qualidade de vida. Assim sendo, o ensino de Química é um dos eixos de formação do conhecimento humano e contribuirá na formação do aluno enquanto cidadão.
Por meio de pesquisas na área do ensino, Lima e Barbosa (2015) observaram que a abordagem de determinados conteúdos, na disciplina Química, pode ser apresentada de forma descontextualizada e distante da realidade dos estudantes, o que não contribui para uma boa aprendizagem.
O processo de ensinar e aprender sempre estão associados a uma metodologia de ensino, que busca construir o conhecimento com os estudantes. Nos dias atuais, para ser professor, é preciso considerar a existência de diferentes metodologias, que podem propiciar uma melhor aprendizagem; assim como perceber, que a construção dos conhecimentos se dá de forma coletiva e horizontal, o que se afasta de uma proposta de ensino estanque, transmissiva e firmada apenas na apresentação de conteúdo (SOUZA E SILVA, 2018). O método mais comumente ainda utilizado nas escolas é o método tradicional, no qual o professor é o sujeito ativo e transmite os seus saberes, geralmente, por meio de aulas teóricas e expositivas. Além do método tradicional, outro método utilizado pelos professores é o construtivista. Nesse método, diferente do método tradicional, o aluno é o sujeito ativo no processo de ensino e aprendizagem, e o professor age como um agente facilitador no processo que orienta o aluno a buscar e gerar seus próprios conhecimentos (CHAHUÁN-JIMÉNEZ, 2009).
Levando em conta essas considerações, essa pesquisa visa criar subsídios para responder que elementos a respeito do processo de construção da ciência podem ser levantados pelos estudantes e problematizados na utilização dos modelos atômicos no estudo de conceitos químicos por meio de atividades experimentais e virtuais.
Conforme salienta Quinto e Ferracioli (2008), o ser humano tende a criar modelos para melhor compreender o mundo em que vive. No ensino de Química essa realidade não é diferente, pois os modelos e a modelagem surgem como possibilidades a serem utilizadas, a fim de auxiliar na compreensão de conceitos científicos, que, até então, poderiam ser considerados abstratos e de difícil interpretação.
No âmbito escolar, quando ensinado em sala de aula sobre a temática atomística, os modelos utilizados por professores para o aporte dos conceitos teóricos partem da modelagem atômica. Sendo assim, como auxílio nesta investigação, foi proposto o uso da modelagem atômica, como forma de ampliar o entendimento da sua utilização referente aos conteúdos, como: fórmulas químicas, balanço de equações e transições eletrônicas, em aporte com atividades experimentais e virtuais (softwares de simulações). Neste sentido, foi discutido como os estudantes assimilam os níveis de representações do conhecimento químico (JOHNSTONE, 2000) pelas modelagens de átomos para as reações de combustão. O objetivo foi apresentar uma sequência didática (SD), com atividades práticas de laboratório em interatividade com o ambiente virtual (TIC’s), aplicada para estudantes do ensino médio, a fim de promover um melhor entendimento e visualização aos níveis de representações desses fenômenos, através dos modelos atômicos de Dalton e Bohr. Com isso, evidencia-se a importância que esses conteúdos iniciais da disciplina de Química estejam consolidados na aprendizagem dos alunos, pois, além de contribuírem para a compreensão da aplicabilidade dos modelos atômicos, servirão de base para outros conteúdos que serão trabalhados ao longo do período letivo.
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
2.1 Modelos e a ciência
A Química está baseada em modelos, não somente os atômicos, mas também os moleculares, os de reações, os matemáticos e essa ideia não é passada ao aluno. Fala-se de moléculas e não modelos de moléculas, reações e não modelos de reações. Outro ponto a considerar é o fato de o aluno ao iniciar o Ensino Médio já apresentar concepções prévias de modelo, ou ainda, modelos de sentido comum e estes têm como base um realismo ingênuo, como explicita Galagovsky e Adúriz-Bravo (2001), os modelos de sentido comum se constroem idiossincrasicamente a partir da experiência
coletiva no mundo natural e das interações sociais, são eminentemente figurativos, quase pictóricos.
Algumas possibilidades de modelos de sentido comum são os modelos de aviões, miniaturas que reproduzem os aviões de tamanho real; bonecos como modelos de pessoas, ou ainda, as modelos de passarela, e até mesmo algo no qual o estudante apoie uma conduta (modelo de conduta). A forma como os modelos são ‘construídos’ no mundo natural do aluno difere da forma como os mesmos são construídos na ciência. Na maioria dessas concepções de senso comum trata-se de algo concreto, real que pode ser até manuseado. Enquanto que os modelos científicos se constroem mediante a ação conjunta de uma comunidade científica, que tem a disposição de seus membros ferramentas poderosas para representar aspectos da realidade. (GALAGOVSKY; ADÚRIZ-BRAVO, 2001).
Nessa perspectiva, é importante investigar sobre os modelos utilizados no ensino de química, de modo a ter subsídios para propor um processo formativo em que sejam fomentadas reflexões críticas acerca do conhecimento químico.
Os modelos que são propostos pelos cientistas para explicar os fenômenos da ciência, muitas vezes, diferem dos utilizados de forma pedagógica em sala de aula por professores. Para Mathewson (2005), os modelos auxiliam a criação de novos instrumentos e práticas científicas, além de serem usados como esquemas didáticos e veículos de comunicação. Segundo Gilbert, Boulter, Elmer (2000) o propósito mais comum é o de fornecer uma explicação para a entidade modelada, a partir da qual possam ser elaboradas previsões bem sucedidas de como ela se comportaria sob várias circunstâncias. Os modelos científicos são frequentemente complexos e expressos em formas de representação complexas, por exemplo, formulações matemáticas. Por isso, o que é ensinado nas aulas de ciências são simplificações desses modelos, os chamados modelos curriculares. Os modelos de ensino são representações criadas com o objetivo de ajudar os alunos a aprender algum aspecto de um modelo curricular. Os modelos de ensino mais comuns são desenhos, modelos concretos, simulações e analogias. (GILBERT, BOULTER, ELMER, 2000).
Na instrução formal promovida por professores com auxílio dos livros didáticos são apresentados aos estudantes, de forma declarativa, modelos prontos baseados em proposições do conhecimento científico das quais eles desconhecem as origens e os fundamentos. É essencial que o professor favoreça a compreensão dos estudantes de que símbolos, fórmulas ou outros modelos são representações de diferentes
propriedades de uma entidade química e não uma cópia de algo (TREAGUST, REINDERS, NIESWANDT, 2000).
