Universidade de Aveiro Departamento de Química

2000

João Carlos

Matos Paiva

Ensino do equilíbrio químico: subtilezas e simulações computacionais

dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Química, realizada sob co-orientação científica do Doutor António Ferrer Correia, Professor Catedrático do Departamento de Química da Universidade de Aveiro e do Doutor Victor M. S. Gil, Professor Catedrático do Departamento de Química da Universidade de Coimbra.

o júri

presidente

Prof. Dr. Manuel João Matias

Prof. Dr. Victor Manuel Simões Gil

professor catedrático da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Prof. Dr. Carlos Manuel Baptista Fiolhais

professor catedrático da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Prof. Dra. Mariana da Piedade Alves Pereira

professora catedrática do Departamento de Educação da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

Prof. Dr. António José Venâncio Ferrer Correia

professor catedrático da Universidade de Aveiro

Prof. Dr. José Joaquim Cristino Teixeira Dias

professor catedrático da Universidade de Aveiro

Prof. Dr. António Francisco Carrelhas Cachapuz

professor catedrático da Universidade de Aveiro

Prof. Dra. Maria da Graça de Ornelas Santana Marques

professora auxiliar da Universidade de Aveiro

agradecimentos

Agradeço ao Prof. Doutor António Ferrer Correia, por todo o apoio prestado desde a primeira hora, pelo acolhimento e competência científica com que acompanhou este trabalho. Uma palavra especialíssima de agradecimento é devida ao Prof. Doutor Victor Gil, meu mestre no gosto e na entrega à causa do ensino da Química. A ele, companheiro de viagem deste trabalho, o meu indizível reconhecimento.

Merecem uma palavra especial os membros do grupo de Computadores no Ensino das Ciências do Centro de Física Computacional da Universidade de Coimbra, pelo apoio logístico, técnico e científico, particularmente nas pessoas do seu responsável, Prof. Doutor Carlos Fiolhais, e do programador Eng. Ilídio Martins.

Uma última referência de agradecimento ao Prof. Doutor José Manuel Canavarro, da faculdade de Psicologia e Ciências de Educação da Universidade de Coimbra, pelo apoio prestado nas pontes que este trabalho faz com a psicologia e as ciências de educação.

Para além do reconhecimento da competência profissional das pessoas acima referidas, destaco em todas as suas enormes qualidades humanas, cuja recordação guardo com particular estima.

As palavras finais vão para a Jacinta, para o André, para o Afonso e para a Ana, porque os seus sorrisos e a sua disponibilidade sempre conseguiram dissipar os meus eventuais remorsos pelo tempo que, devido a este trabalho, lhes subtraí.

resumo

Apresenta-se uma reflexão sobre as dificuldades no ensino e aprendizagem do tema «equilíbrio químico», bem como um conjunto de propostas didácticas para resolver alguns desses problemas. A maioria destas estratégias têm um suporte computacional, sendo concretizadas quer através de um programa de computador intitulado «Le Châtelier», quer através de simulações on line. São apresentados alguns estudos de impacto destas ferramentas junto de professores e alunos, que revelam resultados animadores.

abstract

This work consists of a reflection on the difficulties felt in teaching and learning processes concerning "Chemical Equilibrium", as well as a set of didactic proposals to help in solving some of those problems. Most of these strategies have a computational basis, being implemented not only in the computer program "Le Châtelier", but also in on line simulations. Some studies concerning the impact of these tools on teachers and students, with good results, are also presented.

ÍNDICE

Introdução............................................................................................................................ »»

1. Concepções alternativas, analogias e computadores no ensino das ciências............. »»

1.1. Concepções alternativas no ensino das ciências..................................................... »»

1.1.1. Breve história de tendências................................................................................................................. »»

1.1.2. Fundamentação epistemológica e psicológica do movimento das concepções alternativas...... »»

1.1.3. Características das concepções alternativas...................................................................................... »»

1.1.4. Metacognição.......................................................................................................................................... »»

1.2. Analogias em ciência................................................................................................ »»

1.2.1. Vantagens e desvantagens do uso de analogias............................................................................... »»

1.2.2. Modelos para a utilização de analogias............................................................................................... »»

1.3. Dificuldades de aprendizagem em ciências e computadores.................................. »»

1.3.1. Simulações computacionais: o elixir do ensino ou talvez não.......................................................... »»

1.3.2. Enquadramento pedagógico e oportunidade de simulações on‑line em Java: um novo paradigma na utilização das tecnologias de informação e comunicação no ensino..................................................................... »»

2. Diagnóstico sobre o ensino do equilíbrio químico e o princípio de Le Châtelier: algumas pistas de superação........................................................................................................................ »»

2.1. Breve história do princípio de Le Châtelier........................................................... »»

2.2. Percursos operacionais para o ensino do equilíbrio químico.................................. »»

2.2.1. Estados de equilíbrio.............................................................................................................................. »»

2.2.2. Constantes de equilíbrio e alterações ao estado de equilíbrio......................................................... »»

2.2.3. Interpretação dos valores da constante de equilíbrio com base em conceitos fundamentais.... »»

2.3. Concepções alternativas em equilíbrio químico...................................................... »»

2.3.1. Lista de concepções alternativas em equilíbrio químico................................................................... »»

Entendimento do conceito de equilíbrio químico e suas características.................................................... »»

Alteração do estado de equilíbrio............................................................................................................. »»

