CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM QUÍMICA EM REDE NACIONAL - PROFQUI
NILTON CLAUDIO MAIA
ORIGAMI ARQUITETÔNICO COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA A COMPREENSÃO DA GEOMETRIA ESPACIAL DE MOLÉCULAS
NATAL-RN 2019
NILTON CLAUDIO MAIA
ORIGAMI ARQUITETÔNICO COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA A COMPREENSÃO DA GEOMETRIA ESPACIAL DE MOLÉCULAS
Dissertação de Mestrado apresentada a banca examinadora do Programa de Mestrado Profissional em Química em Rede Nacional - PROFQUI da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Química.
Orientador: Prof. Dr. Daniel de Lima Pontes
NATAL - RN 2019
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Francisco Gurgel De Azevedo - Instituto Química - IQ
Maia, Nilton Claudio.
Origami arquitetônico como recurso pedagógico para a
compreensão da geometria espacial de moléculas / Nilton Claudio Maia. - Natal: UFRN, 2019.
117f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra - CCET, Instituto de Química. Programa de Mestrado Profissional em Química em Rede Nacional (PROFQUI).
Orientador: Dr. Daniel de Lima Pontes.
1. Geometria Molecular - Dissertação. 2. Origami Arquitetônico - Dissertação. 3. Recurso Didático - Dissertação. 4. Educação Química - Dissertação. I. Pontes, Daniel de Lima. II. Título. RN/UF/BSQ CDU 54:37.02(043.3)
NILTON CLAUDIO MAIA
ORIGAMI ARQUITETÔNICO COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA A COMPREENSÃO DA GEOMETRIA ESPACIAL DE MOLÉCULAS
Dissertação de Mestrado apresentada a banca examinadora do Programa de Mestrado Profissional em Química em Rede Nacional - PROFQUI da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Química.
Orientador: Prof. Dr. Daniel de Lima Pontes
Dissertação aprovada em: 27 / 06 / 2019
BANCA EXAMINADORA
Natal - RN 2019
AGRADECIMENTOS
À minha família, em particular Angélica Dantas Soares, fiel companheira e amiga que sempre esteve ao meu lado incentivando nos momentos mais difíceis.
Aos meus alunos, que aceitaram se submeter às experiências dessa pesquisa, e por seu empenho em participarem ativamente de todas as atividades desenvolvidas.
A todos os colegas do mestrado que foram amigos e ajudaram compartilhando seus conhecimentos ao logo desse percurso.
Ao meu orientador, professor Dr. Daniel de Lima Pontes, que com sua paciência e experiência em pesquisa ofereceu valorosa contribuição para meu aprendizado e realização desse projeto de ensino.
À coordenação do curso, que na pessoa da professora Dra. Marcia Teixeira Barroso, nos manteve sempre atualizados e por contribuir no processo metodológico da pesquisa.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) pelo o apoio da bolsa concedida - Código de Financiamento 001.
RESUMO
Nesta pesquisa, foram elaboradas e construídas pranchetas de origami arquitetônico aplicáveis como recurso didático, tendo o objetivo adicional avaliar sua potencialidade de ferramenta educacional no ensino de Geometria Molecular. A pesquisa fundamentou-se em alguns referenciais teóricos: a Teoria Sócio-interacionista de Vygotsky, Teoria Geral dos Signos de Charles Peirce e nas contribuições de pesquisadores da Educação Química. Optou-se metodologicamente por uma pesquisa de natureza qualitativa e participativa. Os dados foram recolhidos a partir do acompanhando da proposta pedagógica, que incluiu a aplicação de questionários, inicial e final, a toda a turma, a observação de atividades propostas nas pranchetas, realização de atividade experimental com origami, notas de campo, questionário de satisfação do material e um teste realizado duas semanas depois, para verificação da memória de longo prazo. Os resultados mostraram que, ao se aplicar uma metodologia com este material didático em uma turma de 3º ano do Ensino Médio de uma escola pública estadual no município de Morada Nova – CE, foi possível verificar a partir dos conhecimentos prévios dos alunos, que estes avançaram em sua aprendizagem. A maioria deles assimilaram de forma consistente as informações sobre o tema, desenvolvendo habilidades espaciais, tais como, rotacionar mentalmente uma molécula no espaço, transpor ou traduzir uma representação de moléculas 2D para 3D e vice-versa, além de perceber algumas relações entre propriedades e geometria molecular. Os alunos participaram com entusiasmo das atividades e apresentaram boa cooperação ao trabalhar em grupo, compartilhando dúvidas e experiências com seus pares. A presença do professor como mediador nesse processo, foi de fundamental importância para a adequada utilização do material didático e aprofundamento do tema desenvolvido.
Palavras-chave: Geometria Molecular. Origami Arquitetônico. Recurso Didático. Educação Química.
ABSTRACT
In this research, architectural origami clipboards were elaborated and constructed as a didactic resource, with the objective of evaluating its potential as an educational tool in the teaching of Molecular Geometry. The research was based on some theoretical references: Vygotsky's Socio-Interactionist Theory, General Theory of Signs of Charles Peirce and the contributions of researchers of Chemical Education. It was chosen methodologically by a qualitative and participative research. The data were collected from the accompanying pedagogical proposal, which included the application of questionnaires, initial and final, to the whole class, observation of proposed activities in the drawing boards, realization of experimental activity with origami, field notes, satisfaction questionnaire of the material and a test performed two weeks later for long term memory verification. The results showed that, when applying a methodology with this didactic material in a 3rd year high school class of a state public school in the municipality of Morada Nova - CE, it was possible to verify from the previous knowledge of the students that they advanced in their learning. Most of them have consistently assimilated information about the subject, developing spatial abilities such as mentally rotating a molecule in space, transposing or translating a representation of 2D to 3D molecules, and vice versa, in addition to perceiving some relationships between properties and molecular geometry. The students enthusiastically participated in the activities and presented good cooperation when working in groups, sharing doubts and experiences with their peers. The presence of the teacher as mediator in this process was of fundamental importance for the adequate use of didactic material and deepening of the theme developed.
Keywords: Molecular Geometry. Architectural Origami. Didactic Resource. Chemical Education.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representações estruturais do metano em 2D e 3D, respectivamente...
Figura 2: Arranjos espaciais tetraédricos do metano (a), da amônia (b) e da água (c)... Figura 3: Linhas de vale e montanha para dobra de papel...
Figura 4: Funções elementares (a) e funções superiores (b) ... Figura 5: Ação mediada na memorização...
Figura 6: Tríade pedagógica em sala de aula... Figura 7: Representações das superfícies limites dos orbitais (a) s e (b) p (px, py e pz)...
Figura 8: Esquemas de orbitais híbridos (sp, sp2, sp3, sp3d e sp3d2) e suas orientações
espaciais. (a) Um dos dois sp. (b) Um dos três sp2. (c) Um dos quatro sp3. (d) Um dos cinco sp3d. (e) Um dos seis sp3d2...
Figura 9: Representação em 3D e 2D do ácido cis/trans-butenodióico... Figura 10: Representação 3D do metano com destaque ao pseudo 3D relativo aos
triângulos equiláteros que formam as quatro faces do tetraedro... Figura 11: Prancheta de 180°, fechada, em processo de abertura e aberta... Figura 12: Formas geométricas formadas nas pranchetas de origami arquitetônico...
Figura 13: Alunos em atividade em sala utilizando as pranchetas de origami arquitetônico...
Figura 14: Aferição aproximada dos ângulos na estrutura 3D da amônia com materiais confeccionados em papel: (a) marcador de ângulo; (b) estrutura da amônia em 3D; (c) identificação dos ângulos a serem medidos; (d) marcador de ângulo, dobrado sobre o ângulo H-N-H; (e) marcador com a abertura do
ângulo sobre o transferidor... Figura 15: (a) Bases de origami do PF3 e PHF2 e (b) aluno em atividade...