Cada tipo de modelo pode contribuir de uma maneira única à compreensão, pelos estudantes, do fenômeno químico sob investigação (TREAGUST, CHITTLEBOROUGH, 2001). Acredita-se que, para que isso seja um fato, é preciso que os estudantes compreendam a natureza dos modelos. Um aspecto importante sobre os modelos é sua natureza dual, conforme destacado por Uttal e O’Doherty (2008), um modelo, seja ele um gráfico, um quadro, ou um modelo tridimensional, é uma representação de algo, mas também é um objeto por si mesmo. Quando o professor apresenta aos estudantes uma representação, ele precisa estar atento para manter o foco no que se pretende representar e não nas propriedades do objeto em si. Representações não possuem significados por elas mesmas e é importante que isso fique claro aos estudantes. Os significados são caracterizados pelas relações entre as representações e os objetos e eventos aos quais elas se referem, mas que não estão presentes nelas (MICHALCHIK et al., 2008).
É também essencial que os estudantes compreendam que modelos apresentam limitações e que um único modelo provavelmente não é capaz de fornecer explicação para todos os aspectos da situação, fenômeno ou sistema que se deseja modelar. A abrangência de um modelo é aquilo que ele é capaz de explicar a respeito da entidade modelada. Para sanar essas limitações, sugere-se a utilização de múltiplos modelos para uma mesma situação (JUSTI, 2006).
2.2 Representações e a Química
Como discutido anteriormente, devido a seu caráter essencialmente abstrato, a Química não é facilmente compreendida pelos estudantes. Isto porque a compreensão de fenômenos químicos está essencialmente relacionada ao entendimento das representações desses fenômenos. Uma importante dificuldade se refere à habilidade visual requerida para essa compreensão. As explicações para os fenômenos observados quase sempre estão no nível submicroscópico que não pode ser observado, mas é descrito e explicado com a utilização de símbolos, por meio dos quais modelos mentais pessoais são construídos (TREAGUST, CHITTLEBOROUGH, 2001).
Johnstone (2000) afirma que, no processo de compreensão do conhecimento químico, estão envolvidos três diferentes níveis de representação: macroscópico, submicroscópico e simbólico.
Figura 1: Níveis do conhecimento químico propostos no triângulo de Johnstone (2000)
Fonte: Adaptado de Johnstone (2000)
O nível macroscópico é uma descrição da situação empírica, o nível submicroscópico pode explicá-la pelo modelo teórico e o nível simbólico, representa a transformação química por fórmulas e equações. Grande parte das dificuldades da aprendizagem em Química se deve ao fato de que, o processo de ensino e aprendizagem, se dá quase que exclusivamente em apenas uma das arestas do triângulo (macroscópico e simbólico), deixando de lado aspectos mais estruturais (correspondente ao vértice do submicroscópico) privando o aluno da sua capacidade de modelagem. (JOHNSTONE, 2000).
De acordo com Wu, Krajcik, Soloway (2001) no nível de representação macroscópico, os fenômenos são observáveis e, no submicroscópico, o fenômeno químico é explicado por meio do arranjo e movimento de moléculas, átomos, íons, elétrons ou outras espécies subatômicas. A química no nível simbólico refere-se tanto a representações simbólicas de átomos e moléculas, quanto a símbolos químicos, por exemplo, fórmulas, equações e estruturas. Assim, para obter uma boa compreensão da química, é necessário conhecer esses níveis de representação, bem como transitar entre eles.
Mortimer, Machado, Romanelli(2000) redimensionam os níveis de representação de Johnstone, na literatura sobre Educação Química no Brasil, sendo definidos como os “três aspectos do conhecimento químico”: fenomenológico ou empírico, teórico ou “de modelos” e representacional ou da linguagem. Colocam-nos que esses três componentes: fenômeno, linguagem e teoria devam comparecer igualmente nas
interações em sala de aula, uma vez que, a produção de conhecimento em ciências resulta sempre da relação dinâmica/dialética entre experimento e teoria, pensamento e realidade. Relação que só é possível por meio da ação mediadora da linguagem.
Chittleborough, Treagust (2007) investigaram o papel dos modelos físicos como instâncias mediais simbólicas, concluindo que os modelos físicos desempenham um papel fundamental para que os alunos estabeleçam relações entre os níveis de representação macroscópicos e submicroscópico. Ao encontro às pesquisas, Chandrasegaram, Treagust, Mocerino (2007), que também empregaram os níveis de representação de Johnstone como referência, mostrou que os estudantes são capazes de manipular os três níveis de representação, mas que há necessidade de múltiplos meios de comunicação para facilitar a aprendizagem. O conceito de representação tem uma longa história, o que lhe confere uma multiplicidade de significados.
2.3 Modelos para átomos
O ensino de química utiliza-se de modelagem para elucidar determinados conceitos. Com base na situação, verificou-se que um dos assuntos que causam significante aversão à química enquanto disciplina do ensino médio, por parte dos alunos recém-chegados a este nível de ensino, é a atomística. (LIMA, SILVA, MATOS, 2010). Deste modo, uma importante investigação a ser desenvolvida é a interação da modelagem atômica e suas contribuições para os processos de ensino e aprendizagem.
As compreensões microscópicas e simbólicas são especialmente difíceis para os estudantes porque são invisíveis e abstratas e o pensamento dos alunos é construído sobre a informação sensorial (BEN-ZVI, EYLON, SILBERSTEIN, 1987). Corroborando as investigações, Pozo (2001) reforça que os estudantes não estabelecem relações apropriadas entre o nível macro e o microscópico.
Melo e Lima Neto (2013) ressalta que muitas vezes os modelos atômicos são apresentados seguindo uma ordem cronológica não problematizada, sendo exposta uma análise histórica descontextualizada e, que pode gerar incompreensões na aprendizagem. A discussão é fundamental, já que a química está baseada em modelos, atômicos, moleculares, de reações, matemáticos, onde essa ideia não é contemplada pelo docente, pela maioria dos livros didáticos e, consequentemente, pelo aluno (MELO e LIMA NETO, 2013).
Desse modo, é imprescindível que os estudantes compreendam que os modelos são construções provisórias e que podem ser aperfeiçoados. A ciência não é algo acabado, mas construída com base na constante evolução científica, e modelos teóricos elaborados se esbarram em limitações ao explicar o que é observado macroscopicamente, exigindo a criação de novos modelos e leis (MELO e LIMA NETO, 2013). Desta forma, não fica claro até que momento é possível ou não trabalhar com um determinado modelo, quando é necessário um conhecimento maior e quais as necessidades reais que levaram à elaboração de um modelo mais aprimorado. Para Rocha e Cavicchioli (2005), o problema se deve à dificuldade, por parte dos estudantes, de visualizar de maneira correta o mundo microscópico/submicroscópico e à falta de referenciais adequados que os ajudem a enxergar esse nível de abstração.
2.4 Sequência didática e modelos atômicos
Para o professor tornar aulas mais dinâmicas aos conteúdos propostos de aprendizagem, o planejamento sequencial é essencial.