O uso (e abuso) do princípio de Le Châtelier........................................................................................... »»

Equilíbrios múltiplos................................................................................................................................ »»

Sistemas heterogéneos.............................................................................................................................. »»

Velocidade das reacções e equilíbrio químico............................................................................................. »»

Constante de equilíbrio e quociente de reacção........................................................................................ »»

2.3.2. Generalidades sobre concepções alternativas em equilíbrio químico............................................. »»

2.3.3. Percepção dos professores sobre a incidência nos alunos de algumas concepções alternativas em equilíbrio químico »»

Descrição do estudo................................................................................................................................. »»

Resultados e conclusões........................................................................................................................... »»

2.4. Equilíbrio químico e analogias................................................................................. »»

A. Analogias mecânicas............................................................................................................................ »»

B. Analogias envolvendo elementos vivos (pessoas ou animais)............................................................. »»

C. Analogias em forma de jogo/desafio..................................................................................................... »»

D. Outras analogias.................................................................................................................................. »»

Comentários gerais................................................................................................................................... »»

2.5. Utilizações acríticas do princípio de Le Châtelier................................................... »»

2.5.1. Enunciados............................................................................................................................................... »»

2.5.2. Variações de temperatura....................................................................................................................... »»

2.5.3. Adição de gases raros............................................................................................................................ »»

2.5.4. Efeitos contrários.................................................................................................................................... »»

2.5.5. Visões radicais do princípio de Le Châtelier....................................................................................... »»

2.6. Outros aspectos relacionados com o ensino do equilíbrio químico........................ »»

2.6.1. Equilíbrio químico e cinética química................................................................................................... »»

Cinética química e termodinâmica química: algumas relações e dificuldades............................................ »»

Pontos de contacto entre velocidade e extensão das reacções químicas................................................... »»

2.6.2. Estado de divisão de um reagente sólido e equilíbrio químico........................................................ »»

Abordagem experimental.......................................................................................................................... »»

Abordagem computacional....................................................................................................................... »»

2.6.3. Equilíbrio químico e segunda lei da termodinâmica: interpretação de alterações ao estado de equilíbrio por via termodinâmica........................................................................................................................................ »»

Probabilidade e entropia........................................................................................................................... »»

Conceitos termodinâmicos fundamentais e equilíbrio químico................................................................. »»

Entropia e equilíbrio: um exemplo de aplicação..................................................................................... »»

2.6.4. Solubilidade de sais e «balbúrdia corpuscular»............................................................................... »»

Primeiro nível (qualitativo) de abordagem.............................................................................................. »»

Segundo nível (semi-quantitativo) de abordagem................................................................................... »»

2.6.5. Alterações de temperatura: K_c ou K_p, dois caminhos aparentemente paradoxais?..................... »»

Questão.................................................................................................................................................. »»

Uma primeira resposta com base no princípio de Le Châtelier.............................................................. »»

Exercício para interpretação usando K_p e K_c......................................................................................... »»

Um conflito............................................................................................................................................ »»

Resolução do conflito............................................................................................................................. »»

A importância dos estados padrão......................................................................................................... »»

2.6.6. Unidades na constante de equilíbrio, sim ou não?.......................................................................... »»

A favor da utilização de unidades na constante de equilíbrio................................................................. »»

A favor da não utilização de unidades na constante de equilíbrio.......................................................... »»

Uma estratégia de compromisso............................................................................................................. »»

3. Estratégias para o ensino do equilíbrio químico e simulações computacionais......... »»

3.1. O programa de computador “Le Châtelier”......................................................... »»

3.1.1. O programa “Le Châtelier – versão 1.0”: virtudes e limitações...................................................... »»

3.1.2. O programa “Le Châtelier – versão 2.0”............................................................................................. »»

Descrição do programa “Le Châtelier 2.0”............................................................................................. »»

O programa «por dentro» e algumas limitações..................................................................................... »»

3.2. Estudo do feed-back dos professores sobre o programa Le Châtelier 2.0.......... »»

3.2.1. Resultados e conclusões..................................................................................................................... »»

3.3. Estudo sobre o uso do programa «Le Châtelier»: questionário a alunos............ »»

3.3.1. Características da amostra e metodologia......................................................................................... »»

3.3.2. Resultados e conclusões..................................................................................................................... »»

3.4. Sugestões de reformulação do programa «Le Châtelier»..................................... »»

3.5. Simulações computacionais on line........................................................................ »»

3.5.1. O “Molecularium”................................................................................................................................. »»

3.5.2. É melhor on line!................................................................................................................................... »»

3.6. Sistematização de dificuldades no ensino-aprendizagem em equilíbrio químico e sugestões metodológicas para o ensino do equilíbrio químico.............................................. »»

I – Entendimento do fenómeno equilíbrio químico................................................................................. »»

II – Quociente de reacção e constante de equilíbrio................................................................................ »»

III – Equilíbrio químico e velocidade das reacções................................................................................. »»

IV – Alterações ao estado de equilíbrio.................................................................................................. »»

V – Outras dificuldades.......................................................................................................................... »»

4. Conclusões.................................................................................................................... »»

5. Apêndices...................................................................................................................... »»

5.1. O ensino do equilíbrio químico nos curricula portugueses................................... »»

5.2. Textos de ajuda no programa “Le Châtelier”...................................................... »»

5.3. Inquérito aos professores sobre concepções alternativas em equilíbrio químico e o programa “Le Châtelier”............................................................................................................... »»