Figura 16: Desenhos dos alunos em representação: (a) 3D e (b) plana... 13 14 17 21 21 24 37 38 41 44 48 48 52 53 81 84
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Nove classes de signos resultante das relações tricotômicas... Quadro 2: Três categorias para representações da ureia: tipo de representação química, nível de conhecimento químico e qualidade semiótica... Quadro 3: Arranjo e geometria molecular nas pranchetas... Quadro 4: Plano de ação para os seis encontros... Quadro 5: Classificação a partir dos objetivos das questões diagnóstica... Quadro 6: Classificação a partir dos objetivos das questões de aprendizagem... Quadro 7: Classificação dos alunos quanto à identificação de semelhanças de
estruturas ao rotacioná-las no espaço... Quadro 8: Classificação dos alunos quanto à identificação de ângulos nas estruturas planas... Quadro 9: Classificação dos alunos quanto à identificação das formas geométricas... Quadro 10: Classificação dos alunos quanto à identificação da polaridade a partir da
Geometria Molecular... Quadro 11: Categorias, subcategorias e alunos, obtidos das respostas sobre o interesse pela química a partir da utilização do origami arquitetônico... Quadro 12: Categoria das representações dos alunos para a estrutura de origami do PF3...
25 28 38 51 57 67 68 70 72 73 76 83
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO E QUESTIONAMENTOS... 1.2 MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA... 2 OBJETIVOS ... 2.1 OBJETIVO GERAL ... 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 3 REFERENCIAL TEÓRICO ... 3.1 SIGNOS E MEDIAÇÃO NO ENSINO DE QUÍMICA... 3.1.1 Teoria sociocultural de Lev Vygotsky... 3.1.2 Contribuições de Peirce no entendimento da semiótica... 3.1.3 Mediação semiótica nas representações em química... 3.2 O ENSINO DE QUÍMICA E A GEOMETRIA MOLECULAR... 3.2.1 Desafios e propostas para o ensino de química... 3.2.2 Níveis representacionais no ensino de química... 3.2.3 O uso de modelos em química... 3.2.4 Geometria Molecular: algumas considerações e aspectos teóricos... 3.3 FERRAMENTAS DIDÁTICAS NA PERCEPÇÃO ESPACIAL... 3.3.1 Objetos de visualização como ferramenta didática... 4 PERCURSO METODOLÓGICO... 4.1 SUJEITOS DA PESQUISA... 4.2 O DESENVOLVIMENTO DAS PRANCHETAS DE ORIGAMI
ARQUITETÔNICO... 4.3 ATIVIDADES COM O ORIGAMI ARQUITETÔNICO... 4.4 RECOLHA DE DADOS... 12 12 15 18 18 18 19 19 19 23 26 29 29 31 32 34 39 40 45 46 46 51 54
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 5.1 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DIAGNÓSTICA...
5.2 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DE APRENDIZAGEM...
5.3 RESULTADOS DO QUESTIONÁRIO DE SATISFAÇÃO... 5.4 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DE MEMÓRIA À LONGO PRAZO... 6 CONCLUSÃO... REFERÊCIAS... ANEXO 1... ANEXO 2... ANEXO 3 ... ANEXO 4 ... ANEXO 5... ANEXO 6... ANEXO 7... APÊNDICE... 56 56 68 75 77 85 87 94 96 99 100 103 105 106 107
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO E QUESTIONAMENTOS
Os seres humanos são por natureza sujeitos curiosos e essencialmente sociais, sendo capazes de ler o que está posto diante deles, como a natureza e o mundo a sua volta. Nas palavras de Freire (2006), a curiosidade e o ser social (gente) são condições indispensáveis no processo de ensino/aprendizagem: “Como professor devo saber que sem a curiosidade que me move, que me inquieta, que me insere na busca, não aprendo nem ensino. Exercer minha curiosidade de forma correta é um direito que tenho como gente” (FREIRE, 2006, p. 85). Esse pensamento corrobora com as ideias de Vygotsky (1994), nas quais o desenvolvimento cognitivo do indivíduo ocorre por meio da interação com seus pares e com o meio, de modo que a aprendizagem se concretiza na experiência social, mediada pela utilização de instrumentos e signos.
Pode-se inferir a partir de Freire (2006), que a curiosidade do ser humano o impulsiona na busca pelo saber, incluindo o conhecimento sobre as transformações e composição da matéria, objeto principal de estudo da Química (ATKINS; JONES, 2007). No entanto, a ênfase desta pesquisa recai no emprego de ferramentas que auxiliem os alunos a minimizarem as dificuldades representacionais de aspectos macro e micro dessa ciência. Assim, recorre-se aqui a elementos do sócio-interacionismo de Vygotsky (1896-1934) e aos estudos de Peirce (1839-1914) como aporte teórico para introduzir o uso de visualizações como ferramenta de mediação semiótica1 na construção do pensamento. Esses mediadores, enquanto instrumento, exercem função auxiliar ao trabalho humano e, enquanto signo, auxiliam nos processos psicológicos, tais como, pensamento, percepção e memória.
Pesquisadores em Educação Química (PAULETTI; CATELLI, 2018; FERREIRA; ARROIO, 2013; LEAL, 2009; GILBERT, 2005; JONSHSTONE, 1993), concordam que o estudo dessa ciência compreende três níveis de representação: o macroscópico (fenomenológico), submicroscópico (átomos, moléculas, com seus movimentos e interações) e o simbólico (representações por fórmulas, equações, estruturas, etc.). Conforme Gilbert (2005), não é uma tarefa fácil para os alunos compreenderem toda a extensão de um fenômeno químico, pois é necessário da parte deles, um esforço intelectual para dominarem bem esses três níveis do conhecimento químico e como eles se relacionam.
1 Semiótica é entendida aqui como ciência dos signos e dos processos significativos na natureza e na cultura. Conforme Monteiro (2016), Vygotsky valoriza a ação dos signos para a constituição da mente pelas interações sociais.
O mundo físico possui muitas formas geométricas cujos padrões resultam da geometria molecular, interações por forças intermoleculares, arranjos cristalinos entre átomos ou complexos metálicos. Portanto, ao abordar o tema Geometria Molecular em química, deve-se valorizar o aspecto tridimensional das moléculas como uma forma de permitir que os alunos construam significados a partir de sua realidade, pois eles estão inseridos em um mundo tridimensional. Essa geometria contribui na determinação de muitas propriedades das substâncias e na maneira como os fenômenos químicos e físicos ocorrem. Tostes (1998, p.17) coloca o químico como o profissional das moléculas, ou seja, ele as pensa como um arranjo tridimensional em que estrutura e propriedades estão diretamente relacionadas.
O uso de ferramentas visuais, principalmente no nível submicroscópico, pode auxiliar o alunado a transitar através desses níveis do conhecimento químico. Nesse contexto, trabalhou-se com Geometria Molecular, devido sua relevância para a compreensão dos fenômenos macroscópicos da matéria. As dificuldades para entender a estrutura e a geometria das moléculas podem ser justificadas por sua própria condição submicroscópica, ou seja: estão em um nível distante da visualização do aluno, dificultando a contextualização e a compreensão desse tema.
Assim, uma didática voltada para o ensino de Química, deve levar em consideração o cotidiano do aluno e procurar traçar metodologias que associem seus conhecimentos prévios com os conhecimentos específicos dessa ciência, procurando compreender seus mecanismos de aprendizagem e o papel da intermediação do professor. Dessa forma, práticas pedagógicas inovadoras e materiais didáticos devem ser testados em prol de situações desafiadoras, levando os alunos a um maior envolvimento com a Química e incentivando-os a serem mais autônomos em sua aprendizagem.
Os livros didáticos apresentam boas ilustrações em duas e três dimensões (doravante 2D e 3D, respectivamente). No entanto, estas não correspondem visualmente às imagens reais das moléculas. Os ângulos das formas geométricas desenhadas em perspectiva originam um pseudo 3D, exigindo dos alunos determinadas habilidades de interpretação visual para perceberem a verdadeira forma espacial.
Figura 1 – Representações estruturais do metano em 2D e 3D, respectivamente.
