ESTUDO DA EVOLUÇÃO CONCEITUAL DE QUATRO GRUPO DE ESTUDANTES NO LABORATÓRIO DE FÍSICA

## ESTUDO DA EVOLUÇÃO CONCEITUAL DE QUATRO GRUPO DE ESTUDANTES NO LABORATÓRIO DE FÍSICA

## STUDY OF CONCEPTUAL FRAMEWORK EVOLUTION OF FOUR GROUP OF STUDENTS IN PHYSICS LABORATORY

Paulo Sérgio de Camargo Filho , Carlos Eduardo Laburú 1 2

1 Universidade Federal da Fronteira Sul/Departamento de Física, paulo.camargo@uffs.edu.br 2 Universidade Estadual de Londrina/Departamento de Física, laburu@uel.br

## Resumo

Este trabalho relata os resultados de um estudo que explorou a evolução conceitual de estudantes ao desenvolver habilidades analíticas associadas aos procedimentos de coleta, processamento e comparação de dados experimentais dentro do Paradigma de Conjunto. O método de estudo combina aspectos quantitativos, com testes pré e pós-instrucionais, e aspectos qualitativos na coleta de dados e nos procedimentos de análise, consistindo em mais de dois momentos de avaliação comparáveis que podem caracterizá-lo como um estudo longitudinal. Os resultados desta pesquisa indicam que o aporte metodológico baseado nas Categorias de Compreensão Conceitual da Medição proporciona um refinamento analítico capaz de acompanhar a evolução conceitual de grupos de estudantes no laboratório de Física e permite um avanço nas pesquisas em Ensino de Física ligadas à compreensão conceitual dos estudantes frente a uma situação experimental. Por meio de tal referencial foram acompanhadas as alterações nas categorias do Paradigma Pontual, as quais foram essencialmente reformuladas para o desenvolvimento da compreensão científica da medição.

Palavras-chave : Medição, Laboratório de Física, Evolução Conceitual.

## Abstract

This paper reports the results of a study that explored the conceptual evolution of students to develop analytical skills associated procedures for collection, processing and comparison of experimental data within the Set Paradigm. The method of study combines quantitative aspects, with pre and post-instructional tests, and qualitative aspects of data collection and analysis procedures, consisting of more than two times comparable assessment that can characterize it as a longitudinal study. The results of this research indicate that the methodological approach based on the types of conceptual understanding of measurement provides an analytical refinement able to follow the conceptual evolution of groups of students in the physics laboratory and allows the advance of research in Physics Teaching linked to a conceptual understanding of students in front of an experimental situation. With this referential the changes have been accompanied in Point Paradigm categories, which have been substantially reformed by the development of scientific understanding of the measurement.

Keywords : Measurement, Physics Laboratory, Conceptual Framework Evolution.

## Introdução

No atual ensino das ciências da natureza é praticamente consensual que se deveriam prover os estudantes, em um nível adequado, com considerações científicas acerca do mundo natural e tecnológico, sem que se esqueçam das consequências cada vez mais importantes de ordem ambiental e social, decorrentes daquele último (LABURU; BARROS, 2009). Conhecer os conteúdos dessas ciências envolve saber como os conceitos adquirem seus significados e suporte empírico. A formação das quantidades, por meio de experimentos quantitativos, não é frequentemente vista como parte da compreensão conceitual, nem ao menos é tratada como uma parte não problemática desta.

Segundo Laburú e Barros (2009, p. 152), um ponto fundamental que se coloca à educação científica é a necessidade de organizar e impor uma ordem intelectual aos dados, a fim de interpretar e extrair inferências das regularidades. O sentido que um aprendiz dá à medida determina as suas decisões de como coletar, processar e interpretar dados de modo a obter conclusões. Tais decisões são essenciais para desenvolver atividades didáticas sob enfoque das mais variadas estratégias de ensino, estando estas baseadas em orientações instrucionais fundamentadas no teste de hipóteses ou na aplicação de um paradigma, de inclinações, respectivamente, popperiana e kuhniana , ou, possivelmente, segundo orientações verificacionistas ou indutivistas, mais corriqueiras e criticáveis. Sejam quais forem as opções instrucionais, todos esses objetivos envolvem confrontar ou comparar teoria e evidência, que, por sua vez, implica estabelecer relações entre variáveis, processar dados e usá-los para suportar uma conclusão. Apesar de tais decisões terem maior importância para as atividades experimentais no ensino de Física, se comparadas aos ensinos de Química e Biologia, essa é uma preocupação que não pode ser desprezada quando de um ensino que envolva medição em tais disciplinas das ciências da natureza. Ainda que a aprendizagem da parte procedimental dos experimentos quantitativos mostrar-se, tanto quanto os conceitos de Física, de grande dificuldade para os alunos adolescentes e universitários iniciantes, a mesma recebeu a atenção de poucos pesquisadores em educação científica até a década de 1990, se confrontadas com outros domínios da ciência.