5.4. Questionário para avaliação do programa de computador “Le Châtelier”.......... »»

5.5. Roteiros de exploração do programa «Le Châtelier»........................................... »»

a) Alunos universitários................................................................................................................................. »»

b) Alunos de iniciação ao equilíbrio químico (versão simplificada em língua inglesa)........................ »»

5.6. Algoritmos para o cálculo sucessivo de entropias na reacção química genérica: A (g) + 3 B (g) D 2 C (g), por variação de volume............................................................... »»

5.7. Lista de recursos e programas constantes do CD-ROM que acompanha a tese e respectiva localização no disco................................................................................................ »»

6. Bibliografia................................................................................................................... »»

I – Equilíbrio químico e conteúdos relacionados......................................................... »»

II – Computadores / Ensino.......................................................................................... »»

III – Educação: Teorias, estudos e metodologias........................................................ »»

IV – Outras.................................................................................................................... »»

Introdução

O tema do «equilíbrio químico» (EQ) é de importância central no domínio da Química e não raramente sede de dificuldades no processo de ensino e aprendizagem. Como se mostrará, o ensino do equilíbrio químico está repleto de questões controversas, umas mais evidentes e outras mais subtis. Muito se tem escrito sobre as variadas facetas deste problema mas parece faltar alguma sistematização e clareza de diagnóstico. Por outro lado, importa avolumar o conjunto de abordagens didácticas para contornar as situações mais delicadas.

O objectivo desta tese é sistematizar um diagnóstico sobre a problemática do ensino do equilíbrio químico e apresentar um conjunto de propostas pedagógicas para resolver alguns dos problemas inventariados.

O presente trabalho inicia-se com um capítulo introdutório que é constituído por um elenco de ideias resultantes de uma pesquisa bibliográfica. Este capítulo faz referência ao movimento das concepções alternativas (MCA), a analogias e à utilização de computadores no ensino das ciências.

No segundo capítulo faz-se o levantamento dos vários problemas inerentes ao ensino do equilíbrio químico. Este diagnóstico é acompanhado, por vezes, de pistas com vista a resolver as dificuldades identificadas. Embora haja uma relação de bastante cumplicidade entre os diferentes assuntos, abordamos esta temática em cinco níveis: contexto histórico (2.1), percursos operacionais no ensino do equilíbrio químico (2.2), concepções alternativas em equilíbrio químico (2.3), analogias em equilíbrio químico (2.4), utilização acrítica do princípio de Le Châtelier (2.5) e outros aspectos no ensino do equilíbrio químico (2.6). Enquanto a secção 2.2 se centra explicitamente na perspectiva do aluno, as restantes secções reflectem, essencialmente, as perspectivas dos professores e dos investigadores em relação ao problema.

No terceiro capítulo apresentam-se as estratégias de natureza computacional que foram desenvolvidas e testadas mediante o «ponto de situação» no ensino do equilíbrio químico. Algumas destas sugestões de metodologia, bem entendido, já foram merecendo alguns «aperitivos» de resposta, quando da sua verificação em quadro de diagnóstico, apresentado no capítulo anterior.

Particular atenção merece o programa de computador «Le Châtelier» (3.1), onde muitas das dificuldades dos alunos podem encontrar um caminho de superação. Para além da apresentação do programa e das suas potencialidades, são apresentados estudos, um junto dos professores (3.2) e outro baseado num questionário a alunos utilizadores do programa de computador (3.3). O ponto 3.4 estabelece um conjunto de propostas de reformulação do software com base nos estudos de impacto levados a cabo. Seguidamente apresentam-se mais algumas simulações desenvolvidas (3.5), algumas das quais on line.

Finalmente, a secção 3.6 sistematiza de forma esquemática um conjunto de problemas de aprendizagem inerentes ao ensino do equilíbrio químico, bem como sugestões metodológicas e referências bibliográficas associadas a esses problemas.

Acompanha este trabalho um CD-ROM que contém a própria tese digitalizada em formato hipertexto. Um clique em alguns dos autores citados (quando sublinhados) fornece o próprio conteúdo ou acessos a uma consulta on line. Igualmente disponíveis na versão digital em CD-ROM da tese estão programas de computador e páginas de Internet com acesso local ou remoto, chamadas no meio do texto. O apêndice 5.7 apresenta a lista de todos estes materiais digitalizados. A tese está disponível on line em http://nautilus.fis.uc.pt/~jcpaiva/td.

1. Concepções alternativas, analogias e computadores no ensino das ciências

1.1. Concepções alternativas no ensino das ciências

Sempre me admirei com o facto dos professores de ciências (…) não compreenderem que não se compreende. Poucos são os que aprofundaram a psicologia do erro, da ignorância, da irreflexão.

GASTON BACHELARD

Não é fácil descrever de forma resumida um movimento com tão vasta incidência no domínio do ensino das ciências como o movimento das concepções alternativas (MCA). Com efeito, trata-se de uma tendência cujo início poderemos localizar nos inícios da década de 70 e a propósito da qual já se produziram milhares de artigos (PFUNDT 1994).

Na base do MCA está, essencialmente, uma enorme atenção aos conceitos prévios dos alunos transportados pela sua história pessoal diferenciada, na base dos quais (por troca ou captura) se sedimentarão os conhecimentos científicos ensinados.

