As representações mentais e a simbologia química.
Herbert Costa Damasceno1 (IC), *Márcia Soares Brito2 (IC), Edson José Wartha3 (PQ).
m.quimica@hotmail.com
123 Universidade Estadual de Santa Cruz - UESC, Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas – DCET, Ilhéus – Bahia.
Palavras Chave: representações mentais, modelos mentais, simbologia química.
Resumo: Estudos têm revelado que muitos estudantes têm dificuldades em compreender as representações em química, e mesmo que tenham conhecimento conceitual e habilidades de visualizar são incapazes de transladar de uma dada representação química a outra. Este trabalho foi realizado com alunos ingressantes e concluintes de um curso de licenciatura em química onde verificamos uma série de dificuldades no uso de representações mentais para explicar determinados fenômenos principalmente em relacionar a semiologia com a simbologia química.
INTRODUÇÃO
Estudos revelam que muitos estudantes têm dificuldade em compreender as representações em química (Ben-Zvi et al., 1990). As compreensões microscópicas e simbólicas são especialmente difíceis para os estudantes porque são invisíveis e abstratas e o pensamento dos alunos é construído sobre a informação sensorial (Ben-Zvi, Eylon & Silberstein, 1987).
Além disso, os estudantes não estabelecem relações apropriadas entre o nível macro e o microscópico (Pozo, 2001; Kozma & Russell, 1997) e ainda, muitos estudantes que tenham conhecimento conceitual e habilidade de visualizar, são incapazes de transladar de uma dada representação química a outra (Wu, Krajcik & Soloway, 2001).
As fórmulas e as equações químicas são mediadoras do conhecimento químico, e o sucesso do ensino e conseqüentemente de sua aprendizagem dependem da maneira como os professores trabalham e relacionam esta simbologia com outros aspectos do conhecimento químico, principalmente os aspectos macroscópicos e microscópicos. As representações mentais são, portanto, uma forma de representação do conhecimento (Johnson-Laird, 1983). São, também, modelos que os estudantes constroem para representar suas idéias sobre determinado conceito ou fenômeno. Cada pensamento ou concepção em particular "é uma representação ou aparência" dos objetos externos. Construímos modelos mentais para representar aspectos significativos do nosso mundo físico e social, e manipulamos elementos destes modelos, destas representações mentais quando pensamos, planejamos e tentamos explicar eventos deste mundo.
As representações mentais definidas como agrupamento funcional dos signos químicos que proporcionam a compreensão das transformações, capacitam o homem, a adquirir habilidades e competências a partir da construção do conhecimento. Acredita-se então, que a
produção científica e o processo de ensino-aprendizagem através da linguagem e da imagem simbólica apresentem-se como processos de conhecimento químico, em que deve haver um desenvolvimento de medidas necessárias para se aproveitar às potencialidades dos estudantes visando atribuir uma aprendizagem significativa. Uma vez que, em uma dimensão simbólica, substância, partículas e transformações são representadas por meio de símbolos, fórmulas e equações químicas, bem como expressões algébricas tratando-se, portanto de uma materialização semiótica da realidade.
Para Pelegrini (1995) a simbologia, ou melhor, os signos, também chamados de instrumentos psicológicos são elementos que expressam uma idéia, ou representam objetos, imagens ou acontecimentos. Os sistemas de signos podem ser: a linguagem, a escrita, os numerais, os monumentos, as fórmulas químicas, etc. Os signos são marcas construídas pelo homem com a finalidade de lembrá- lo de algo, podendo também criar- lhe a memória. Por isso, podemos dizer que os signos são objetos exteriores aos homens, construídos por eles e voltados para o seu interior, o fato de o signo criar a memória no homem tem mudado seu comportamento no decorrer da história, permitindo- lhe um maior controle das próprias atividades e aprimorando sua relação com o mundo. Logo, as atividades controladas por signos podem ser consideradas como formas verdadeiramente humanas de comportamento. Com isso, Vygotsky (1991, p 41) diz:
“Esquematicamente, podemos imaginar o pensamento e a fala como dois círculos que se cruzam. Nas partes que coincidem, o pensamento e a fala se unem para produzir o que se chama de pensamento verbal. O pensamento verbal, entretanto, não abrange de modo algum todas as formas de pensamento ou de fala. Há uma vasta área do pensamento que não mantém relação direta com a fala. O pensamento manifestado no uso de instrumentos pertence a essa área, da mesma forma que o intelecto prático em geral”.
