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Ensino de Física, Florianópolis, SC, v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.
NOVOS RUMOS PARA O LABORATÓRIO ESCOLAR DE CIÊNCIAS
A. Tarciso Borges
Colégio Técnico da UFMG e-mail: tarciso@coltec.ufmg.br
Este trabalho é baseado num texto, escrito em 1991, destinado a discutir o papel das atividades práticas num curso para a formação de especialistas em ensino de ciências. O texto original foi apresentado como comunicação oral e publicado nas Atas do I ENPEC, Águas de Lindóia, SP, 27-29/ Novembro/1997. Porto Alegre: Instituto de Física da UFRGS, pag. 2-
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NOVOS RUMOS PARA O LABORATÓRIO ESCOLAR DE CIÊNCIAS
A. Tarciso Borges Colégio Técnico da UFMG e-mail: tarciso@coltec.ufmg.br
RESUMO
Este trabalho discute o papel das atividades práticas no ensino de ciências e revê como o laboratório escolar de ciências tem sido usado. Discute os pressupostos sobre a natureza do conhecimento que suportam esses usos e os equívocos a que conduzem. Descreve algumas alternativas potencialmente mais relevantes e pedagogicamente interessantes que temos estudado, em contraste com os tipos de atividades fortemente estruturadas tradicionalmente utilizadas pelos professores. Em particular, defende a adoção de uma ampla gama de atividades prático-experimentais, não necessariamente dirigidas como os tradicionais roteiros experimentais, e uma mudança de foco no trabalho no laboratório, com o objetivo de deslocar o foco da atividade dos estudantes da exclusiva manipulação de equipamentos, preparar montagens e realizar medições, para outras atividades que se aproximam mais do fazer ciência. Essas atividades envolvem mais a manipulação de interpretações e idéias sobre observações e fenômenos, do que objetos, com o propósito de produzir conhecimento. Entre elas, a análise e interpretação dos resultados, a reflexão sobre as implicações desses resultados e a avaliação da qualidade das evidências que suportam as conclusões obtidas.
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relacionado em grande parte com as metas estabelecidas pelos currículos, e reconhecidas como legítimas pelos professores, para a educação em ciências. As mudanças nestas metas acarretam mudanças nos próprios conteúdos de ensino e nas técnicas de ensino. As metas que mais comumente expressam aquilo que os estudantes devem aprender têm sido: (1) adquirir conhecimento científico; (2) aprender os processos e métodos das ciências; e (3) compreender as aplicações da ciência, especialmente, as relações entre ciência e sociedade, e ciência- tecnologia-sociedade (Bybee e DeBoer, 1996). De acordo com essa proposta, os estudantes deveriam conhecer alguns dos principais produtos da ciência, deveriam ter experiência com e compreender os métodos usados pelos cientistas para a produção de novos conhecimentos, e deveriam compreender como a ciência é uma das forças transformadoras do mundo. Um exemplo disso pode ser encontrado nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (MEC, 1999) que propõe que o ensino de ciências deve propiciar “ao educando compreender as ciências como construções humanas, entendendo como elas se desenvolvem por acumulação, continuidade ou ruptura de paradigmas, relacionando o desenvolvimento científico com a transformação da sociedade” (p. 107).
Os professores de ciências, tanto no ensino fundamental como no ensino médio, em geral acreditam que a melhoria do ensino passa pela introdução de aulas práticas no currículo. Curiosamente, várias das escolas dispõem de alguns equipamentos e laboratórios que, no entanto, nunca são utilizados. Não são utilizados por várias razões, dentre as quais cabe mencionar o fato de não existirem atividades já preparadas, em ponto de uso para o professor, falta de recursos para compra de componentes e materiais de reposição, falta de tempo do professor para planejar a realização de atividades como parte do seu programa de ensino, laboratório fechado e sem manutenção. São basicamente as mesmas razões pelas quais os professores raramente utilizam os computadores colocados nas escolas. Muitos professores até se dispõem a enfrentar isso, improvisando aulas práticas e demonstrações com materiais caseiros, mas acabam se cansando dessa tarefa inglória, especialmente em vistas dos parcos resultados que conseguem. É um equívoco corriqueiro confundir atividades práticas com a necessidade de um ambiente com equipamentos especiais para a realização de trabalhos experimentais. Atividades práticas podem ser desenvolvidas em qualquer sala de aula, sem a necessidade de instrumentos ou aparelhos sofisticados. Os movimentos de reforma curricular nas últimas décadas deram imenso destaque ao ensino no laboratório, como por exemplo, PSSC, e os vários cursos da Nuffield Foundation. Não obstante, o papel que o laboratório deve ter no ensino de ciências, estava longe de ser claro para o professor. Em parte, as dificuldades com as atividades práticas derivam de uma postura equivocada quanto à natureza da Ciência (Hodson, 1988; Millar, 1991).