Para Séré (2002), as formas mais tradicionais de abordagem das atividades experimentais no ensino de Física consistem em utilizar o experimento como aplicação de um método de modo a manipular uma lei fazendo variar os parâmetros e a observar um fenômeno ou, no caso onde a lei é conhecida e não questionada, o experimento é utilizado para calcular um parâmetro de forma análoga ao que é feito em um laboratório de metrologia. Séré (ibid, p. 31) afirma que para ensino da parte experimental da Física existem outras abordagens possíveis, mas que raramente são utilizadas, tal como a comparação de métodos experimentais, para a qual recorre-se ao uso de uma competência suplementar que é a de avaliar. Nessa abordagem, os objetivos de aprendizagem devem estar direcionados para o estudante, ao determinar um parâmetro, perceber que o resultado obtido é uma informação, um meio de comunicação entre duas pessoas ou duas comunidades distintas (ibid.) e que o mesmo deverá fornecer elementos para o julgamento desse parâmetro sem, necessariamente, ter que fornecer um resultado único.

A maneira com que a medição tem sido tradicionalmente tratados nos diferentes níveis de ensino não demonstra ser a mais adequada. Parte da compreensão referente a este processo de ensino-aprendizagem passa pela

possibilidade de classificação da compreensão que os estudantes têm a respeito da medição e, a partir disso, aplicar estratégias de ensino mais adequadas às necessidades formativas desses sujeitos (LABURU; SILVA, 2011). Uma questão que se estabelece a partir do que foi apresentado acima consiste, portanto, em identificar e descrever os caminhos conceituais percorridos pelos estudantes quando submetidos a estratégia de ensino mais contemporâneas, como a proposta por Buffler et al. (2009) para a introdução dos conceitos relativos à medição no laboratório de Física. Com essa preocupação em mente, visamos desenvolver habilidades procedimentais e conceitos científicos associadas à coleta, processamento e comparação de dados experimentais com base na abordagem probabilística da medição.

## Fundamentação Teórica

A existência de padrões de raciocínio relacionadas à medição já foi evidenciada em diversas pesquisas ao longo das últimas décadas. Leach (1998) realizou amplo estudo a respeito do ensino de análise de dados em Bioquímica, com a participação de mais de 600 estudantes de seis países europeus. Os resultados mostraram que, dentre outras ideias, 60% dos estudantes acreditam que é possível obter uma medição perfeita, isto é sem incertezas. Outros estudos têm mostrado que é raro os estudantes espontaneamente realizem várias medições, salvo quando suspeitam que houve uma falha em sua primeira medição (SÉRÉ et al., 1993). Em geral, os alunos no laboratório aparentemente focam na busca de um "valor verdadeiro" específico, sem a devida consideração da incerteza. Conforme argumentam Evangelinos et al. (1999), em níveis mais avançados de ensino, em cada fase de um experimento - coleta, processamento e comparação de dados espera-se que os alunos dominem o significado mais complexo de medição e sejam capazes de aplicar este conhecimento juntamente com uma compreensão da incerteza que lhe é associada. No entanto, há evidências de que os alunos utilizam uma "aproximação determinística" de raciocínio que lhes permite evitar a interpretação de resultados utilizando os conceitos de incerteza e de probabilidade (ibid.).