Para que a figura de um tetraedro, por exemplo, seja visualizada como um sólido formado por quatro faces equivalentes a triângulos equiláteros, o aluno precisa ter um conhecimento geométrico prévio dos elementos que o compõem ou ter a sua disposição um modelo 3D para facilitar essa constatação. Esse é um problema para a química, pois muitas moléculas de substâncias do cotidiano como o metano, a amônia e a água, têm arranjo espacial de pares de elétrons no formato tetraédrico, conforme a Figura 2.
Figura 2 – Arranjos espaciais tetraédricos do metano (a), da amônia (b) e da água (c).
Fonte: Autoria própria
A fim de superar ou amenizar essa dificuldade visual na transposição de formas 2D a 3D, foi proposto neste trabalho, desenvolver pranchetas de origami arquitetônico2 como material didático, contendo arranjos tetraédricos, bipirâmides trigonais e octaédricos. A ideia de oportunizar ao aluno ter em suas mãos, uma representação das formas geométricas das moléculas em pranchetas 3D, partiu da observação da técnica milenar de dobraduras em papel, o origami, com suas variantes: kirigami e origami arquitetônico (pop up).
Para nortear a execução desse trabalho foram levantadas as seguintes hipóteses: As pranchetas de origami arquitetônico podem auxiliar o aluno a transitar nos
três níveis representacionais para que compreenda melhor a geometria das moléculas.
A utilização de modelos 3D em papel pode oferecer uma melhor visualização dos modelos moleculares contribuindo para o entendimento de algumas propriedades das moléculas.
Tomando por base essas hipóteses, foi arrolada a seguinte questão principal: Como agregar modelos 3D de origami arquitetônico nas aulas de química do Ensino Médio que
2
Arte em cartões onde ocorre a transformação de imagens 2D em 3D ao abri-los. De acordo com Ueno (2012) utiliza-se de cortes e dobras para obtenção de figuras que parecem saltar do papel, dando a sensação visual de edificação de uma figura.
sejam utilizados como recursos didáticos para compreensão de conceitos relativos à geometria molecular?
De acordo com Soares (2004), o processo de ensino/aprendizagem pode tornar-se mais divertido e dinamizado quando buscamos aproximar o aluno da visão tridimensional do mundo. Além desse aspecto lúdico, a observação das formas moleculares em 3D confeccionadas em papel constituiu-se ferramentas com potencial para auxiliar na transposição de uma visão plana das representações químicas para uma visão tridimensional.
Assim, o tema curricular de química escolhido para a realização desta pesquisa, foi a Geometria Molecular e o produto educacional foi a elaboração e confecção de pranchetas de origami arquitetônico (pop-up) contendo modelos moleculares de papel. As pranchetas foram criadas e previamente preparadas pelo professor/pesquisador 3 , sendo posteriormente utilizadas em sala de aula, uma turma de 3º ano do Ensino Médio, a fim de verificar suas contribuições para o ensino do referido tema.
1.2 MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA
Encontra-se na literatura especializada em Educação Química, estudos ressaltando a importância da Geometria Molecular a fim de ampliar percepções de tridimensionalidade pelo aluno (MERINO et al., 2018; REZENDE; AMAURO; FILHO, 2016). Porém, se por um lado destaca-se sua importância para a química, por outro, percebe-se a pouca valorização de seu estudo no Ensino Médio, ao ponto da compreensão de estruturas 3D ser considerada por Dean et al. (2019) como um ponto crítico na aprendizagem de geometria molecular entre os alunos recém-ingressos nas universidades. Para Tostes (1998, p. 17), o conceito de estrutura molecular é fundamental na unificação da ciência química. Mas, à semelhança de Dean et al. (idem), autores como como Garrido (2007), Tudela (2007), Hanson (1995) e Filgueiras (1885) anteriormente afirmaram que muitos alunos chegam às universidades com pouca ou nenhuma visão de tridimensionalidade molecular. Além disso, estes apresentam erros conceituais e pouca compreensão em estudos sobre este tópico.
Contudo, percebe-se que algumas pesquisas mais recentes (JONES; SPENCER, 2018; PAULETTI; CATELLI, 2018; CORREIA; REIS, 2017; BENITE; BENITE; FILHO, 2011) estão voltadas para o desenvolvimento de modelos e materiais didáticos concretos e virtuais, cujas qualidades estão sendo validadas por testes de relações espaciais (DEAN, et al., 2019;
3A pesquisa foi desenvolvida em uma das turmas na qual o pesquisador leciona. Portanto, o mesmo, nesta dissertação é referenciado como professor, pesquisador ou professor/pesquisador.
MOHAMED-SALAH; ALAIN, 2016; CARLISLE; TYSON; NIESWANDT, 2015) na busca soluções para esses problemas de aprendizagem. Conforme é destacado por Rezende, Amauro e Filho (2016), esses modelos são essenciais quando se trata de temas químicos de alto domínio espacial. É possível abstrair de Merino et al. (2018) e de Siqueira, Filho e Sirino (2018) que a utilização de recursos tecnológicos da informação, com as muitas ferramentas disponibilizadas na internet, também tem se tornado mais frequente para auxiliar o aluno na visualização de modelos educacionais em química.
Portanto, ao se introduzir as pranchetas de origami arquitetônico com moléculas em 3D, pensou-se inicialmente no potencial visual oferecido pelos modelos moleculares presente neste material didático. É importante ressaltar que seu custo é relativamente baixo quando comparado a outros modelos do mercado. Na parte final de cada prancheta encontra-se desafios para confecção de modelos de papel. Estes podem ser desenvolvidos em sala de aula ou em casa pelos alunos, favorecendo assim, o desenvolvimento de habilidades como coordenação motora fina e percepção visual e espacial das moléculas. A fim de simplificar sua manipulação, foram utilizadas apenas duas regras para as dobraduras: linhas de vale – pontilhadas ( ---- ) e linhas de montanha – contínuas ( ― ), conforme a figura 3.
Figura 3 – Linhas de vale e montanha para dobra de papel.
Fonte: Autoria própria
A boa qualidade na confecção das pranchetas pop-up depende de paciência, concentração, tempo e boa coordenação motora ao cortar, dobrar e colar. Por essa razão, elas foram confeccionadas pelo professor/pesquisador antecipadamente e levadas prontas para sala de aula. Com a finalidade de observar e explorar as formas geométricas, ângulos e comprimento de ligações e noções de simetria4, foram introduzidos nas pranchetas textos explicativos sobre a geometria molecular, hibridização, questões para fixar o tema e desafios para montar moléculas de dobraduras. Propriedades das moléculas, tais como polaridade, foram discutidas em uma aula expositiva dialogada com o auxílio de slides, somadas às aulas práticas com a contribuição visual das estruturas tridimensionais de papel. As geometrias
4 Geometria e simetria descrevem características diferentes: a geometria define a forma genérica de um objeto enquanto a simetria descreve paridade entre partes diferentes desse objeto. Por exemplo: o CH4 e o CHFClBr tem geometria tetraédrica, mas somente o primeiro tem simetria tetraédrica. O segundo é assimétrico, não existindo paridade (ou simetria) entre qualquer uma de suas partes constituintes.
moleculares analisadas nesse modelo, também foram utilizadas para racionalizações sobre a teoria da hibridização.
Existem disponíveis no mercado, modelos diversificados para representar as moléculas nos quais cada um deles destaca características específicas destas. Algumas escolas públicas possuem laboratório escolar de ciências, onde geralmente, encontram-se um único kit bola-vareta para que os alunos montem as moléculas. Uma restrição para uso desse modelo é o pequeno número de unidades de esferas por kit em relação à numerosa quantidade de alunos matriculados em uma sala de aula. Este fato dificulta ou mesmo impossibilita o manuseio dos modelos por todos os alunos durante uma aula. Outro aspecto a ser considerado é o custo elevado para a aquisição desses kits.
