UTILIZAÇÃO DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS INVESTIGATIVAS NA PROMOÇÃO DA EVOLUÇÃO CONCEITUAL

## UTILIZAÇÃO DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS INVESTIGATIVAS NA PROMOÇÃO DA EVOLUÇÃO CONCEITUAL

## INVESTIGATIVE EXPERIMENTAL ACTIVITIES AND THE CONCEPTUAL EVOLUTION

## Whortton V. Pereira , Simone A. Fernandes 1 2

1

Instituto Federal do Espírito Santo/Eletromecânica, whorttonp@ifes.edu.br 2 UFES/Departamento de Química e Física, simonef.ufes@gmail.com

## Resumo

A evolução das concepções alternativas em direção ao conhecimento científico é um processo longo. Isso porque essas ideias são coerentes, universais, persistentes e consistentes (PINTÓ, et al., 1996). Vários autores têm destacado as contribuições da utilização de atividades investigativas para a evolução conceitual (AZEVEDO, 2006; CARVALHO, 2013; BORGES, 2002). Neste trabalho foi realizado um estudo sobre as contribuições dessas atividades para a evolução do conceito de velocidade. O estudo foi realizado em novembro de 2013 com alunos do primeiro ano do ensino médio que já haviam estudado o conteúdo de cinemática. A maioria deles demonstrou concepção alternativa, o que mostra que essa forma de conhecimento pode existir mesmo após a instrução formal. Foram realizadas três atividades que colocaram os alunos diante de diferentes situações com o objetivo de promover conflito cognitivo (CARVALHO, 1992). A produção escrita dos alunos foi recolhida e analisada utilizando-se como referencial a análise de conteúdo (BARDIN, 1977). As atividades investigativas realizadas mostraram ser uma boa alternativa às aulas tradicionais de laboratório e demonstraram potencial em promover evolução das concepções alternativas.

Palavras-chave : Atividade experimental investigativa, velocidade, concepção alternativa, evolução conceitual.

## Abstract

The misconception's evolution to the scientific knowledge is a long process. In this way, several authors pointed that investigative experimental activities would promote conceptual evolution. In this work, a study was performed in order to investigate the utilization of investigative experimental activities as a tool to achieve conceptual evolution. The addressed concept was velocity. The sequence of activities was accomplished with a group of first year high school students who had already studied the concept of speed. In this group many students presented misconceptions reported in the literature. In this case, misconceptions were perceived even after the formal instruction. As discussed in the literature a single activity was not sufficient to promote the conceptual evolution. Because of this, it was necessary tree different activities. After these activities, all students answered questions, and the students responses were analyzed by contend analyses. The data analyses corroborated that experimental investigative activities would be a good alternative compared to traditional laboratory classes.

Keywords : Experimental investigative activity, speed, alternative design, conceptual evolution.

## Introdução

A evolução das concepções alternativas em direção ao conhecimento cientificamente aceito é um processo longo. Isso porque essas ideias são coerentes, universais, persistentes e consistentes (PINTÓ, et al 1996). A consideração de tais características permite que se continue buscando estratégias de ensino que contribuam para uma melhor aprendizagem dos conceitos físicos. Nesse contexto, vários autores têm destacado as contribuições da utilização de atividades investigativas em suas diferentes formas (AZEVEDO, 2006; CARVALHO, 2013; BORGES, 2002).

Diferentemente da maioria das escolas públicas de Ensino Médio, os Institutos Federais (IF) têm espaço físico e materiais de laboratórios que permitem a realização de atividades experimentais. No entanto, a estrutura dos roteiros que acompanham os kits experimentais acaba contribuindo para que essas atividades se limitem à coleta de dados, ao preenchimento de tabelas e à elaboração de relatórios. Com base nisso, tem sido desenvolvida no mestrado profissional de física uma investigação a respeito da possibilidade de reelaboração das atividades experimentais. O objetivo é que os roteiros sejam reelaborados e trabalhados na forma de sequências didáticas investigativas (CARVALHO, 2013), oportunizando maior grau de liberdade aos estudantes durante a realização das atividades (BORGES, 2002). Espera-se que, assim, as atividades experimentais contribuam melhor para a evolução conceitual dos estudantes.

