RAFAELCÉSARBOLLELIFARIA
EXPERIMENTAÇÃOREMOTACOMOSUPORTENOENSINOEAPRENDIZAGEMDE
CIÊNCIASEBIOLOGIA
REMOTE EXPERIMENT AS A SUPPORT IN SCIENCE AND BIOLOGY EDUCATION AND LEARNING
CAMPINAS 2019
EXPERIMENTAÇÃOREMOTACOMOSUPORTENOENSINOEAPRENDIZAGEMDE
CIÊNCIASEBIOLOGIA
REMOTE EXPERIMENT AS A SUPPORT IN SCIENCE AND BIOLOGY EDUCATION AND LEARNING
Tese apresentada ao Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Ensino de Ciências e Matemática, na Área de Ensino de Ciências.
Thesis presented to the Institute of Physics the University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Science and Mathematics, the area of Science Teaching.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Galembeck
ESTE ARQUIVO DIGITAL CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DE DOUTORADO DO ALUNO RAFAEL CÉSAR BOLLELI FARIA, ORIENTADO PELO PROF. DR. EDUARDO GALEMBECK
CAMPINAS 2019
TESEDEDOUTORADO
EXPERIMENTAÇÃOREMOTACOMOSUPORTENOENSINOEAPRENDIZAGEMDE
CIÊNCIASEBIOLOGIA
AUTOR:RAFAELCÉSARBOLLELIFARIA
Comissão Examinadora
Prof. Dr. Eduardo Galembeck (Orientador)
Prof. Dr. Samuel Rocha de Oliveira (PECIM - UNICAMP) Prof. Dr. Marco Aurélio Nicolato Peixoto (IFMG)
Prof. Dr. Eduardo Kojy Takahashi (UFU) Prof. Dr. Paulo Afonso Granjeiro (UFSJ)
A Ata da Defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
CAMPINAS 2019
laboratório, pela ideia do projeto, por sua orientação e trabalho conjunto na bancada, além da sua amizade. A minha gratidão e admiração pela relação que você constrói com seus orientandos, com certeza você é um exemplo de orientador e professor.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação Multiunidades em Ensino de Ciências e Matemática e secretaria do PECIM da UNICAMP, que sempre foram muito solícitos e compromissados com o propósito do programa, contribuindo enormemente para o meu crescimento, além do carinho e atenção comigo.
Aos professores Paulo Granjero, Jualiana Rink, Eduardo Takahashi e Cláudia Bortolato, pelas correções e sugestões na qualificação, foi essencial para a melhoria do trabalho.
À FAPESP, pelo apoio institucional e financeiro (processo 16/05243-7).
Ao IFSULDEMINAS - Campus Inconfidentes pelo trabalho do dia-a-dia, por abrir as portas para que eu realizasse o trabalho, além do fundamental afastamento nestes quase últimos dois anos de trabalho. Além dos queridos alunos e professores desta Instituição que participaram da pesquisa, como também à Escola Estadual Felipe dos Santos.
Aos meus grandes amigos de convivência e trabalho, em especial - Cristiane, José, Melissa, Lidiane, Paulo, Aline, Paula, Luis, Tone, Bárbara, Luiz, Claudino, Neidinha, Ygor, Yuri e tantos outros que convivi diariamente ao longo destes 10 anos de Instituto. Agradeço e aprendo demais com vocês.
Aos meus queridos colegas de LTE - Gabriel, Ivana, Gabriela, Cláudia, Paula, Verônica, Carmen, Juan, Janniffer, Thanuci, Grace e Mayara, que ajudaram muito direta ou indiretamente na construção dos experimentos, mas principalmente, tornaram essa fase mais agradável e calorosa em Campinas.
Aos meus pais, irmãos e sobrinhos que sempre estiveram na torcida pelo meu sucesso. Amo vocês demais, vocês são tudo na minha vida. A minha sogra que sempre me acolheu com tanto amor e carinho.
A minha esposa Natália, que compartilha comigo todos os momentos, principalmente nesta caminhada dupla de pós-graduandos que construímos juntos. Amo-te e espero viver sempre ao seu lado.
atividades práticas, principalmente nas escolas públicas, é o sucateamento dos recursos. Das poucas instituições públicas que têm esta infraestrutura, os equipamentos estão ultrapassados em geral, e já não atendem a demanda dos alunos, em números, disponibilidade de reagentes e como também em equipe técnica para suporte. Entretanto, cerca de 90% das escolas públicas brasileiras (INEP) dispõem de conexão à Internet. Diante deste cenário do baixo número de escolas contempladas com laboratórios para práticas nas áreas das Ciências e disponibilidade de Instituições de Ensino com acesso a Internet, surge a oportunidade da criação e utilização de laboratórios que permitam o acesso remoto para controle de experiências práticas através da Internet. O acesso remoto pode representar um modo fácil de disponibilizar a interação com experimentos reais e promover situações que propiciem à Alfabetização Científica. Dessa maneira, buscamos responder a pergunta: "Quais são os limites e as possibilidades dos experimentos remotos desenvolvidos para fornecer suporte ao ensino e aprendizagem de Ciências e Biologia?" A partir da questão de pesquisa exposta, utilizamos para o processo de desenvolvimento dos experimentos remotos as quatro fases da metodologia de desing. Além de desenvolver os experimentos e a comunicação destes experimentos com os usuários, utilizamos as vivências dos alunos e professores de Biologia do IFSULDEMINAS - Campus Inconfidentes para analisar a usabilidade por meio da escala de concordância de cinco pontos elaborada por Likert. A principal contribuição do trabalho está no desenvolvimento dos experimentos remotos de Ciências e Biologia, os experimentos foram de caráter - ilustrativos, descritivos e investigativos, todos disponíveis em tempo real, permitindo a visualização de dados, gráficos, tabelas e medidores, além de imagens. Os experimentos criados foram: Estação Climática, Microscópios e Lupas Eletrônicas, Terrário, Aquário e Fotossíntese, todos estão disponíveis online e livre para ser acessados. Os experimentos classificados como investigativos proporcionaram a presença de indicadores de Alfabetização Científica mais complexos, tanto na presença, quanto em quantidade. Verificamos pelas respostas dos alunos, uma excelente aceitação dessa inovação pedagógica, acima de 90%. Opinião confirmada por professores de Biologia do Campus. Para 89% dos alunos, o uso do experimento remoto proporcionou um ganho no aprendizado. As limitações encontradas na utilização dos experimentos remotos desenvolvidos no LTE, estão na disponibilidade de acesso à internet para os alunos nas Escolas públicas de MG, como também na manutenção cotidiana dos experimentos. O Google Analytics, registrou mais de 4 mil acessos de 579 usuários, sendo alunos, professores, pesquisadores, pessoas de um forma geral, que interessaram-se na oportunidade de manipular e investivar experimentos reais do LTE - UNICAMP. Os experimentos remotos desenvolvidos e disponibilizados mostram potencial para serem utilizados como meio de disseminar a prática experimental de conteúdos biológicos entre alunos e professores que não dispõem de laboratórios.