Zabala (2010) enfatiza que as sequências didáticas são definidas como uma série ordenada e articulada de atividades que permite desenvolver no estudante a dimensão conceitual, ou seja, o que se deve aprender (conceitos e princípios), a dimensão procedimental associada ao como fazer, ao saber fazer (regras, técnicas, métodos, habilidade, estratégias, procedimentos) e a dimensão atitudinal caracterizada pelo desenvolvimento de atitudes, de valores e de componente afetivo (cooperação com grupo; ajudar colega; respeitar meio ambiente; participar; determinar e cumprir normas; aprender ouvir e refletir e se autoavaliar; modificar atuação).
O trabalho com sequências didáticas permite a elaboração de contextos de produção de forma precisa, por meio de atividades e exercícios múltiplos e variados com a finalidade de oferecer aos alunos noções, técnicas e instrumentos que desenvolvam suas capacidades de expressão oral e escrita em diversas situações de comunicação (DOLZ, 2004). As atividades que são planejadas de maneiras sequenciais podem contribuir para a aprendizagem de diversos conteúdos em ciências. Na elaboração de tais atividades é necessário, se atentar ao conteúdo a ser ensinado, as características cognitivas dos alunos, a dimensão didática relativa à instituição de ensino, motivação para a aprendizagem, significância do conhecimento a ser ensinado e planejamento da execução da atividade (PEREIRA e PIRES, 2012).
Nesse sentido, as SD´s, oferecem para os alunos noções, técnicas e instrumentos que os auxiliam a desenvolverem suas capacidades de representações em diversas situações, em intercalação a diversas estratégias e recursos didáticos, tais como, demonstrações, questionamentos, experimentos em laboratório, simulações virtuais, entre outros. Os alunos podem controlar o ritmo da sequência, atuando constantemente e utilizando uma série de técnicas e habilidades: diálogo, debate, trabalho em pequenos grupos, pesquisa bibliográfica, trabalho de campo, elaboração de questionários, entrevista, entre outros (ZABALA, 2010, p.61).
Em estudo Camargo, Asquel, Oliveira (2018) buscaram discutir sobre o ensino de modelos atômicos no ensino médio a partir do uso de diversificados recursos didáticos, para tal, planejaram uma sequência de aulas em que se explorou o uso de representações mentais, modelos e um jogo didático. A exploração e discussão sobre as representações mentais do átomo, a partir de desenhos feitos pelos alunos, mostraram-se importantes para problematizar a ideia da criação de modelos para algo que não se vê, refletindo sobre o papel dos atomistas. O uso dos modelos auxiliou diretamente nessa (re)construção da compreensão acerca de cada modelo atômico estudado. Os jogos didáticos promoveram a participação e a curiosidade da turma, proporcionaram melhoras no aprendizado dos alunos a partir da interação estabelecida entre eles, revelando ser uma importante ferramenta de avaliação para a aprendizagem (CAMARGO, ASQUEL, OLIVEIRA, 2018).
Em artigo as autoras Silva, Machado, Silveira (2015) apresentaram uma sequência didática como sugestão para a abordagem de modelos para o átomo no ensino médio, utilizando recursos multimídia disponíveis gratuitamente na internet, a partir dos quais foram elaboradas atividades. A escolha do tema, modelos para o átomo foi motivada pela abstração a ele associada e por envolver a discussão de modelos teóricos. Consideraram que os recursos multimídia podem atuar como ferramentas mediadoras do processo ensino-aprendizagem.
No trabalho desenvolvido por Oliveira; Santos; Caldas; Sá; Batinga (2011) analisaram uma sequência didática (SD) que envolveu a utilização de um software de simulação para abordar os modelos atômicos de Thomson e Rutherford. O ambiente virtual de aprendizagem propiciado pela utilização do software possibilitou aos alunos uma abordagem mais concreta e uma ênfase em aspectos fenomenológicos e teóricos relacionados aos modelos de Thomson e Rutherford. Além de permitir aos alunos a interagir com situações que representam experimentos simulados no computador.
2.5 TIC’s como ferramenta pedagógica
O processo educacional vem se transformando ao longo dos tempos, o que nos faz repensar sobre práticas pedagógicas de interesse para a realidade cultural dos estudantes.
Um dos fatores para essa readaptação no contexto escolar é a crescente influência que as novas tecnologias estão exercendo. As Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC’s), como recursos tecnológicos, vem se difundindo entre estudantes do ensino médio, se tornando assim, formas de acesso e divulgação de informações no âmbito educacional. Desta forma, a educação vem cada vez mais se associando ao conceito de tecnologia e inovação, pois o cognitivo do ser humano está sendo intermediado por aparelhos tecnológicos, onde tais tecnologias estão ampliando o potencial intelectual do ser humano (TAVARES, CORREIA, SOUZA, 2013, p.156).
A utilização dos recursos virtuais como ferramenta pedagógica tem sido uma alternativa viável para contribuir nesse aspecto, porém, a mesma ainda é pouco explorada nos contextos educacionais. Essa nova era tecnológica, possibilita aos estudantes autonomia no seu processo de aprendizagem e amplia o universo de pesquisas e de atividades educacionais. Segundo uma pesquisa realizada pela TIC educação (2013, p.257), os professores apresentaram uma percepção positiva após a utilização de materiais digitais na sua prática docente. Dentre os aspectos positivos destacam-se a contribuição no conhecimento de um assunto específico, estimulação do interesse dos alunos e a troca de ideias com outros docentes. Contudo, incluir esses recursos tecnológicos como ferramenta de ensino no contexto escolar ainda tem sido desafiador no meio educacional, pois nota-se uma carência na formação inicial dos professores o que reflete na dificuldade que os educadores possuem em adaptar esses recursos como ferramentas educativas à dinâmica da sala de aula. A evolução no contexto educacional depende de uma formação adequada dos professores e uma boa preparação a nível pedagógico, capacitando deste modo, os profissionais da educação a utilizarem diferenciadas estratégias de ensino de modo a facilitar o ensino e aprendizagem (MORAN, 2007).