Quanto à real implementação deste movimento no «terreno» do ensino das ciências, os efeitos não são muito notórios. As mais recentes reformas curriculares portuguesas tiveram em conta os princípios deste movimento mas a enorme resistência à mudança de todos os sistemas físicos e humanos, de que o ensino das ciências é apenas um caso particular, retardam a incorporação dos ideais associados ao movimento. Não é só a «inércia do sistema pedagógico» que justifica a intensidade dos resíduos tradicionais: o próprio MCA tem contornos intrínsecos que o limitam e que desenvolveremos na secção 2.3.

Iremos pois fazer um retrato necessariamente simplificado do MCA, evidenciando apenas as suas características fundamentais (SANTOS 1990 ).

1.1.1. Breve história de tendências

Nos anos 60, principalmente nos Estados Unidos da América, deu-se a primeira verdadeira reforma no ensino das ciências desde o início do século, até então solidário com uma filosofia de escola tradicional, que era magistralmente impositiva. O paradigma vigente era o da aprendizagem por transmissão (APT).

Ideias como a aprendizagem da estrutura do assunto (AEA) e aprendizagem por descoberta (APD) devidas a BRUNER (1966) começaram a inflamar as tendências pedagógicas do ensino das ciências. A aprendizagem centrada nos conteúdos começou a dar lugar a uma aprendizagem centrada nos processos (realçando-se a importância dos trabalhos experimentais). Uma marca muito própria desta reforma, ainda hoje essencial, é a aprendizagem por objectivos (APO).

Logo nos anos 80 surgiram as primeiras críticas às reformas, particularmente no que toca à APD e à ênfase exagerada no trabalho de laboratório acompanhado de uma imitação ingénua do método científico. A pretensão de uma avaliação excessivamente objectiva e a centralidade nos resultados mais do que nos processos justificaram a oposição à APO.

A incidência na estrutura do conhecimento e o desleixo da estrutura mental de quem aprende geraram, portanto, uma nova crise no ensino das ciências e abriram portas a um novo paradigma que convergiu no MCA. Embora este movimento tenha tido os seus primeiros passos – e as suas primeiras raízes de fundamentação epistemológica e psicológica – bastante mais cedo, a sua estruturação definitiva pode localizar-se no final dos anos 80.

1.1.2. Fundamentação epistemológica e psicológica do movimento das concepções alternativas

Na base de muitos problemas da educação em ciências está a questão das representações. As representações são sínteses mentais de informação que uma pessoa constrói, a partir do que ela foi (passado), do que ela é (presente) e do que ela quer ser (futuro). Ora a ciência pode ser vista como uma representação do mundo pelo homem. É habitual indicar, no contexto das representações científicas, a «ciência do cientista», a «ciência do professor», a «ciência do aluno» e a «ciência da criança». Percebe-se, pois, a necessidade da filosofia das ciências (epistemologia) fundamentar a educação das ciências.

O MCA assenta numa epistemologia racionalista. São importantes nesta perspectiva racionalista os nomes de BACHELARD (1951), POPPER (1959), KUHN (1962) e LAKATOS (1984), entre outros. A filosofia racionalista opõe-se ao empirismo. Não é natural nem imediata, designando-se, por vezes, como tardia. Numa perspectiva racionalista, os factos científicos não são dados mas construídos e a teorização precede a própria observação em ciência. É facilmente perceptível a forte influência desta corrente epistemológica no MCA.

Os precursores psicológicos do MCA são AUSUBEL (1963) e PIAGET (1976). As suas teses são cognitivistas e opõem-se à psicologia behaviorista. As ideias destes autores têm grande intimidade com MCA no que toca, nomeadamente, à importância dos substractos pré-existentes na criança a quem se ensina ciências (Ausubel) e à personalidade própria da criança (Piaget).

Piaget foi revolucionário no entendimento psicológico da criança e influenciou toda a pedagogia contemporânea, incluindo em particular o ensino das ciências. Para ele, resultamos não só de processos de imitação mas da interacção com estruturas próprias que nos tornam originais. Importa destacar as crenças, o realismo, o animismo e a causalidade infantis, que este autor estudou particularmente, e que são atendidos na estruturação do MCA.

Ausubel, por seu turno, aponta as representações dos alunos como estruturas de acolhimento dos conceitos científicos. Refere a necessidade de «ancoragem» dos novos conhecimentos nos pré-existentes e daí a necessidade de o professor ter alguma ideia prévia sobre as condições de partida do aluno (pontos de “ancoragem”). A aprendizagem, segundo Ausubel, é feita por assimilação cognitiva e pressupõe a integração do que é novo no quadro de estruturas conceptuais anteriores. O MCA é bastante influenciado por este autor no que toca, nomeadamente, à imprescindibilidade da detecção prévia dos conceitos alternativos dos alunos.

1.1.3. Características das concepções alternativas

As concepções alternativas (CA) distinguem-se dos conceitos científicos. Tanto assim é que os autores mais conservadores ou mais indiferentes à pedagogia do erro lhes chamam «forma elegante de designar as asneiras dos alunos». A linguagem subjacente às CA é imprecisa e a criança (entenda-se a criança, o jovem ou até o adulto) que as veicula não raciocina profundamente, em geral, sobre as reais consequências delas. Ao contrário do conceito científico, a CA não tende para a abstracção matemática (pelo contrário, é «coisificante»), sendo essencialmente figurativa, não estruturada e pessoal.

É muito importante, igualmente, não confundir CA com erro de cálculo ou lapso de memória, que nada têm de esforço teorizante (CACHAPUZ, 1995).