Contudo, o domínio de uma linguagem possibilita o estudante a aprender, fazendo com que esteja apto a manipular sistemas de símbolos, e essa linguagem também torna este estudante capaz de explicar e compreender o mundo. Pois hoje em dia a aprendizagem se entende como um processo que depende de múltiplos fatores, e entre eles se encontram as diversas interações que os estudantes têm com seus professores e com as ferramentas que eles necessitam para que
essa interação aconteça. Com isso, essas ferramentas se encontram no sistema de representações, onde a escrita e a linguagem estão diretamente relacionadas.
Pelegrini (1995) revela que disciplinas, como a química, têm um campo teórico muito abstrato, tendo que recorrer aos signos para poder penetrar mentalmente no mundo dos íons e moléculas. Para compreender as manifestações dos fenômenos químicos, o aprendiz dessa disciplina deve criar modelos mentais para compreender essas transformações. Talvez na química, mais que em qualquer outra ciência, é fundamental o uso dos signos, pois esta não parece ser um conhecimento adequado, como também permanente para ser melhorado a cada dia que passa, porém sua linguagem realiza funções que podem atribuir-se aos símbolos. Esses símbolos químicos cumprem funções semelhantes a da palavra e seus conjuntos numa equação química expressam idéias comparadas a de uma frase, ou seja, suas representações mentais.
Logo, aprender química é apropriar-se de ferramentas que possam levar os alunos a resolver problemas ou dialogar com uma comunidade que interpreta o mundo por meio de idéias, ou deixar o homem ser apenas um “conhecedor de conteúdos”. De acordo com tais fatos, a organização das atividades para ensinar química deve ter em conta, além da disposição temporal coerente das atividades, também a estrutura das interações dos alunos e suas idéias desenvolvidas.
Para entender a química, os estudantes precisam estar familiarizados com a multiplicidade de condições, com o significado de modelos científicos, como também a diferença entre os níveis macroscópicos (fenômenos físicos), microscópicos (modelos e teorias) e representacionais (simbologia química e modelos matemáticos). De acordo com Johnstone (1991), os conteúdos de Química podem ser representados nesses três níveis. O nível macroscópico corresponde às representações mentais adquiridas a partir da experiência sensorial direta, ou seja, é construído mediante a informação proveniente dos sentidos; já o nível microscópico refere-se às representações abstratas, a exemplo de modelos que os estudantes têm sobre a química associados ao esquema de partículas; o outro nível chamado de simbólico expressa os conceitos químicos que os estudantes têm a partir de fórmulas, equações químicas, equações químicas, expressões matemáticas, gráficos, entre outros.
Neste trabalho procuramos identificar como os estudantes iniciantes e concluintes de química, de uma universidade pública, situam os significados dos símbolos químicos e de suas representações mentais. Para interpretar e compreender a questão das representações mentais, da linguagem, dos símbolos e códigos na elaboração dos modelos, nos fundamentamos no desenvolvimento histórico dos signos químico e no enfoque teórico dado à semiologia por Vygotsky.
ASPECTOS METODOLOGICOS
Realizamos o estudo com dois grupos de estudantes de um curso de Licenciatura em Química. O primeiro grupo, denominado grupo A, composto de 30 estudantes iniciantes no curso, e o segundo, denominado grupo B, composto por 16 alunos concluintes do curso. Foi aplicado o mesmo questionário aos dois grupos contento questões referentes a fenômenos químicos e de suas representações. Os modelos ou representações mentais, que para o caso de nossa analise tem a ver com a estrutura da matéria, são representações dinâmicas e gerais que podem ser manipuladas mentalmente para prover explicações causais dos fenômenos que se supõe representar. Os estudantes deveriam construir e representar modelos com o uso de partículas, moléculas ou átomos nas explicações. Em todas as questões foram solicitados desenhos que representassem suas idéias ou explicações sobre o fenômeno.