Os trabalhos mais extensos a respeito das ideias dos alunos relacionados a medição foram realizados por um grupo de pesquisadores da University of York (Reino Unido) e University of Cape Town (África do Sul) (por ex. LUBBEN; MILLAR, 1996; ALLIE et al., 1998; EVANGELINOS et al. ,1999; BUFFLER et al., 2001, entre outros). Seus resultados culminaram na associação de ações e raciocínios dos estudantes frente a uma situação de medição em dois conjuntos denominados de Paradigma Pontual e Paradigma de Conjunto. Em linhas gerais, o Paradigma Pontual é caracterizado pela ideia fundamental que o valor de cada medição pode ser, em princípio, o valor verdadeiro (BUFFLER et al., 2001, p.1139). Como consequência, cada medição é independente uma da outra e as medições individuais não estão relacionadas entre si de forma alguma. Também resulta que a medição é vista como condutora a um único valor pontual em vez de estabelece-se em um intervalo de valores. Por sua vez e por oposição, o Paradigma de Conjunto é caracterizado pela ideia de que cada medição é apenas uma aproximação para o valor verdadeiro e que os desvios do valor verdadeiro são aleatórios (ibid.). Nessa visão, várias medições são necessárias para formar uma distribuição que se agrupa em torno de certo valor específico. A melhor informação a respeito do valor real é

obtida por meio da combinação das medições por meio de constructos teóricos, como a média e o desvio-padrão, a fim de descrever os dados coletivamente.

Há um consenso entre esses pesquisadores que uma efetiva mudança conceitual requer um modelo de instrução experimental que contemple não apenas a visão dos alunos sobre a medição, mas também esclareça explicitamente, a partir de um ponto de vista epistemológico, os limites da Física como uma ciência quantitativa exata. Para Buffler et al. (2001), os estudantes devem de dominar ferramentas e procedimentos de análise de dados (ações) e aprofundar a sua compreensão da natureza da medição científica (raciocínio) como parte de seu desenvolvimento em métodos científicos.

Conforme afirmam Buffler et al. (ibid., p. 1153), 'o objetivo geral de uma instrução laboratorial deve estar dirigido para efetuar uma mudança no paradigma utilizado pelo estudante'. Idealmente, isso implicaria no desenvolvimento em paralelo do uso de ferramentas operacionais de análise estatística e de uma compreensão sobre a natureza dos dados e da medição. No entanto, tradicionalmente os cursos de laboratório tendem a enfatizar as regras formais do tratamento estatístico dos dados e omitem aspectos que abordam a estrutura conceitual. Allie et al. (2003) sugerem que os currículos de laboratório sejam concebidos de forma que os conceitos subjacentes aos procedimentos experimentais sejam explicitamente abordados.

## Metodologia

Para Adadan et al. (2010), podemos explorar a compreensão dos estudantes por meio dos caminhos de compreensão conceitual, isto é, rotas de aprendizagem ao longo da qual os alunos passam no desenvolvimento da compreensão em qualquer domínio da ciência. As progressões de aprendizagem podem variar de aluno para aluno com relação às concepções existentes ou outros fatores, tais como o contexto ou as atividades desenvolvidas dando origem a vários caminhos possíveis de serem observados. Os caminhos conceituais fornecem oportunidades de aprendizagem para os alunos desenvolverem conceitos integrados de algumas ideias fundamentais da ciência, dando atenção para o alinhamento entre conteúdo, instrução e estratégias de avaliação. Em linhas gerais, as progressões de aprendizagem são descritas como formas cada vez mais sofisticadas de raciocínio que se sucedem dentro de um domínio de conteúdo no qual os alunos estão envolvidos (Smith et al., 2006, apud Duncan e Hmelo-Silver, 2009, p. 606). De acordo com Duncan e Hmelo-Silver (ibid.), há um consenso entre pesquisadores da área de que o desenvolvimento das progressões de aprendizagem devem ser esclarecidas pela pesquisa empírica a respeito do pensamento do aluno e aprendizagem nesse domínio.

As diferentes abordagens possíveis para o desenvolvimento de caminhos de compreensão conceitual voltadas para a aprendizagem da medição em múltiplos níveis apresentam uma grande variedade de pontos de entrada no estudo e no desenvolvimento das progressões. No entanto, dada a premissa subjacente de que os estudantes iniciam a graduação com concepções diferentes das científicas, as quais relacionamos em um conjunto de ações e raciocínios denominada de Paradigma Pontual, salientando que grande parte da capacidade de raciocínio de tais estudantes ainda permanecerem inexplorados e subdesenvolvidas no contexto instrucional atual, nosso ponto de partida será alinhado com as construções do

Paradigma Pontual em direção ao Paradigma de Conjunto, por meio do um estudo longitudinal que demandam currículo, instrução e avaliações bem alinhados.