Palavras-chave: ensino de ciências; laboratório remoto; alfabetização científica;
processes of Sciences. A problem that hinders the application of experimentation and practical activities, especially in public schools, is the scrapping of resources. From the few public institutions that have this infrastructure, the equipment is outdated, and no longer meet the demand of the students, when it comes to student numbers, availability of reagents as well as technical support staff. However, about 90% of Brazilian public schools (INEP) have an Internet connection. Faced with this scenario of the low number of schools with laboratories for practices in the areas of science and the availability of educational institutions with Internet access, it enhances the opportunity to create and use laboratories that allow remote access for the practical controled experiences through the Internet. Remote access may represent an easy way to make interaction with real experiments possible and promote situations that lead to Scientific Literacy. This way, we try to answer this question: "What are the limits and possibilities of the remote experiments developed to provide support to the teaching and learning the Science and Biology"? From the above research question, we used the four phases of the design methodology for the development of the remote experiments. In addition to developing the experiments and the communication of these experiments with the users, we used the experiences of the biology students and professors from IFSULDEMINAS – Inconfidentes College to analyze the usability through the scale of agreement of five points elaborated by Likert. The main contribution of the work was in the development of remote experiments in Science and Biology, the experiments were of character - ilustrative, descriptive and investigate, all available in real time, allowing the visualization of data, graphs, tables and meters, as well as images. The experiments developed were: Climatic Station, Microscopes and Electronic Magnifiers, Terrarium, Aquarium and Photosynthesis, all available online and free to be accessed. The experiments classified as investigate provided the presence of more complex scientific literacy indicators, both in presence and quantity. We verified by the students responses, an ecellent acceptance of this pedagogical innovation, above 90%. Opinion confirmed by teachers College Biology. For 89% of the students, using the remote experiment provided a gain in learning. The limitations encountered in the use remote experiments developd in the LTE are the availability of Internet acess foe students in the Public Schools of MG, as well as in the daily maintenance of the experiments. Google Analytics registration of more than 4 thousand accesses of 579 users, being them students, teachers, researchers, people in general , that were interested in the opportunity to manipulate and to investigate real experiments available at the Educational Technology Laboratory - UNICAMP. The remote experiments developed and available show potential to be used as a mens of disseminating the experimental practice of biological contents between students and teachers who do not have laboratories.
Keywords: science education; remote laboratories; scientific literacy; experimentation;
Fig. 01 Relação entre experimentos, trabalho de laboratório e trabalho prático. 22 Fig. 02 Diagrama de representação das Fases da DBR utilizadas no desenvolvimento
dos experimentos remotos do LTE
43 Fig. 03 Esquema representativo da avaliação da forma de avaliação dos
experimentos remotos de Ciências e Biologia desenvolvidos e disponibilizados no LTE.
45 Fig. 04 Modelos de microcontroladores utilizados nos experimentos remotos do
LTE: a - Arduino UNO; b - NodeMCU (ESP8266); c - Multiplexador 4051; d - Arduino Mega.
46 Fig. 05 Ambiente de desenvolvimento integrado do Arduino (IDE), foi utilizado
para escrever a programação dos experimentos fazer upload de bibliotecas dos sensores utilizados.
47 Fig.06 Microcontrolador utilizado para acessar e transmitir as imagens das câmeras
- Raspberry Pi 3B. 49
Fig.07 Evolução da interface de acesso aos experimentos remotos disponíveis no LTE. Imagem A - protótipo do esquema do site; Imagem B - página inicial do projeto , em Joomla; Imagem C - página atual do projeto.
49 Fig. 08 Sistema de Gerenciamento dos Experimentos Remotos - LTE - página inicial 50 Fig. 09 Página inicial de cadastramento do experimento remoto - página do
administrador
50 Fig. 10 Detalhe de um experimento remoto e as possibilidades fornecidas pelo
sistema de gerenciamento.
51 Fig. 11 Sistema de gerenciamento do experimento remoto cadastrado - página do
experimento. 51
Fig. 12 Sistema de gerenciamento do experimento remoto - controlador dos componentes.
52 Fig. 13 Exemplo de um experimento com os recursos/componentes presentes no
Experimento Remoto
52
Fig. 14 Esquema Geral de um experimento remoto do LTE 53
Fig. 15 Detalhes dos sensores e placa solar da Estação Climática construída. 57 Fig. 16 Detalhes da alimentação e outros componentes ligados ao microcontrolador
Estação Climática.
58 Fig. 17 Fluxograma representativo do código utilizados na placa NodeMCU para o
experimento remoto - Estação Climática
59 Fig. 18 Circuito eletrônico utilizado para coleta e transmissão de dados temperatura
do ar, umidade do ar, umidade do solo, temperatura do solo e luminosidade para o experimento remoto - Estação Climática
60 Fig. 19 Gráficos gerados em tempo real pela plataforma Thingspeak e
disponibilizados na interface do experimento remoto - Estação Climática
61 Fig. 20 Arquitetura do experimento remoto - Microscópio Eletrônico 67 Fig. 21 Imagem das lupas eletrônicas (1) e do microscópio eletrônico remoto (2),
com os seguintes componentes.
do microscópio.
Fig.23 Formulário do Google Forms vinculado aos experimentos remotos - Microscópios Eletrônicos, Lupa Eletrônica e Microscópio Invertido.
69 Fig. 24 Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino para
os experimentos remotos - microscópio eletrônico e lupa eletrônica 71 Fig. 25 Interface gráfica no site LTE, demonstrando a mudança na cor do botão de
acionamento da lâmpada do experimento remoto - Lupa Eletrônica.
72 Fig. 26 Interface gráfica no site LTE, demonstrando a mudança na cor do botão de
acionamento da lâmpada do experimento remoto - Microscópio Eletrônico. 73 Fig. 27 Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino
Mega para o experimento remoto - Microscópio Invertido 74
Fig. 28 Interface quanto ao controle e visualização do experimento remoto - Microscópio Invertido
75 Fig. 29 Interface de todas as variáveis do microscópio invertido. 75 Fig. 30 Circuito eletrônico utilizado para controlar o acionamento da lâmpada do
microscópio eletrônico
76 Fig. 31 Imagens exibidas nos experimentos de microscopia : a) Tecido Epitelial; b)
Asa de borboleta; c) Paramecium; d) Mitose; e) Aspergillus; f) Amostra de água de piscicultura, nos experimentos remotos de microscopia.
78 Fig. 32 Imagens dos protótipos iniciais e final do experimento remoto - Terrário 82 Fig. 33 Imagem do experimento remoto - terrário com os seguintes componentes: a -
Circuito com a placa NodeMCU para controle dos sensores e transmissão das informações; b - câmera IP para transmissão da imagem dos terrários; c - lâmpada para iluminação dos terrários; d- terrário fechado; e - terrário aberto.
83
Fig. 34 Fluxograma representativo do código utilizados na placa NodeMCU para o experimento remoto - Terrário
84 Fig. 35 Circuito eletrônico utilizado para controlar a coleta e transmissão de dados
do Terrário. 85
Fig. 36 Fotos tiradas em dias diferentes dos dois terrários (fechado – esquerda; aberto – direita). A – 5 dias, B – 15 dias, C – 30 dias, D- 45 dias, E – 60 dias, F – 75 dias, G - 90 dias, H - 105 dias, I - 120 dias, J - 140 dias.
86 Fig. 37 Valores coletados em 140 dias do experimento para os dois Terrários –
Fechado e Aberto.
87 Fig. 38 Imagem do experimento remoto - Aquário com os seguintes componentes: a
- circuito com a placa Arduino Mega e Ethernet Shield para controle dos sensores e transmissão das informações; b - webcam para transmissão da imagem do Aquário; c - lupa eletrônica para captar e aumentar a imagem dos microrganismos; d- bomba de oxigênio; e - aquecedor; f- sensor de oxigênio dissolvido; g - sensor de pH; h - sensor de temperatura; i- Raspberry para gerenciamento das imagens.
Fig. 41 Fotos tiradas em dias diferentes do aquário. A – 1 dia, B – 3 dias, C – 6 dias, D- 9 dias, E – 12 dias, F – 15 dias.
96 Fig. 42 Valores coletados em 15 dias do experimento remoto - Aquário para os
parâmetros (temperatura, pH e Oxigênio Dissolvido).
96 Fig. 43 Imagens do experimento remoto - Fotossíntese, com os seguintes
componentes: a - webcam; b -; c - sensor de umidade do solo; d- sensor de temperatura do solo; e - sensor de CO2; f- sensor de luminosidade; g - sensor de temperatura e umidade do ar; h - sensor de carga (piezômetro); i- luminária; j - Raspberry para gerenciamento das imagens; l - circuito com a placa Arduino Mega e Ethernet Shield para leitura dos sensores e transmissão das informações; m - botão de tara do piezômetro (balança).
100
Fig. 44 Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino para o experimento remoto - Fotossíntese.