A importância e o prestígio que os professores atribuem ao ensino prático deve-se à popularização, nas últimas décadas, das idéias progressistas ou desenvolvimentalistas no pensamento educacional no que descendem de Roussseu, Pestalozzi, Spencer, Huxley, Dewey, entre outros (Bybbe e DeBoer, 1996). A idéia central é que qualquer que seja o método de ensino-aprendizagem escolhido, ele deve mobilizar a atividade do aprendiz, em lugar de sua passividade. Usualmente os métodos ativos de ensino-aprendizagem são entendidos como se defendessem a idéia de que os estudantes aprendem melhor por experiência direta. Embora verdadeiro em algumas situações, esse entendimento é uma simplificação grosseira, como apontam os trabalhos baseados nas idéias de Dewey, Piaget e Vigotsky., entre outros. O que é importante não é a manipulação de objetos e artefatos concretos, e sim o envolvimento compromissado com a busca de respostas/soluções bem articuladas para as questões colocadas, em atividades que podem ser puramente de pensamento. Nesse sentido, podemos pensar que o núcleo dos métodos ativos, pode-se até
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chamá-lo de trabalhos ou atividades práticas, para significar que está orientado para algum propósito, não envolve necessariamente atividades típicas do laboratório escolar.
Atividades de resolução de problemas, de modelamento, de representação, com simulações em computador, desenhos, pinturas, colagens ou simplesmente atividades de encenação e teatro, cumprem esse papel de mobilizar o envolvimento do aprendiz. Essas atividades apresentam, muitas vezes, vantagens claras sobre o laboratório usual, uma vez que não requerem a simples manipulação, às vezes repetitiva e irrefletida, de objetos concretos, mas de idéias e representações, com o propósito de comunicar outras idéias e percepções. Obviamente que todas elas podem ser associadas a certos aspectos materiais. A materialização de um modelo, de uma representação, de uma encenação, etc., requer objetos que não são necessariamente os mesmos que numa atividade de laboratório. A riqueza desse tipo de atividade está em propiciar ao estudante a oportunidade, e ele precisa estar consciente disso, de trabalhar com coisas e objetos como se fossem outras coisas e objetos, num exercício de simbolização ou representação. Ela permite conectar símbolos com coisas e situações imaginadas, o que raramente é buscado no laboratório, alargando os horizontes de sua compreensão.
II - O LABORATÓRIO TRADICIONAL
Para um país onde uma fração considerável dos estudantes nunca teve a oportunidade de entrar num laboratório de Ciências, pode parecer um contra-senso questionar a validade de aulas práticas, especialmente porque na maioria das escolas elas simplesmente não existem. De fato, há uma corrente de opinião que defende a idéia de que muitos dos problemas do ensino de Ciências se devem à ausência de aulas de laboratório. Para os que compartilham esta opinião, uma condição necessária para a melhoria da qualidade de ensino consiste em equipar as escolas com laboratórios e treinar os professores para usá-los. Entretanto, mesmo nos países onde a tradição de ensino experimental está bem sedimentada, a função que o laboratório pode, e deve ter, bem como a sua eficácia em promover as aprendizagens desejadas, têm sido objeto de questionamentos, o que contribui para manter a discussão sobre a questão há alguns anos (veja Woolnough, 1991; White,1996).
Dessa discussão parece cristalizar uma posição unânime de desaconselhar o uso de laboratórios no esquema tradicionalmente usado, pelo seu impacto negativo sobre a aprendizagem dos estudantes. White comenta que os resultados e conclusões de muitas pesquisas sobre a eficácia dos laboratórios decepcionam, “pois conflita com teorias e expectativas. Nós preferimos pensar que os laboratórios funcionam por que acrescentam cor, a curiosidade de objetos não-usuais e eventos diferentes, e um contraste com a prática comum na sala de aula de permanecer assentado” (White, 1996, p.761). No que é denominado laboratório tradicional, o aluno realiza atividades práticas, envolvendo observações e medidas, acerca de fenômenos previamente determinados pelo professor (Tamir, 1991). Em geral, os alunos trabalham em pequenos grupos e seguem as instruções prescritas em um roteiro. O objetivo da atividade prática pode ser o de testar uma lei científica, ilustrar idéias e conceitos aprendidos nas 'aulas teóricas', descobrir ou formular uma lei acerca de um fenômeno específico, 'ver na prática' o que acontece na teoria, ou aprender a utilizar algum instrumento ou técnica de laboratório específica. Não se pode deixar de reconhecer alguns méritos neste tipo de atividade. Por exemplo, a recomendação de se trabalhar em pequenos grupos, o que possibilita a cada aluno a oportunidade de interagir com as montagens e instrumentos específicos, enquanto divide responsabilidades e idéias sobre o que devem fazer e como fazê-
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aqueles usados na Educação Básica, está completamente superada nos círculos acadêmicos há várias décadas.