Pensando nessas dificuldades e procurando aproximar o aluno da realidade tridimensional das moléculas, optou-se aqui pela utilização de moléculas de origami. Elas têm como vantagem oferecer boa visualização tridimensional, apresentar baixo custo e ser acessível a todos. Desse modo, é possível realizar uma atividade coletiva em que todos os alunos da sala possam, além de fazer uso desse recurso didático de forma individual ou em grupo, construir seus modelos.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL:
Desenvolver nos alunos a compreensão da geometria molecular espacial, utilizando o recurso didático pranchetas de origami arquitetônico (pop up) com modelos de dobraduras em papel, destacando fatores estruturais na determinação das propriedades das substâncias.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Desenvolver um material didático na forma de pranchetas de origami arquitetônico com moléculas em 3D (Produto Educacional);
Utilizar as pranchetas de origami arquitetônico como recurso facilitador na compreensão das moléculas por visualização, determinação de formas e ângulos de ligação e conversão em 3D a partir de 2D e vice-versa;
Despertar o interesse dos alunos pela geometria molecular ao impactá-los com surgimento das moléculas 3D nas pranchetas;
Verificar o grau de aceitação das pranchetas de origami arquitetônico como recurso didático.
Descrever em um portfólio, os materiais didáticos construídos na forma de pranchetas de origami arquitetônico e a sequência de atividades desenvolvidas.
Estimular professores e estudantes a buscar alternativas criadas por eles próprios que funcionem como modelos úteis para o ensino e a aprendizagem.
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 SIGNOS E MEDIAÇÃO NO ENSINO DE QUÍMICA
O elevado nível de abstração encontrado no ensino de química tem sido apontado como um dos fatores que dificultam a compreensão dessa ciência (PAULETTI; CATELLI, 2018). A fim de amenizar essa situação, a utilização de instrumentos de mediação como modelos concretos e virtuais, bem como representações simbólicas e pictóricas5tem se tornado uma necessidade (DEAN et al., 2019). Além disso, Gonzalez e Silva (2017) afirmam que os estudantes, ao lidarem com os signos da química, também apresentam dificuldades em compreendê-los, principalmente quando estes se referem ao nível submicroscópico dos fenômenos.
Assim, entende-se que uma forma de auxiliar professores e alunos no processo de aprendizagem, é buscar compreender questões relacionadas à mediação e representação simbólica, conforme preconizado nos estudos de Vygotsky e de Peirce. Embora, suas abordagens tenham perspectivas diferentes, contribuem de forma complementar para o ensino da química, pois ambos ressaltam a importância da mediação para a aprendizagem. De acordo com Wartha e Rezende (2017), ao se utilizar elementos de mediação em sala de aula, o aluno consegue ampliar a percepção sobre os entes químicos, como por exemplo, átomos, íons e moléculas.
3.1.1 A teoria sociocultural de Vygotsky
O sócio-interacionismo ou teoria sociocultural apresenta aspectos que são pertinentes à proposta desta pesquisa, particularmente, no que diz respeito aos processos de ensino e aprendizagem. Podemos destacar dois elementos dessa teoria que fundamentam a utilização do material didático desenvolvido como recurso visual: a mediação por instrumentos e o valor dos signos na construção do pensamento.
Lev S. Vygotsky (1896 – 1934) integra a corrente histórico-cultural. Segundo Ivic (2010, p. 15), as palavras que melhor resumiriam o pensamento de sua teoria, são: “sociabilidade do homem, interação social, signo e instrumento, cultura, história, funções mentais superiores”. O referido autor resume em uma única expressão essas palavras para nomear a Teoria do desenvolvimento de Vygotsky como sendo
5 Constitui-se uma linguagem de comunicação baseada em desenhos, gráficos, tabelas, esquemas, imagens, ícones e outras formas de representação visual (WARTHA; REZENDE, 2017).
cultural do desenvolvimento das funções mentais superiores”, que, preferencialmente, é citada como teoria sócio-cultural.
De acordo com pesquisadores da perspectiva sócio-cultural (BLUNDEN, 2015; PINO, 1995), Vygotsky entende que o conhecimento é fruto da atividade puramente humana. Ele destaca como característica fundamental dessa atividade a mediação instrumental. A produção de ferramentas marca o inicio da transição do macaco para o humano, tanto no aspecto comportamental como biológico, assim como o surgimento da escrita (signo) marca a transição do homem primitivo para o homem moderno e civilizado. Para Vygotsky (1994)6, é com o surgimento do signo que ocorre a mudança histórico-cultural.
Os instrumentos utilizados nessa mediação são de duas naturezas: técnicos e semióticos. Os instrumentos técnicos são desenvolvidos para agir na realidade material, regulando a natureza, enquanto os semióticos, que envolvem símbolos e signos, são tipos especiais de ferramentas que servem para a comunicação entre os homens, representação da realidade e particularmente, para regular o comportamento humano. Nas palavras de Vygotsky,
signos e palavras constituem [...] um meio de contato social com outras pessoas. As funções cognitivas e comunicativas da linguagem tornam-se, então, a base de uma forma nova e superior de atividades na criança, distinguindo-as dos animais. (VYGOTSKY, 1994, p. 38).
Blunden (2015) ressalta que é a partir da utilização de signos que surge o desenvolvimento da inteligência verbal no homem, tornando-o capaz de “[...] representar a natureza e a atividade humana simbolicamente, [...] fornecer teorias adequadas da natureza [e] de regular eficazmente a técnica” (BLUNDEN, 2015, p. 6). Assim, o ser humano torna-se capaz de nomear as coisas e defini-las, registrar seus sentimentos, compartilhar suas experiências com os outros, de tal forma que seu comportamento e o dos outros são afetados.
Seguindo o pensamento de Vygotsky (1994), pode-se afirmar que os signos são meios auxiliares para “solucionar um dado problema psicológico” como lembrar, comparar coisas, relatar, escolher, etc. Desse modo, eles possibilitam ao indivíduo organizar seu campo espacial-visual a partir da memória. Ao citar algumas dessas ferramentas psicológicas, Blunden (2015) e Ferreira (2010) incluem aquelas que estão direcionadas para o sujeito e não para o mundo externo como, por exemplo: mapas, planos, livros, filmes, computadores, esquemas, diagramas, desenhos, trabalhos de arte e todo tipo de signos convencionais.
6
Obra publicada no Brasil 60 anos após a morte de Vygotsky. Seu trabalho original foi publicado em 1934, ficando praticamente desconhecida por injunções políticas na antiga União Soviética. Só a partir de sua publicação em inglês em 1962, suas ideias passaram a ser melhor conhecidas, interpretadas e difundidas.
Desse modo, o conceito de ação mediada desenvolvido por Vygotsky (1994) é um de seus fundamentos teóricos sobre aprendizagem. Ele faz distinção entre as funções elementares, percebidas em crianças em fase pré-escolar, das funções superiores, percebidas em crianças maiores, adolescentes e adultos. Também separa os conceitos em espontâneos (na fase pré-escolar) e científicos (na fase escolar).
Conforme o referido autor, as funções elementares se restringem a descrições simples da realidade empírica do sujeito, funcionando sob a fórmula estímulo (S) / resposta (R). Enquanto as funções superiores se caracterizam pelo uso de estímulos artificiais (signos), não se limitando a descrever, mas a explicar os fenômenos. Nesse estágio, o signo (X) funciona como um estímulo de segunda ordem entre o estímulo (S) e a resposta (R), de acordo com a Figura 4.
Figura 4 – Funções elementares (a) e funções superiores (b)
Fonte: Vygotsky (1994, p.53)
A mediação também é apontada por Vygotsky, como tendo importante papel na atenção voluntária e na memória. Um signo (X) pode ter função reversa, fazendo um indivíduo relembrar uma palavra (A), conforme o esquema da figura 4:
Figura 5 – Ação mediada na memorização
Fonte: Vygotsky (1994, p.53)
Vygotsky (1994) apresenta três fases distintas em que estímulos externos ou signos atuam em indivíduos com diferentes idades. Percebe-se que na primeira fase, isto é, em crianças até 6 anos os signos não exercem função instrumental. Essas crianças só usam os signos por associação direta, ou seja, apenas se existir entre o signo e o objeto que deve ser lembrado, elementos de semelhança. Elas não conseguem fazer uso de uma simbolização mediada.