102 Fig. 45 Circuito eletrônico utilizado para controlar a coleta e transmissão de dados
do Fotossíntese. 103
Fig. 46 Fotos tiradas em dias diferentes do experimento: A – 3º dia, B – 5º dia, C – 7º dia, D- 9º dia, E – 11º dias, F – 13º dia.
105 Fig. 47 Valores coletados em 13 dias do experimento remoto - Fotossíntese para os
parâmetros (umidade do Ar e do Solo, Temperaturado Ar e do Solo e massa do vaso).
106 Fig. 48 Gráfico gerado a partir das 282 respostas das 12 turmas dos 1º e 2º anos do
ensino técnico integrado do Campus Inconfidentes, para a pergunta 1 do questionário 1.
108 Fig. 49 Gráfico gerado a partir das 282 respostas das 12 turmas dos 1º e 2º anos do
ensino técnico integrado do Campus Inconfidentes, para a pergunta 3 do questionário 1..
109 Fig. 50 Gráfico gerado a partir das 282 respostas das 12 turmas dos 1º e 2º anos do
ensino técnico integrado do Campus Inconfidentes, para a pergunta 2 do questionário 1.
109 Fig. 51 Gráfico gerado a partir das 282 respostas das 12 turmas dos 1º e 2º anos do
ensino técnico integrado do Campus Inconfidentes, para a pergunta 4 do questionário 1.
110 Fig. 52 Gráfico gerado a partir das 282 respostas das 12 turmas dos 1º e 2º anos do
ensino técnico integrado do Campus Inconfidentes, para a afirmação 7 do questionário 2.
116 Fig. 53 Número de usuários que acessaram os experimentos do LTE por dia, no
período de 05 de setembro a 01 de novembro de 2018.
119 Fig. 54 Porcentagem de novos usuários, dados relativos as sessões iniciadas e
páginas visitadas dos experimentos remotos do LTE. 120
Fig. 55 Porcentagem de usuários dos experimentos remotos do LTE por país. 120 Fig. 56 Relação entre a quantidade de usuários e sessões por dispositivos eletrônicos
utilizados para acessar os experimentos remotos do LTE.
121
quadro
01 Classificação de atividades práticas segundo Campos e Nigro
(1999), adaptada. 22
02 Descrições dos indicadores de Alfabetização Científica segundo Sasseron e Carvalho (2008), adaptado.
29 03 Categorias e descrições estabelecidas no "NMC Horizon Report" 33 04 Descrições do Experimento Virtual e Remoto, baseado nas
comparações de Santos, Fernandes e Silva (2017).
37
05 Classificação dos experimentos remotos do LTE. 54
06 Características dos sensores utilizados na Estação Climática 56
07 Características dos componentes utilizados na Estação Climática 57 08 Análise de algumas respostas do experimento remoto - Estação
Climática, conforme os indicadores de Alfabetização Científica, segundo Sasseron e Carvalho (2008).
64 09 Relação do material exposto, o experimento remoto e os indicadores
de Alfabetização Científica, segundo Sasseron e Carvalho (2008), em algumas respostas.
79 10 Características dos sensores utilizados nos Terrários (aberto e
fechado).
82 11 Características dos componentes utilizados nos Terrários (aberto e
fechado).
82 12 Identificação dos indicadores de Alfabetização Científica, segundo
Sasseron e Carvalho (2008), nas respostas do experimento remoto - Terrário
88 13 Características dos sensores utilizados no experimento remoto -
Aquário. 91
14 Características dos componentes utilizados no experimento remoto - Aquário.
92 15 Identificação dos indicadores de Alfabetização Científica, segundo
Sasseron e Carvalho (2008), nas respostas do experimento remoto - Aquário
97 16 Características dos componentes utilizados no experimento remoto -
Fotossíntese.
100 17 Características dos sensores utilizados no experimento remoto -
Fotossíntese.
101 18 Identificação dos indicadores de Alfabetização Científica, segundo
Sasseron e Carvalho (2008), nas respostas do experimento remoto - Fotossíntese
tabela
01 Grau de concordância dos 282 alunos dos 1º e 2º anos dos Cursos Técnicos Integrados segundo a escala de Likert (1932) para as afirmativas do questionário 2 sobre o uso dos experimentos remotos do LTE.
114
02 Análise da afinidade do grau de concordância dos alunos, segundo a escala de Likert (1932), para as afirmativas do questionário 2 sobre o uso dos experimentos remotos do LTE.
115 03 Porcentagem de usuários por navegador utilizado para acessar os
experimentos remotos do LTE. 121
04 Porcentagem de usuários por sistema operacional utilizado para acessar os experimentos remotos do LTE.
122
ORGANIZAÇÃO DO TEXTO 16
1 INTRODUÇÃO 19
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO 21
2.1 CLASSIFICAÇÕES DAS ATIVIDADES PRÁTICAS NO ENSINO DE
CIÊNCIAS
21
2.2 DIFICULDADES PRÁTICAS DOS LABORATÓRIOS DE CIÊNCIAS 23
2.3 A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE CIÊNCIAS 25
2.4 EDUCAÇÃO CIENTÍFICA E EXPERIMENTAÇÃO 27
2.5 O USO DE TECNOLOGIAS PARA AS ATIVIDADES PRÁTICAS 32
2.6 APRENDENDO CIÊNCIAS COM OS LABORATÓRIOS VIRTUAIS
E REMOTOS
34
2.7 LABORATÓRIOS E EXPERIMENTOS REMOTOS 37
3 OBJETIVOS 41
3.1 OBJETIVO GERAL 41
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 41
4 METODOLOGIA 42
4.1 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DOS
EXPERIMENTOS REMOTOS 42
4.2 LOCAIS DE REALIZAÇÃO DA PESQUISA 44
4.3 POPULAÇÃO ESTUDADA 44
4.4 AVALIAÇÃO 45
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 46
5.1 ARQUITETURA DOS EXPERIMENTOS REMOTOS 46
5.2 INTERFACE DO SISTEMA DE GERENCIAMENTO DOS
EXPERIMENTOS REMOTOS - LTE 49
5.2.1 EXPERIMENTOS REMOTOS - LTE 53
5.3 EXPERIMENTO REMOTO - ESTAÇÃO CLIMÁTICA 54
5.3.1 PARTE CONCEITUAL 54
5.3.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL 55
5.3.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 58
5.3.4 INSTRUMENTAÇÃO 59
5.3.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 60
5.4 EXPERIMENTO REMOTO - MICROSCÓPIOS E LUPAS
ELETRÔNICAS
65
5.4.1 PARTE CONCEITUAL 65
5.4.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL 67
5.4.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 69
5.4.4 INSTRUMENTAÇÃO 76
5.5.4 INSTRUMENTAÇÃO 84
5.5.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 85
5.6 EXPERIMENTO REMOTO - AQUÁRIO 89
5.6.1 PARTE CONCEITUAL 89
5.6.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL 90
5.6.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 92
5.6.4 INSTRUMENTAÇÃO 94
5.6.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 95
5.7 EXPERIMENTO REMOTO - FOTOSSÍNTESE 98
5.7.1 PARTE CONCEITUAL 98
5.7.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL 99
5.7.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 101
5.7.4 INSTRUMENTAÇÃO 103
5.7.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 104
5.8 CENÁRIO DAS ATIVIDADES PRÁTICAS X EXPERIMENTOS
REMOTOS
107
5.9 USABILIDADE DOS EXPERIMENTOS REMOTOS PARA A
APRENDIZAGEM DE BIOLOGIA
112
5.9.1 ANÁLISE DOS ACESSOS AO LTE - EXPERIMENTS 118
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS 123
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 126
ANEXO I - Parecer de Aprovação do Comitês de Ética em Pesquisa, da UNICAMP
136 ANEXO II - Parecer de Aprovação do Comitês de Ética em Pesquisa do
IFSULDEMINAS
143 APÊNDICE A - Questionário 1 ALUNO: Verificar a frequência de
atividades práticas de Biologia e o uso de tecnologias educacionais
146 APÊNDICE B - Questionário 2 ALUNO: Análise da usabilidade dos
experimentos remotos para a aprendizagem de Biologia
147 APÊNDICE C - Questões problemas, no Google Forms disponíveis em
cada experimento remoto do LTE.
