Carlos Fiolhais
Centro de Física Computacional
Departamento de Física
Universidade de Coimbra
3000 Coimbra
tcarlos@fteor5.fis.uc.pt
e
Jorge A. Trindade
Secção Autónoma de Física
Escola Superior de Tecnologia e Gestão
Instituto Politécnico da Guarda
6300 Guarda
jtrindade@ipg.pt
Resumo
As dificuldades dos alunos na aprendizagem
da Física são bem conhecidas. Diversos trabalhos permitem
concluir, por um lado, a existência de padrões de raciocínio
nos alunos muito semelhantes a uma pré-Física, ou "Física
aristotélica" e, por outro, o facto deste problema afectar
alunos em todos os níveis de ensino, incluindo estudantes já
graduados em Física.
Os diversos modos de utilização do computador (simulação,
aquisição e tratamento de dados, multimedia, telemática, etc.)
e a crescente diversidade e qualidade de software permitem novas
estratégias para a resolução deste problema. Pela primeira
vez, os recursos educativos ao alcance de docentes e discentes
permitem formas relativamente eficientes para o ajudar a
resolver.
Introdução
É um facto conhecido que a generalidade
dos alunos tem grandes dificuldades na compreensão dos
fenómenos físicos. O elevado número de reprovações a
Física, nos vários níveis de ensino e em vários países,
comprova bem a grande dificuldade que os alunos têm na
aprendizagem dessa ciência. As Excepções, os alunos que
conseguem bons resultados nesta disciplina, são vistos como uma
pequena elite, o que faz pensar que a Física seja só para
alguns. Pode a Física ser para todos? Como pode a Física ser
para todos? Ou melhor, como pode a Física ser cada vez para mais
gente?
As causas deste problema não estão
devidamente esclarecidas. E, por isso, as soluções também o
não estão. Contudo, entre as razões do insucesso na
aprendizagem em Física, são geralmente apontados, aos
professores, métodos de ensino desajustados das teorias de
aprendizagem mais recentes, enquanto aos alunos são apontados
desenvolvimento cognitivo insuficiente [PI59], deficiente
preparação matemática (a Matemática é a linguagem da
Física!) e existência de modelos conceptuais relacionados com o
senso comum [CKA80]. Devemos ainda acrescentar, especialmente no
ensino básico e secundário, a existência de alunos que não
têm a mínima vocação para o tema e que portanto só a muito
custo poderão vir a ter qualquer sucesso.
Os modelos conceptuais relacionados com o
senso comum são particularmente interessantes atendendo à
amplitude com que surgem. Com efeito, estudos efectuados por
vários investigadores (e.g. Trowbridge e McDermott [TM80,81];
Caramazza, McCloskey, e Green [CMG81]; Clement [Cle82]; Champagne
e Klopfer [CK82]; Cohen, Eylon e Ganiel [CEG83]; Watts [Wat83];
McDermott [Mcd84]; Halloun e Hestenes [HH85a,b]) indicam um
padrão de raciocínio nos alunos muito semelhante a uma
pré-Física, ou "Física aristotélica" ou
"Física do senso comum", teorias que comandaram o
pensamento humano durante largos séculos (Figura 1).
Figura 1 – Falha do senso comum. Se
um objecto for largado ao mesmo tempo que um outro é atirado na
horizontal,
na ausência de resistência do ar, qual deles atinge primeiro o
solo? A resposta (errada) frequentemente indicada é que é o
objecto largado [Fio94].
A psicogénese individual estaria assim
associada à história das ideias da humanidade. Trata-se,
segundo os referidos autores, de um tipo de raciocínio baseado
em anos de observação e experiência dos alunos na sua vida
quotidiana e que entra em conflito com a Física que lhes é
ensinada, dificultando a aprendizagem [HH85a]. Apesar deste
problema adquirir maiores contornos nos níveis mais básicos de
instrução, também se verifica no ensino superior [Hes87]. Um
estudo efectuado por Svein SjØberg e Svein Lie, da Universidade
de Oslo, revelou precisamente que tanto estudantes com poucos
conhecimentos de Física como outros com mais instrução
científica têm idênticos problemas deste tipo [Mcd84].
Naturalmente, as concepções dos alunos e o
consequente significado que eles atribuem aos termos do discurso
científico (muitas vezes tirados do discurso comum) não são
desconexos, mas integram-se numa explicação que lhes parece
coerente. Assim, é opinião dos estudiosos desta matéria que é
necessário irradicar as concepções erradas mais típicas e
persistentes (por vezes, designadas por "concepções
alternativas", embora não sejam de facto uma alternativa
viável...) que os alunos possuem para lhes transmitir
conhecimentos científicos sólidos. Se tal não for feito, os
alunos poderão não conseguir assimilar correctamente a nova
informação recebida, ou seja, não conseguem fixar novos
modelos conceptuais. Daí que tenham dificuldades enormes de
compreensão e que não consigam aplicar em situações novas os
conhecimentos aprendidos.