Diversos são os benefícios que as TICs podem fornecer aos professores em sua prática pedagógica, neste viés, Martinho e Pombo (2009) discutem que, as tecnologias de informação e comunicação (TIC) podem constituir um elemento valorizador das
práticas pedagógicas, já que acrescenta em termos de acesso à informação, flexibilidade, diversidades de suportes no seu tratamento e apresentação. Valorizam, ainda, os processos de compreensão de conceitos e fenômenos diversos, na medida em que conseguem associar diferentes tipos de representação que vão desde o texto, à imagem fixa e animada, ao vídeo e ao som [...] (MARTINHO, POMBO, 2009, p.528). O modelo tradicional de ensino vem nos últimos anos apresentando sinais de esgotamento, em parte, por seguir ignorando o anseio tecnológico da sociedade contemporânea. As velozes transformações tecnológicas da atualidade impõem novos ritmos e dimensões à tarefa de ensinar e aprender. É preciso estar em permanente estado de aprendizagem e de adaptação ao novo (KENSKI, 2003, p.30). Nesse contexto, há cada vez mais a presença dos dispositivos móveis dentro do ambiente escolar. Esses equipamentos são portáteis, de fácil manuseio e em geral estão sempre conectados à rede de internet. Por um lado, temos a atual geração que adotou os dispositivos móveis como ferramentas de socialização e interação e, do outro extremo, o modelo tradicional pedagógico, que insiste em inviabilizar a adoção tecnológica dentro das escolas, impondo regras e distanciando os alunos dos inúmeros benefícios que à aprendizagem móvel pode favorecer perante a construção de conhecimentos. Dado o exposto, percebe-se que a aprendizagem móvel é capaz de fornecer um mecanismo útil para enriquecer a aprendizagem dos alunos (OKITA et al., 2013), desde que, tenha-se um planejamento sobre o seu uso.
2.6 Experimentação no ensino
No espaço escolar, são necessárias reformulações na prática pedagógica de tal forma que as aulas sejam mais atrativas e desperte atenção dos alunos para o ensino de Química. Sabe-se que a experimentação tem a capacidade de despertar o interesse dos alunos e é comum ouvir de professores que ela promove o aumento da capacidade de aprendizagem, pois a construção do conhecimento científico/formação do pensamento é dependente de uma abordagem experimental e se dá majoritariamente no desenvolvimento de atividades investigativas (GIORDAN, 1999).
A Química presente no cotidiano é de suma importância para fazer a ponte entre o conhecimento prévio do aluno e o conhecimento científico, lembrando-se que este último deve ser construído coletivamente, através de discussões, observações, dentre outros meios, possibilitando também uma maior interação entre os alunos,
motivando-os a buscar razões e explicações para motivando-os fenômenmotivando-os que acontecem à sua volta. O ensino deve ser o mais interdisciplinar possível, interligando assuntos que muitas vezes, por si só, o aluno não conseguiria. Daí a importância de que o professor seja um mediador das discussões, visto que no Ensino de Química, não necessariamente se deve trabalhar a Química de forma única e exclusiva, mas sim vincular o que está sendo trabalhado com a realidade do próprio aluno, com o meio social onde o mesmo está inserido, desenvolvendo no aluno a capacidade de tomada de decisões (SANTOS e SCHNETZLER, 1996).
Muitas propostas no ensino de Química e Ciências ainda desafiam a contribuição da experimentação para a elaboração do conhecimento, ignorando-a por considerá-la ainda um tipo de observação natural (GIORDAN, 1999). Porém, sabe-se que a construção do conhecimento pode ser bastante enriquecida por uma abordagem experimental, visto que a formação do pensamento e das atitudes do sujeito dá-se majoritariamente no decorrer da interação com os objetos.
A experimentação pode apresentar diferentes formas de abordagem, o que depende de diversos fatores, como por exemplo, o enfoque que o professor pretende dar sobre determinado assunto. Outro foco para a experimentação pode ser relacionado às propostas que incluem a atuação do aluno como sujeito ativo no processo de construção do conhecimento. As atividades experimentais apresentam uma gama enorme de possibilidades de abordagem, e de acordo com Araújo e Abib (2003) elas podem ser classificadas em atividades de demonstração, atividades de verificação e atividades de investigação. Cada abordagem na Experimentação, seja ela demonstrativa, de verificação ou investigativa apresenta a sua potencialidade, dependendo dos objetivos que o próprio professor tem com o uso do experimento, bem como outras características que devem ser levadas em consideração como tempo, disponibilidade de material, periculosidade do experimento, etc.
3 DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA
3.1 Desenho metodológico de pesquisa
O estudo da utilização das tecnologias da informação e comunicação (TICs) e sua associação à experimentação direcionou para uma leitura interpretativa dos dados que contemplasse dois aspectos: o primeiro relacionado ao acesso à informação e a
construção da aprendizagem; o outro voltado a uma análise das práticas experimentais associadas às informações pesquisadas.
Em tais aspectos, se encontram imbricados a própria prática do professor/pesquisador. Dessa forma, a escolha por um método que contemplasse tais aspectos começou a ser definida a partir dos pressupostos da investigação-ação. Ao que se refere ao método investigação-ação Tripp (2005) o define como: um termo genérico para qualquer processo que siga um ciclo no qual se aprimora a prática pela oscilação sistemática entre agir no campo da prática e investigar a respeito dela. Planeja-se, implementa-se, descreve-se e avalia-se uma mudança para a melhora de sua prática, aprendendo mais, no correr do processo, tanto a respeito da prática quanto da própria investigação (TRIPP, 2005, p.445).
Centralizar o método de pesquisa a partir do ciclo da investigação-ação direciona para uma análise onde o campo observacional sofrerá alterações que partirão do seu próprio meio, isto é, a ação não será uma intervenção externa à sala de aula. Isso porque o agente responsável pela mudança é o próprio professor/pesquisador conhecedor da realidade pesquisada. Sendo a caracterização da investigação delineada pelos aspectos descritos anteriormente, que escolhemos entre os processos básicos de desenvolvimento da investigação-ação, a pesquisa-ação é o método que nos guiará como aporte metodológico.
A pesquisa-ação é definida, segundo Thiollent (2009), como um tipo de pesquisa social com base empírica que é concebida e realizada em estreita associação com uma ação ou com a resolução de um problema coletivo e no qual os pesquisadores e os participantes representativos da situação ou do problema estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo (THIOLLENT, 2009, p. 16). Devemos ressaltar que a pesquisa-ação não aprimora apenas a forma como se intervem na prática, mas implica também em uma compreensão da prática por meio de sua melhora (TRIPP, 2005). Assim, a utilização desse método de pesquisa conduzirá a uma melhor observação de como entrelaçar as TICs e a experimentação diretamente em seu locus, no desenvolver da aprendizagem em sala de aula.
Como eixo central foi trabalhado às representações do fogo, na qual a contextualização dos modelos atômicos está em interação a outros conceitos relevantes ao estudo químico, como: fórmulas químicas, balanceamento de equações, estrutura da matéria e transições eletrônica, contemplando atividades de experimentação e simulações virtuais. O tema central fogo foi escolhido, pois o mesmo
desperta certo fascínio nos seres humanos, destruindo, transformando, permitindo que os corpos se dilatem, se evaporem e se fundam (CHAGAS, 2013).