- O trabalho tem sido desenvolvido com alunos do primeiro ano do ensino médio e tem envolvido a elaboração e realização de sequências didáticas investigativas (CARVALHO, 2013) abordando o conceito de velocidade. Neste trabalho são apresentados os resultados alcançados quanto à evolução conceitual dos estudantes a partir da realização de um conjunto de atividades.

## Referencial teórico

As concepções alternativas apresentadas por estudantes com relação a vários conceitos científicos são conhecidas e já foram bastante discutidas. Pintó et al (1996) destacam quatro características de tais concepções, que são construídas pelos estudantes desde sua infância para explicar fenômenos cotidianos (LEITE, 1993). Segundo os autores, elas são um conjunto de ideias interconectadas de forma coerente, o que as tornam estáveis e resistentes a mudanças. Também são universais, semelhantes entre estudantes de mesma idade e de mesmo nível de escolaridade independentemente do país ou da cultura. São persistentes e, assim, continuam existindo por um longo tempo apesar das intervenções didáticas a que estão sujeitas. Por fim, utilizam regras específicas para situações específicas, ao invés de aplicar leis gerais. Assim, a consistência na sua utilização depende do contexto, ou seja, o domínio de um conceito do ponto de vista teórico não significa o seu domínio do ponto de vista prático (PINTÓ et al , 1996).

Particularmente com relação à compreensão do movimento e do conceito de velocidade, Leite (1993) destaca as seguintes concepções alternativas: (i) o movimento é avaliado intuitivamente pela posição de saída e, principalmente, de

chegada e, assim, posições iguais de chegada indicam mudanças iguais de lugares (distância percorrida); (ii) dois caminhos são iguais desde que os seus pontos de chegada sejam coincidentes (ou estejam colocados lado a lado), independentemente das distâncias que têm que se percorrer sobre cada caminho para atingir o ponto de chegada e, dessa forma, os indivíduos não distinguem deslocamento de distância percorrida; (iii) comparando-se dois móveis em trajetórias paralelas, um móvel será considerado mais rápido do que outro se estiver à frente deste ou se o ultrapassar e, portanto, a ordem ou a mudança de ordem dos móveis é que indica a sua velocidade relativa; (iv) dois móveis deslocam-se à mesma velocidade se chegarem ao mesmo tempo ao ponto de chegada, independentemente do caminho que percorrem; (v) um móvel A é mais rápido do que um móvel B se o ponto de chegada de A estiver à frente (mais adiante) do ponto de chegada de B; (vi) dois móveis têm a mesma velocidade no instante em que se cruzam, porque se encontram simultaneamente na mesma posição.

Atividades experimentais de caráter investigativo têm sido apontadas por alguns autores como uma alternativa às atividades do laboratório tradicional (CARVALHO, 2013; AZEVEDO, 2006; BORGES, 2002), pois acredita-se que podem contribuir para o melhor aprendizado dos conceitos físicos. Nessas atividades, o professor sugere um problema a ser resolvido e durante a sua resolução os alunos manipulam um aparato experimental que pode ou não ter sido previamente montado pelo professor. Durante a tentativa de resolver o problema o professor incentiva os alunos a levantarem hipóteses, testá-las, discutir as observações entre si, até chegarem a um resultado a partir da ação manipulativa (CARVALHO, 2013). Após a resolução do problema, o professor conduz os alunos, por meio de questionamentos, numa discussão em grupo sobre "como" e "porque" o problema foi resolvido. Segundo Carvalho (2013), esta etapa consiste na passagem da ação manipulativa para a ação intelectual. Por último, alunos realizam, individualmente, atividades de registro escrito e/ou desenho sobre a atividade realizada. Esta etapa é complementar ao diálogo, sendo a escrita um instrumento de aprendizagem que realça a construção pessoal do conhecimento.