148 APÊNDICE D - Programação do Experimento Remoto: Estação
Climática
149 APÊNDICE E - Programação do Experimento Remoto: Microscopia
(Relé)
157
APÊNDICE F - Programação do Experimento Remoto: Terrário 162
APÊNDICE G - Programação do Experimento Remoto: Aquário 165
APÊNDICE H - Programação do Experimento Remoto: Fotossíntese 172
APÊNDICE I - Questionário 2 PROFESSOR: Análise da usabilidade dos experimentos remotos para a aprendizagem de Biologia
177 APÊNDICE J - Questionário 2 ALUNO (SUPERIOR): Análise da
APRESENTAÇÃO
Nessa apresentação contarei um pouco sobre a minha história como professor e pesquisador, com o propósito de explicar a escolha da minha pesquisa.
O interesse pela temática aqui apresentada está relacionado à minha trajetória profissional. Ela apareceu em 1999 quando decidi prestar vestibular para o Curso de Licenciatura em Ciências Biológicas (UFU), já associado a vontade de dedicar à docência. Ao longo da graduação sempre me interessei nos processos de ensino e aprendizagem, em especial voltados para a área de Genética.
O despertar para o conteúdo de Genética me levou a prestar e desenvolver o mestrado nesta área, mas nunca esquecendo à docência. Em 2008 fui aprovado no processo de seleção para o doutorado em Genética (UFU), mas no transcorrer das atividades, verifiquei estar fazendo algo automático, em continuidade ao que foi desenvolvido em meus estudos de mestrado. Assim, essa perpecpção individual de que havia uma "continuidade automática" dos meus estudos, em nível de pós-graduação, sem uma maior reflexão, levou-me a interromper o doutorado e me dedicar à docência e a coordenação do Curso de Biologia (FUCAMP), em que trabalhava.
Em 2011, fui aprovado em concurso para docente do IFSULDEMINAS – Campus Inconfidentes. Neste novo ambiente e dedicando cada vez mais à docência, criei um grupo de estudo e pesquisa na área de metodologias e práticas de ensino em Biologia, especificadamente na área de Tecnologia Educacional. Assim, há oito anos me dedico a ensinar e produzir materiais de ensino que dão suporte ao ensino a partir de novas metodologias.
No ano de 2014 ministrei uma disciplina direcionada às Novas Tecnologias Aplicadas à Educação no Curso de Licenciatura em Ciências Biológicas e ajudei a coordenar a subárea de Biologia do PIBID-IFSULDEMINAS, onde nesses dois espaços trabalhando diretamente com as novas tecnologias e experimentação no ensino me senti motivado a prestar o processo seletivo para o doutorado no Programa de Pós-Graduação Multiunidades em Ensino de Ciências e Matemática (PECIM). Neste mesmo semestre de seleção, conheci o professor Eduardo Galembeck na disciplina Produção de Recursos e Materiais Didáticos para o Ensino de Ciências e Matemática ministrada por ele, o qual me despertou o interesse em trabalhar em seu laboratório, o Laboratório de Tecnologia Educacional (LTE).
Diante da aprovação no processo seletivo e dos novos conhecimentos técnicos adquiridos no LTE, houve uma mudança inicial do projeto de pesquisa e o início dos
trabalhos com os experimentos remotos no LTE. Além disso, o aprendizado adquirido nas disciplinas do PECIM, em termos metodológicos e interdisciplinares, foram fundamentais para a construção de propostas de experimentos remotos de Ciências e Biologia.
Toda essa experiência adquirida em quatro anos de LTE e PECIM foi importantíssima profissionalmente, principalmente para a continuidade do trabalho no IFSULDEMINAS como professor do ensino técnico integrado e superior, como também para atuar e aplicar estes conhecimentos adquiridos em grupos de pesquisas, PIBID e Residência Pedagógica.
ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
Este trabalho visa a construção de experimentos para utilização em um laboratório remoto, com a intenção de ser aplicado no ensino de Ciências e Biologia. Para que se possa compreender o processo de desenvolvimento dos experimentos remotos, iniciarei relatando um pouco do histórico deste projeto.
Em 2015 inicia o Projeto Animálculo1 do Laboratório de Tecnologia Educacional (LTE)2 no Instituto de Biologia da UNICAMP, Campinas/SP - coordenado pelo professor Eduardo Galembeck. Primeiramente o projeto tinha como objetivo criar um experimento remoto piloto para disponibilizar um aquário, onde os usuários poderiam conhecer e interagir com a biodiversidade e as propriedades físicas presentes em amostras de água de diferentes localidades. Este projeto ganhou corpo e foi ampliado com a entrada de alunos de pós-graduação de Unidades de Ensino diferentes, como também de alunos de pós-graduação de vários Cursos da UNICAMP, como Engenharia de Controle e Automação, Ciências da Computação e Licenciatura em Ciências Biológicas, criando assim uma equipe multidisciplinar para o projeto. No ano de 2017 o "Projeto Animálculo: Investigando a Biodiversidade Microscópica" foi aprovado no Programa BIOTA da FAPESP, possibilitando a criação de novos protótipos de experimentos remotos. O projeto financiado pela FAPESP (nº 16/05243-7), possui o objetivo de customizar e utilizar um protótipo de laboratório de microscopia remota para realização de experimentos de investigação da vida microscópica de forma colaborativa.
A execução do projeto, iniciado em 2015, foi estruturada em duas frentes de trabalho, a primeira foi no desenvolvimento direto dos experimentos remotos de Ciências e Biologia, utilizando microcontroladores e sensores. Esta fase envolveu também a estruturação de
1Animálculo - esse termo significa pequena criatura viva, utilizado para uma classe numerosa de animais 2Disponível em : https://www.lte.ib.unicamp.br/portal
comunicação para interligar os experimentos com o site do Laboratório de Tecnologia Educacional. A segunda fase se voltou mais para a análise das potencialidades e limitações destes experimentos remotos desenvolvidos, além de criar condições para a inserção dessa nova tecnologia no ensino.
Esta tese abrange o desenvolvimento dos experimentos remotos, como a estrutura de comunicação entre os experimentos e os usuários, além de tecer algumas análises da utilização destes experimentos com o foco na presença de indicadores de Alfabetização Científica. Outras análises dos experimentos remotos, como também o treinamento de professores para utilização dessa nova tecnologia estão sendo estudados por mais membros do grupo que compõem o Laboratório de Tecnologia Educacional da UNICAMP.
O texto está organizado em seis partes como descritos a seguir. Seção 1: Introdução
Introduz e discute os principais aspectos que levaram ao desenvolvimento e formalização deste trabalho - uma proposta de desenvolvimento e utilização da experimentação remota como suporte para ambientes de ensino/aprendizagem de Ciências e Biologia.
Seção 2: Referencial Teórico
Nesta parte é apresentado uma breve análise dos tipos de atividades práticas, sua classificação para a área de ensino de Ciências, como também apresentamos as principais dificuldades para a implementação das atividades práticas, reforçadas pelos os dados do INEP sobre o cenário dos Laboratórios de Ciências. Conceitos sobre o ensino de Ciências, educação científica e Alfabetização Científica ajudam a compreender o enfoque para as análises dos experimentos remotos desenvolvidos. Também há as definições de cada indicador descritos por Sasseron e Carvalho (2008). O texto caminha para a busca de alternativas com o intuito de enfrentar as dificuldades de se trabalhar com experimentos práticos, direcionando assim, para uma tecnologia educacional que contempla as rápidas mudanças no desenvolvimento científico e tecnológico, e que influencia diretamente às novas formas de ensino e aprendizagem, em especial discorreremos sobre os laboratórios online. Este tópico constitui um dos principais aportes desta tese, pois apresenta os laboratórios remotos, seu histórico, onde está inserido e os principais laboratórios desenvolvidos. Além da situação dos laboratórios remotos no Brasil e a ênfase para os laboratórios remotos na área biológica, estes aspectos que finalizam essa seção.