Os estímulos de aprendizagem apresentados nesta pesquisa, para testar tais teorias e modelos, partem da experimentação, na qual foi elaborada reações de combustão de compostos orgânicos e sais metálicos, para a criação de problemas reais que permitam a contextualização e investigação do fenômeno em questão, seguido da experimentação virtual pelo uso de simuladores, a fim de visualizar e manipular animações dinâmicas e tridimensionais de modelagens atômicas em interatividade aos princípios teóricos dos processos químicos. Desta forma, uma aproximação para compreensão das transformações químicas em um nível que requer uma maior capacidade de abstração, como é o caso do nível submicroscópico.
3.2 Produto educacional: Sequência didática (SD)
As ferramentas educacionais sugeridas nesta investigação são uma possibilidade de transição dos modelos tradicionais de ensino para a construção de formas alternativas e significativas de ensinar os conceitos de química. Deste modo, a fim de explorar as potencialidades do uso das novas metodologias para a educação em química, sobre fenômenos atômicos e modelagem dos processos reacionais, bem como para proporcionar o desenvolvimento da capacidade de representação dos modelos atômicos em distintos níveis conceituais, elaborou-se como produto educacional aplicado de pesquisa a SD: Experimentações e modelagens, o caso da combustão.
Amplas estratégias (Quadro 1) foram selecionadas, como levantamentos das concepções prévias, textos, questionamentos, experimentos e simulações virtuais.
Quadro 1: SD - Experimentações e modelagens, o caso da combustão.
Aula Tema Conteúdos abordados Objetivos a serem desenvolvidos Estratégia de ensino/Recursos AULA 1- Fogo e átomo. Tempo: 50 min Representação do fogo. -Modelo atômico de Dalton. -Relacionar os diferentes contextos da história do
fenômeno fogo com as distintas representações
sociais atuais. -Representar átomos e moléculas por meio de modelos (esférico).
Atividade de leitura textual, de caráter reflexivo sobre o
fenômeno fogo.
Contextualização sobre modelo para o conceito de átomo.
Momento para coleta dos conhecimentos prévios dos
AULA 2 - Combustão e Ambiente virtual. Tempo estimado: 2 aulas (1h40 min) -Reações químicas -Equações químicas -Reagentes e Produtos -Fórmulas químicas -Balanço de equações -Construir moléculas simples a partir do modelo
atômico de Dalton. -Reconhecer que o número
de átomos de cada elemento é conservado em
uma reação química. -Descrever a diferença entre
os coeficientes e os índices em uma equação química. -Balancear por modelagem
atômica uma equação química de combustão.
1° momento: Experimental Laboratório de ciências
Experimentação Cores das chamas Diferenças: GLP X Parafina
2° momento: Simulações Ambiente Virtual Modelagem atômica:
simulações PhET Construa uma molécula e Balanceamento de equações químicas. AULA 3 - Modelagem atômica com celular Tempo estimado: 1 aula (50 min) -Aspectos introdutórios sobre Hidrocarboneto. -Visualizar estruturas tridimensionais de moléculas orgânicas em processo reacional, pela utilização de aplicativo de
celular (QuimicAR)
Simulações virtuais: Atividade com telefone móvel (celular). Reação de combustão
do Metano. Modelagem molecular por aplicativo de celular. QuimicAR
- ChemistryAR Interatividade em grupo ou individual. AULA 4 - Proporções químicas e modelos atômicos. Tempo estimado: 2aulas (1h40min) -Compostos orgânicos Álcoois. -Cadeia Carbônica. -Formas estruturais.
-Observar as chamas das reações de combustão dos
álcoois.
-Diferenciar chamas de pré mistura e chamas de difusão - Modelagem atômica virtual
de moléculas de compostos orgânicos: Alcoóis. -Representar estrutura química das moléculas do Álcool pelo modelo atômico
de Dalton (esférico).
1°momento: Experimental Laboratório de ciências Experimentação: Combustão de
alcoóis: Metanol, Etanol e Propanol.
2° momento: Simulações Ambiente virtual. Construa uma molécula
a) Metanol b) Etanol c) Propanol AULA 5 - Cores da chama e simulações animadas. Tempo estimado: 2aulas (1h40min) -Transição eletrônica. -Modelo atômico Bohr. -Observar as chamas e cores produzidas pelos sais
metálicos no teste de chama.
-Interagir com simulações atômicas animadas. -Verificar a relação entre a imagem física das órbitas e
o diagrama de nível de energia de um elétron utilizando simulações. 1°momento: Experimental Laboratório de ciências Experimentação Teste de chama de sais
metálicos. a) Carbonato de Cálcio b) Sulfato de Cobre c) Cloreto de Sódio 2° momento: Simulações Ambiente Virtual Modelagem-modelos atômicos:
a) A química das cores dos fogos de artifício (Labvirt -
USP) Simulações PhET: b) Monte um átomo c) Modelos para o átomo de
hidrogênio. Fonte: Autoria própria
3.3 Caracterização da Amostra
A pesquisa foi desenvolvida durante o primeiro semestre do ano letivo de 2019, em duas turmas do ensino médio. A primeira turma, envolveu 35 alunos, da 2° série, de escola pública estadual do extremo oeste do estado do Paraná, e a segunda turma, 30 alunos em sala interseriada (1°, 2° e 3° séries) de escola particular de mesma localidade. Todos pertencentes à faixa etária de 15 a 17 anos, ambas cursadas em turno matutino.
No espaço físico escolar, ambas possuíam laboratório de ciências para realização dos experimentos, com reagentes e capela de exaustão de gases. A escola particular contava também com laboratório de informática com 30 computadores e internet acessível aos alunos em todos os espaços da instituição. A escola pública estadual em seu laboratório de informática, contava com 6 computadores e alguns pontos de acesso à internet (oscilante).
A elaboração da citada estratégia de ensino levou em consideração que os alunos apresentavam conhecimentos prévios, os quais já haviam sido discutidos em outros momentos escolares ou por meios de vivências cotidianos.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nessa pesquisa utilizou-se um delineamento pré-experimental, que segundo Moreira (2011), é usado na pesquisa em ensino “O1 X O2”, isso significa que, observa-se, o mesmo grupo antes e depois do tratamento X, que nessa pesquisa vem a ser a utilização de atividades de experimentações e simulações virtuais. Neste delineamento, aplica-se um pré-teste ou teste diagnóstico O1 a um grupo, aplica-se o tratamento X a esse grupo e então um pós-teste O2. O método de análise para o tratamento X vincula-se a compreensão do conhecimento químico dos três diferentes níveis de representações: o macroscópico, o submicroscópico e o simbólico (JOHNSTONE, 2000).