A aceitação dessas críticas não implica, entretanto, aceitar a argumentação de que as atividades prático-experimentais de ciências são supérfluas. E que elas podem, portanto, ser descartadas para o bem dos professores, dos estudantes e da própria escola, que poderiam repensar o aproveitamento do tempo destinado a tais atividades, bem como dos espaços ocupados por salas especiais de laboratório, onde existem. Aliás, da forma como vemos a questão não há a necessidade de um ambiente especial reservado para tais atividades, com instrumentos e mesas para experiências. O que é realmente necessário é que haja planejamento e clareza dos objetivos das atividades propostas. Segundo Tamir (1991) um dos principais problemas com o laboratório de ciências é que se pretende atingir uma variedade de objetivos, nem sempre compatíveis, com um mesmo tipo de atividade. É certo que com um mesmo conjunto de materiais um professor inventivo pode planejar várias atividades diferentes, com objetivos claramente distintos, como, por exemplo, aprender a usar um instrumento para fazer leituras, obter uma imagem de um fenômeno ainda não observado, aprender estratégias para lidar com os erros e incertezas inerentes ao processo de medição, procurar evidências da existência de alguma relação entre grandezas envolvidas na situação, e outras. Sem dúvida que as atividades práticas podem propiciar ao estudante imagens vividas e memoráveis de fenômenos interessantes e importantes para a compreensão dos conceitos científicos. Através delas o estudante pode ser educado para fazer medições corretamente e para procurar relações entre variáveis.
A questão que se coloca é: o laboratório pode ter um papel mais relevante para a aprendizagem escolar? Se pode, de que maneira ele deve ser organizado? A resposta para a primeira questão é sem dúvida afirmativa: o laboratório pode, e deve, ter um papel mais relevante para a aprendizagem de ciências. O fato de estarmos insatisfeitos com a qualidade da aprendizagem, não só de ciências, sugere que todo o sistema escolar deve ser continuamente repensado. Com raras exceções, não se cogita da extinção da escola, por causa de suas dificuldades. Da mesma forma, o que precisamos é encontrar novas maneiras de usar as atividades prático-experimentais mais criativa e eficientemente e com propósitos bem definidos, mesmo sabendo que isso apenas não é solução para os problemas relacionados com a aprendizagem de ciências.
A ciência, em sua forma final, se apresenta como um sistema de natureza teórica. Contudo, é necessário que procuremos criar oportunidades para que o ensino experimental e o ensino teórico se efetuem em concerto, permitindo ao estudante integrar conhecimento prático e conhecimento teórico. Descartar a possibilidade de que os laboratórios tenham um papel importante no ensino de ciências significa destituir o conhecimento científico de seu contexto, reduzindo-o a um sistema abstrato de definições, de leis e fórmulas. Muito do que se faz nas aulas de Física de nossas escolas médias e universidades se assemelham a isso, preocupando- se mais com a apresentação das definições, conceitos e fórmulas que os alunos memorizam para resolver exercícios. Sem dúvida que as teorias físicas são construções teóricas e expressas em forma matemática. Mas o conhecimento que elas carregam só faz sentido se nos permite compreender como o mundo funciona e por quê as coisas são como são e não de outra forma. Isso não significa admitir que podemos adquirir uma compreensão de conceitos teóricos através de experimentos, mas que as dimensões teórica e empírica do conhecimento científico não são isoladas. Não se trata, pois, de contrapor o ensino experimental ao ensino teórico, mas de encontrar formas que evitem essa fragmentação no conhecimento, para tornar a aprendizagem mais interessante, motivadora e acessível aos estudantes.
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III - OS OBJETIVOS DO LABORATÓRIO
Mesmo em locais com forte tradição de ensino experimental, por exemplo, nos cursos superiores e cursos das escolas técnicas, não ocorre o planejamento sistemático das atividades, com a explicitação e discussão dos objetivos de tal ensino. A formulação de um planejamento para as atividades de ensino, quando existe, destina-se mais a atender às demandas burocráticas do que explicitar as diretrizes de ação do professor e dos estudantes ao longo de um curso. Assim, o professor trabalha quase sempre com objetivos de ensino pouco claros e implícitos, confiando em sua experiência anterior com cursos similares. Também os estudantes não percebem outros propósitos para as atividades práticas que não os de verificar e comprovar fatos e leis científicas. Isso é determinante na sua compreensão acerca da natureza e propósitos da ciência (Hodson, 1988), e também da importância que eles atribuem às atividades experimentais. Alguns dos objetivos implícitos que os professores e estudantes tradicionalmente associam aos laboratórios de ciências discutidos a seguir.