Na segunda fase, com crianças maiores e adolescentes, os signos como estímulos externos auxiliares, aumentaram a eficácia na memorização. O signo passa a ser utilizado como um instrumento sociológico agindo a partir do meio exterior. Já no terceiro estágio, ou na fase adulta, embora o comportamento do indivíduo permaneça mediado por estímulos
auxiliares, os signos externos são menos utilizados, pois nessa fase eles convertem-se em signos internos, isto é, ocorre uma internalização ou emancipação das formas externas primárias.
Para Vygotsky, a transição do estagio inicial (não mediado) a níveis superiores (mediados) ocorre de forma mais marcante na adolescência. Vygotsky (2001, p.72) nos diz que “É somente na adolescência que se desenvolve esse domínio dos próprios processos de comportamento com o emprego de meios auxiliares.” Nessa fase, a capacidade de abstração começa a amadurecer tornando-se um período propício para se trabalhar a formação de conceitos através da mediação semiótica, com signos de diversas naturezas. Visto ser nesse estágio, que o adolescente tem desenvolvido uma “forma combinada de funções superiores como atenção, abstração, seleção de atributos, etc.” (VYGOTSKY, 2001, p. 220).
Os pressupostos de Vygotsky tornaram-se relevantes para o tema deste trabalho, pois nesta pesquisa, utilizaram-se objetos de visualização, como as pranchetas de origami arquitetônico na organização de conceitos de moléculas tridimensionais, na identificação de propriedades relacionadas com sua geometria espacial e conceitos teóricos para explicar a geometria molecular.
Como o conhecimento faz parte da vivência social do sujeito, é possível que ao utilizar uma visualização como recurso de mediação na aprendizagem, haja coincidência entre o desenvolvimento do professor e do aluno no que se refere à representação visual. Porém, pode existir divergência no plano psicológico, nos significados e nas operações mentais dos mesmos. Nesse ponto o professor, como um parceiro mais capaz, pode ajudar o aluno a atingir um novo nível de maturação através de sua intervenção.
Todavia, é difícil determinar o nível de desenvolvimento de um indivíduo. Conforme Vygotsky (1994), o estado de desenvolvimento mental de uma criança só pode ser plenamente determinado se for revelado o nível de desenvolvimento real e a zona de desenvolvimento proximal (ZDP). O primeiro é caracterizado pelas seguintes manifestações em um indivíduo: funções que já amadureceram; soluções de problemas de forma independente; aquilo que ela consegue fazer por si só. A segunda (ZDP) corresponde à distância entre o nível real e o nível potencial. É caracterizada pela solução de problemas sob a orientação de um adulto ou em colaboração com companheiros mais capazes.
Nesse ponto é viável a aplicação de um questionário diagnóstico a fim de verificar aquilo que o aluno já conhece sobre determinado tema de química antes de aplicar o recurso didático como a atividade mediada pelas representações presentes nas pranchetas de origami arquitetônico. De posse do resultado diagnóstico, é possível partir de um ponto comum, para
que todos os alunos tenham condições de acompanhar o desenvolvimento das atividades mediadas pelas ferramentas (pranchetas), intervenção do professor e ajuda de colegas que possam ter um desenvolvimento mais avançado em geometria molecular.
3.1.2 Contribuições de Peirce no entendimento da semiótica
Charles S. Peirce (1839 – 1914) foi um dos estudiosos da semiótica, e na empreitada de desenvolver uma teoria geral dos signos, transitou entre várias áreas do conhecimento, inclusive a química. Demonstrou grande interesse pela lógica das ciências, levando-o a desenvolver um sistema de signos, que segundo Wartha e Rezende (2017, p. 193), possibilita “[...] discutir a correspondência entre realidade e representação, [...] veiculada pelo signo sem negar a realidade em si mesma.”
Embora Vygotsky tenha introduzido o estudo dos signos em suas pesquisas no âmbito da psicologia, não sistematizou uma teoria semiótica como o fez Peirce. Conforme Pino (1995) a semiótica em Vygotsky é identificada como um sistema de símbolos no qual se prioriza o papel dos signos linguísticos na formação das representações. Desse modo, ao olhar para um objeto junto com sua a imagem visual, o indivíduo o associa à palavra que lhe confere o sentido culturalmente estabelecido. Nessa percepção semiótica, objeto e signo (palavra) se completam no seu significado.
Buscando entender melhor as distinções entre o uso de signos por Vygotsky e a semiótica de Peirce, percebe-se que embora abordem aspectos distintos, eles são complementares e não contraditórios em suas conclusões (WARTHA; REZENDE, 2017). Encontra-se em Farias e Queiroz (2017, p.23) que a lógica é a essência da semiótica peirciana na teoria geral dos signos, sendo definida como a ciência das representações em geral. Para Peirce (2005, apud FARIAS; QUEIROZ, 2017), o signo está em uma relação irredutível de três elementos ou tríade que são: objeto, signo e interpretante. O signo como um elemento dentro dessa tríade é chamado de representamen.
Farias e Queiroz (idem) explicam esses aspectos de semiótica de Peirce, indicando signo ou representamen como aquilo que representa alguma coisa (algo ou alguém) para alguém. Na estrutura da relação triádica, o signo é uma representação de uma segunda coisa, o seu objeto (de existência concreta ou não), e se relacionam em função de um terceiro elemento, o interpretante. O interpretante diz respeito aos construtos teóricos existentes na mente daquele a quem o signo está direcionado. Desse modo, em sua mente, surge um signo equivalente e mais desenvolvido, que interpreta o objeto definindo-o conforme suas características.
No que diz respeito a sua relação com o seu objeto, Peirce divide os signos em ícone, índice e símbolo. O ícone apresenta uma relação analógica de semelhança (visual ou de propriedades) com o objeto, ou seja, é “uma representação cuja relação [...] é mera comunidade7 com seu objeto”; o índice apresenta relação de equivalência, de proposição, pois há uma ligação física direta com o objeto, ou seja, “é uma representação cuja relação com o objeto é uma mera correspondência de fato com seu objeto”; o símbolo está associado ao seu objeto de forma convencional, por uma lei ou argumento, ou seja, “é uma representação cujo fundamento da relação com seu objeto é uma característica imputada.” (FARIAS; QUEIROZ 2017, p. 23).
Ao analisar essa tríade semiótica, verifica-se que a ação de mediação é exercida pelo signo, pois o interpretante percebe um signo gerado a partir do objeto. Portanto, a denotação em ícone, índice e símbolo depende do nível dessa relação, que pode ser, respectivamente, de uma simples qualidade, avançando para uma relação de existência, e finalmente chegando a uma composição triádica genuína de lei. Wartha e Rezende (2017) procuram correlacionar essa tríade ao processo de ensino, estabelecendo uma relação, que chamam de tríade pedagógica. Pressupondo que representação é mediação, eles adotam para signo, a sala de aula como espaço de percepção, para objeto, os entes químicos, e para interpretante, a elaboração de conceitos. Desse modo, interpretam signo-objeto-interpretante como sendo, perceber-relacionar-conceituar. A figura 6 mostra um esquema desse pensamento.
Figura 6 – Tríade pedagógica em sala de aula
Fonte: Adaptado de Wartha e Rezende (2017)
Conforme Wartha e Rezende (2017), a semiótica de Peirce oferece múltiplas possibilidades de interpretações em processos que envolvem representações de entes químicos, como por exemplo, átomos e moléculas. A percepção sobre esses processos pode
7 O poder do significado está em ostentar alguma semelhança com o objeto, seja visual ou de propriedade (GOIS; GIORDAN, 2007).
ser ampliada, possibilitando a criação de construtos teóricos que irão refletir na elaboração de conceitos. Segundo Gorri (2014, p. 73), para que isso seja possível, é necessário entender que “todas as articulações estabelecidas entre as entidades triádicas – signo, objeto e interpretante – ocorrem nos três níveis semióticos propostos por Peirce [...]”.