Conforme definido no quadro 1, a sequência didática, aplicou-se inicialmente o teste diagnóstico elaborado pelo pesquisador, que relaciona os diferentes contextos da história do fenômeno fogo as ideias sobre os átomos, em elo as distintas representações sociais e científicas. As atividades foram baseadas de leitura textual, de caráter reflexivo, momento para coleta dos conhecimentos prévios dos alunos. Esta aula tem por objetivo identificar como o termo "fogo” se apresenta nas concepções de estudantes participantes da pesquisa. Os dados foram obtidos a partir de questionamentos, aplicado a 65 estudantes, utilizando-se da técnica de evocação livre de palavras, sem hierarquização. Os dados obtidos a partir das questões de livre evocação de palavras permitiram ao pesquisador identificar e compreender as relações estabelecidas por estes estudantes, associando múltiplos sentidos a essa palavra. De modo geral, as respostas citadas pelos estudantes, foram compiladas em formato wordclouds (nuvem de palavras).
Na nuvem de palavras, cada palavra tem seu tamanho regido pela relevância em determinado corpo de texto. Geralmente se trata de contagem simples das ocorrências de determinada palavra no texto. Uma palavra citada 20 vezes vai ter um tamanho proporcionalmente maior do que uma palavra citada 10 vezes.
A figura 2 abaixo, indica as representações do fogo, citadas pelos estudantes, oriundas das relações e vivências ao conhecimento de senso comum e com o cotidiano.
Figura 2: Representações do fogo citadas pelos estudantes no formato wordcloud. (diagnóstico)
As nuvens de palavras, foram apresentadas aos alunos para visualizarem as palavras que transitam com maior frequência na descrição ao termo fogo em associação ao nível de representação química que trazem consigo.
Para a representação “fogo” foram citadas as seguintes palavras: Energia (15 alunos / 23%), Queima (11 alunos / 17%), Calor (11 alunos / 17%), Explosão (7 alunos / 11%), Reações (5 alunos/ 8%), Química (5 alunos/ 8%), Destruição (2 alunos / 3%), Combustível (2 alunos / 3 %), Combustão (2 alunos / 3%), Comida (2 alunos / 3 %), Fumaça (1 aluno / 2 %), Fogão (1 aluno / 2 %), Mistério (1 aluno / 2 %).
A química depende de uma articulação constante entre os níveis do conhecimento: o mundo fenomenológico em que vivemos; o nível molecular e a linguagem química. Na análise anterior, sobre as representações que estudantes de química têm sobre o fogo, pela livre evocação de palavras, em relação aos níveis de representações, constata-se que os estudantes associam suas ideias, quase que em apenas uma aresta do triângulo (macroscópico e simbólico), deixando de lado aspectos mais estruturais (correspondente a aresta do submicroscópico), deste modo, privando-o da sua capacidade de modelagem. Para sanar tais ausências de aprendizagem apresentadas ao nível submicroscópico, a sequência didática aplicada, propõe mediar os três níveis de representação em Química, pela divisão entre o nível macroscópico (experiências), o submicroscópico (modelagem de átomos e moléculas) e simbólico (visualização de fórmulas e equações químicas).
Nesta perspectiva, as experiências incluem nosso conhecimento descritivo de substâncias e transformações químicas, adquirido de forma direta (pelos sentidos) ou indireta (usando instrumentos). Experiências remetem ao conhecimento empírico atual que se tem sobre os sistemas químicos.
Os modelos incluem o descritivo, explicativo e modelos teóricos que os químicos desenvolveram para dar sentido ao mundo experimental. Modelos se referem às entidades teóricas e às suposições subjacentes que são descritas como sistemas químicos atribuindo a eles algum tipo de estrutura interna, composição, mecanismos explicativos ou preditores das várias propriedades desses sistemas. (TALANQUER, 2011).
Ainda segundo Talanquer (2011) a visualização são sinais visuais estáticos e dinâmicos (de símbolos para ícones) desenvolvidos para facilitar o pensamento qualitativo e quantitativo e a comunicação sobre experiências e modelos em química.
Visualização remete aos símbolos químicos, fórmulas, desenhos de partículas, equações matemáticas, gráficos, animações, simulações e modelos físicos usados para visualizar os componentes representacionais do modelo teórico.
A vivência de situações reais é de grande relevância para a compreensão e correlação dos diversos conteúdos e teorias por ela apresentada. As experiências desenvolvidas nesse trabalho têm o objetivo de despertar no aluno um maior interesse vinculado à construção do fenômeno fogo, com a possibilidade de promover discussões e investigações que permitam um enriquecimento de seus conhecimentos prévios. Deste modo, a experimentação possibilita o elo entre os níveis de abordagem em que o conhecimento químico é expresso. De acordo com Oliveira (2010), a Experimentação apresenta algumas contribuições tais como: despertar a atenção dos alunos, desenvolver trabalhos em grupo, analisar dados, propor hipóteses para os fenômenos, entre outros.
4.2 Aula 2 - Combustão e Ambiente virtual
A atividade inicial tem caráter experimental demonstrativo pelo docente na queima da vela e queima gás de cozinha. As atividades experimentais foram realizadas nos laboratórios de ciências das escolas.
Deste modo, o professor assume o papel inicial da aula proposta com o manejo dos combustíveis e, posterior combustão, não deixando de lado a participação dos alunos no desenvolvimento. Posterior à visualização dos processos de cor de chama pelos estudantes, o professor problematiza para os alunos o porquê de algumas chamas possuírem cores distintas.
Se o fogo é resultado de uma reação de combustão, por que algumas chamas possuem cores diferentes? (visto a cor da chama da queima da vela e do gás de cozinha)
A partir desse prévio questionamento, o professor pode melhor relacionar os conceitos químicos de aprendizagem com as informações prévias dos estudantes.
Das múltiplas respostas dos 65 estudantes, foram selecionadas para discussão conceitual na aprendizagem, aquelas que apareceram com maior frequência. Desta forma, o pesquisador pode verificar quais conceitos químicos os alunos já assimilavam, para assim, relacioná-los como descrição e composição da aula.
Pela citação dos estudantes à indagação inicial, as respostas foram organizadas e categorizadas por temáticas atribuídas aos combustíveis, sendo elas: Classificação dos combustíveis (20%), Composição dos combustíveis (18,5%), Estado físico dos combustíveis (35,4%), Influência do ambiente nas reações (23,1%) e outros (3%).
Quadro 2: Temáticas científicas relacionadas às falas dos estudantes pela cor da chama na queima do gás de cozinha x queima da vela.
Descrição do fenômeno cor da chama observada pelos alunos (Anexo)
Temáticas científicas verificadas pelo pesquisador a serem
desenvolvidas
% estudantes
“Por causa dos elementos químicos que compõe os diferentes gases”. “Cada composição química tem suas propriedades, quando em combustão ou em
contato com o fogo gera sua coloração específica”
Composição dos combustíveis
(18,5%)
“Porque o combustível é diferente, daí a cor fica diferente”.