i. Verificar/comprovar leis e teorias científicas
Este objetivo é enganoso, pois o sucesso da atividade é garantido de antemão por sua preparação adequada. O teste que se pretende fazer é, em geral, de um aspecto específico de uma lei ou teoria, e não de seus fundamentos. Hodson (1988) aponta que como conseqüência o estudante tende a exagerar a importância de seus resultados experimentais, além de originar um entendimento equivocado da relação entre teoria e observação. Um outro aspecto é que o estudante logo percebe que sua 'experiência' deve produzir o resultado previsto pela teoria, ou que alguma regularidade deve ser encontrada. Quando ele não obtém a resposta esperada, ele fica desconcertado com seu erro. Se ele percebe que o 'erro' pode afetar suas notas, ele intencionalmente 'corrige' suas observações e dados para obter a 'resposta correta', e as atividades experimentais passam a ter o caráter de um jogo viciado. Infelizmente este é daquele tipo de jogo que se aprende a jogar muito rapidamente. Muitas vezes os próprios professores são vítimas desse raciocínio, e sentem-se inseguros quando as atividades que propuseram não funcionam como esperavam e passam a evita-las no futuro porque elas 'não dão certo'. As causas do erro não são investigadas e uma situação potencialmente valiosa de aprendizagem se perde, muitas vezes por falta de tempo. Nesse sentido, o que se consegue no laboratório é similar ao que se consegue na sala de aula, onde o resultado se torna mais importante do que o processo, em detrimento da aprendizagem.
ii. Ensinar o método científico
Muitas vezes o que o professor deseja é que o aluno aprenda ou adquira uma apreciação sobre o método científico e sobre a natureza da ciência. A compreensão subjacente é a de que fazer ciência significa descobrir fatos e leis pela aplicação de um método experimental indutivo, e fazer invenções. A motivação para a atividade experimental dos cientistas é testar suas idéias para verificar se elas são corretas. Tal concepção assume que existe um único método científico que pode ser adequadamente representado como uma seqüência de etapas, como um algoritmo. Essa concepção do papel das atividades práticas e as suas conseqüências para a aprendizagem de ciências foram discutidas por vários autores (Hodson, 1986; Millar, 1991; Moreira e Ostermann, 1993). Ela assume que a atividade experimental é essencial à ciência e que a observação e a experimentação fornecem dados puros, verdadeiros e objetivos, e por isso mesmo, confiáveis em vista de sua independência de
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não se pode tomar como certo que se todos os membros de um grupo vêem o mesmo fenômeno, que todos o interpretem da mesma forma ou que aceitem a validade e legitimidade das observações (Gunstone, 1991). O fato de um estudante realizar uma atividade adequadamente planejada não garante que ele aprenda aquilo que era pretendido.
Estas considerações sugerem a necessidade de atividades pré e pós-laboratório, para que os estudantes explicitem suas idéias e expectativas, e discutam o significado de suas observações e interpretações. Antes de realizar a atividade prática, deve-se discutir com os estudantes a situação ou fenômeno que será tratado. Pode-se pedir que eles escrevam suas previsões sobre o que deve acontecer e justificá-las. Na fase pós-atividade, faz-se a discussão das observações, resultados e interpretações obtidos, tentando reconciliá-las com as previsões feitas. Aqui é o momento de se discutir as falhas e limitações da atividade prática (Gunstone, 1991). Tem sido apontado que os estudantes não são desafiados a explorar, desenvolver e avaliar as suas próprias idéias, e que os currículos de ciências não oferecem oportunidades para a abordagem de questões acerca da natureza e propósitos da ciência e da investigação científica (Carey et al, 1989). A forma de trabalhar proposta proporciona o contexto adequado para a discussão desse tipo de questão.
iv. Ensinar habilidades práticas
A aquisição de habilidades práticas e técnicas de laboratório é um objetivo que pode e deve ser tentado nas atividades práticas. Há, entretanto, um certo grau de confusão sobre o que tais habilidades e técnicas são. Para alguns, trata-se de habilidades cognitivas relacionadas com os processos básicos da ciência. Vários currículos de ciências desenvolvidos nos Estados Unidos, Canadá e Europa adotaram tal perspectiva, buscando ensinar ou desenvolver certas habilidades gerais e independentes do contexto, tais como fazer observações, classificar, prever, formular hipóteses. Tais habilidades poderiam então ser aplicadas em outros contextos. Há uma forte crítica acerca da possibilidade de transferência de tais habilidades entre contextos distintos, da necessidade e mesmo da possibilidade de se ensiná-las (Millar e Driver, 1987; Millar, 1988).