Seção 3: Objetivos da pesquisa
Esta seção apresenta o propósito desta tese que é a implementação de um laboratório de experimentação remota de Ciências e Biologia, identificando suas potencialidades e limites, que orientam a sua utilização como suporte nas atividades experimentais. Além disso, a tese busca verificar a usabilidade dos experimentos remotos.
Seção 4 – Metodologia
Esta parte da tese tem por objetivo descrever a metodologia padrão utilizada para a montagem dos experimentos remotos, que é o Design Based Research (DBR). Utilizamos esta metodologia que possui quatro fases estruturais no seu desenvolvimento: identificação do problema (falta de laboratórios de Ciências), desenvolvimento da proposta para resolvê-lo (montagem dos experimentos remotos), ciclos de aplicações (avaliações dos experimentos) e por último verificar as potencialidades e limites dos experimentos desenvolvidos. Ainda nesta seção descrevemos o local e a população estudada, e a forma de avaliação das respostas dos alunos e professores.
Seção 5: Resultados e Discussões
Nesta seção, consideramos que o desenvolvimento e a montagem de cada experimento remoto elaborado no LTE, faz parte dos resultados da tese, neste sentido detalhamos aqui toda sua construção: a parte conceitual utilizada, montagem do aparato experimental, programação do microcontrolador, instrumentação utilizada, além dos resultados e discussões propriamente de cada experimento remoto. Nos resultados e discussões incluem-se as análises proporcionadas pelos experimentos desenvolvidos, algumas respostas dos usuários coletadas no Google Forms e a verificação de indicadores de Alfabetização Científica. Todo este conjunto de dados que ajudam no entendimento do experimento remoto desenvolvido, são apresentados nessa etapa. Os experimentos remotos elaborados para a área de Ciências e Biologia foram: estação climática, microscópios remotos e lupas eletrônicas, terrário, aquário e fotossíntese. No final dessa seção procuramos apresentar o cenário que foi aplicado os experimentos e a usabilidade relatada por alunos e professores.
Seção 6: Considerações Finais
Finalizamos o texto com as considerações teóricas dos benefícios relatados pelos professores e alunos nos processos gerados pela interação com os experimentos remotos criados no LTE e as limitações inerentes dos experimentos, como também da manutenção dessa inovação tecnológica educacional.
Para complementar as informações contidas na tese, ao final da mesma se apresentam os anexos e apêndices, onde se encontram os pareceres de aprovação dos Comitês de Ética em
Pesquisa, questionários aplicados aos alunos e docentes e os códigos da programação dos experimentos remotos.
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, convivemos com contextos educacionais diversos, há uma pluralidade de condições físicas e estruturais das escolas públicas, como também na questão metodológica dos professores. Os quais ainda têm o livro didático, como o seu principal e as vezes único guia de trabalho em sala de aula. Os recursos didáticos disponíveis, podem ir do simples quadro negro e giz, até escolas que disponibilizam para alunos e professores os recursos mais modernos da informação e comunicação.
Entre esses extremos de diversidade, encontramos os alunos, os quais possuem grande dificuldade de correlacionar a teoria aprendida em sala de aula com a realidade a sua volta. E considerando que há uma dicotomia entre teoria e prática, e que a teoria é composta por conceitos, que são operações mentais da realidade, podemos deduzir que o aluno não reconhece o conhecimento científico no seu dia-a-dia, mesmo com a grande disponibilidade de informações (SERAFIM, 2001).
Toda a conectividade e a disponibilidade de informações no mundo globalizado no qual vivemos, sugere um futuro para a educação mais dinâmico e móvel. Essa é a visão contemporânea, mas não podemos esquecer que o conhecimento também vem do processo de motivação, interação e reflexão. E o uso da tecnologia educacional, permite trabalhar com esses processos dentro de contextos investigativos e experimentais em qualquer lugar e horário. Segundo Niskier (1993, p. 15):
O termo tecnologia educacional é fundamentalmente caracterizado pela relação entre Tecnologia e Educação, que se concretiza em princípios e processos de ação educativa, gerando produtos educativos, todos resultantes da aplicação do conhecimento científico e organizado.
Conforme Freire (1996), para compreender a teoria é preciso experienciá-la. Mas a concepção de que é através da experimentação, na prática, que o aluno consegue assimilar o que foi dado na teoria, é uma concepção ultrapassada. Segundo Silva e Zanon (2000), existem ainda muitos professores da área de Ciências que pensam ser possível comprovar a teoria através da prática, imaginando ser esta a função da experimentação no ensino. O correto seria imaginar o inverso: que através da prática realizada pelos alunos, se consiga chegar por descoberta, a uma determinada teoria, ou a repensar a teoria que foi estudada anteriormente,
ou até mesmo tentar compreender um determinado conteúdo antes da teoria (SILVA; ZANON, 2000).
Dessa maneira, a experimentação não têm o objetivo apenas de fortalecer o ensino de Ciências e Biologia, mas também o de permitir que os alunos desenvolvam campos do conhecimento, testar e comprovar diversos conceitos, favorecendo assim a capacidade de abstração. Isto porque estas práticas auxiliam na resolução de situações problema, o que permite a construção de conhecimentos e a reflexão sobre diversos aspectos, levando ao aluno fazer inter-relações. Tal processo o capacita a desenvolver as competências, as atitudes e os valores necessários para a construção da alfabetização científica.
Os PCNs - Parâmetros Curriculares Nacionais (BRASIL, 1998; BRASIL, 2013), documentos oficiais elaborados pelo Governo Federal, os quais possuem o objetivo principal de orientar os educadores por meio da normatização de alguns fatores fundamentais concernentes a cada disciplina, destacam a realização de trabalhos experimentais como um dos aspectos indispensáveis no ensino dentro das áreas de tecnologias e das ciências naturais, que também são fundamentais para garantir a construção do conhecimento e desenvolver a curiosidade. Atitudes que propiciam aos alunos adquirirem uma cultura científica acima das verdades estabelecidas e inquestionáveis da teoria.
Um problema central que dificulta ainda mais a aplicação da experimentação e das atividades práticas, principalmente nas escolas públicas, é o sucateamento dos recursos. Dado que há poucos laboratórios de Ciências em funcionamento nas escolas públicas de ensino fundamental, e quando há, estão em desuso, por vários motivos. Das poucas instituições públicas que têm esta infraestrutura, os equipamentos estão ultrapassados, e já não atendem a demanda dos alunos, seja na quantidade ou na qualidade destes (INEP, 2017).
Os dados do Censo Escolar do Ministério da Educação (MEC) demonstram que cerca de 30 milhões (75%) de estudantes matriculados no ensino fundamental e médio não frequentavam estabelecimentos com laboratório de Ciências. Esta falta de laboratórios nas escolas prejudica a realização de atividades experimentais, limitando o estudo das ciências ao estudo teórico em sala de aula. Outros dados importantes disponíveis são que cerca de 90% das escolas estaduais no Brasil dispõem de conexão à Internet. Fato este que é ampliado em alguns estados, contemplando a 100% das escolas (INEP, 2017).
Diante deste cenário, e em busca de potencialidades pedagógicas para o século XXI, foram desenvolvidos experimentos de Ciências e Biologia a fim de oportunizar a criação e utilização de um laboratório remoto, que permita o acesso de qualquer território, através da
internet, para o controle de experiências práticas. O acesso remoto pode representar um modo fácil de disponibilizar a interação com experimentos reais por qualquer usuário.
As possibilidades do desenvolvimento dos laboratórios remotos (LR), crescem exponencialmente com o avanço dos softwares abertos, microcontroladores, sensores eletrônicos e as pesquisas crescentes na área da robótica, como também o progressivo avanço da oferta do ensino a distância (EAD). Todavia, os avanços tecnológicos no desenvolvimento de LR concentram-se em áreas relacionadas às Engenharias. Poucos são os estudos voltados para à criação de experimentos remotos na área biológica.