As atividades investigativas podem ser planejadas na forma de sequências didáticas investigativas (SEI), que são uma sequência de atividades envolvendo um conteúdo programático. Elas devem ser planejadas de forma a permitirem que os alunos exponham seus conhecimentos prévios para compreenderem os novos, que, tenham ideias próprias e possam discuti-las com colegas e o professor, de forma a passarem da sua concepção alternativa ao conhecimento científico (CARVALHO, 2013).

Segundo Carvalho (1992), a sequência de atividade investigativa permite ao aluno testar suas concepções alternativas e, ao professor, traz a possibilidade de criar conflito cognitivo através de situações que gerem confronto entre as concepções alternativas dos alunos e os resultados obtidos no experimento. Desse modo, por meio da observação e da ação, que são pressupostos básicos para uma atividade investigativa, os alunos podem perceber que suas concepções alternativas não estão totalmente de acordo com os conceitos cientificamente aceitos e, então, darem início ao processo de reconstrução do seu conhecimento.

Como as concepções dos estudantes são resistentes a mudanças, acreditase que, ao envolvê-los em atividades experimentais investigativas, pode-se contribuir para que suas concepções alternativas iniciais evoluam se aproximando

do conhecimento científico. A evolução conceitual é tratada neste trabalho no sentido apresentado por Mortimer (1996), que a considera como sendo a incorporação dos conceitos científicos na estrutura cognitiva dos estudantes de forma que estes adquiram diferentes tipos de conhecimento que podem ser utilizados em diversas situações. Nesta perspectiva, a aquisição do conhecimento científico não significa a supressão das concepções alternativas, mas a independência entre essas duas formas de conhecimento (POZO, 2002; MORTIMER, 1996), de modo que não seria necessária a substituição de um conhecimento pelo outro e sim uma clareza de em quais situações usá-los.

## METODOLOGIA

As SEI (Sequências de Ensino Investigativas) foram realizadas no Instituto Federal do Espírito Santo (IFES) com estudantes do 1° ano do curso técnico integrado ao ensino médio de eletromecânica no segundo semestre de 2013. Dezoito estudantes, sendo quatro do sexo feminino e quatorze do sexo masculino, com média de idade de quinze anos, participaram voluntariamente das atividades no turno oposto ao de suas aulas. Antes da realização das atividades lhes foi entregue um termo de consentimento de participação na pesquisa que foi assinado por seus responsáveis. As atividades foram realizadas depois de os alunos já terem estudado o conteúdo de cinemática no primeiro semestre.

Inicialmente foi realizado um estudo diagnóstico da compreensão dos estudantes a respeito do conceito de velocidade. Para isso, foi elaborado e aplicado um questionário com três questões discursivas abordando situações cotidianas envolvendo o conceito. As questões foram elaboradas com base nas concepções apresentadas pela literatura (LEITE, 1993) e já haviam sido validadas através da aplicação em um outro grupo. Com base nas respostas encontradas, foram elaboradas três atividades experimentais investigativas que abordaram a concepção alternativa mais comum entre os estudantes: a de que dois móveis têm a mesma velocidade no instante em que se cruzam porque se encontram simultaneamente na mesma posição.

A primeira atividade utilizou como aparato experimental dois carrinhos movidos à pilha. Os dois moviam-se com velocidade constante, sendo que um deles tinha velocidade menor que a do outro, mas essa informação deveria ser descoberta pelos alunos. Inicialmente, foram colocadas duas marcas sobre a bancada (saída e chegada) e o problema posto envolveu ligar os carrinhos ao mesmo tempo, um saindo da posição de saída e o outro em qualquer posição antes dessa linha, de forma que eles cruzassem a linha de chegada juntos. Esperava-se que os alunos percebessem que a posição de saída de cada carrinho tinha que ser diferente, ou seja, o mais rápido deveria partir de uma posição atrás do mais lento.

A segunda atividade utilizou os mesmos carrinhos, uma trena e um cronômetro. Nessa atividade eram dispostos esses e outros materiais sobre a bancada para que os alunos definissem quais deveriam ser utilizados para determinar a velocidade de cada carrinho. Uma vez escolhidos os materiais, os alunos deveriam medir a velocidade de cada carrinho.