As questões que os estudantes deveriam responder eram as seguintes:
A partir da análise das respostas dos alunos, elaboramos categorias para identificarmos os modelos representativos apresentados pelos estudantes.
Na elaboração das categorias nos baseamos nos trabalhos de Beltran (1997) sobre a idéia que os alunos apresentam sobre o movimento das partículas e de Pelegrini (1995) sobre a mediação semiótica na elaboração do conhecimento químico. Essas categorias são formas de organização do conjunto de idéias expressas pelos alunos.
As categorias utilizadas na analise das questões 1 e 2 referentes à movimentação das partículas:
i) Dinâmica intramolecular: Esta categoria relaciona o calor com o estado de vibração das ligações, provocando a mudança de estado, dilatação da molécula ou da partícula.
1) Se aquecermos a água em um béquer, observaremos que na mudança de estado, a 100ºC, não haverá variação de temperatura. No entanto, continuamos a fornecer calor ao sistema. Faça um desenho no quadro abaixo explicando como você imagina as moléculas mudando de estado.
2) Um balão de festa de aniversário está cheio de ar. Quando colocado ao sol percebe-se que o volume do balão aumenta sem estourar. Como você representaria o que aconteceu dentro do balão?
3) Balanceie a equação química e represente como você imagina que estão agrupadas as partículas que formam cada molécula na reação abaixo:
N2 + H2 NH3
ii) Estática/dinâmica/estática: Esta categoria expressa o pensamento do aluno que acreditam que as partículas estão paradas e com o aquecimento elas adquirem movimento afastando-se uma das outras, afastando-se uma das outras e depois continuam estáticas, param de se movimentar;
iii) Dinâmica repulsiva: Esta categoria representa os alunos que acreditam que o calor faz nascer uma força de repulsão entre as partículas;
iv) Dinâmica livre: Esta categoria representa o pensamento dos alunos que reconhecem a existência de movimento entre as partículas. Refere-se à visão do aluno, onde a temperatura aumenta e conseqüentemente a pressão interna também aumenta, envolvendo energia cinética das moléculas, pois estas no calor sofrem agitação.
As categorias utilizadas na representação da equação química, da questão 3, de síntese da amônia são:
i) Concepção aditiva: Esta categoria representa no pensamento do aluno a formação das substâncias por simples aderência das partículas, ou seja, a “soma” de uma molécula com outra;
ii) Concepção associativa: Esta categoria representa para o aluno uma quantidade de partículas superior ao número indicado no balanceamento e por associá-la num mesmo agrupamento;
iii) Concepção diversificativa: Esta categoria representa para o aluno uma quantidade de partículas superior ao número indicado no balanceamento e por associá-la num mesmo agrupamento;
iv) Concepção representativa: Esta concepção refere-se à idéia que os estudantes têm sobre partículas, ou seja, eles apresentam esse modelo a partir de como as moléculas se comportam e se agrupam, relacionando isso a quantidade de matéria envolvida, o que faz deles terem a idéia de mol, mesmo não utilizando essa linguagem.
Para analisar as representações dos estudantes de forma mais rápida e eficiente, organizamos em uma tabela, de modo que as respostas de cada questão tanto do grupo A como do grupo B, de modo que fosse possível comparar e analisar as representações que cada estudante utilizou para cada questão.
RESULTADOS E DISCUSSÃO:
A partir da categorização apresentada indicamos as relações que os estudantes fazem entre as imagens (representações) e a linguagem nas explicações e idéias que apresentam sobre
determinados fenômenos químicos estão representadas nas figuras a seguir. Não estão representadas todas as representações dos alunos, mas acreditamos que estas representam o pensamento da maioria dos estudantes sobre os fenômenos abordados.
As figuras 1; 2; 3; 4 procuram representar as principais imagens que os alunos usam para representar as mudanças de estado da água.