A lacuna presente na falta de laboratórios remotos específicos na área biológica, juntamente com a cultura do uso da tecnologia nas escolas, a qual precisa preparar os alunos para seus programas digitais atuais e futuros, como também para a educação científica. Portanto a necessidade da prática da experimentação e a mudança da atitude digital, vem ao encontro à iniciativa do desenvolvimento da experimentação remota no Laboratório de Tecnologia Educacional - LTE da UNICAMP.
Desse modo, a condução deste trabalho será no sentido de buscarmos demonstrar como os experimentos remotos foram desenvolvidos e responder a pergunta: "Quais são os limites e as possibilidades dos experimentos remotos desenvolvidos para fornecer suporte ao ensino e aprendizagem de Ciências e Biologia?"
2.0 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 CLASSIFICAÇÕES DAS ATIVIDADES PRÁTICAS NO ENSINO DE CIÊNCIAS
Antes de classificar as atividades práticas, é importantes entender a noção de "atividades de aprendizagem de Ciências", que segundo Hodson (1998), há distinção entre trabalho prático (métodos ativos de aprendizagem), trabalho de laboratório e experimentos (Figura 01), isso porque cada atividade pode possuir objetivos diferentes.
Assim nem todo trabalho prático é exercido no laboratório, e nem todo trabalho de laboratório inclui experimentos. Contudo, métodos didáticos que permitam que o aluno seja mais ativo no desenvolver da sua atividade, baseiam-se na premissa que a experiência direta promove uma melhor aprendizagem (HODSON, 1998).
Figura 01. Relação entre experimentos, trabalho de laboratório e trabalho prático.
Fonte - retirado de Hodson (1998, p. 02)
Uma das classificações de atividades práticas muito utilizada na área do Ensino de Ciências, foi estabelecida por Campos e Nigro (1999), estes categorizam-nas em: demonstrações práticas; experimentos ilustrativos; experimentos descritivos, e experimentos investigativos (Quadro 01).
Quadro 01 - Classificação de atividades práticas segundo Campos e Nigro (1999), adaptada. Atividades
Práticas
Descrição
Demonstrações práticas
Atividades que demonstram uma teoria ou um fenômeno, normalmente utilizadas para demonstrar um conteúdo teórico já estudado ou em estudo. As atividades desenvolvem algumas habilidades ao permitirem a visualização de equipamentos, instrumentos e fenômenos, mesmo de forma indireta, pois quem desenvolve a atividade é o professor.
Experimentos ilustrativos
Atividades de cunho demonstrativas, porém há interatividade física do aluno com a demonstração prática, permitindo que o aluno possa comprovar um conteúdo teórico já estudado ou em estudo.
Experimentos descritivos
Atividades desenvolvida pelo aluno o qual possui contato direto com coisas ou fenômenos que precisa apurar, sejam ou não comuns no seu dia-a-dia, não necessariamente implicam em desenvolver hipóteses. Estas atividades não são obrigatoriamente dirigidas o tempo todo pelo professor. Experimentos
investigativos
Atividades que exigem grande envolvimento do aluno durante sua execução, envolvendo obrigatoriamente a procura de uma solução de uma questão, por meio de discussão de ideias, elaboração de hipóteses explicativas e possibilidades de testá-las. Nesse sentido o aluno percorrer um ciclo investigativo, sem, contudo produzir um novo conhecimento, como fazem os cientistas.
Em 2011, Lima e Teixeira categorizaram de acordo com as características dos experimentos/experimentação dos trabalhos publicados nos principais periódicos da área de ensino de Ciências no Brasil até o ano 2010 e chegaram também a quatro tipos de classificação, muito similar a classificação de Campos e Nigro (1999).
As aproximações nas classificações estão nos conceitos, mesmo com nomenclaturas um pouco diferente, como experimento demonstrativo = demonstrações práticas; experimento comprobatório = experimentos ilustrativos; experimento investigativo = experimento investigativo; já a definição para experimento laboratorial de Lima e Teixeira (2011) foi utilizada para expressar uma atividade que pretende estabelecer um conhecimento ainda não apresentado ou confirmado na ciência, com característica de uma pesquisa experimental. Este tipo de experimento somente foi encontrado em trabalhos aplicados no ensino superior. E a categoria experimentos descritivos de Campos e Nigro não teve uma categoria similar.
As atividades práticas investigativas são concebidas como uma forma de favorecer o êxito dos objetivos propostos pelos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o ensino de Ciências. Os PCN de Ciências Naturais indicam o desenvolvimento de projetos e estratégias didáticas preferencialmente em um contexto de problematização, os quais possibilitam a observação, experimentação, comparação e estabelecimento de relações entre fatos ou fenômenos reais (BRASIL, 2013).
A partir das classificações estabelecidas e compreendendo o grau de envolvimento dos alunos com as atividades práticas, de laboratório ou experimentos, verificamos a importância de espaços destinados a tais atividades. Em contrapartida observamos a precarização destes espaços formadores de conhecimento, principalmente pensando no âmbito escolar dos Laboratórios de Ciências e/ou Biologia.
2.2 DIFICULDADES DAS ATIVIDADES PRÁTICAS NOS LABORATÓRIOS DE
CIÊNCIAS
O potencial pedagógico das aulas experimentais é reconhecido por vários autores como Krasilchik (1986), Capeletto (1992), Weissmann (1998), Borges (2002), Moreira e Diniz (2003), mas muitas críticas são feitas sobre a falta de estrutura e às diversas formas de sua aplicação no ensino de Ciências em geral. Como exemplo, destacamos a falta de laboratórios e equipamentos adequados, turmas superlotadas, problemas na formação inicial e continuada de professores, produzindo assim dicotomia entre teoria e prática, concepções
simplistas de muitos professores sobre o potencial pedagógico desse tipo de trabalho, são os mais citados nos trabalhos.
Pereira (2010) acrescenta ainda outros fatores para os professores não trabalharem a experimentação, tais como o excessivo número de alunos por turma e principalmente a carga horária reduzida das aulas de Ciências e/ou Biologia.
Outro dado que demonstra um ensino de ciência conteudista, promovido essencialmente por aulas totalmente teóricas, focado na acumulação de conceitos sem relação uns com os outros, está no desempenho dos jovens brasileiros no PISA, teste este no qual o país ficou em 63º lugar, entre os 65 participantes. Este dado é reforçado pela escassez de laboratórios em escolas públicas e particulares, onde cerca de 75% dos estudantes do ensino básico não possuem laboratórios de Ciências, com maior precarização no ensino fundamental onde somente 11,5% das escolas dispõem destes laboratórios e no ensino médio o índice chega a 45,4% (INEP, 2017). Estes números refletem a totalidade das escolas do país, mas segundo o Observatório do Plano Nacional de Educação a realidade ainda é mais dura, onde apenas 8,9% das escolas públicas possuem laboratórios de Ciências (TODOS PELA EDUCAÇÃO, 2017).
Segundo Silva, Ferreira e Vieira (2017), são vários os motivos e razões que proporcionaram e proporcionam os níveis tão baixos educacionais brasileiros no ensino de Ciências. Em uma análise superficial, os autores citam desde os sistemas de avaliação, nos quais os estudantes brasileiros não estão acostumados a fazer, falta de atividades práticas e experimentais, as quais poderiam auxiliar nas correlações do conteúdo com atividades do cotidiano. Para exemplificar uma destas dificuldades, temos alguns dados do PISA de 2015, os quais mostraram que 61% dos alunos brasileiros não conseguiram nem terminar a primeira parte da prova. Outros quesitos fundamentais devem ser apontados para o entendimento dessa condição crítica: como a formação e valorização docente e o baixo acesso a laboratórios de Ciências.
As dificuldades práticas para o ensino de Ciências são diversificadas, incluindo questões estruturais físicas dos ambientes escolares como também a formação e valorização dos docentes de Ciências e Biologia, mas diante de uma realidade complexa e que necessita de políticas de Estado, a atuação do professor frente à problemática torna-se fundamental. O desafio do docente é fazer um ensino de Ciências mais crítico, mesmo que rotineiramente não possuam as condições necessárias. Para esse enfrentamento, o uso dos recursos tecnológicos disponíveis se tornam fundamentais para auxiliar nesta empreitada.