As três categorias (ou níveis) semióticas (1ª, 2ª e 3ª tricotomias) se relacionam a um grupo de possíveis respostas designadas por: primeiridadade, secundidade e terceiridade. Farias e Queiroz (2017, p. 39) às traduzem nos seguintes grupos de perguntas e respostas (três perguntas e três respostas possíveis a cada uma delas). (i) 1ª tricotomia: “O que é o signo em si mesmo? 1. Uma mera qualidade, um qualisigno; 2. Um existente atual, um sinsigno; 3. Uma lei geral, um legisigno.” (ii) 2ª tricotomia: “Como ele se relaciona com seu objeto? 1. Relaciona-se em virtude de suas próprias características, é um ícone; 2. Relaciona-se de forma existencial, é um índice; 3. Relaciona-se através de convenções, é um símbolo.” (iii) 3ª tricotomia: “De que modo, através do interpretante, ele apresenta seu objeto para um possível intérprete? 1. Como um signo de possibilidade, um rema; 2. Como um signo de fato, um dicente; 3. Como um signo de lei, um argumento.” Veja o resumo no quadro 1.
Quadro 1 – Nove classes de signos resultante das relações tricotômicas
CATEGORIAS (1ª tricotomia)
O que é o signo em si mesmo?
(2ª tricotomia)
Como ele se relaciona com seu objeto?
(3ª tricotomia)
Como ele se apresenta para seu interpretante? 1.Primeiridade Resposta monádica Qualisigno Em si mesmo, o signo é de natureza das aparências.
Ícone
Refere-se ao objeto em virtude de suas próprias características.
Rema
Para seu interpretante é um signo de possibilidade. 2. Secundidade Resposta diádica Sinsigno Em si mesmo, o signo é da natureza de um objeto ou fato individual. Índice Refere-se ao objeto em virtude de alguma relação existencial. Dicente
Para seu interpretante é um signo de existência atualizada.
3. Terceiridade
Resposta triádica
Legisigno
Em si mesmo, o signo é da natureza de um tipo geral.
Símbolo
Refere-se ao objeto em virtude de algum tipo de convenção.
Argumento
Para seu interpretante é um signo de lei.
Fonte: Adaptado de Farias e Queiroz (2017).
Essas nove modalidades de signos situam as entidades semióticas de Peirce e o modo como elas se relacionam na construção dos significados. Porém, para atender a proposta desta pesquisa, é suficiente a aplicação da segunda tricotomia, na qual se encontra como o signo está relacionado ao seu objeto. Farias e Queiroz (2017) reconhecem essa relação como a mais importante, pois o caráter representativo de um signo depende de como ele se coloca como representante do objeto. Segue-se a discussão sobre como esses pressupostos teóricos, de
Vygotsky e Peirce, podem ajudar a entender o processo de apropriação das representações no campo da química.
3.1.3 Mediação semiótica nas representações em química
A linguagem da química é encorpada em símbolos e formas bem específicas para representar os fenômenos da natureza. Conforme Gonzalez e Silva (2017), a partir do século XVII, os químicos, decididos a fazer uma reforma nessa ciência, passaram a introduzir uma linguagem própria através da sistematização de códigos, fórmulas e nomes das substâncias. Portanto, pesquisadores em educação química (PAULETTI; CATELLI, 2018; GONZALEZ; SILVA, 2017; WARTHA; REZENDE, 2017; GORRI, 2014; SOUZA; PORTO, 2012) preocupados com a aprendizagem de conceitos e do domínio dessa linguagem, passaram a explorar teorias de aprendizagem como a semiótica de Peirce e a histórico-cultural de Vygotsky na busca por caminhos que facilitem a compreensão dessa ciência.
De acordo com Gonzalez (2016, p. 35), a palavra na perspectiva de Vygotsky parece agir como signo, assim como uma fórmula empírica ou um desenho. Ela é ao mesmo tempo expressão e significado. Pino (1995) afirma que em Vygotsky também encontra-se uma tríade, no que diz respeito ao signo linguístico. Ela é composta de “palavra ou som”, “referente” e “significado”. A palavra correspondendo à realidade física; o referente àquilo a que a palavra se refere, seja física ou não; o significado, indicando o aspecto sob o qual a palavra refere-se ao referente. Ao falar da percepção humana, Vygotsky diz que a percepção de objetos reais surge em idade muito precoce. Ele destaca a importância dos sentidos e dos significados das coisas, para a compreensão da realidade. Nas suas palavras, “[...] o mundo não é simplesmente visto em cor e forma, mas também como um mundo com sentido e significado” (VYGOTSKY, 1994, p. 44).
É importante entender que em Vygotsky não há aprendizagem sem mediação, e esta ocorre com a presença de signos. O mesmo pode ser dito da semiose de Peirce (WARTHA; REZENDE, 2017). No que diz respeito ao ensino de química, a aprendizagem de seus conceitos se relaciona com a capacidade do indivíduo transitar livremente entre os três níveis do conhecimento químico, submicroscópico, macroscópico e representacional. Gois e Giordan (2007) consideraram esses aspectos ao afirmarem que existe uma intenção por parte dos educadores para que os signos possam atingir os significados a que são propostos ao estabelecer relações com os construtos teóricos presentes nas mentes dos estudantes.
Existem signos que são próprios da química, sendo fundamental que a comunicação seja estabelecida no mesmo nível do conhecimento químico, tanto para o professor quanto
para o aluno, pois a significação de uma palavra referente a um objeto, experiência ou conceito, deve ser a mesma para ambos. Se as referências faladas estão no nível macroscópico, ou seja, do que é perceptível aos sentidos por observação sensorial, se torna mais fácil para o aluno entender o que o professor está comunicando. Nesse nível, na maioria das vezes, são as palavras que atribuem os significados, por indicar a existência de algo, ou associar-se a construtos que já estão na mente dos alunos. O professor pode, por exemplo, falar de fenômenos do cotidiano, pedir que os alunos relatem aspectos qualitativos de uma aula no laboratório como cor, cheiro, etc., imaginarem um experimento ou descrever as formas geométricas de um modelo bola vareta.
No nível submicroscópico, por ser um construto teórico, resultante da unificação do conhecimento químico teórico e experimental, no qual os fenômenos são tratados a nível molecular, os signos, conforme esses autores são formados por palavras, figuras, analogias e metáforas. Ao trabalhar nesse nível, o professor não tem a sua disposição uma experiência vivida pelo aluno, pois este não tem como visualizar, por exemplo, o choque das moléculas durante uma aula de cinética química, sendo necessário fazer uso de analogias ou metáforas para que o aprendizado do aluno se aproxime do desejado. O signo nesse caso deve estabelecer uma relação de semelhança com o objeto de conhecimento.
Por último, temos a dimensão simbólica do conhecimento químico, que é bastante explorada quando o professor trabalha com o nível submicroscópico. Gois e Giordan (2007) destacam que nessas representações são utilizadas notações, terminologias e simbolismos especializados, incluindo gráficos e equações matemáticas. Elas resultam do trabalho de químicos e de convenções estabelecidas em congressos mundiais. Nesse nível, o professor usa como signo representacional as palavras, notações e equações.
O valor da palavra surge de sua significação, desse modo, a linguagem se articula com o pensamento, originando o pensamento verbal. Conforme Vygotsky (1994), no ato de brincar, a criança faz uso de sua imaginação como um jogo simbólico. Um cabo de vassoura pode ser um cavalo para ela. Isso se torna possível porque ela consegue fazer uma relação entre ambos embora às formas não sejam semelhantes. Como ele mesmo diz, “a essência do brinquedo é a criação de uma nova relação entre o campo do significado e o campo da percepção visual – ou seja, entre situações no pensamento e situações reais.” (VYGOTSKY, 1994, p. 136).