Apesar da complexidade óbvia da tentativa de compreender os processos cognitivos que ocorrem quando os alunos têm de tomar decisões procedimentais durante a experimentação, as construções do Paradigma Pontual e de Conjunto constituem um esquema de classificação útil. No entanto, mesmo que um aluno seja capaz de raciocinar de forma consistente dentro do Paradigma de Conjunto, não implica que o mesmo tenha dominado as ferramentas operacionais de análise de dados (BUFFLER et al., 2001). Nesse sentido, é provável que o raciocínio e as ações que os alunos utilizam nas várias fases do desenvolvimento de sua compreensão poderão conter características de ambos os paradigmas.

Tendo em vista o foi exposto, verifica-se a necessidade de uma forma diferenciada de classificação da concepção dos estudantes, a qual avance para além das construções do Paradigma Pontual e de Conjunto. Relatos de pesquisas, como de Adadan et al. (2010) e Buffler et al. (2001) foram associados para descrever os critérios para uma compreensão científica e identificar as possíveis concepções alternativas que os participantes ou grupo de participantes possam ter. A Tabela 01 apresenta a descrição dos critérios estabelecidos para cinco categorias de compreensão conceitual (ver Adadan et al., 2010). As categorias de compreensão conceitual foram considerados em um continuum desde os Fragmentos Alternativos, menos científicos, para a Compreensão Científica, que implica em coordenar todos os aspectos do Paradigma de Conjunto. Com isso, constituímos as Categorias de Compreensão Conceitual da Medição, sintetizada na Tabela 01, a seguir:

Tabela 01 : Categorias de Compreensão Conceitual da Medição e respectivos critérios

Fonte: Adaptado de Adadan et al. (2010, p. 1012) e Buffler et al (2001)

Além do refinamento qualitativo permitido por este esquema, uma análise quantitativa pôde ser realizada, para isso valores numéricos foram atribuídos para cada categoria de compreensão conceitual: de 0 (Fragmentos Alternativos) a 4 (Conhecimento Científico) (ver Quadro 1). Os dados numéricos foram utilizados para uma análise estatística não paramétrica por meio do Teste de Sinais com pares de dados, comparando a evolução das Categorias de Compreensão Conceitual em momentos distintos: pré para pós-instrucional e pós-instrucional para retenção

(WHITE; ARZI, 2005; ADADAN et al., 2010. p. 1011), consistindo, assim, em mais de dois momentos de avaliação comparáveis que podem caracterizá-lo como um estudo longitudinal (WHITE; ARZI, 2005). Para fins de análise, nominou-se a diferença entre os níveis (N) conforme o Quadro 01 abaixo:

Quadro 01 - Evolução entre as Categorias de Compreensão Conceitual

O grau de evolução/decaimento/estabilidade expressos entre os momentos de avaliação, chamados de Avaliação Diagnóstica 1 (AD1), Avaliação Diagnóstica 2 (AD2) e Avaliação Diagnóstica 3 (AD3) foram combinados de forma de compor os caminhos de compreensão conceitual dos grupos participantes da pesquisa.

## Análise dos Dados e Resultados

A presente seção caracteriza a aplicação do referencial analítico em três momentos distintos para identificar as Categorias de Compreensão Conceitual da Medição de quatro grupos de participantes da investigação em um momento inicial da progressão de aprendizagem, denominada, nessa pesquisa de Avaliação Diagnóstica 1. Para a referida Avaliação Diagnóstica, os grupos tinham à disposição um conjunto de instrumentos de medição (Réguas, Paquímetros, Balanças Analógicas, Provetas Graduadas) que permitiam determinar a densidade de um objeto regular composto de metal por meio de dois métodos distintos. Foi requisitado que os mesmos determinassem a densidade do objeto fornecido por qualquer um dos métodos escolhido a seu critério o mais acuradamente possível, sendo guiados pelo valor tabelado previamente esclarecido para os mesmos. Os resultados obtidos na AD1 revelaram que que nenhum dos grupos classificou-se na Categoria de Compreensão Conceitual Científica da Medição. Nesse sentido podemos afirmar que nenhum dos grupos foi capaz coordenar todos os aspectos do Paradigma de Conjunto em um momento inicial. Apesar disso, não podemos afirmar que todos os participantes encontram-se no Paradigma Pontual, pois os mesmos apresentam características intermediárias de ambos os paradigmas, confirmando a hipótese prevista por Lubben et al. (2001).