Embora o Censo Escolar elaborado pelo Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais - INEP (2017) nos mostre que a presença de recursos tecnológicos como laboratórios de informática e acesso à internet ainda não é realidade para muitas escolas brasileiras, estas taxas são bem melhores que as de laboratórios de Ciências. O índice de escolas de ensino fundamental com laboratório de informática disponível é de 46,8%; e 65,6% das escolas possuem acesso à internet, e a internet do tipo banda larga está presente em 53,5% das escolas. No ensino médio essa porcentagem de laboratório de informática chega a 79,9%.
Desta forma, para tentar minimizar a falta de laboratórios e, ao mesmo tempo, aproveitar a infraestrutura de computadores e de Internet disponível nas escolas, este trabalho busca estudar a questão da utilização do conceito de laboratórios controlados remotamente.
2.3 A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE CIÊNCIAS
As aulas de Ciências são geralmente cercadas de muita expectativa e interesse por parte dos alunos. Segundo Bizzo (2002), há uma motivação intrínseca pelos alunos por aulas que buscam a investigar diversos aspectos da natureza e a enfrentar desafios .
Em contrapartida, no que se concerne ao ensino de Ciências, diversas pesquisas como as de Milaré e Alves Filho (2010); Silveira Júnior, Lima e Machado (2011); Lottermann e Zanon (2012), relatam a preocupação do professor em trabalhar a maior quantidade de conteúdos possíveis, presentes nos livros didáticos, culminando em uma superficialidade da abordagem de conceitos importantes, disseminação de conceitos falhos ocasionados, principalmente, pela falta de tempo para a análise dos mesmos.
É interessante deter-se aos conceitos de ensinar Ciências, assunto que há ampla bibliografia e um vasto campo de experiências que podem ser compartilhadas e imitadas, mas também dos processos que ocorrem em quem aprende a Ciência, em todos níveis de ensino. Os conceitos de Ensino e Aprendizagem, segundo Libâneo (1994), são respectivamente, a atividade que tem por finalidade que o outro obtenha o conhecimento, e o aprender é o processo de assimilação de qualquer forma de conhecimento, desde o mais simples, como o aprendizado de uma criança em manipular objetos, até processos mais complexos como andar de bicicleta, escolher uma profissão, desempenhar funções e atividades. Desta maneira, observa-se que o aprendizado é contínuo.
As teorias sobre os processos de ensinar e o de aprender, passaram por diversas transformações nas últimas duas décadas, principalmente com relação aos conteúdos, mas também em relação aos métodos implementados ou sugeridos, dado ao avanço das novas
tecnologias educacionais. O certo é que no Brasil há uma enorme crise, principalmente no ensino básico público quanto ao desempenho dos estudantes nas avaliações internacionais, além da falta de vocações científicas em nossos estudantes, contrapondo com a necessidade emergente do Brasil em especialistas em ciência e tecnologia. Esta condição se evidência na deficiente alfabetização científica3 da população, retratado nas pesquisas que demonstram o Indicador de Letramento Científico - ILC e no Programa Internacional de Avaliação de Estudantes - PISA (INSTITUTO ABRAMUNDO, 2014; OCDE, 2016). Este déficit presente na maioria da população de 15 a 40 anos, trás consequências graves para o futuro do país, no mundo contemporâneo (ROITMAN, 2007).
Diante destes grandes desafios, as mudanças e implementações de estratégias de ensino permeiam a criatividade como a imitação de modelos já utilizados e adequados às respectivas experiências e realidades. Podemos citar como um fator de suporte estratégico dos processos de ensino e aprendizagem das Ciências Naturais, a parte prática experimental. Ao mesmo tempo destaca-se que a sua simples aplicação não promove uma melhoria da qualidade do ensino nessa área de conhecimento (DELIZOICOV; ANGOTTI, 1992).
Pesquisadores como Arruda e Laburu (1998), Bizzo (2002) e Delizoicov e Angotti, (1992), há algumas décadas vêm chamando atenção para os limites do ensino apoiado em práticas isoladas, sem contextualizações e que visem comprovar algo, em uma visão apoiada na pedagogia empirista, indutiva e positivista da Ciência e do cientista, evidenciando o conhecimento não como processo, mas como resultado e instrumento para a ação. O conhecimento científico não pode se apresentar na condição de produto, algo neutro, objetivo, impessoal, a-histórico, estático, acabado e cumulativo. Essa forma de ensino não promove para uma educação científica4.
Hodson (1994), considera que o papel motivador das atividades práticas não é alcançado, dado a falta de qualidade na orientação dos trabalhos, e para uma mudança nesse contexto, seria necessário repensar os trabalhos práticos em situações problema que estimulam o caráter investigativo. Dessa forma, a busca de um ensino que permita aos alunos levantar hipóteses, relacionar e comparar dados, alcançando resultados, com a mediação do professor. Os processos por descoberta, só têm sentido se acompanhados de corpos de
3 Alfabetização Científica (AC): é definida como um processo de inserção dos indivíduos dentro da cultura científica, servindo como um elemento norteador no Ensino de Ciências (SASSERON e CARVALHO, 2008). 4Educação Científica - é um requisito fundamental para garantir a democracia e o desenvolvimento sustentável, nessa concepção da UNESCO (2017), a educação em Ciências é mais do que nunca necessária para desenvolver e expandir a alfabetização científica em todas as culturas e todos os setores da sociedade, bem como capacidade de raciocínio e habilidades e uma apreciação de valores éticos, de modo a melhorar a participação pública na tomada de decisões relacionadas com a aplicação de novos conhecimentos.
conhecimento enquanto pontos de partida e de chegada, esta forma é íntima à construção de conhecimento (GURGEL, 1995).
Por conseguinte, o ensino de Ciências desarticulado de problematização e sem articulação entre teoria e prática, alicerçado apenas em roteiros prontos, acaba por fragilizar a prática experimental. Em contrapartida, ao se criar condições para que o aluno aprenda a aprender, está se levando em conta que este aluno é um ser inteligível - pensa, interpreta e critica. Esta abordagem é fundamental para a melhoria do ensino de Ciências e a inserção do ensino experimental nas escolas.
2.4 EDUCAÇÃO CIENTÍFICA E EXPERIMENTAÇÃO
Letramento científico (Science literacy) é o termo utilizado para demonstrar como entendemos a ciência, no sentido de cultura mais ampla, com possibilidade de discutir sobre os problemas da sociedade, mais modesta e acertadamente. Já a “alfabetização científica”, teria com definição mais literal o processo inicial a uma inserção na cultura científica (VITOR; SILVA, 2017). Os pesquisadores na área de Ensino de Ciências, como Santos e Mortimer (2001) e Mamede e Zimmermann (2007) utilizam a expressão letramento científico, já Chassot (2003); Auler e Delizoicov, (2001); Brandi e Gurgel, (2002); Krasilchik e Marandino, (2007) utilizam o termo alfabetização científica.
Neste trabalho, utilizaremos a concepção de um ensino de Ciências que promova uma “enculturação científica”, na qual as pesquisadoras Sasseron e Carvalho (2011), definem que os alunos devem ser inseridos em nova cultura, a científica. Para uma melhor compreensão destas preocupações que adotamos nesta pesquisa, destacaremos um trecho do trabalho de revisão bibliográfica das pesquisadoras, as quais utilizam o termo alfabetização científica para designar:
[...] as idéias que temos em mente e que objetivamos ao planejar um ensino que permita aos alunos interagir com uma nova cultura, com uma nova forma de ver o mundo e seus acontecimentos, podendo modificá-los e a si próprio através da prática consciente propiciada por sua interação cerceada de saberes de noções e conhecimentos científicos, bem como das habilidades associadas ao fazer científico. (SASSERON; CARVALHO, 2011, p.61) Neste contexto, as autoras Carvalho e Sasseron (2010) enfatizam a importância do ensino de Ciências serem pautadas por estratégias metodológicas em que os alunos possam assumir um caráter mais ativo e dinâmico no processo de ensino. Dentre as possibilidades, destacamos as atividades experimentais. Para as autoras, é fundamental que os estudantes
tenham a possibilidade de observar e examinar os fenômenos, construir e testar hipóteses e, também, de buscarem construir explicações e argumentos que justifiquem os dados obtidos.