A aprendizagem na semiótica de Peirce reconhece a dependência entre a realidade e representação, na qual objetos reais são veiculados pelos signos, sem que esta seja negada em si mesma (WARTHA; REZENDE, 2017). Conforme esses autores, a representação envolve
atribuições de sentidos ou elaborações conceituais, que associadas a estratégias de comunicação (as diversas ferramentas de mediação) ampliam ou tornam mais eficiente a percepção de um indivíduo sobre determinado objeto. Assim, quanto maior e diversificado for o número de ferramentas de comunicação, maior serão as possibilidades de relações entre signo e objeto.
Esses estudos são úteis à aprendizagem de química, pois os alunos do Ensino Médio estão na idade em que todas as funções psíquicas superiores estão plenamente desenvolvidas, incluindo as operações intelectuais básicas, o pensamento lógico-formal e a capacidade de operar logicamente com os conceitos. (VYGOTSKY, 1996 apud MONTEIRO, 2016, p.7.). Assim, a mediação é necessária para auxiliar os alunos a se apropriarem dos significados das representações, sejam por palavras, objetos moleculares concretos ou virtuais, fórmulas estruturais, símbolos químicos, equações, ou qualquer outra forma convencional criada para o desenvolvimento dessa ciência.
De acordo com Pauletti e Catelli (2018), as representações 3D de uma estrutura molecular favorecem ao aluno transitar do nível simbólico para o microscópico. Como na maioria das aulas de Química do Ensino Médio, por questão de praticidade, se utilizam apenas representações simplificadas com letras e números (GOIS; GIORDAN, 2007), seus significados precisam ficar bem claros para os alunos. Gois e Giordan exemplificam a diferença dessas representações conforme o esquema do quadro 2.
Quadro 2 – Três categorias para representações da ureia: tipo de representação química; nível de conhecimento químico e qualidade semiótica
Representação Categorias Tipo de representação química Nível de conhecimento químico Qualidade semiótica NH2 – CO – NH2 Formula estrutural condensada Simbólico Simbólica Objeto molecular virtual (ou concreto)
Submicroscópico Icônico
C, N, H e O Letras Simbólico Indicial
Fonte: Adaptado de Gois e Giordan (2007, p. 42).
Como exemplo de ícone, a figura da ureia (objeto molecular) em 3D (virtual ou concreto tipo bola-vareta), não requer do observador (interpretante) um conhecimento prévio de química para perceber as duas características básicas que se destacam ao visualizá-la: “[...]
a descontinuidade da matéria nas unidades discretas da molécula [e] a tridimensionalidade do ente molecular.” (WARTHA; REZENDE, 2011, p. 286). Portanto, um professor em sala de aula pode associar por semelhança à teoria de Dalton, o conceito de descontinuidade da matéria (GOIS; GIORDAN, 2007) e destacar a diferença de átomos indicados pelas cores. Assim, as esferas azuis, cinzas, preta e vermelha, nesta representação, simbolizam respectivamente os átomos de nitrogênio, hidrogênio, carbono e oxigênio.
A fórmula estrutural condensada NH2 – CO – NH2, está no nível simbólico do
conhecimento químico, na qual cada letra (N, H, C e O) pode ser considerada um exemplo de índice por ter, nesse caso, “[...] apenas o nome como principal propriedade.” (WARTHA; REZENDE, 2011, p. 286). Portanto, existe uma ligação direta entre o signo e o objeto (GOIS; GIORDAN, 2007), na qual o N representa o átomo de nitrogênio, o H, o átomo de hidrogênio, o C, o átomo de carbono e o O, o átomo de oxigênio. Nesse caso, a representação só fará sentido para o interpretante se houver nele a informação prévia de que, por exemplo, o N representa o elemento nitrogênio, e etc. Assim, conforme Gois e Giordan (2007) o índice é afetado pelo significado enquanto promove a significação, pois a indefinição do objeto acarreta a perda do significado pretendido. Por essa razão, esses autores informam que no uso de objetos moleculares (virtuais ou concretos) o enfoque deve estar voltado para o caráter icônico de semelhança e não para o caráter indicial. Desse modo, evitam-se erros conceituais, como, por exemplo, pensar que os átomos possuem cores ou que se ligam por bastões.
3.2 O ENSINO DE QUÍMICA E A GEOMETRIA MOLECULAR
3.2.1 Desafios e propostas para o ensino de química
O ensino de química vem sendo repensado e discutido por pesquisadores dessa área de conhecimento (DEAN et al., 2019; CLEOPHAS; SOARES, 2018; CARLISLE; TYSON; NIESWANDT, 2015), a fim de ajudarem os professores a superarem os desafios que se apresentam no processo de ensino e aprendizagem. Educadores em química (CLEOPHAS; SOARES, 2018) estão preocupados com o alto índice de dispersão dos alunos em sala de aula, com as dificuldades de aprendizagem e, em como potencializar o ensino de química. Embora a palavra química esteja presente no cotidiano das pessoas, outro desafio imposto ao professor de química, é o de “[...] acompanhar as descobertas científicas que se inserem cada vez mais no cotidiano, e tornar os avanços e teorias científicas acessíveis aos alunos do Ensino Fundamental e Médio” (LIMA, 2013, p. 61).
Essa opinião é compartilhada por Cleophas e Soares (2018) ao afirmarem que os professores devem relacionar conhecimento científico com saber cotidiano. Lima (2013), ainda discute a forma como o ensino de química vem se perpetuando no Brasil, onde se valoriza a memorização de regras e fórmulas. Para contornar essa situação, espera-se encontrar no professor um espírito investigativo e criativo, tornando-o capaz de adotar metodologias que possam concretizar o saber de forma efetiva. Para Lima (2012), problematizar, desafiar e estimular são itens que não podem faltar quando se deseja tornar o ensino de química significativo, ou seja, que leve o aluno a construir seu saber científico. Entre suas propostas para aproximar o aluno do conhecimento químico, Lima (2013) inclui a contextualização, o uso das tecnologias, metodologias de projeto e diversificação de materiais didáticos.
Conforme o referido autor, ainda é necessário que o aluno tenha consciência de seu papel como agente transformador e preservador do mundo em que está inserido, tornando-se corresponsável pelo o que nele ocorre. Em suas palavras, é “[...] preciso que o conhecimento químico seja apresentado ao aluno de uma forma que o possibilite [a] interagir ativa e profundamente com o seu ambiente, entendendo que este faz parte de um mundo do qual ele também é ator e corresponsável.” (LIMA, 2012, p. 98).
Desse modo, Pauletti e Catelli (2018) acrescentam que o conhecimento proporcionado pela química favorece a formação do pensamento crítico. O aluno que possui essa habilidade é despertado para entender os efeitos que os produtos desenvolvidos por essa ciência podem ocasionar no meio ambiente e ser capaz de se posicionar de forma autônoma e ativa na sociedade. Além disso, esses autores vêem nessa disciplina, um potencial que pode levar o aluno a entender o mudo físico e as transformações que nele ocorrem. Assim, a química trará maior contribuição à formação do aluno, quando ele for capaz de entender o significado e a importância do que está sendo ensinado (ARAÚJO; MALHEIRO; TEIXEIRA, 2013).
Cleophas e Soares (2018) seguem um viés inovador para o ensino de química, ao compilar discussões científicas sobre o lúdico nas aulas de química, com a intenção minimizar problemas relacionados ao ensino e aprendizagem dessa disciplina. Segundo os autores, para o ensino ser mais efetivo deve, entre outras coisas, incentivar a formação de valores e atitudes, promover competências e habilidades, ser prazeroso, desafiador e contextualizado. Assim, o professor deve criar condições, durante a aula, que levem o aluno a refletir e tornar-se capaz de atribuir “[...] significados aplicacionais ao tornar-seu dia a dia a partir dos conteúdos vistos em sala de aula.” (CLEOPHAS; SOARES, 2018, p. 11).