Os esquemas inerentes às CA têm uma certa coerência interna, embora a sua consistência seja bastante débil. A maioria das investigações revela, porém, uma enorme resistência à mudança e, por isso, uma tarefa do professor difícil mas motivadora no que toca à troca de conceitos (alternativos por científicos) por parte do aluno. Tem-se vindo a verificar que, mesmo depois de pedagogias bem elaboradas e conscientes das CA, estas perduram teimosamente nos alunos que foram sujeitos a um ensino formal das ciências.

Merece uma referência o paralelismo com os sucessivos modelos históricos que muitas vezes estão evidenciados nas CA. O próprio Piaget enfatizou os pontos de contacto das perspectivas evolucionistas filogenética e ontogenética.

A mudança conceptual é uma questão desde sempre levantada pelas ciências epistemológicas e pedagógicas. Como na história colectiva, também o aluno fará a sua própria «mudança de paradigma» num sentido do progresso.

Esta mudança está em oposição às correntes clássicas de aquisição conceptual, baseadas nas teorias psicológicas behavioristas e no empirismo clássico.

Popper chama à aquisição conceptual a teoria do «balde mental»: o aluno é visto como uma receptáculo de informação massificada.

Na mudança conceptual, por outro lado, a inclusão, agora integrativa, dos conceitos científicos está relacionada interactivamente com as CA. As teorias racionalistas/construtivistas estão na base desta forma de aprendizagem. Torna-se fundamental partir daquilo que o aluno sabe e promover a mudança conceptual, contando com o papel activo do aluno. Esta mudança, porém, pode operar-se de dois modos diversos: captura e troca conceptuais. O primeiro modo assenta numa teoria racionalista continuista (Ausubel) e aponta para o prolongamento daquilo que já é familiar no aluno. O modo de captura conceptual centra-se nos aspectos conciliáveis entre as CA e os conceitos científicos e torna-se muito difícil quando estes dois tipos de conceitos estão muito distantes.

O modelo de troca conceptual tem uma base racionalista/descontinuista (Bachelard) e privilegia um conflito cognitivo que leva ao rompimento total com o património familiar das CA. Para que haja uma efectiva troca conceptual, integrativa e racional, deve existir por parte do aluno uma clara insatisfação em relação às concepções pré-existentes. A nova concepção, por seu turno, deve ser inteligível, plausível e proveitosa.

Na secção 2.3 voltaremos a este assunto quando sistematizarmos as CA em EQ.

1.1.4. Metacognição

Muitos investigadores têm tentado ir um pouco mais longe, no sentido de compreender o caminho que se trilha para chegar a determinada estrutura cognitiva. Quando os sujeitos (alunos) reflectem sobre a sua própria maneira de pensar entramos num domínio designado por «metacognição».

O termo metacognição foi usado pela primeira vez por FLAVELL (1976), em grande correlação com aprendizagens auto-reguladas. A etimologia da palavra ajuda a compreender o seu significado: meta = «para além de». O esforço em causa consiste na tentativa de o sujeito perceber o que está por detrás de cada concepção (seja ela alternativa ou cientifica). Estes estudos são polarizados na reflexão sobre o modo como o aluno processa a informação (VALENTE, 1992). O estudo das estruturas metacognitivas dos alunos não é monopólio do MCA. Muitos trabalhos têm sido realizados no sentido de apurar as causas verdadeiras (e mais profundas) de determinada dificuldade. Concretizando estratégias de auto-reflexão dos alunos podem desenvolver-se capacidades, por exemplo, ao nível da resolução de problemas (CRUZ, 1989). Este objectivo é bastante legítimo, até porque muito do insucesso real dos alunos no domínio das ciências advém de uma falta de reflexão de alunos e professores sobre a própria forma de estruturar o conhecimento. Por outro lado, convém referir que a análise e a objectivação de estudos nesta área é difícil. O programa de computador «Le Châtelier», que adiante discutiremos, regista e mostra o percurso do aluno à medida que este o explora, o que, de forma indirecta, pode apoiar estratégias metacognitivas.

1.2. Analogias em ciência

A definição instituída para a palavra analogia é a seguinte: «(do grego analogia) relação de conformidade, de semelhança entre as coisas, seja na ordem física, na ordem intelectual ou na ordem moral» (MACHADO, 1989). A raiz da palavra é ana (assim como aqui, ali) + logia (leitura). Uma analogia tratar-se-ia, neste sentido etimológico, de uma leitura paralela. Aplicada esta definição ao domínio do ensino das ciências trata-se de usar um caminho paralelo, com pontes de semelhança, entre um determinado conceito científico que se pretende transmitir e um quadro cognitivo real, quotidiano, simples e pré-existente no universo do aluno.

O uso de analogias no ensino das ciências parece ter um lugar incontestável pelas vantagens que pode apresentar na promoção de aprendizagens significativas. Dizemos «pode apresentar» porque, uma vez utilizadas mal, exagerada ou acriticamente, as analogias poderão constituir entrave ao conhecimento científico correcto.