A terceira atividade utilizou dois trilhos de ar com seus dois carrinhos, uma mola, quatro sensores fotoelétricos e um cronômetro ligado aos sensores. Os dois trilhos foram colocados paralelamente sobre a bancada, no entanto, um deles foi inclinado. Os sensores de cada trilho foram colocados na mesma posição, de forma

a permitir a determinação da velocidade de cada carrinho entre um sensor e outro. Ao ligar os dois trilhos e iniciar o movimento dos carrinhos ao mesmo tempo, aquele que estava no trilho plano e comprimido a uma mola saía à frente do carrinho posto no trilho inclinado. Com o passar do tempo o carrinho do trilho inclinado alcançava o outro e o ultrapassava. Os alunos tinham que visualizar o movimento dos dois carrinhos e descobrir qual era a velocidade de cada um no momento da ultrapassagem, momento em que estavam na mesma posição. Eles usaram uma trena e manipularam os sensores fotoelétricos a fim de medir o tempo gasto e a distância percorrida pelos carrinhos.

Em todos os casos, após as atividades experimentais, os alunos responderam a questões abertas que abordavam suas hipóteses iniciais, suas estratégias para resolver o problema e outras questões que lhes conduziam a pensar sobre a velocidade dos carrinhos - em termos da distância percorrida e do tempo gasto - e sobre o que acontecia quando estavam na mesma posição. Por fim, foram realizadas discussões orais.

As atividades foram realizadas no contra turno das aulas. Os alunos foram divididos em seis grupos de três membros cada e as atividades foram realizadas ao longo de três encontros em dias sucessivos. Cada encontro foi realizado no laboratório de física, teve duração de aproximadamente uma hora e foi realizado com um grupo de cada vez. A coleta de dados foi feita através do registro escrito (questionário aberto e desenho) e da gravação em vídeo de todas as atividades. Os registros escritos foram recolhidos e foi realizada a análise de conteúdo (BARDIN, 1977). De acordo com esse referencial e com o tipo dos dados obtidos na pesquisa, foi utilizada a análise frequencial temática. O tema é uma afirmação acerca de um assunto, uma frase composta, por influência da qual pode ser afetado um vasto conjunto de formulações singulares (BARDIN, 1977). Neste trabalho os temas foram afirmações nas quais era possível inferir a compreensão da velocidade enquanto relação entre distância percorrida e tempo; relações estabelecidas entre posição ocupada em certo instante de tempo e velocidade; relações estabelecidas entre posições finais e velocidade; relações estabelecidas entre posições finais e distância percorrida; relações estabelecidas entre posições iniciais e velocidades finais. A análise frequencial temática consiste em contar a frequência com que os temas aparecem no texto.

## RESULTADOS E DISCUSSÕES

Através das análises das produções escritas dos alunos investigaram-se indicativos de evolução conceitual à medida em que realizavam as atividades propostas. O indicador foi a compreensão do fato de que se dois corpos em movimento estão na mesma posição não significa, necessariamente, que possuam a mesma velocidade.

A leitura preliminar das respostas dadas às questões do questionário diagnóstico e dos registros escritos após a realização das atividades revelou a possibilidade de três temas. O primeiro (tema A), relacionado a uma concepção alternativa, envolve declarações que consideram que dois móveis têm a mesma velocidade no instante em que se cruzam, porque se encontram simultaneamente na mesma posição. Como exemplo destaca-se a declaração do aluno 9 após realizar a primeira atividade experimental ao ser perguntado se ele podia afirmar que os

carrinhos tinham a mesma velocidade quando passavam juntos pela marca posta no final da bancada:

Sim. Porque para que os dois tivessem passando junto na mesma marca é preciso que os dois possuam a mesma velocidade, caso não tivesse eles não se encontrariam, pois um seria mais rápido que o outro.

- O segundo (tema B) envolve declarações que indicam conhecimento cientificamente aceito, ou seja, a compreensão de que a velocidade implica na relação entre a distância percorrida e o tempo gasto e, portanto, o fato de dois corpos estarem na mesma posição não significa que tenham a mesma velocidade. Como exemplo destaca-se a declaração do aluno 2 que respondeu à mesma questão que o aluno anterior da seguinte maneira:

Não. Eu posso afirmar somente que eles tem o espaço final em comum. V=S/T, logo, para as velocidades serem iguais, não basta o tempo do percurso ser o mesmo, a distância também tem que ser igual.