“Porque cada combustível faz o fogo ter uma cor”.
Classificação dos combustíveis
(20%)
“Porque a chama do fogão é composta pelo gás de cozinha e a da vela é pela parafina”. “Porque no fogão, possui o gás que é liberado continuamente até apagar e a vela tem aquela
cera que faz o fogo continuar”.
Estado físico dos
combustíveis (35,4%)
“O fogo pode mudar de cor dependendo dos elementos que estiverem ao redor, mudando
de acordo com o clima e lugar, etc”. “Muda por causa do oxigênio, pois o gás de
cozinha é bem diferente e pelos seus componentes ele dá uma outra tonalidade ao
fogo”.
Influência do ambiente nas
reações. (23,1%)
Fonte: Autoria própria
A maioria dos estudantes transita na linguagem científica, porém em suas falas sobre a cor das chamas, carece as representações a nível atômico (submicroscópico) e não conectam de forma contextualizada os saberes químicos às reações de combustão.
Essa dificuldade de compreensão dos fenômenos Químicos é causada, em parte, conforme descreve Gibin e Ferreira (2013) em razão da exploração praticamente exclusiva do nível de conhecimento simbólico em aulas de Química ao invés do nível microscópico. Isso faz com que os educandos apresentem limitações no que se refere
à transposição no que ocorre a nível microscópico para uma linguagem da equação Química (ALDÁ & RECENA, 2009).
Na sequência, o professor contextualizou as temáticas científicas em elo ao processo de combustão, instigando e motivando os alunos a correlacionarem a teoria e a experimentação. Wartha e Alário (2005) argumentam que Química Contextualizada é aquela que apresenta certa utilidade para o cidadão, e assim sendo, a aplicação do conhecimento químico pode ser muito útil para compreender alguns fenômenos. Então, ensinar Química de forma contextualizada seria abrir as janelas da sala de aula para o mundo, promovendo relação entre o que se aprende e o que é preciso para a vida (CHASSOT, 1993).
A forma como a atividade é encaminhada, às discussões levantadas, dentre outros fatores são essenciais para a construção do conhecimento. Para Gaspar e Monteiro (2005) embora a interação entre os alunos não seja tão favorecida, este tipo de experimento utilizado de forma questionadora, pode favorecer uma estreita ligação entre os alunos e o professor; e tal interação social também cria um ambiente propício à aprendizagem.
As reações de combustão incompletas produzem menor energia que a combustão completa. Isso explica a diferença entre as cores das chamas, pois a chama amarela, característica da combustão incompleta, é de menor energia. Já a chama azul é característica de uma combustão completa, com maior energia.
Os estudantes puderam verificar que a diferença da cor de chama, também pode acontecer no mesmo combustível, em combustão, caso não ocorra a proporção adequada com o oxigênio do ar.
Portanto, embora as atividades experimentais demonstrativas, muitas vezes, sejam fechadas e definidas pelo que se deseja abordar na aula, o professor, aqui ao adotá-la, propiciou oportunidades para que os alunos pudessem refletir sobre os fenômenos observados e a formularem hipóteses, para posterior, relacionarem com os conteúdos científicos que o explicam.
Para proporcionar aos estudantes o desenvolvimento da capacidade ao nível submicroscópico (atômico), aplicou-se como abordagem pedagógica, posterior a experimentação demonstrativa, as simulações virtuais de modelagens atômicas, atividade realizada no laboratório de Informática.
Os aplicativos utilizados foram software do tipo simulação (PhET) intitulados “Construa uma molécula” e “Balanceamento de equações químicas”.
O PhET (Physics Educacional Technology) é um software gratuito desenvolvido pela Universidade do Colorado (EUA) que oferece mais de 100 simulações de alta qualidade na área da matemática e das ciências. Todas as simulações existentes no PhET baseiam em extensas pesquisas em educação e envolvem o aluno por meio de um ambiente intuitivo, semelhante a um jogo, onde os alunos aprendem através da exploração e da descoberta.
Segundo Clark e Chamberlain (2014) quando utilizado como ferramenta didática nas aulas de Química, o PhET tem como principal resultado o desenvolvimento do pensamento cientifico do estudante.
Como recurso o software de simulação, construa uma molécula, possibilitou a escolha, visualização e interatividade do modelo atômico de Dalton (esférico). Para ampliar o conhecimento sobre equações químicas, os estudantes montaram e organizaram moléculas de acordo com os reagentes e produtos das reações químicas de combustão (reações completa e incompleta).
Para Mintzes, Wandersee e Novak (2000), parece inevitável que as simulações se tornem um modo mais importante de ensinar Ciência, além de um mecanismo de aprendizagem para o século XXI.
Figura 3: Alunos em interação com o software de simulação: Construa uma molécula (PhET)
Fonte: Autoria própria
Posterior a modelagem virtual, os alunos acessaram o simulador denominado Balanceamento de equações químicas. A atividade consistiu em balancear equações químicas com foco nas reações de combustão e na interação das proporções dos reagentes e seus produtos.
O objetivo desse software é proporcionar aos alunos a possibilidade de balancear uma equação química observando o que acontece com os átomos e seus coeficientes sugeridos. Com isso, espera-se que o aluno possa desenvolver uma lógica intuitiva de balanceamento de equações químicas.
Um fato interessante desse software é que o mesmo apresenta as reações químicas de forma escrita (nível simbólico) e por um modelo molecular microscópico, representado por esferas de cores diferentes relativas aos átomos que formam as moléculas. Durante o balanceamento observa-se a formação ou decomposição das substâncias envolvidas em uma parte do monitor; ou seja, o aluno acompanha o efeito causado pela sua sugestão de coeficiente. Outro recurso importante são balanças que simulam a proporção dos reagentes em relação aos produtos (nível macroscópico). Se as balanças estiverem equilibradas, no processo final de balanceamento, o software avisa que balanceamento está correto. Assim, o aluno será conduzido a um novo desafio de balanceamento.
Figura 4: Alunos em interação com o software de simulação: Balanceamento de equações químicas (PhET)
Fonte: Autoria propria
A estequiometria (grego stoicheion = elemento e metria = medida) é considerada um conceito básico para entender a diferença entre a química quantitativa e qualitativa. Na química a estequiometria é usada para mostrar aos alunos a rigidez das proporções combinadas das substâncias. Entender a estequiometria está diretamente relacionada à necessidade de compreender a linguagem matemática (PADILLA; GARRITZ, 2011), que descrevem os fundamentos da Lei de Lavoisier, sendo considerada como ferramenta essencial no entendimento da linguagem química (TASKIN; BERNHOLT,
2012). Dessa forma, o aprendizado do balanceamento químico é um passo importante para o entendimento da estequiometria (OLIVEIRA, 2012).