O argumento é que elas são processos cognitivos gerais que as pessoas empregam desde muito cedo, e que associá-las com os processos da ciência é insistir em uma concepção ultrapassada da atividade científica. Como Millar e Driver (1987) argumentam, pode-se desejar que "as crianças aprendam a observar cuidadosamente, a notar detalhes, a fazer observações relevantes". Entretanto, o que é ou não relevante depende das expectativas e idéias prévias de cada um acerca de um fenômeno. Não existe algo relevante numa situação ou fenômeno, independentemente de quem o observa, ou formula hipóteses sobre ele.
Millar (1988; 1991) argumenta que há um conjunto de habilidades práticas ou técnicas básicas de laboratório que valem a pena serem ensinadas. Por exemplo, aprender a usar equipamentos e instrumentos específicos, medir grandezas físicas e realizar pequenas montagens, são todas coisas que dificilmente o estudante tem oportunidade de aprender fora do laboratório escolar. Dentro de cada laboratório há um conjunto básico de técnicas que pode ser ensinado. Elas formam uma base experiencial sobre a qual os estudantes podem construir um sistema de noções que lhes permitirão relacionar melhor com os objetos tecnológicos do cotidiano. Além delas, existem as chamadas técnicas de investigação (Millar, 1991) - são ferramentas importantes e úteis para qualquer cidadão e se relacionam com a obtenção de conhecimento e com a comunicação dele. Por exemplo, repetir procedimentos para aumentar a confiabilidade dos resultados obtidos, aprender a colocar e obter informação de diferentes formas de representação, como diagramas, esquemas, gráficos, tabelas, etc. Muitas dessas
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habilidades são utilizadas inconscientemente por todas as pessoas e se refletem nas decisões e procedimentos que cada um de nós toma ou se utiliza ao resolver problemas ou lidar com situações práticas. Elas são parte do nosso arsenal de estratégias de pensamento informal que toda pessoa inteligente deveria estar apta a empregar em qualquer situação. Embora possam ser desenvolvidas através da escolarização, elas não são necessariamente vinculadas à aprendizagem de ciências. A organização das atividades para se conseguir tais objetivos dependerá do conhecimento que os estudantes já possuem. Por exemplo, se o objetivo é que alunos, sem nenhum conhecimento anterior, aprendam a utilizar corretamente o voltímetro e o amperímetro, então uma atividade orientada pelo professor e baseada em um roteiro pode ser a melhor alternativa. Se ao contrário, eles já têm algum conhecimento de circuitos elétricos, provavelmente é melhor que eles aprendam a partir do estudo dos manuais técnicos que acompanham os equipamentos.
IV - ALTERNATIVAS PARA O LABORATÓRIO ESCOLAR
As pesquisas sobre ensino-aprendizagem de ciências produziram evidências de que as crianças trazem para a escola um conjunto de concepções sobre vários aspectos do mundo, mesmo antes de qualquer introdução à ciência escolar. Estas concepções alternativas são adquiridas a partir de sua inserção na cultura comum e da experiência cotidiana com fenômenos e eventos, e freqüentemente interferem com a aprendizagem das idéias científicas. A psicologia cognitiva tem contribuído, junto com a pesquisa em ensino e aprendizagem de ciências, para a análise da prática educacional. Entretanto, pela própria complexidade da questão, o que tem sido possível é a obtenção de diretrizes muito genéricas sobre como ensinar e como contribuir para a aprendizagem escolar, o que é ainda muito distante das expectativas excessivamente otimistas da década de 50 (Coll, 1987). Uma dessas recomendações, que exprime a idéia básica das concepções construtivistas - a de que o aluno constrói seu próprio conhecimento através da ação - é a de que os processos educacionais devem respeitar e favorecer a atividade do estudante, e que esta deve ser o centro do processo de aprendizagem. Algumas vertentes do construtivismo argumentam que qualquer atividade pedagógica só tem valor se ela tem origem no aprendiz e se ele detiver pleno controle das ações, para justificar uma forma de ativismo empirista. Como Coll aponta "pouco importa que esta atividade consista de manipulações observáveis ou em operações mentais que escapem ao observador; pouco importa também que responda total ou parcialmente à iniciativa do aluno, ou que tenha sua origem no incentivo e nas propostas do professor. O essencial é que se trate de uma atividade cuja organização e planejamento fique a cargo do aluno" Coll (1987, p 187).