A experimentação pode possibilitar aos alunos estar em contato e de ter conhecimento de habilidades estreitamente associadas ao trabalho do cientista. Em nossa visão, como também das pesquisadoras Sasseron e Carvalho (2008, 2011), esta etapa é o início do processo de alfabetização científica. As habilidades relatadas acima, referem-se ao modo com que o aluno reage e age quando se depara com algum problema apresentado em sala de aula ou em atividades práticas, como as atividades experimentais.
Sasseron e Carvalho (2008), descrevem existir alguns indicadores de que estas habilidades estão sendo trabalhadas e desenvolvidas entre os alunos, ou seja, alguns indicadores da alfabetização científica, que devem ser encontrados durante as atividades de Ciências e que podem nos fornecer evidências se o processo de alfabetização científica está se desenvolvendo entre os alunos.
Estes indicadores relatam o conjunto de ações para a resolução, discussão e divulgação de um problema de propositiva científica, servindo desta maneira para demonstrar a relação entre o que os alunos estão viasualizando da problemática e caminho tentado para resolver, as construções mentais e entendimento do problema. Deste modo, o ensino de Ciências deve aproximar de atividades práticas, que tenham um caráter aberto e investigativo, propiciando que os alunos desempenhem o papel de pesquisadores (SASSERON; CARVALHO, 2008).
No Quadro 02, listamos os indicadores e as suas descrições, baseados nas definições de Sasseron e Carvalho (2008), Osborne e Patterson (2011) e Del-Corso (2014). Os indicadores foram organizados em três grupos. Cada um destes grupos representa um bloco de ações que são colocadas em prática frente a um problema a ser resolvido.
O primeiro grupo de indicadores relaciona-se especificamente ao tratamento dos dados obtidos, contém as ações que tornam possíveis conhecer as variáveis envolvidas no fenômeno estudado, os indicadores são: seriação de informações, organização de informações e classificação de informações. Outro grupo de indicadores compreende dimensões relacionadas à estruturação do pensamento, como os alunos organizam o pensamento para uma ideia lógica e objetiva que responda ao comportamento dos fenômenos naturais. São dois os indicadores: o raciocínio lógico e o raciocínio proporcional. Por fim, ao último grupo convergem os indicadores ligados a procura do entendimento da situação analisada. Surge a partir das discussões das variáveis e suas relações com o fenômeno estudado, e tenha a capacidade de descrever aquele contexto, bem como correlacionar com outras situações
semelhantes. Integram este grupo os indicadores: levantamento de hipótese, teste de hipótese, justificativa, previsão, explicação. O indicador argumento foi incluído neste grupo como forma de diferenciar argumentos de explicações, como proposto por Osborne e Patterson (2011) e Del-Corso (2014).
A presença de um indicador não impede a expressão de outro, diversamente, as argumentações normalmente são baseadas e tem apoio em outros indicadores.
Quadro 02 - Descrições dos indicadores de Alfabetização Científica segundo Sasseron e Carvalho (2008), adaptado.
Indicador Descrição
Seriação de informações
Está ligado a um levantamento de um rol de dados trabalhados, não prevê uma ordem estabelecida.
Organização de
informações Surge na procura de preparar os dados existentes ou para informações novas. Classificação de
informações
Ocorre quando se estabelece uma hierarquia aos dados obtidos. Raciocínio
Lógico
Compreende o modo como as ideias são desenvolvidas, reflete como o pensamento é exposto.
Raciocínio proporcional
Compreende como se processa o raciocínio lógico, e refere-se também à maneira como as variáveis têm relações entre si, ilustrando a interdependência que deve haver entre elas.
Levantamento de hipóteses
Aponta instantes de suposições, na forma de afirmativas ou perguntas, sobre um certo tema.
Teste de hipóteses
Coloca a prova as suposições anteriormente levantadas, por meio de ideias, manipulação direta de objetos ou em atividades de pensamento baseadas em conhecimentos anteriores.
Justificativa Aparece em uma afirmação pronunciada para garantir mais segurança ao que é proposto.
Previsão É exemplificado quando se afirma uma ação e/ou fenômeno que ocorre associado a certos acontecimentos.
Explicação Manifesta-se quando se busca relacionar informações e hipóteses já levantadas. Normalmente aparece após uma justificativa para o problema.
Argumento Esta presente quando uma afirmação feita é baseada em dados, que podem ser de um experimento ou não, e estes levam a uma conclusão. Normalmente vem acompanhado de justificativas que asseguram a relação entre a conclusão e os dados. Aparece para defender e justificar opiniões.
Fonte - Sasseron e Carvalho (2008).
Nos últimos 40 anos, políticas educacionais estão sendo implementadas por importantes organizações científicas, como nos Estados Unidos, a Associação Americana para o Avanço da Ciência, que em 1985 lançou o "Projeto 2061 - Ciência para todos os americanos", tendo foco assim no currículo. O Projeto 2061 começou em 1985, ano em que o cometa Halley passou perto da Terra. Neste contexto, portanto, a Associação Americana para o Avanço da Ciência (AAAS), conforme já foi dito, propôs identificar o que era mais importante para a próxima geração conhecer e ser capaz de fazer em ciência, matemática e
tecnologia - o que os tornaria alfabetizados cientificamente. A publicação do Projeto 2061 ocorreu em 1989, com o título - Science for All Americans (AAAS, 1989).
O projeto "Ciência para todos os americanos", indica que crianças de seis anos, que estão sendo alfabetizadas, já podem acompanhar aulas baseadas em experimentação e observação (NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 2012). Este tipo de aula está presente no currículo, de forma a desenvolver um Ensino de Ciências Baseado em Investigação (Inquiry Based Science Education). Esse método é apoiado pela "National Academy of Sciences" e tiveram resultados positivos em várias escolas, inclusive em bairros problemáticos socialmente. Na França, proposta similar foi implantada com o projeto denominado "La Main à la Pâte" pela "Académie des Sciences" e depois o Ministério de Educação francês recomendou a metodologia para todo o país (HAMBURGER, 2007).
No Brasil a importância da educação científica vem sendo apontada à décadas. No "Manifesto dos Pioneiros da Educação" (1932), a discussão dos conceitos e fundamentos da educação nova, esse tema já era discutido: o desenvolvimento das ciências lançou as bases das doutrinas da nova educação, ajustando à finalidade fundamental e aos ideais que ela deve prosseguir os processos apropriados para realizá-los (ROITMAN, 2007). O autor ainda relata que a amplitude e o valor como foi conquistado o estudo científico e experimental da educação, o libertaram do empirismo, dando-lhe um caráter e um espírito nitidamente científico e organizando, com notoriedade.
No início dos anos 2000, a professora Ana Maria Pessoa de Carvalho, montou uma equipe na Faculdade de Educação da USP, para desenvolver materiais instrucionais que permitissem um ensino por investigação, um programa semelhante ao da França, e já no ano seguinte com o apoio dos franceses, nasce o programa de educação científica - "Mão na Massa", apoiado pela Academia Brasileira de Ciências (ABC), formando assim professores para utilizar como base a metodologia do ensino de Ciências baseado em investigação, enfatizando o planejamento e a realização de experimentos pelos alunos, orientados pelo professor.
Outros parceiros do Programa são o CDCC/USP (Centro de Divulgação Científica e Cultural / USP - São Carlos), a Estação Ciência/USP e a FIOCRUZ (Instituto Oswaldo Cruz – Rio de Janeiro) e as Secretarias Municipais e Estaduais de Educação. O programa tem como principal polo de desenvolvimento o CDCC/USP. Outras entidades que apoiam a perspectiva de educação científica são as sociedades como a SBF (Sociedade Brasileira de Física), a SBQ (Sociedade Brasileira de Química) e a SBG (Sociedade Brasileira de Genética), que promovem atividades relacionadas a educação científica. A Associação Brasileira para