Kepler usou uma analogia entre a sua descrição revolucionária dos movimentos celestes e o funcionamento de um relógio. Mas já Aristóteles tinha escrito em «Retórica III» que «o meio termo entre o ininteligível e o lugar comum é o que mais produz conhecimento». Podemos, porém, usar esta mesma apologia aristotélica do uso de analogias para chamar a atenção para os perigos do seu mau uso. Sabemos como Aristóteles se serviu das sensações aparentes (que suportam o conhecimento comum) para produzir ideias que, radicadas nos sentidos, não reproduziam a verdade ininteligível, tantas vezes «escondida» na aparência. Há, pois, que ter alguns cuidados: o conhecimento científico, que cada vez mais se reclama como um conhecimento que pretende estar acessível a grande número de pessoas, não deixa, para o ser, de possuir uma linguagem e uma estrutura que lhe são próprias e que não coincidem com a linguagem e a sensibilidade comuns (muitas vezes até se lhe opõem).

1.2.1. Vantagens e desvantagens do uso de analogias

São inúmeros os estudos sobre a eficácia pedagógica da utilização de analogias. A maioria destes trabalhos conclui que as analogias promovem uma ajuda inequívoca na memória e na compreensão dos fenómenos (HALPERN, HANSAN e REIFER, 1990), diminuindo a propensão para a existência de concepções alternativas (HARRISON e TREAGUST, 1994) e proporcionando um verdadeiro conhecimento científico a partir do património pré-existente no aluno (GLYNN, YEANY e BRITTON, 1991). Alguns estudos (por exemplo, HIDEO, 1997) enfatizam que o uso de analogias é vantajoso para promover a troca conceptual, assunto de que falámos no capítulo anterior.

Trabalhos há em que a conclusão principal é a necessidade de uma boa preparação específica dos professores no domínio das analogias (TREAGUST [et al.], 1992) para que a sua aplicação gere os frutos pretendidos. Com efeito, muitos dos maus resultados parecem ter origem numa utilização pouco estruturada de mecanismos analógicos, cujo balanço de aplicação nos alunos se torna negativo. ZOOK e VESTA (1991) realizaram um estudo com dois grupos de alunos, um dos quais foi sujeito a uma determinada instrução científica usando analogias. Estes autores concluíram que esse mesmo grupo apresentava depois mais concepções alternativas do que o grupo para o qual não se usou qualquer analogia, fruto da valorização de informação irrelevante associada ao quadro análogo. Não se podem generalizar os resultados destes investigadores, até porque o problema pode ter residido numa má metodologia ou inoportunidade da analogia, mas servem estas conclusões para nos alertar face aos impactos negativos que as analogias para ensinar ciências podem ter. Todas as analogias acarretam riscos e, para muitos autores, há um conjunto muito pequeno de analogias seguras (AUSUBEL, 1963).

Uma variável importante na utilização pedagógica de analogias é a distância entre o conceito que se pretende transmitir e o quadro de referência análogo. HALPERN e RIEFER (1990) realizaram um estudo envolvendo, para além de um grupo de controlo não sujeito a qualquer analogia, três grupos de alunos que usaram três metodologias analógicas distintas, de distância em relação ao conceito-alvo progressivamente maior. Curiosamente, concluíram que o grupo que usou um esquema análogo com linguagem muito perto do conceito‑alvo não apresentava quaisquer diferenças significativas quando comparado com o grupo de controlo que não usou analogias. Já o grupo que usou uma linguagem mais distante do conceito‑alvo (e mais perto do universo cognitivo do aluno) era o que mais benefícios reais apresentava. Este estudo evidencia, assim, que (para conseguir ser verdadeiramente eficaz) uma analogia deve inscrever-se num domínio distante do conceito a transmitir.

1.2.2. Modelos para a utilização de analogias

No sentido de optimizar a utilização de analogias no ensino das ciências GLYNN, YEANY e BRITTON (1991) propuseram uma metodologia específica que permite aos professores e aos autores de textos educativos em ciências estruturar melhor o uso de analogias. Esta metodologia previne algumas das eventuais consequências negativas da aplicação de analogias e envolve os seis passos seguintes:

1- Introdução do conceito‑alvo (que se pretende transmitir).

2- Apresentação do conceito análogo (que fará paralelo com o conceito‑alvo).

3- Identificação das pontes relevantes entre o conceito‑alvo e o conceito análogo.

4- Estabelecimento de um mapa de semelhanças.

5- Indicação dos «pontos fracos» da analogia.

6- Esboço de conclusões.

Na secção 2.4 faremos a aplicação exaustiva desta metodologia a uma analogia em EQ.

Logo no terceiro ponto, dos seis acima apresentados, é importante chamar a atenção dos alunos para as dissemelhanças entre contextos de ambos os lados (conceito‑alvo e conceito análogo), ganhando algum terreno para o estabelecimento do (importante) ponto cinco. A própria verificação de items em que a analogia não se aplica pode promover uma aprendizagem mais significativa do conceito‑alvo. A maioria dos maus usos de analogias têm a ver com uma má escolha do conceito análogo, com uma falta de clareza na exploração com os alunos ou com uma ausência de filtragem da analogia (ponto 5).

HARRISON e TREAGUST (1994) sugerem uma metodologia equivalente de três passos apenas e que, para uso quotidiano na actividade de um professor de ciências, se pode tornar mais prática. Esta metodologia inclui: (i) assegurar que professor e alunos visualizam congruentemente o conceito análogo, (ii) desenvolver os atributos partilháveis entre o conceito‑alvo e o conceito análogo e, finalmente, (iii) identificar os atributos não partilháveis, isto é, as não funcionalidades da analogia.