O trabalho no laboratório pode ser organizado de diversas maneiras, desde demonstrações até atividades prático-experimentais fortemente dirigidas, diretamente pelo professor ou indiretamente através de um roteiro. Todas podem ser úteis, dependendo dos objetivos que o professor pretende com a realização das atividades propostas. Uma alternativa que temos defendido há mais de uma década, e mais recentemente temos investigado e utilizado com nossos alunos, consiste em estruturar as atividades de laboratório como investigações ou problemas práticos mais abertos que os alunos devem resolver sem a direção imposta por um roteiro fortemente estruturado ou mesmo por instruções verbais do professor. Um problema, diferentemente de um exercício experimental ou de fim de capítulo do livro- texto, é uma situação para a qual não há uma solução imediata obtida pela aplicação de uma fórmula ou algoritmo. Pode até não existir nenhuma solução conhecida ou mesmo solução nenhuma. Para resolvê-lo tem-se que fazer idealizações e aproximações. Diferentemente, um
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problema, os procedimentos e aquilo que se deseja observar/verificar são dados, ficando a cargo dos estudantes coletar dados e confirmar ou não as conclusões. No nível 1, o problema e procedimentos são definidos pelo professor, através de um roteiro, por exemplo. Ao estudante cabe coletar os dados indicados e obter as conclusões. No nível 2, apenas a situação-problema é dada, ficando para o estudante decidir como e que dados coletar, fazer as medições requeridas e obter conclusões a partir deles. Finalmente, no nível 3, o nível mais aberto de investigação, o estudante deve fazer tudo, desde a formulação do problema até chegar às conclusões.
Nível de Investigação Problemas Procedimentos Conclusões
Nível 0 Dados Dados Dados
Nível 1 Dados Dados Em aberto Nível 2 Dados Em aberto Em aberto
Nível 3 Em aberto Em aberto Em aberto
Fig 2 – Níveis de investigação no laboratório de ciências.
Um sistema de categorias, mesmo simples como este, serve como um organizador de nosso entendimento do que está envolvido no grau de abertura de uma situação-problema. Como um exemplo de um problema de nível 2, considere a situação a seguir, que realizamos recentemente com todos as turmas do primeiro ano de ensino médio, trabalhando em grupos de 3 ou 4 estudantes cada, como uma atividade normal de laboratório, durante o estudo de cinemática. A figura 3 reproduz o esquema apresentado aos alunos. O problema foi especificado e a montagem previamente preparada, mas não fornecemos indicação do que e como deveria ser medido, portanto parecia correta nosso entendimento de que se tratava de um problema de nível 2. Após uma fase rápida de planejamento do grupo, praticamente todos eles decidiram por medir a altura máxima que a bolinha atingia ou o tempo necessário para ela atingir o ponto de maior altura. A partir dos valores obtidos, eles usaram uma das equações para movimento com aceleração constante, por exemplo, a equação de Torricelli, para determinar Vo. Apesar de simples, a atividade propicia discussões sobre como medir a altura máxima alcançada pela bolinha, sobre a pouca acuracidade conseguida na medida do tempo – eles facilmente conectam isso com o tempo de reação deles, atividade que já haviam feito anteriormente, quando a discussão é colocada pelo professor – e a necessidade do experimento ser replicado. Nem todos os grupos conseguem imaginar um caminho para solucionar o problema dentro do período do laboratório, e recorrem ao professor ou aos seus colegas, em busca de sugestões de procedimento. Para estes grupos, não podemos dizer que a atividade é um problema de nível 2, mas talvez de nível 1.
Um curso baseado em investigações apresenta a característica única de combinar processos, conceitos e procedimentos na solução de um problema. Vários estudos foram realizados em nosso grupo procurando compreender as dificuldades que os estudantes, com e sem experiência pessoal com trabalhos práticos escolares, enfrentam ao formular um problema a partir de uma situação proposta a eles, em planejar a sua solução e executar o seu planejamento. Nosso aprendizado a partir dessas pesquisas sugere que uma atividade aberta
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pode ser muito difícil para estudantes sem conhecimento de conteúdo e sem experiência anterior com laboratório. No entanto, dispomos de temos evidências de que os estudantes, mesmo sem conhecimento específico sofisticado e experiência com aulas de laboratório conseguem formular problemas mais simples e planejar a sua solução no laboratório.
Desafio prático
Um lançador de projéteis, consistindo de uma mola comprimida por um êmbolo dentro de um tubo de pvc, como o mostrado ao lado, lança uma pequena bola verticalmente para cima com uma velocidade inicial V 0. Como você faria para determinar essa velocidade inicial? Planeje um experimento que lhe permita fazer isto. Utilize a montagem do lançador de projéteis e faça as medidas que julgar necessárias para resolver esse problema. Escreva em seu relatório o procedimento utilizado, os valores das medidas que você fez e o valor encontrado para a velocidade inicial.