É necessário que os professores conheçam as
concepções erradas mais comuns e que disponham de instrumentos
para lidar com elas.
Concepções Erradas em Mecânica
A Mecânica newtoniana é o domínio por
excelência de investigação sobre este assunto [GWO82].
Trata-se de uma área cuja compreensão é essencial para a
maioria das restantes áreas da Física. Além disso, permite uma
fácil identificação dos conceitos errados mais
frequentemente enraizados no pensamento dos alunos e ainda
uma fácil divisão dos vários assuntos, contribuindo para um
trabalho organizado e particionado.
Figura 2 – Teoria do ímpeto. A
trajectória de um projéctil é descrita com base no ímpeto que
lhe é comunicado e no ímpeto do seu peso.
O movimento é descrito em três fases: 1ª- o ímpeto
comunicado é superior ao do seu peso (trajectória rectilínea
AB); o ímpeto inicial vai-se
dissipando gradualmente (trajectória curvilínea BCD);
2ª – existe ainda algum ímpeto fornecido no
lançamento mas o dominante é o do peso do projéctil
(trajectória rectilínea DE); 3ª – o ímpeto
inicial esgotou-se e o projéctil cai verticalmente devido
exclusivamente ao ímpeto do seu próprio
peso (trajectória rectilínea EF) [Mcc83].
Desta forma, os estudos feitos têm
incidido preferencialmente sobre conceitos de cinemática
(posição, distância, movimento, tempo, velocidade,
aceleração) e de dinâmica (inércia, força, resistência,
vácuo, gravidade). Assim, no capítulo da cinemática,
Trowbridge e McDermott investigaram as concepções associadas ao
conceito de velocidade [TM80] e de aceleração [TM81] a uma
dimensão. McCloskey [Mcc83], por sua vez, procurou comparar as
concepções dos alunos com a teoria medieval do ímpeto
(quando um corpo é colocado em movimento é-lhe comunicado um
ímpeto, ou seja, uma força que actua na direcção do
movimento) (Figura 2).
O seu ponto de partida foi o estudo de
movimento de objectos em queda livre, quando largados de um
referencial inercial (Figuras 3 e 4), do movimento de projécteis
em geral e do movimento circular de corpos. Já antes Minstrell
[Min82] tinha proposto uma "concepção alternativa"
para descrever as condições de repouso de um corpo, uma vez que
muitos estudantes tinham uma concepção errada sobre a
força gravítica, pensando que ela era o resultado da pressão
do ar. Em 1987, Rosenquist e McDermott [RM87] fizeram uma
abordagem conceptual e mais abrangente do ensino da cinemática,
mostrando: a) como o ensino baseado na observação de movimentos
pode ajudar os estudantes a desenvolver uma compreensão de
conceitos como velocidade instantânea e aceleração constante;
b) a distinguir conceitos como posição, velocidade e
aceleração; c) a estabelecer relações entre as várias
grandezas cinemáticas e a efectuar as suas representações
gráficas
Figura 3 – Bola largada por um
corredor em movimento com velocidade constante. As letras B e C
representam a maioria das respostas dadas
pelos alunos sobre a possível trajectória da bola [Mcc83].
Figura 4 – Trajectória de um
projéctil lançado de um avião com velocidade constante. Esta
situação é idêntica, do ponto de vista físico, à da Figura
3.
A descrição da trajectória depende do referencial utilizado:
avião – trajectória rectilínea; solo – trajectória
parabólica [Fio94].
No domínio da dinâmica, Clement [Cle82]
estudou e catalogou as pré-concepções associadas à segunda
lei de Newton. Segundo ele, muitas das concepções erradas dos
alunos apoiam-se na ideia de que o movimento requer a acção de
uma força, uma vez que em condições reais (com atrito) é
preciso actuar permanentemente sobre um corpo para o manter em
movimento. Uma vez que o atrito não é por vezes identificado
pelo aluno como uma força, este tende a acreditar que o
movimento do corpo requer a actuação permanente de uma força
impulsionadora. Mais tarde, Hestenes, Wells e Swackharner
[HWS92], apoiando-se na ideia de força como conceito central da
Mecânica newtoniana, inventariaram as concepções dos alunos
sobre aquela grandeza. Também McDermott [Mcd84] efectuou estudos
sobre concepções de forças e a sua relação com o movimento.
Assim, estudou os casos das forças "passivas" (como a
tensão de uma corda, que se ajusta face a uma força aplicada) e
a força gravitacional, e ainda a velocidade e a aceleração de
corpos sob a influência de forças. O seu trabalho merece uma
referência especial pela análise global que procura fazer das
investigações realizadas até 1984 sobre Mecânica,
sintetizando as características que devem orientar as pesquisas
deste tipo.