A ligação entre estas analogias e as simulações no computador é enorme. Em ambos os casos recorre-se a modelos representativos usando mecanismos de «visualização» (que podem estar simplesmente associados a palavras ou ideias ou serem mais concretos) capazes de fazer a ponte entre o conceito a transmitir e o património cognitivo de quem o recebe. As primeiras usam mais a linguagem e a imaginação, as segundas têm lugar no ecrã do computador. Ambas, porém, têm as suas limitações.

1.3. Dificuldades de aprendizagem em ciências e computadores

A «sociedade da informação» impôs-se como um paradigma sociológico. A própria noção de conhecimento e de saber sofreu uma metamorfose, com uma maior centralidade na gestão, organização e capacidade de síntese, face ao enorme manancial de informação disponível, do que na sua aquisição ou memorização (SOCIEDADE DA INFORMAÇÃO, 1997). A escola não ficou indiferente aos desafios colocados pela «nova máquina» e tem-se adaptado (o possível, digamos) às novas vias que se abrem com o uso do computador. Parece inquestionável que o computador pode fazer face a muitas das dificuldades emergentes no processo de ensino e aprendizagem das ciências. De entre as várias formas de utilização no ensino das tecnologias de informação e comunicação, abreviadamente TIC (AWBREY 1996), salientamos uma que merece especial atenção neste trabalho: as simulações computacionais. As simulações computacionais no ensino representam, ao fim e ao cabo, «experiências» computacionais que geram representações da realidade difíceis de visualizar sem o recurso ao computador (PAIVA, 1994) e (MARUCCI, 1995).

Esta faceta das TIC no ensino (que existe para além de outras utilizações como «tutoriais», apoio a laboratório, etc.) interessa-nos particularmente, pelo que desenvolvemos um conjunto significativo de simulações para utilização no processo de ensino e aprendizagem do EQ. Verificaremos que estas representações no computador permitem visualizar e manipular fenómenos relacionados com o EQ que solidificam aprendizagens nesse domínio.

1.3.1. Simulações computacionais: o elixir do ensino das ciências ou talvez não

O entusiasmo que colocamos no uso de TIC no ensino das ciências, em geral, e nas simulações computacionais, em particular, não deve ser entendido como um privilégio absoluto dado a esta estratégia. Convém balizar os proveitos dos «novos ventos tecnológicos» com uma moderação antes de mais realista. Como o título desta secção sugere, os computadores não são, com toda a certeza, o elixir dos problemas que existem no sistema educativo.

Longe vão os tempos em que se chegou a pensar que a introdução das TIC na escola seria a panaceia de alguns problemas pedagógicos. Ao (natural) entusiasmo e visão ultra-optimista dos percursores iniciais do computador na escola, sucede-se o justo equilíbrio, às vezes até acompanhado de alguma desilusão (OPPENHEIMER, 1997).

Uma reflexão sobre o ensino das ciências em Portugal, em particular, pode levar-nos, inclusive, a uma certa secundarização das TIC. Instituiu-se um certo facilitismo no sistema, fruto, em parte, dum ensino obrigatório e de massas que, de resto, nos deve orgulhar. O desaparecimento desse facilitismo, que começa a ser desejado por muitos agentes de ensino e pela sociedade em geral, é urgente e, admitamos, ele não será centralizado no computador. A chave para o reequilíbrio do nosso ensino está, talvez, numa inspiração bem mais clássica, focada em conceitos como exigência, rigor, trabalho e disciplina. Neste sentido, não é especificamente pelo uso dos computadores (embora sem os desprezar) que estará a pedra angular para a requalificação do nosso ensino.

1.3.2. Enquadramento pedagógico e oportunidade de simulações on line em Java: um novo modelo de utilização das tecnologias de informação e comunicação no ensino

Não adiantará muito escrever sobre as evidentes vantagens da Internet na vida dos cidadãos em geral e na vida da escola em especial (TRENTIN, 1996 e PAIVA, 1997). Não desenvolveremos aqui os desafios colocados pela «rede das redes», disponibilizadora de infindável informação e manancial comunicativo extraordinário, no que toca ao conhecimento e ao ensino (FIGUEIREDO, 1996). Centremo-nos nas portas que se abrem às simulações computacionais on line no domínio do ensino.

Quando os objectivos das simulações não perfilham qualquer estratégia comercial mas antes se inscrevem num serviço à comunidade de professores e alunos, como acontece no nosso caso, a Internet é o receptáculo óptimo para a informação a partilhar. As vantagens são óbvias: consultas e interacções possíveis constante e remotamente, actualizações mais fáceis, interacção mais eficaz com os utilizadores. Podemos mesmo alvitrar que, evoluindo em capacidade tecnológica os canais de comunicação e o software adequado, tem sentido, num futuro breve, prescindir de todo dos suportes off line.

De acordo com a ideia acima referida e usufruindo de novas linguagens de programação, as simulações que fomos construindo ao longo dos anos sofreram uma evolução tal que, hoje, apostamos claramente apenas nas produções on line.