Figura 1: Dinâmica repulsiva Figura 2: Dinâmica intramolecular
Figura 3: Dinâmica livre Figura 4: Estática/dinâmica/estática
As representações dos estudantes para cada categoria são indicadas no quadro 1:
Quadro 1- Representação da mudança de fases da água.
Categorias Grupo A Grupo B
Dinâmica Repulsiva 20% 42%
Dinâmica Intramolecular 30% 18%
Dinâmica Livre 20% 4%
Estática/Dinâmica/Estática 30% 18%
Nesta questão, os signos foram muito bem representados, um pouco mais pelo grupo A que pelo grupo B, pois se trata de um processo que envolve a simbologia química até uma mediação semiótica, implicando numa construção de conceitos mais amplos. O que nos chamou mais a atenção foi o fato do Grupo A apresentar idéias sobre a estrutura da matéria mais elaboradas que as do grupo B, o que por si só representa um paradoxo. A grande maioria os estudantes apresentam uma visão descontínua para a matéria, ou seja, uma visão particular.
Porém, apresentam dificuldades de apresentar um modelo para representar as interações entre as
partículas. Também nos chamou a atenção o fato de 42% dos estudantes do Grupo B acreditar que o calor faz nascer uma força de repulsão entre as partículas e de 30% dos estudantes do Grupo A ainda acreditarem que é a partícula que se dilata e o fato de pouquíssimos alunos demonstrarem ou apresentarem modelos que indiquem a interação entre as partículas.
As figuras 1, 2, 3, 4 nos mostram as várias concepções que os estudantes adquirem ao tentar explicar as transformações que ocorrem na mudança de fases da água. Tais concepções são frutos de um processo de ensino de química que prioriza o enfoque conceitual que passam apenas pela estrutura física dos signos, estudando os vários elementos químicos nas suas constituições materiais (prótons, nêutrons, elétrons, moléculas, átomos) isolando-os do universo de que ela faz parte. É um estudo particularizado, quase que desvinculado dos fenômenos que se pretende compreender. Estas representações ou explicações, na maioria das vezes, são reforçadas por erros conceituais muito freqüentes em livros didáticos de química no ensino médio.
O conceito de qualquer partícula química deveria passar pela interação que ela faz no seu universo (aspectos macroscópicos, fenomenológico). Uma mediação semiótica implica buscar entender os aspectos microscópicos, (teorias e modelos) na interação com os aspectos macroscópicos. São dessa forma que os conceitos dos signos químicos vão sendo criados como representações que fazem sentido (aspectos representacionais e simbólicos).
Na questão 02 os estudantes apresentaram os seguintes modelos para a dilatação do ar:
Figura 5: Dinâmica intramolecular Figura 6: Estática/dinâmica/estática
Figura 7: Dinâmica repulsiva Figura 8: Dinâmica livre
Quadro 2- Representação sobre dilatação do balão.
CATEGORIAS Grupo A Grupo B
Dinâmica intramolecular 10% 25%
Estática/Dinâmica/Estática 35% 30%
Dinâmica repulsiva 20% 19%
Dinâmica livre 35% 26%
Através da analise destas representações podemos afirmar que tanto os estudantes iniciantes (55%) como os concluintes (49%) acreditam que as partículas dentro do balão estão paradas (estático) e com o calor adquirem movimento (dinâmico) afastando-se umas das outras.
Portanto, ao cessar o calor cessa o movimento (estático) como identificado nas categorias de dinâmica repulsiva e estática/dinâmica/estática. Outro fator que identificamos como preocupante é o substancialismo, ou seja, as propriedades que deveriam ser explicadas pelas interações entre as partículas e entre as partículas e as paredes do recipiente são atribuídas às próprias partículas.
O balão se dilata porque as partículas se dilatam. O que nos preocupa é que apenas 35% dos iniciantes possuem representações mentais adequadas para o fenômeno e, que apenas 26% dos concluintes conseguem relacionar os fenômenos observados com uma representação e um modelo coerente.