No entanto, alguns problemas de aprendizagem em química vão além da falta de motivação, sendo apontados como parte da própria natureza da química e de competências cognitivas do aluno, como por exemplo: o elevado nível de abstração da disciplina (PAULETTI; CATELLI, 2018), os diferentes níveis de representações (DEAN et al., 2019; REZENDE, 2017; STULL et al., 2016; WARTHA; LEAL, 2009) e a necessidade de uma percepção visual tridimensional por parte dos alunos (HARRIS, 2019; JONES; SPENCER, 2017; WANG, 2017). Uma prática comum para aprimorar o desenvolvimento de competências representacionais e inteligência espacial,8 tem sido utilizar estratégias que requerem o uso de modelos concretos ou virtuais (DEAN et al., 2019; PENNY et al., 2017). Eles também auxiliam na superação de obstáculos conceituais relacionados às propriedades dos diferentes materiais (KHINE, 2017; WANG, 2017), em temas que necessitam da visualização de objetos tridimensionais (DEAN et al., 2019) ou do entendimento de relações espaciais (CARLISLE; TYSON; NIESWANDT, 2015).
3.2.2 Níveis representacionais no ensino de química
Wartha e Rezende (2017) apontam para Johnstone (1982, 1991, 1997 apud WARTHA; REZENDE, 2017) como um dos primeiros pesquisadores em química a evidenciar os três níveis representacionais presentes em um fenômeno: nível macroscópico, nível simbólico e nível submicroscópico. Embora apresentem uma crítica quanto às limitações dos três níveis representacionais de Johnstone, os referidos autores concordam que existem estudos indicando como um dos obstáculos na aprendizagem de química, as dificuldades que os alunos encontram em interpretar e utilizar representações, bem como transitar entre esses níveis do conhecimento em relação a um ente químico. Pesquisas posteriores corroboram essa observação (MERINO et al., 2018; PAULETTI; CATELLI, 2018; SIQUEIRA; FILHO; CIRINO, 2018), e acrescentam que os estudantes têm maiores dificuldades em entender particularmente, o nível representacional, por está mais relacionado ao aspecto submicroscópico da matéria, com suas características invisíveis e abstratas.
Leal (2009) entende que uma prática docente, consistente e significativa, não será possível sem a compreensão da verdadeira natureza da Química. Referenciando Mortimer et al. (2000), ele apresenta um esquema semelhante ao de Johnstone (1993) para os três aspectos
8 Conforme Dean, et al. (2019), a competência representacional refere-se ao conjunto de habilidades voltadas para a construção, seleção, interpretação e uso de representações para comunicação, aprendizagem ou solução de problemas, que, no caso da química, permite a interpretação espacial de uma estrutura molecular para prever sua reatividade.
A inteligência espacial se relaciona a capacidade de “[...] identificar, recuperar e aplicar informações abstratas complexas para materiais e fenômenos naturais tridimensionais.” (HARRIS, 2019, p. 4)
químicos como uma forma de relacionar as propriedades, a constituição e as transformações das substâncias e materiais. A saber: o fenomenológico, o teórico e o representacional. Desse modo, raciocinar corretamente com o aspecto representacional (linguagem própria da química) o teórico (racional, modelos) e o fenomenológico (empírico), é considerado por esse autor como o cerne do “funcionamento da Química”. Ao enfatizar esses três aspectos, ele assim define o que chama de funcionamento da Química:
O modo como essa forma de conhecimento organiza suas explicações (conceitos e teorias) e seus esquemas representacionais (símbolos, fórmulas, equações) em correlação com os fenômenos (objetos, fatos, acontecimentos) de interesse da Química e dos químicos. (LEAL, 2009, p.14).
Pauletti e Catelli (2018, p. 254), partindo dos estudos de Wu, Krajcik e Soloway (2001 apud PAULETTI; CATELLI, 2018) sintetizaram os três níveis do conhecimento químico da seguinte forma: “nível macroscópico diz respeito aos fenômenos [...] perceptíveis numa dimensão visível. O nível simbólico envolve as fórmulas, equações químicas e estruturas [...]. O nível microscópico [...] os movimentos e arranjos de moléculas [...].” Esses autores propõem a utilização de modelos virtuais como uma alternativa para superar o que consideram uma das maiores dificuldades de aquisição do conhecimento químico, que é compreender o nível submicroscópico. Segundo Dean et al. (2019), atividades que utilizem ferramentas de modelagem molecular, como modelos bola e vareta, também são estratégias que auxiliam na visualização desse nível representacional.
Assim, pode-se afirmar que dos três aspectos mencionados, o que está mais presente na realidade cotidiana do aluno é o fenomenológico (PAULETTI; CATELLI, 2018), o qual se refere a fatos tais como: a combustão do gás gerando a chama em um fogão, um aumento na velocidade de decomposição de um comprimido em água, quando pulverizado ou experimentos realizados por cientistas. Nem todos os exemplos são do dia-a-dia do estudante, mas o professor pode explorar o potencial desse modelo tripleto de Johnstone (HARRIS, 2019), para introduzir seletivamente, modelos e teorias (aspecto teórico) e a linguagem química (aspecto representacional) de forma significativa (MERINO et al., 2018), pois partirá de um conhecimento que o aluno já possui ao introduzir novos conceitos.
3.2.3 O uso de modelos em química
Foi discutido que a necessidade de articulação entre o mundo micro e macro é uma preocupação de pesquisadores em educação química, que se traduz de forma mais evidente na criação de modelos explicativos dos fenômenos e visualização de formas 3D (DEAN et al.,
2019; JONES; SPENCER, 2017; ARAUJO; MALHEIRO; TEIXEIRA, 2013). Este fato vem sendo ressaltado na educação básica brasileira desde 1999 através dos Parâmetros Curriculares Nacionais (BRASIL, 1999). A Base Nacional Comum Curricular (BNCC) para o Ensino Médio (2018) também destaca a importância de modelos explicativos ao lidar com a matéria particulada e microscópica em suas transformações, propondo um ensino mais aprofundado para os alunos, conforme esse nível de ensino, para que estes “[...] ampliem as habilidades investigativas [...], apoiando-se em análises quantitativas e na avaliação e na comparação de modelos explicativos.” (BRASIL, 2018, p. 538).
Alguns pesquisadores em educação química (MERINO et al., 2018; LEAL, 2009) defendem que o conhecimento químico, para ser melhor compreendido, necessita da introdução do conceito de modelo. Leal (2009), a título de analogia, se reporta a modelo como uma forma de linguagem que nos diz algo através de uma imagem, como uma teoria diz em conceitos e proposições. Essas imagens são criadas, para estar junto às teorias, ajudando a compreender aquilo que não pode ser visto diretamente. Conforme Merino et al. (2018), os modelos tornam-se necessários para explicar determinados fenômenos por serem descrições ou representações simplificadas da complexidade desses fenômenos.
Embora os modelos possam ser identificados como uma simplificação da realidade observável em nível macro (MERINO et al., idem), a utilização de “[...] modelos tangíveis para ajudar os estudantes a visualizar estruturas químicas em três dimensões tem sido um dos pilares da educação química por muitos anos.” (JONES; SPENCER, 2018, p. 88, tradução nossa). De acordo com Dean et al. (2019), os modelos, quando devidamente utilizados, podem melhorar o entendimento dos alunos, especialmente em habilidades espaciais e Geometria Molecular. Esses modelos, segundo Justi (2015, p. 40), podem ser apresentados, por exemplo, de modo “[...] concreto, bidimensional, virtual, verbal, gestual ou matemático”, como uma forma de expressar o que chama de “modelo mental”, formado na estrutura cognitiva do indivíduo.
Justi (2015) reconhece que a grande importância atribuída aos modelos em ciências, é decorrente das variadas funções que estes desempenham na assimilação de conceitos. Pois eles são utilizados na fundamentação de explicações, na proposição de inferências, no suporte para elaboração de teorias ou conforme Merino et al. (2018), na visualização de entidades abstratas. Portanto, de acordo com Justi (2015) e Vries, Ferreira e Arroio (2014), há uma concordância de que os modelos são parte intrínseca da ciência, como um de seus produtos fundamentais na aquisição do conhecimento científico, seja por meio da construção