O software de simulação, no ensino de química, auxilia a compreensão de equações químicas, pois exige que o aluno tenha conhecimentos acerca de fórmulas químicas das substâncias envolvidas nas reações químicas
(STANGHERLIN; UHMANN; BREEM, 2014).
Ao fim das atividades de simulações virtuais, o professor indagou os estudantes com a seguinte questão:
Qual sua percepção sobre a utilização dos softwares de simulações virtuais pelo modelo atômico de Dalton para a compreensão de conceitos químicos?
As falas dos estudantes (33 estudantes, interação de grupo) foram organizadas e categorizadas de acordo com a as percepções na modelagem atômica. (quadro 3).
Quadro 3: Categorias desenvolvidas no uso das modelagens atômica virtual pelos estudantes.
Descrição respostas dos estudantes ao questionamento (Anexo) Categorias desenvolvidas pela modelagem virtual de átomos e moléculas % dos estudantes
“Para entender melhor, para saber diferenciar átomos e para entender melhor fazer uma reação química”.
“ajuda na compreensão de como são as reações químicas, é mais fácil de entender os reagentes e
produtos”. Contextualização dos conceitos químicos. (Reações químicas, reagente/Produto 30,3%
“Irá trazer uma maior experiência e conhecimento e entendimento do conteúdo”.
“Eu acho uma boa ideia, muda que vai ajudar os alunos, os professores, vai ajudar no nosso aprendizado, as aulas vão ser mais rápidas do que
ficar escrevendo no quadro”.
Relação da aprendizagem dos conteúdos (Entendimento)
30,3%
“Porque conseguimos ver uma imagem mais ampla”. “Para ter um modelo de como funciona, para ajudar na
aprendizagem”.
Ampliação visual
(Imagem e Modelo) 21,2%
“A tecnologia facilita na hora de descobrir ou achar algo, fazer uma conta ou algo relacionado”. “...quando temos essa parte mais prática e lúdico nos
ajuda a armazenar tais assuntos”.
Assimilação das tecnologias
(Virtual)
18,2%
Fonte: Autoria própria
Pelas categorias descritas, observou-se que o uso do simulador virtual como estratégia de ensino, potencializou a aprendizagem dos estudantes aos níveis de
representações, possibilitando os estudantes transitarem entre o nível simbólico (visualização de fórmulas e equações) e microscópico (pela modelagem atômica).
Pouco mais dos entrevistados (51,5%), apontam que ampliaram suas visões sobre as imagens e uso do modelo atômico em contextualização aos conceitos químicos sobre combustões. Os demais estudantes (48,5%) sinalizaram que o uso das tecnologias virtuais no ensino possibilita um melhor entendimento aos conteúdos propostos.
É importante ressaltar as hipóteses defendidas por Wu e Shah (2003) que enfatizam as múltiplas formas de representação do conhecimento químico que acarretam diretamente na compreensão da química. Para esses autores, representações visuais promovem um entendimento mais profundo e consistente dos fenômenos e conceitos estudados na área de química. Nesse contexto, representações da química eminentemente abstratas mostradas com o uso de softwares computacionais são importantes para os alunos compreenderem os níveis simbólicos, macroscópicos e microscópicos.
Para o processo de aprendizagem, é necessário que inicialmente se identifique os conceitos prévios existentes na estrutura cognitiva dos alunos. Deve haver uma interação entre os conceitos prévios e as novas informações a serem armazenadas. Os chamados conceitos prévios são os que influenciam na estrutura cognitiva do indivíduo. Nesse processo de aprendizagem os novos conceitos devem ser incorporados de forma não literal e organizados de forma não arbitrária. Segundo Moreira (2006) nessa perspectiva de aprendizagem, novas ideias e informações a serem aprendidas, baseia-se em conceitos específicos relevantes que são existentes na estrutura cognitiva do indivíduo.
Este recurso reforçou com os estudantes a óptica ao nível submicroscópico das reações de combustão pela visualização e interação aos modelos atômicos.
Na estrutura da escola particular, cada aluno dispunha de um computador para sua interação com os simuladores virtuais. Já na escola pública, como dispunha de 6 computadores, os alunos realizaram as atividades de simulações virtuais em grupo. No caso da atividade elaborada em grupo, apesar da aproximação dos estudantes a esta estratégia de ensino (software de simulação), contrasta-se certas limitações, em se tratar da interatividade individual ao simulador e na organização do espaço físico, que vezes, não suporta a quantidade de alunos por computador.
Construa uma molécula e balanceamentos de equações químicas se caracterizaram como estratégias de simulações que contribuíram com a pesquisa para o desenvolvimento de habilidades investigativas com os alunos, pela realização de observações, questionamentos, modelagens e previsões. Esse contexto faz com que os alunos se envolvam num processo ativo de construção do conhecimento.
A utilização de softwares de simulação surge como recurso promissor. Esses programas podem incluir animações, visualizações e interativas experiências laboratoriais. As simulações aliadas ao ensino podem ser eficazes no desenvolvimento da interpretação e compreensão do conteúdo, bem como na promoção de objetivos mais sofisticados de aprendizagem, tais como investigação e redescoberta, construção de modelos e conceitos (BELL, FOGLER, 1995).
Entretanto, vale ressaltar que o programa, por se tratar de um modelo simplificado da realidade, também apresenta limitações e, nesse caso, cabe ao docente guiar os estudantes a essas percepções.
4.3 Aula 3 - Modelagem atômica com aplicativo de celular
A proposta foi desenvolver aspectos introdutórios sobre hidrocarbonetos (combustíveis e suas estruturas químicas). Para melhor orientar a interação com a SD, o professor questionou os estudantes, se já utilizaram aplicativo de celular em aulas de química? se sim, qual aplicativo?
Nesse questionamento inicial aplicado a 51 estudantes, pode-se verificar que 92% dos alunos (47 escolares), nunca utilizaram aplicativos de celular como ferramenta didática de modelagem em aulas de química. Os 8% dos alunos (4 escolares) que já fizeram a utilização desta ferramenta, relataram que o uso foi exclusivamente na interatividade com a tabela periódica.
Posteriormente, analisando as respostas, os alunos foram orientados pelo professor a visualizarem por meio de aplicativo (app) de celular, estruturas tridimensionais de moléculas orgânicas em processo reacional. O app utilizado nessa aula foi o QuimicAR – (Realidade Aumentada).
Sobre o app QuimicAR - Realidade Aumentada é a inserção de objetos virtuais 3D no ambiente real, favorecendo ao usuário a visualização simultânea por meio de um dispositivo tecnológico utilizando uma interface onde o sujeito interage com o mundo virtual (KIRNER E KIRNER, 2008). De acordo com Oliveira e Netto (2010), o