Os estudantes apresentam um modelo mental no qual o nível microscópico de representação é uma cópia exata da realidade, do observável, do nível macroscópico. Eles não compreenderam corretamente a teoria microscópica da matéria.
O estudo dos modelos atômicos no ensino fundamental e médio começa em geral pela introdução do modelo de Dalton, que admite que a matéria é constituída por átomos indivisíveis e indestrutíveis. A partir da introdução desse modelo, átomos podem ser representados por esferas, e as reações químicas passam a ser representadas por equações com o uso de símbolos e fórmulas. Não se discute, no entanto, o significado de a matéria ser constituída por partículas que se movimentam nos espaços vazios para a interpretação de diversos fenômenos cotidianos, como as mudanças de estado físico, a compressão e dilatação de gases e líquidos etc. Normalmente se pressupõe que os alunos já possuem essa visão atomista científica, o que na maioria das vezes não é verdadeiro, como procuramos demonstrar, mesmo em alunos concluintes de um curso de química. Sabem os modelos mais sofisticados, uma série de conceitos e teorias, mas não conseguem estabelecer relações entre as propriedades de substâncias e a organização e movimento das partículas.
Dadas às características da modelação em química parece relevante insistir no ensino de representações diferentes e a discussão das mesmas com os conceitos envolvidos, assim como ressaltar as concepções subjacentes a cada modelo no sistema representacional e do progresso evolutivo do conhecimento. Aprender química não se resume a adquirir domínio de terminologia e procedimentos avulsos que, sendo necessários, são largamente insuficientes. É também necessário aprender e utilizar adequadamente a lógica e os procedimentos próprios da disciplina, aprendendo a procurar e incorporar informação, interpretá- la e transpô- la de um código ou formato para outro (Pozo & Gómez-Crespo, 2001), compreendendo os seus significados e estrutura, e desenvolvendo capacidades e competências, não só de interpretar e compreender explicações formuladas, mas também de elaborar e formular explicações plausíveis e inteligíveis.
Na questão 03 as representações usadas pelos estudantes para representar de uma equação química são:
Figura 9: Concepção aditiva Figura 10: Concepção associativa
Figura 11: Concepção diversificativa Figura 12: Concepção representativa
Quadro 3- Representação sobre agrupamento das partículas.
CATEGORIAS Grupo A Grupo B
Concepção Aditiva --- 25%
Concepção Associativa 20% 25%
Concepção Diversificativa 50% 12%
Concepção Representativa 30% 38%
O fato de todos os alunos acertarem o balanceamento da equação e apresentarem dificuldades de representação das partículas envolvidas na transformação química demonstra que
a maioria dos estudantes vê o exercício de maneira estritamente algébrica, fazendo apenas relação com o presente, com o visível, contando a quantidade de símbolos de um lado e igualando do outro, sem que isso lhes traga mais informações além da igualdade matemática.
Podemos identificar que mais de 60% dos estudantes, tanto do Grupo A como do Grupo B, apresentam modelos de constituição da matéria diferentes da concepção científica. Mesmo que 38% dos estudantes do Grupo B e de 30% do Grupo a apresentem uma visão representativa de moléculas e partículas, suas representações apresentam os reagentes e produtos em compartimentos separados. Parecem conter a idéia de que as espécies químicas se encontrariam em recipientes separados. Isso evidencia que os alunos tendem a não diferenciar o fenômeno da reação química de sua representação, a equação química (Machado e Aragão, 1996).
Estes dados nos fazem acreditar que esse conteúdo foi trabalhado de forma isolada (acerto de coeficientes) sem articulação com outros aspectos igualmente, ou até mais importante (aspectos microscópicos das transformações químicas). Esta questão (03) nos mostra como esta visão fragmentada do ensino de química não articula conceitos, deixando de enriquecer a mediação semiótica, razão maior de se usarem símbolos na química, para relacionar os aspectos microscópicos com os aspectos macroscópicos, ou seja, uma articulação entre o fenomenológico, os modelos e teorias e as representações ou símbolos.