Em 1985, invocando, por um lado, a pesquisa um
pouco espartilhada até então e, por outro, a inviabilidade de
analisar todas as variações conceptuais de cada conceito,
Halloun e Hestenes [HH85b] desenvolveram um trabalho análogo,
elaborando uma taxonomia de conceitos do senso comum sobre
movimento. Categorizaram esses conceitos em princípios do
movimento (leis de Newton) e influências no movimento. Algumas
destas ideias foram corroboradas por trabalhos de outros autores,
nomeadamente Lawson e McDermott [LM87], que estudaram os
conceitos de impulso e trabalho e as relações destes com
mudanças na quantidade de movimento e energia cinética, o que
representou um contributo inovador devido à escassa
investigação neste domínio até essa altura. Pretendiam
averiguar se os alunos de posse dos conceitos básicos são
capazes de efectuar correspondências entre a observação do
movimento e o formalismo matemático correspondente. O choque
entre a linguagem comum e a linguagem, mais abstracta mas mais
precisa, da Matemática é um factor bem conhecido de falha de
compreensão. A Física tem uma outra atracção se souber usar,
sempre que possível e antes de entrar nos pormenores formais, na
linguagem comum.
Implicações Pedagógicas
É da competência dos docentes
proporcionar aos alunos experiências de aprendizagem eficazes e
inovadores, indo de encontro às dificuldades de cada um e
actualizando, tanto quanto possível, os meios pedagógicos que
utilizam. Para Hestenes [Hes87], por exemplo, há razões para
acreditar que os métodos tradicionais de ensinar Física são
inadequados. Segundo o autor, a utilização de técnicas de
instrução inovadoras e atraentes, que dêem ênfase à
compreensão qualitativa dos princípios físicos, devem ser
encorajadas. Como afirmam Lawson e McDermott [LM87], não são de
admirar falhas na aprendizagem se os conceitos mais complexos e
difíceis de visualizar, como o impulso e o trabalho, forem só
apresentados verbal ou textualmente. A realização de
experiências, a utilização de meios audiovisuais e o
aproveitamento de software adequado podem, não sendo elixires
para o sucesso, facilitar o processo de ensino [Tao97].
Sabemos bem como a experimentação desempenha
um papel insubstituível em Física e no ensino da Física. Mas
debrucemo-nos em particular sobre os meios computacionais que
hoje estão ao nosso dispor (ver [FT98] para uma classificação
dos modos de utilização do computador em Física).
As tecnologias baseadas em computador
(aquisição de dados por computador, simulações
computacionais, multimedia, telemática, e, mais recentemente,
realidade virtual) oferecem inegavelmente um grande número de
possibilidades para ajudar a resolver os problemas referidos
[TF98]. Champagne, Klopfer e Anderson [CKA80] por exemplo,
sugerem a utilização do computador na aquisição de dados de
experiências em laboratório. Hoje tal utilização encontra-se
cada vez mais generalizada. Propõem também a simulação
computacional de sistemas baseada nas ideias de Aristóteles, do
ímpeto e, finalmente, de Newton. Os alunos usariam assim as
representações visuais para descreverem e interpretarem o
comportamento dos corpos com base nas várias teorias, podendo
concluir qual delas é a mais adequada.
Os alunos que tentam desenvolver o pensamento
newtoniano sobre movimento encontram problemas típicos que um
bom ambiente simulado, a cuja concepção presidiu a
preocupação pedagógica pela heurística, pode ajudar a
resolver (Figura 5). Isto pode ser feito numa fase inicial da
aprendizagem pois os alunos não necessitam de dominar as
equações para utilizar a simulação. Se aos estudantes forem
dadas equações como modelo primário de conhecimento físico,
eles são colocados numa posição onde nada nas suas ideias
comuns é parecido ou reconhecido como Física. Isto é o tipo de
situação que mais dificulta a aprendizagem aos alunos [Pap80].
A reunião de simulações com experiências reais fornece
um ambiente particularmente rico do ponto de vista pedagógico
que ajuda a substituir ideias comuns por ideias científicas
a)
b)
Figura 5 – "Movimento
Relativo" editado pela Acção Comum Softciências das
Sociedades Portuguesas de Física, Química e Matemática.
Atribuindo valores a várias grandezas (a) é possível analisar
o comportamento de um projéctil em dois referenciais distintos
(b) [Omn98].
McCloskey [Mcc83] sugere a
utilização do computador como uma ferramenta lúdica referindo
que algumas experiências com jogos de computador podem ser
extremamente úteis na aprendizagem. Com efeito, algumas das
melhores simulações têm o carácter de jogo, o que aumenta o
seu potencial de utilização pedagógica. Os jogos permitem uma
grande variedade de situações e uma exploração flexível
dessas situações pelo jogador (num computador, essa resposta é
rápida e individualizada, o que constitui uma das causas da
fixação dos jovens pelos jogos).
