AS CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS EM FÍSICA NO FINAL DA EDUCAÇÃO BÁSICA

## AS CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS EM FÍSICA NO FINAL DA EDUCAÇÃO BÁSICA

## THE ALTERNATIVE CONCEPTIONS IN PHYSICS AT THE END OF BASIC EDUCATION

## Ricardo Yaguti , Maria José Fontana Gebara 1 2

1 Universidade Estadual de Campinas, ricardo3bozo@gmail.com

2 Universidade Federal de São Carlos, maria.gebara@usfcar.br

## Resumo

O presente trabalho realizou um levantamento de concepções alternativas, sobre conceitos de Mecânica Clássica em estudantes concluintes da educação básica a partir do teste diagnóstico 'Force Concept Inventory' (FCI). A presença de concepções alternativas é apontada como uma variável importante para justificar a ineficácia do ensino de Ciências, pelo fato de serem pessoais, fortemente influenciadas pelo contexto, bastante estáveis e resistentes à mudanças, de modo que é possível encontrá-las mesmo entre estudantes universitários. Para realizar a pesquisa, selecionamos algumas questões do FCI e as aplicamos em turmas do terceiro ano do ensino médio de escolas públicas e privadas, junto a um questionário socioeconômico a fim de verificar o perfil dos alunos que participaram da pesquisa. Isso nos permitiu identificar as concepções alternativas mais evidentes desses estudantes e a influência que características socioeconômicas têm sobre as respostas dadas por eles. Através dos perfis dos alunos, pudemos verificar que algumas das características eram intrínsecas ao aparecimento de concepções alternativas, como idade, gênero e média em Física, porém, eram reduzidas se levados em conta a rede escolar e a escolaridade da mãe.

Palavras-chave : Concepções Alternativas, FCI, Leis de Newton.

## Abstract

This study conducted a survey of alternative conceptions about concepts of classical mechanics, applied in basic education students, using the Force Concept Inventory (FCI) diagnostic test. The presence of alternative conceptions is considered an important variable to explain the ineffectiveness of science teaching, because they are personal, heavily influenced by the context, very stable and resistant to change. So we can find them even among university students. To conduct the research, we selected and applied some questions to third year high school students from public and private schools. A socioeconomic questionnaire was also applied to check the profile of the students who participated in the survey. This allowed us to identify the most obvious alternative conceptions of these students and socioeconomic characteristics's influence on responses. Through the profile of the students, we observed that some of the features were intrinsic to the emergence of alternative conceptions, such as age, gender and average in Physics. However, they were reduced if we consider the school system, and mother's education.

Keywords : Alternative Conceptions, FCI, Newton's Laws.

## Introdução

As ciências exatas ainda são encaradas com temor nas salas de aula. É possível encontrar na literatura inúmeros relatos sobre dificuldades de estudantes de diferentes níveis de ensino, redes escolares, classes sociais, gêneros e idades. Tais dificuldades são causadas por fatores diversos, como, por exemplo, pela falta de domínio de ferramentas matemáticas; existência de concepções alternativas que não se sincronizam com a lógica científica; excessivas abstrações necessárias à compreensão dos fenômenos da natureza e sua quantificação; qualificação precária dos professores responsáveis pelas disciplinas; número insuficiente de aulas etc. O caso da Física, disciplina dos anos finais da educação básica, é particularmente preocupante, pois todas as razões elencadas como responsáveis pelas deficiências no ensino aprendizagem parecem potencializar-se.

Como parte do processo de mapear e buscar soluções para esses problemas, a partir da década de 1980 ganham força as pesquisas voltadas para a questão da 'mudança conceitual'. Tais investigações procuram desvendar os mecanismos responsáveis pela compreensão dos conceitos científicos e confrontam as representações do aluno com as da Ciência. Para isso, faz-se necessário descobrir quais são essas representações e em quais momentos elas tomam significado prejudicando a aprendizagem do estudante (SINVAL, SILVA, MANSOR, 2009). Temos então o inicio de uma série de trabalhos com o objetivo de sondar as concepções alternativas dos alunos e procurar regularidades que permitam o desenvolvimento de metodologias e estratégias de ensino para sua superação.