Fig 3 – Exemplo de um problema para estudantes do 1o. ano do ensino médio.
O entendimento e formulação do problema são as atividades que mais exigem dos alunos. Muitas vezes, eles só conseguem entender o que devem fazer e formular o problema de maneira mais ou menos clara, depois de passar várias vezes pelas mesmas etapas. De qualquer forma, o processo todo de formulação, planejamento e solução, não parece ser linear. Apesar de demandar atenção e auxílio do professor, essa forma de organização da atividade prática captura a atenção dos estudantes e melhora o seu envolvimento com a atividade. Durante as etapas de resolução do problema há ciclos de realimentação para as etapas anteriores, vindas da percepção da necessidade de mudanças no planejamento, na formulação do problema ou nas técnicas experimentais usadas. De nossos estudos anteriores com alunos conduzindo atividades investigativas, produziram evidências de que estas etapas não ocorrem seqüencialmente e independentemente umas das outras, mas que ao contrário, elas acontecem concomitantemente e de forma recursiva, conforme ilustra a figura 4 abaixo. Isso nos alerta para o fato de que ao investigar como os alunos resolvem problemas e desafios, não devemos reconhecer estas etapas nitidamente, nem esperar avanços rápidos e autonomia no desempenho deles. Podemos nos perguntar se vale o esforço. Continuamos acreditando que sim, mas não nos iludamos ensinar e aprender a pensar criticamente é difícil e toma tempo.
Baseado nisso, sugerimos que as investigações devem ser inicialmente simples e feitas em pequenos grupos, embora com um sentido claro de progressão ao longo do curso. Idealmente deveriam ser introduzidas já no ensino fundamental. Nossos dados de pesquisa sugerem que alunos de sexta série em diante estão aptos a realizar atividades desse tipo. A programação de atividades deve também levar em conta tanto sua experiência com atividades do mesmo tipo, como o conhecimento dos alunos do tópico a ser investigado. Quando esse tópico for pouco conhecido, pode-se recorrer a consultas a livros ou a materiais especialmente
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melhor isolação térmica. Os estudantes podem, no entanto, interpretar isso em termos de concepções alternativas, concluindo que naquele caso em que a temperatura da água subir até o valor desejado mais rapidamente e que se tem o melhor material, isto é, o material que aquece mais. Foi exatamente o que aconteceu quando propusemos a uma turma de professores de ciências, em uma disciplina de um curso de especialização, que pensassem como este problema poderia ser solucionado. Eles chegaram à mesma solução errada, embora muito comum, pois está em acordo com as concepções prévias dos alunos e deles. Ao serem questionados sobre o significado das conclusões que um aluno poderia formular a partir dos resultados conseguidos dessa forma, os professores perceberam a inadequação do procedimento para uso na sala de aula. As discussões que se seguiram visando a modificação do procedimento para evitar a possibilidade de reforçar as concepções iniciais dos estudantes foram ricas e fizeram emergir algumas das dificuldades dos próprios professores tanto com o tópico, quanto com o planejamento de atividades de laboratório.
Uma mudança na maneira de resolver o problema tornou-se necessária - repetir o procedimento, mas começando com usando água da torneira, em lugar de água gelada. A seguir repetir a mesma coisa usando água quente e medindo-se quanto tempo é necessário em cada caso para a temperatura cair, digamos, de dez graus. Essas modificações fornecem muitas oportunidades para se discutir as concepções prévias dos estudantes sobre o fenômeno investigado e para avaliar as possíveis soluções para o problema.
Outras alternativas que têm o potencial de propiciar aos estudantes atividades relevantes e motivadoras, que os desafiem a utilizar suas habilidades cognitivas para construírem modelos mais robustos capazes de dar sentido às suas experiências com o mundo, envolve o uso de simulações em computador e os laboratórios investigativos baseados em computadores combinados com sensores de vários tipos. O computador não é usado apenas como uma ferramenta convencional para exibir animações, fazer gráficos e para tratamento estatístico de dados observacionais, mas com interfaces apropriadas para a aquisição e exibição de dados em tempo real. Sistemas desse tipo são usados em algumas escolas exatamente como os equipamentos tradicionais. A pouca novidade fica por conta do uso dos equipamentos de alta tecnologia. Em princípio um sistema desse tipo não determina o que deve ser investigado, nem os passos de uma investigação, mas temos defendido que pode mudar o papel do estudante, se as atividades forem pensadas de forma adequada. Num laboratório investigativo baseado em microcomputador, a coleta de dados pode ser feita em tempo real, de forma rápida, e pode ser repetida muitas vezes, se necessário. Em situações que a coleta de dados é lenta com material convencional, por exemplo, coletar dados de intensidade da corrente ou diferença de potencial durante a carga ou descarga de um capacitor, ou construir uma tabela de posição em função do tempo para um dado movimento, podem ser feitos rápida e facilmente, com a aquisição automática de dados.