Da ideia de McClosley partilha DiSessa que
desenvolveu uma série de jogos ("dynaturtle") para
explorar a compreensão do conceito de força e movimento entre
estudantes de diferentes idades, tendo por pano de fundo as
concepções erradas sobre forças [Mcd84] . Também White
defende esta ideia e, para a por em prática, concebeu uma série
de jogos de computador para alunos do ensino superior destinados
a colmatar dificuldades conceptuais que havia previamente
identificado com a ajuda de pré-testes [Mcd84].
O software "Graphs and Tracks"
(Figura 6), concebido por David Trowbridge, constitui um bom e
raro exemplo do contributo que a pesquisa sobre este tipo de
problemas pode dar para o desenvolvimento de ferramentas
computacionais adequadas [Mcd90]. O seu desenvolvimento teve por
base as dificuldades que os alunos tinham ao relacionar o
movimento de corpos com a respectiva representação gráfica e
vice-versa. Assim, o programa é constituído por duas partes: a
partir da observação gráfica do comportamento de um corpo (do
espaço, da velocidade ou da aceleração em função do tempo) o
aluno tem que inferir sobre a respectiva trajectória (parte I);
na outra situação, os alunos têm que descrever graficamente o
comportamento de um corpo depois de observarem o seu movimento
(parte II). Às acções do utilizador o software vai respondendo
com "feedback" apropriado, de reforço se a resposta
for correcta, ou com indicações apropriadas para obter a
solução desejada, se a resposta for errada.
a)
b)
Figura 6 – "Graphs and Tracks": a) Parte I: da análise dos gráficos ao estudo do movimento; b) Parte II: do movimento aos gráficos [Mcd90].
Hoje em dia, temos à nossa disposição
toda uma série de software educacional, algum com o carácter de
jogo, que permite enfrentar dificuldades de aprendizagem, embora
faltem estudos sistemáticos sobre as vantagens reais da sua
utilização. Decerto que são eficazes para lidar com problemas
de falta de motivação, mas falta saber até que ponto tal
software é eficaz para analisar e tratar concepções erradas em
Mecânica ou noutros ramos da Física. A actual sofisticação de
meios multimedia (cada vez mais atractivos, nomeadamente, usando
as técnicas da realidade virtual [TF96]) permite adivinhar que
os meios do futuro serão necessariamente mais apropriados.
Esses meios não substituirão inteira e
radicalmente o ensino tradicional, mas poderão ser um
complemento ajustado às dificuldades específicas dos alunos.
Para tanto, deve a concepção do software educativo estar ligada
à didáctica da Física e ser feito com o devido acompanhamento
de especialistas na prática e no ensino da Física.
Conclusões
Estudantes com diferentes idades e níveis
de conhecimento começam frequentemente os estudos em Física com
ideias muito similares mas inconsistentes com os conceitos a
transmitir [Mcd84]. Emergem dos seus estudos com as concepções
iniciais praticamente intactas. Estas pré-concepções têm
geralmente uma base intuitiva e são altamente resistentes à
instrução. Consequentemente, os alunos tentam sistematicamente
interpretar a matéria de Física de forma incorrecta [HH85a] e
simplesmente memorizar algumas das formulas que lhes são
ensinadas. Muitos estudos têm sido feitos para analisar as
ideias dos estudantes, as suas concepções, explicações, etc.
de forma a entender porque é que tantos alunos acham a Física
difícil. Concluiu-se desses estudos que as respostas
erradas dos alunos não são aleatórias. Pelo contrário, em
muitos casos há uma regularidade nessas respostas entre
estudantes de diferentes idades, origens, etc. [Hew85].
As recentes tecnologias baseadas em computador
abrem novas perspectivas na resolução deste problema. O
professor passa a dispor de possibilidades adicionais para
transmitir e demonstrar as matérias e os alunos dispõem de uma
maior diversidade de meios para aprender e adequá-los ao seu
ritmo e forma de aprendizagem. Algum do software, que reveste a
forma de jogo interactivo, é particularmente promissor para
aprender ciência em geral e Física em particular. Desta forma
abrem-se perspectivas para adequar meios para o principal fim em
vista, que é o de permitir a todos os alunos melhores resultados
na aprendizagem da Física.
Muito trabalho sobre a real eficácia de
estratégias computacionais permanece por fazer e terá
necessariamente de ser feito. Naturalmente que a tecnologia só
por si não basta (nunca bastou!), cabendo ao professor o papel
essencial na forma de utilização e rentabilização desses
meios pedagógico e aos alunos um esforço efectivo de
aprendizagem. Se a Física talvez não possa ser para todos, deve
pelo menos tentar ser para o maior número possível de
pessoas...
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