- O terceiro (tema C) envolve declarações que indicam um conhecimento diferente daquele aceito cientificamente, mas que diferem também da concepção alternativa descrita no tema A. Nesse caso, os alunos, embora afirmassem que os carrinhos não tinham a mesma velocidade na posição de encontro, buscavam explicações baseadas em concepções alternativas variadas, afirmando que isso se devia à diferença de massa, de força, de aceleração entre outros. Também pertencem ao tema C justificativas que não relacionavam as variáveis tempo e distância e/ou não levavam em conta a informação de que as velocidades eram constantes.

Como exemplo destaca-se a declaração do aluno 15 ao responder uma questão do questionário diagnóstico. A questão apresentava uma figura (adaptada do Force Concept Inventory , Hetenes et al , 1992) que mostrava, sobre uma reta milimetrada, as posições de duas pessoas disputando uma corrida para cada segundo do seu movimento. Os alunos deveriam perceber que uma delas estava se deslocando em movimento retilíneo uniforme e a outra em movimento retilíneo uniformemente variado. Assim, a pessoa que estava se deslocando em MRUV nos primeiros instantes de movimento estava em uma velocidade inferior à outra que se deslocava a MRU. Ao longo do tempo ocorria a ultrapassagem. Era questionado se em algum momento do movimento as duas pessoas tinham a mesma velocidade. A resposta do aluno foi:

Não, porque não ha momentos que ambos permaneçam ao menos dois segundos num mesmo local, sendo a cada local que os segundos se encontram um momento de ultrapassagem, onde um móvel estará com velocidade superior que o outro (Aluno 15).

O aluno 15 não reconhece que as duas pessoas teriam a mesma velocidade em um determinado instante de tempo, mesmo tendo posições diferentes. Além disso, o aluno relaciona o fato de terem a mesma velocidade ao tempo de permanência em um mesmo local. Não foi possível compreender de que forma o aluno percebe essa relação, uma vez que não foram realizadas entrevistas para que explicasse suas respostas.

Com base nesses temas e na análise das respostas dos questionários respondidos pelos alunos foi gerado o gráfico da figura 1. Vale destacar que o número de alunos está reduzido porque dois deles não compareceram no dia da realização da atividade 3.

Figura 1.Gráfico indicador da evolução conceitual a respeito do conceito de velocidade.

<!-- image -->

Conforme observa-se na figura 1, as respostas da maioria dos alunos apresentam declarações que demonstram a concepção alternativa. Mesmo após uma instrução formal a respeito do conteúdo de velocidade, que foi realizada no primeiro bimestre, os alunos ainda pensavam de acordo com as concepções alternativas. Isso confirma que as concepções são persistentes, resistentes à mudança e são barreiras à aprendizagem de conhecimentos cientificamente aceitos (PINTÓ et al , 1996).

Percebe-se que, após a realização da primeira atividade, houve uma diminuição no número de declarações relacionadas ao tema A - frequentes no teste diagnóstico - e aumento do número de declarações referentes aos temas B e C. Portanto, a atividade parece ter contribuído para a evolução conceitual de alguns estudantes. Alguns deles se aproximaram da concepção cientificamente aceita e outros apenas se distanciaram da concepção alternativa inicial demonstrada no teste diagnóstico. Este resultado corrobora com as discussões levantadas por Mortimer (1996) e por Pozzo (2002), que defendem a ideia de que uma evolução conceitual não seria necessariamente a passagem de uma forma de pensar intuitiva para uma científica e sim uma mudança na forma de pensar do aluno.