Atualmente há interfaces para ambiente Windows e para calculadoras de bolso, e uma variedade enorme de sensores para detectar e medir a temperatura, velocidade, posição, aceleração, força, pressão, intensidade luminosa, condutividade térmica, umidade relativa do ar, pressão sanguínea, pH e várias outras grandezas. Nos últimos anos o custo desses equipamentos caiu muito e eles passaram a ser alternativas competitivas com os equipamentos convencionais de laboratório. Os softwares de controle dispõem de muitos recursos, tais como exibição automática de diferentes formas de gráficos, controle da interface via software, ajustes de escalas, tabelas, recursos de ajuste de curvas a um conjunto de pontos. Nossa experiência indica que os estudantes aprendem rapidamente a usar os recursos básicos do sistema. O uso de laboratório baseado em computador permite que o estudante possa deixar de dedicar tanto tempo à coleta e apresentação dos dados. Com isso ele dispõe de mais tempo
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para o controle de outras partes do processo, como o planejamento da atividade, a seleção do que medir, execução da investigação, interpretação e avaliação dos resultados. Além disso, esses recursos permitem a execução de investigações em tempo real, bem como a pronta alteração do planejamento caso seja necessário, o que freqüentemente é o caso numa investigação. Permite também o estudo de situações mais complexas, por exemplo, questões que seriam complicadas de estudar por envolverem grande número de fatores ou aquelas que acontecem muito rapidamente para serem observados, por meios convencionais, possam ser estudados no laboratório, sob diferentes condições.
A posição que defendemos não é a de mera adesão a um modismo ou de investir em aquisição automática de dados por causa do apelo das novas tecnologias. A mera escolha de equipamentos alternativos ou o uso de laboratórios baseados em computador não resolve os problemas relacionados com a aprendizagem de ciências a partir de atividades prático- experimentais. A clareza sobre o que se pretende conseguir com o laboratório, orientada pela pesquisa educacional, continua sendo tão importante quanto o é no laboratório convencional. Nosso ponto central é que mesmo onde as atividades práticas são comuns, onde já existe uma tradição de aulas de laboratório, elas em geral acabam se tornando improdutivas ou rotineiras, pois o currículo propõe metas não factíveis para o laboratório escolar. Além disso, quase sempre o manuseio dos objetos e equipamentos e a coleta de dados passam a ser vistas, por professores e alunos, como as atividades mais importantes. Sobra muito pouco tempo e esforço para refletir, discutir e tentar ajudar os alunos a compreender o significado e implicações das observações que fizeram e resultados que obtiveram.
V - CONCLUSÕES
Há evidências de pesquisas sugerindo que o uso de computadores como ferramentas de laboratório oferece novas maneiras de ajudar os estudantes na construção de conceitos físicos (Linn, Songer, Lewis e Stern, 1993), além do que eles permitem aos estudantes planejar seus próprios experimentos. Ambientes desse tipo fornecem oportunidades para propor e refinar questões, fazer e testar previsões, formular planos para experimentos, coletar e analisar dados, além de contribuir para reforçar a habilidade em interpretar gráficos e resultados (Linn, Layman e Nachmias, 1987). Pelo fato de serem interativos e por ligarem experiências concretas de coleta de dados com a representação simbólica deles em tempo real, os laboratórios baseados em computadores deixam mais tempo para os estudantes se dedicarem a atividades mais centrais para o pensamento crítico, para a solução de problemas e monitoramento de suas ações e pensamento, para modelar soluções e testá-las na prática, em lugar de apenas responderem as questões levantadas pelo professor.
O laboratório de ciências fornece uma base fenomenológica sobre fenômenos e eventos que se contrapõe à percepção desordenada do cotidiano. O argumento desenvolvido aqui é que a simples introdução de atividades práticas nos cursos de Física e de Ciências não resolve as dificuldades de aprendizagem dos estudantes, se continuamos a tratar o conhecimento científico e suas observações, vivências e medições como fatos que devem ser memorizados e aprendidos, em lugar de tratá-los como eventos que requerem explicação. Apontamos também que alguns dos objetivos pretendidos por professores e por autores de materiais de ensino derivam de concepções equivocadas acerca da natureza dos processos de aprendizagem e de produção de conhecimento cientificamente válido. Para que as atividades práticas sejam efetivas em facilitar a aprendizagem, elas devem ser cuidadosamente planejadas, levando-se em conta os objetivos pretendidos, os recursos disponíveis e as idéias prévias dos estudantes sobre o assunto.
Ensino de Física, Florianópolis, SC, v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.
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