Na Avaliação Diagnóstica 2, os grupos tinham de demonstrar os seus entendimentos sobre medição e posicionar-se frente a um conjunto de afirmativas feitas em um diálogo que expressava, alternadamente, conceitos do Paradigma Pontual e do Paradigma de Conjunto, os quais deveriam também justificar detalhadamente o motivos de cada escolha. Os resultados da AD2, mostram que os Grupos B e D podem ser classificados na Categoria de Compreensão Conceitual Científica da Medição pois foram capazes coordenar todos os aspectos do Paradigma de Conjunto e os Grupos A e C foram determinados como sendo compostos por Fragmentos Científicos. Estes resultados demonstram que houve

uma mudança significativamente positiva nas concepções dos estudantes frente a uma situação experimental, uma vez que todos os participantes evoluíram em suas concepções iniciais. Assim, podemos afirmar que todos os participantes encontravam-se no Paradigma de Conjunto, pois não apresentavam nenhuma características intermediárias de ambos os paradigmas, ou seja, não apresentavam visões alternativas às científicas com relação à medição.

Na Avaliação Diagnóstica 3 (AD3), os grupos deveriam determinar o resultado final relativo ao tempo que Kirani James (medalha de ouro) levou para percorrer os 400m rasos na final realizada no Estádio Olímpico nos Jogos Olímpicos de Londres 2012, assim como sua velocidade média, considerando também as respectivas incertezas. Para a realização dessa atividade os participantes tinham disponível um cronometro digital e um vídeo com a gravação da corrida. É importante salientar que os participantes eram guiados pelo resultado oficial da prova, conforme a estratégia de Lubber-Millar (1996). A avaliação Diagnóstica 3 mostrou que os grupos mantiveram as classificações alcançadas na Avaliação Diagnóstica 2 (Grupos A, B, e D) ou avançaram para Categoria de Compreensão Conceitual Científica da Medição (Grupo C). Nesse sentido podemos afirmar que todos dos grupos foram capazes coordenar de forma satisfatória os aspectos do Paradigma de Conjunto para a realização desta última avaliação. Dessa forma, podemos inferir que a instrução laboratorial auxiliou os estudantes a produzirem um conhecimento estável e duradouro sobre os processos de coleta, processamento e dados experimentais dentro do Paradigma de Conjunto. Apesar de não podemos afirmar que todos os participantes encontram-se no Paradigma de Conjunto consistente e articulado, as características intermediárias de ambos os paradigmas foram eliminadas.

As Categorias de Compreensão Conceitual da Medição comparadas entre Avaliação Diagnóstica 1, Avaliação Diagnóstica 2 e Avaliação Diagnóstica 3 é resumida na Gráfico 01 a seguir:

Gráfico 01: Categorias de Compreensão Conceitual da Medição AD1, AD2 e AD3.

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## Considerações Finais

O referencial analítico aportado nas Categorias de Compreensão Conceitual da Medição permitiu um refinamento analítico para além dos paradigmas da medição, constituindo um avanço em relação às pesquisas em Ensino de Física ligadas à compreensão conceitual dos estudantes frente à uma situação experimental. Por meio de tal referencial, puderam ser acompanhadas as alterações nas estruturas do Paradigma Pontual, as quais foram essencialmente reformuladas para o avanço na aquisição de conceitos e procedimentos científicos relacionados ao Paradigma de Conjunto, o qual que representa a atual visão científica sobre a medição. Nesse sentido foram observados três distintos caminhos de compreensão conceitual: (a) Evolução Leve para Estável; (b) Evolução Moderada para Estável; (c) Evolução Radical para Evolução Leve. Com a interseção dos aspectos qualitativos e quantitativos citados, esperamos ter criado um instrumento analítico capaz de mapear os caminhos de compreensão conceitual dos estudantes ao evoluírem do Paradigma Pontual ao Paradigma de Conjunto, explicitando suas dificuldades de compreensão em relação aos procedimentos de coleta, processamento e comparação de dados experimentais.

## Referências

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