Para compreender um fenômeno ou processo em química, é primeiramente necessário entender os enunciados que conformam a estrutura semântica da teoria, seus modelos, modificando ao mesmo tempo, a maneira em que os fenômenos são percebidos. Isto envolve que os alunos, por uma parte, consigam dar significado às equações matemáticas, percebendo nessas relações matemáticas os conceitos envolvidos e, ao mesmo tempo, que sejam capazes de perceber os fenômenos segundo essas equações. Quando este duplo processo é atingido a respeito de um determinado fenômeno, de forma que seus "resultados" (predições e explicações) coincidem com os cientificamente aceitos, pode-se dizer que o indivíduo construiu um modelo mental apropriado, do modelo químico da teoria. Depois deste processo "semântico" é necessária a utilização do modelo matemático para fazer a tradução dos fenômenos à linguagem matemática, etapa fundamental para a completa descrição dos sistemas (ou fenômenos) segundo os cânones aceitos na química
Por isso a aprendizagem de um modelo na Química implica aprender, além dos conceitos, as diferentes representações do mesmo, as regras dessas representações e como essas regras representam as relações entre os conceitos. Antes de representar as transformações químicas através de equações, é importante discutir algumas características desse tipo de transformação e
de usar as representações simbólicas somente depois que se tem uma boa compreensão dos fenômenos envolvidos nas transformações químicas.
CONCLUSÃO
Nesta investigação, constataram-se as dificuldades dos estudantes em usarem representações mentais adequadas relacionados à compreensão sub- microscópica do fenômeno sob estudo. Os estudantes manifestam dificuldades em construírem um modelo explicativo onde é exigido que operem no nível formal. Nível que representa o reconhecimento da necessidade da lógica, em que o individuo começa a pensar em termos de possibilidades e é capaz de considerar todas as possibilidades em uma situação apresentada (Herron, 1975). A investigação mostrou que um conceito se forma não pela interação das associações, mas mediante uma operação intelectual em que todas as funções mentais elementares participam de uma combinação específica. Essa operação é dirigida pelo uso das palavras como o meio para centrar ativamente a atenção, abstrair determinados traços, sintetizá- los e simbolizá- los por meio de um signo. A natureza abstrata da química e a necessidade do estudante desenvolver um entendimento pessoal da natureza sub- microscópica da matéria cria necessidade do uso de um conjunto extensivo de representações simbólicas como modelos, problemas e analogias.
Durante o processo de aprendizagem é necessário que os estudantes apresentem uma mobilidade mental entre os níveis macroscópicos, sub- microscópicos e simbólicos. Entretanto, identificamos que durante este processo os estudantes dos dois grupos investigados atravessam por um nível intermediário errôneo entre o macroscópico e o sub- microscópico. Ao representar uma situação microscopicamente o estudante, que parte de um fenômeno macroscópico deve imaginar e representar não apenas os objetos desse fenômeno como as relações, que não são próprios ou visíveis no mundo macroscópico, mas que somente têm validade em nível micro.
Daí decorre que a maioria dos estudantes não consiga superar a utilização de uma representação mista – macro e micro. Nosso estudo revela a dificuldade de superação da representação macroscópica por parte dos estudantes, mesmo quando são capazes de representar o sistema químico microscopicamente inserem- no em um recipiente ou utilizam algum elemento “visível”
como referência na representação.
Portanto, se no uso das representações mentais e da simbologia química, o professor não perceber estas dificuldades nos estudantes e, que estes se constituem obstáculos à aprendizagem química e, supõem-se, configuram fatores que desmotivam estudantes a permanecerem em seus cursos universitários. Num estudo realizado pela SBQ (Sociedade Brasileira de Química) em
2007 verificou-se que as evasões nos cursos de química do país atingem índices preocupantes de 57%, ou seja, mais da metade dos estudantes evadem antes de concluírem o curso.
Pela complexidade dos fenômenos que são abordados em um curso de química, a utilização e a transferências de vários níveis de representação e dos conceitos intrínsecos a cada um deles é um grande desafio para os alunos e também para os professores o processo de ensino e aprendizagem em química.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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