Após a realização da atividade dois, ocorreu a diminuição das declarações relacionadas ao tema A e tema C e o aumento das declarações relacionadas ao conhecimento cientificamente aceito. Ao testarem suas hipóteses os alunos foram colocados diante de situações que geravam 'conflito cognitivo' (CARVALHO, 1992) como, por exemplo, a descoberta de que os carrinhos utilizados na primeira atividade não tinham a mesma velocidade, contrariando suas declarações iniciais. Situações como essa têm um importante papel na evolução conceitual. No entanto, assim como discutido pela literatura, os resultados mostram que uma atividade apenas não foi suficiente para que todos os alunos evoluíssem conceitualmente da concepção alternativa para o conhecimento cientificamente aceito. Foi necessária uma sequência de atividades investigativas para se alcançar esse objetivo (CARVALHO, 2013). Assim, mesmo após a realização de duas atividades experimentais baseadas na proposta de ensino investigativa, verificou-se a presença de declarações relacionadas à concepção alternativa. Isso mostra, mais uma vez, que tais concepções são persistentes e muito resistentes à mudança (PINTÓ et al , 1996).

Após a realização das três atividades todas as declarações estavam de acordo com o conhecimento científico. Isso indica que a sequência de atividades proposta atingiu seu objetivo em promover uma evolução conceitual daqueles alunos. Algumas declarações quando lhes eles foram perguntados sobre mudanças percebidas com relação às suas ideias iniciais, corroboram com essa conclusão.

Antes, eu não entendia porque não é possível afirmar que a velocidade no momento que atravessam a linha é a mesma, diferente de agora que pude tornar isso mais concreto. (Declaração dada pelo aluno 8 após a segunda atividade)

A principal coisa que mudou para mim foi que antes eu pensava que móveis no encontro tinham velocidades iguais. Porém depois de um exemplo prático, penso totalmente diferente. (Declaração dada pelo aluno 6 após a terceira atividade)

Verifica-se neste trabalho que o uso desta sequência de atividades experimentais pensada na proposta investigativa tem potencial para contribuir para um melhor aprendizado dos conceitos físicos dos alunos de ensino médio. Nesse sentido, vale a pena discutir e repensar as atividades experimentais que tradicionalmente são desenvolvidas e buscar alternativas que aproveitem da melhor maneira o espaço que escolas como os IFES possuem para este trabalho. Os resultados encontrados concordam com as pesquisas que têm apontado que estudantes de todos os níveis aprendem com maior facilidade quando submetidos a uma metodologia que se baseia na investigação científica, parecida com a realizada em laboratórios científicos (HODSON, 1992 apud AZEVEDO, 2006; CARVALHO, 2013).

## Referências Bibliográfica

AZEVEDO, M. C. P. S. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M. P. (Org.). Ensino de ciências : unindo a pesquisa e a prática. São Paulo. Pioneira Thomson, 2006.

BARDIN, L. Análise de Conteúdo. Lisboa: Persona, 1977.

BORGES, A.T., Novos Rumos para o Laboratório Escolas de Ciências. Caderno Brasileiro Ensino de Física. , v. 19, n.3: p.291-313, dez. 2002

CARVALHO, A. M. P. Construção do conhecimento e ensino de ciências. Em Aberto , Brasília, ano 11, nº 55, jul./ set. 1992.

CARVALHO, A. M. P. O ensino de ciências e a proposição de sequências de ensino investigativas . Ensino de Ciências por investigação: condições para implementação em sala de aula. São Paulo: Cengage Learning, 2013. cap. 1, p. 1-20.

LEITE, L. S. F. Concepções Alternativas em Mecânica Um Contributo para a Compreensão do seu Conteúdo e Persistência . Tese de Doutorado - Universidade do Minho, Braga, 1993.

MORTIMER, E. F. Construtivismo, Mudança Conceitual e Ensino de Ciências: Para Onde Vamos?. Investigações em Ensino de Ciências . v.1, n.1, p.20-39, 1996.

POZO, J. I. Aprendizes e mestres: a nova cultura da aprendizagem. Porto Alegre: Artmed, 2002. 296p.

PINTÓ, R.; ALIBERAS, J. ; GÓMEZ, R. Tres enfoques de la investigacion sobre concepciones alternativas . Investigacion y experiências didacticas . 1996. Disponível em: &lt;http://ddd.uab.cat/pub/edlc/02124521v14n2p221.pdf?origin=publication\_detail&gt; Acesso em: Março de 2013.