As primeiras experiências computacionais que realizámos, por volta de 1987, foram escritas em linguagem BASIC, quer para apresentar jogos educativos em Química (como o «Jogo das Substâncias»), quer para algumas simulações simples, como a reprodução no computador de uma nuvem electrónica. Algum grau de sofisticação se conseguiu com esta linguagem mas a primeira versão do programa “Le Châtelier 1.0 (1993)” e a “Tabela Periódica” já foram programadas em C++ e Visual Basic, respectivamente. O suporte em disquete foi dando lugar ao CD-ROM, tendo o programa “Tabela Periódica Multimédia” já sido veiculado neste suporte. A linguagem de programação mudou para Delphi, tendo sido programada com essa linguagem a aplicação “Le Châtelier 2.0”, a que faremos referência pormenorizada na secção 3.1. Os desafios actuais, contudo, fazem polarizar boa parte do nosso esforço no universal protocolo html (acrónimo de hyper text multi language), estando já disponíveis nesse formato os recursos do programa “Tabela Periódica on line”. Por outro lado, as animações feitas em suporte Java são, de momento, o instrumento por excelência nos nossos trabalhos simulacionais para o ensino.

Os interfaces de comunicação associados aos produtos on line têm uma natureza mais modular e uma estética mais modesta mas, se se realizar o sonho dos visionários da Internet como uma «auto-estrada da informação», hoje ainda uma miragem, os produtos multimédia que vemos hoje off line poderão estar disponíveis na rede. Alguns dos exemplos de simulação que apresentaremos adiante foram programados na linguagem Java, tendo‑se revelado bastante prometedores. A nível das simulações moleculares, a Internet oferece enormes potencialidades: é, inequivocamente, o «lugar» futuro das simulações (MOLNER, 1999). A título de exemplo, observe-se a ilustração simples que realizámos para observar o aumento de temperatura no vapor de água, ao nível molecular (Fig.1.1).

Fig.1.1‑ Simulações moleculares feitas em Java representando moléculas numa amostra de água gasosa a temperatura variável.

A convicção da relevância pedagógica da Internet levou-nos a disponibilizar aí os programas desenhados para correr off line (como o programa «Le Châtelier» que descreveremos adiante), de modo a que possam ser livremente capturados e utilizados.

2. Diagnóstico sobre o ensino do equilíbrio químico e o princípio de Le Châtelier: algumas pistas de superação

2.1. Breve história do princípio de Le Châtelier

Um dos aspectos mais curiosos do princípio de Le Châtelier é o duvidoso protagonismo que é conferido ao seu «padrinho», Le Châtelier.

Henri Louis Le Châtelier, químico francês, nasceu em Paris em 1850 e faleceu em 1936 (Fig.1.2).

Fig.1.2 – Henri Louis Le Châtelier

De entre os livros que publicou destacam-se "Ciência e Indústria" (1925) e "Método em Ciências Experimentais" (1936). Foi professor, tendo sido nomeado inspector geral de minas em 1907 (BIBLIOGRAPHY, 1937).

No ano de 1884 Le Châtelier publica a primeira formulação do seu princípio:

«Tout sytème en equilibre chimique stable soumis à l’influence d’une cause extérieure qui tend à faire varier soit sa température, soit sa condensation (pression, concentration, nombre de molecules dans l’unité de volume) dans sa totalité ou seulement dans quelques-unes de ses parties, ne peut éprouver que des modifications intérieures, qui, si elles se produisaient seules, amènenerai en un changement de témperature ou de condensation de sign contraire à celui resultant de la cause extérieure» (LE CHÂTELELIER, 1884).

Le Châtelier explicita que o enunciado acima tem uma génese experimental, parcialmente inspirada na teoria geral de Lippmann que, por sua vez, se baseia na lei da indução de Lenz. Percebemos assim melhor a ideia insistente de noções como «contrariar», «reagir», «opor-se». Para alguns autores (TREPTOW, 1980) existem, associados a este enunciado, resquícios aristotélicos da ideia de uma Natureza que resiste às infracções contra as suas normas.

Le Châtelier agradece explicitamente a van’t Hoff a inspiração recebida dos trabalhos deste químico sobre o princípio do equilíbrio móvel (efeitos de temperatura). Para alguns autores, como GOLD e GOLD (1985), a formulação de Le Châtelier pouco avançou em relação à essencial lei de van’t Hoff, tendo a história deturpado o protagonismo de Le Châtelier, que mais devia ser conhecido por outros trabalhos importantes em Química do que por este princípio. Nos estudos de Le Châtelier foram determinantes as solicitações dos industriais metalúrgicos ingleses que queriam melhorar o rendimento da produção de ferro a partir da redução do óxido de ferro, tendo ele, nesse campo, conseguido avanços importantes. Outros autores vão mais além e dizem mesmo que este princípio não foi formulado por Le Châtelier mas que ele apenas o divulgou. Mais correctamente devia designar-se por princípio de van’t Hoff, já que os méritos das conclusões são deste cientista, que, ao que parece, não se incomodou muito com a «apropriação» de Le Châtelier (LAIDLER, 1995).

Em 1888 Le Châtelier reformulou o princípio, simplificando ainda a linguagem, mas sem avançar significativamente do ponto de vista conceptual. Ele próprio rotulou o seu princípio de «très simple». O princípio é muitas vezes referido na literatura como princípio de Le Châtelier-Braun. O contributo fornecido posteriormente por este segundo autor (BRAUN, 1988) parece, contudo, não subtrair ao enunciado as principais fraquezas da sua formulação. Esta excessiva simplificação, com raízes históricas, deixou de fora muitos casos particulares e fez de um traço geral de «comportamento químico», dubiamente enunciado, um princípio quase com força de lei. Este parto, algo indefinido, do princípio de Le Châtelier motiva e explica muitos dos actuais problemas no ensino e aprendizagem do EQ, que estão relacionados com o mau uso desse princípio (ver secção 2.5).