Em vista do exposto, investigamos a existência de correlações entre concepções alternativas sobre conceitos de Mecânica Básica e variáveis externas aos processos de ensino, aqui chamadas de variáveis socioeconômicas.

## O Movimento das Concepções Alternativas

As primeiras pesquisas sobre o Movimento das Concepções Alternativas (MCA) foram realizadas no início de 1970 e ganharam força a partir dos anos 1980. Essas pesquisas apontavam as concepções alternativas como uma das variáveis mais importantes para justificar a ineficácia do ensino de Ciências (SANTOS, 1991 apud GEBARA, 2001). Surgiram como um desdobramento das pesquisas realizadas por Piaget e colaboradores sobre o sistema cognitivo dos alunos e sua receptividade a novos conceitos, sendo fruto de preocupações específicas com o ensino científico (MORTIMER, 1994).

Estudos realizados nessa área afirmam que concepções alternativas são pessoais, fortemente influenciadas pelo contexto do problema, bastante estáveis e resistentes à mudanças, de modo que é possível encontrá-las mesmo entre estudantes universitários (VIENNOT, 1979). Tais constatações tornaram o MCA uma importante área de investigação nas pesquisas em Ensino de Ciências.

Encontramos na literatura diferentes designações para as concepções dos estudantes sobre conceitos científicos, tais como: conhecimento de senso comum; pré-concepções; concepções erradas; concepções alternativas. Embora sejam

muitas vezes utilizadas como sinônimos, contudo, uma análise desses significados evidencia diferenças entre os termos. Enquanto que o conhecimento de senso comum remete à fonte de origem das representações, as pré-concepções (ou concepções prévias, ou ideias prévias) se relacionam a uma forma de conhecimento anterior à escolarização. As concepções erradas, por sua vez, estão relacionadas à assimilação incorreta de modelos formais.

Quanto às concepções alternativas, cuja resistência à diferentes modelos de ensino tem conduzido a muitas pesquisas, abarcam um conjunto de explicações qualitativamente diferentes para os conceitos científicos. Contudo, o que as torna resistentes ao ensino formal é o fato das diferenças qualitativas não eliminarem respostas para os fenômenos físicos, que são consideradas satisfatórias pelos alunos (SANTOS 1 , 1991 apud GEBARA, 2001).

Segundo Kane 2 (1998 apud Gebara, 2001), a origem dessas concepções é complexa, pois envolve aspectos cognitivos do aluno e suas relações com as práticas pedagógicas. Em contrapartida, é possível identificar três importantes características que alicerçam o estudo desse tema: a influência que os sentidos humanos e suas respectivas representações podem trazer às concepções dos alunos; a natureza metafórica da linguagem; a forma generalizada e simplificada com que com que alguns conceitos físicos são abordados em sala de aula.

Influenciadas pelos sentidos, pela linguagem e por simplificações excessivas, as concepções alternativas ganham importância nas discussões sobre os problemas relativos ao ensino de Ciências, à aprendizagem de conceitos científicos, às novas metodologias de ensino e às práticas pedagógicas adotadas pelos professores.

## Metodologia

A pesquisa conduzida neste trabalho pode ser classificada, quanto aos seus objetivos, como descritiva e exploratória, por se tratar de um estudo preliminar, que teve por objetivo refinar hipóteses, testar e redefinir métodos de coletar dados, desenvolver, esclarecer e modificar conceitos e ideias para a formulação de abordagens posteriores.

Realizamos o levantamento das concepções alternativas sobre Força e Movimento através do instrumento padronizado Force Concept Inventory (FCI) , elaborado por Hestenes e colaboradores (1992), constituído por 30 itens de múltipla escolha, em que quatro ou cinco alternativas de cada questão remetem à conceitos intuitivos sobre os fenômenos abordados. Das 30 questões presentes no FCI, selecionamos 20, tendo em vista que o tempo de 50 minutos necessário para a realização do teste é considerado insuficiente pela maioria dos alunos que o realizam (PIEKARZ ET AL, 2004). Seguindo as normas de uso do teste, o mesmo foi renomeado para 'Diagnóstico de Força e Movimento'.

O FCI, composto por questões qualitativas e conceituais, não exige cálculos, apenas a interpretação de fenômenos físicos (BAHIA, ORTEGA, ARRUDA, 2013). Foi estruturado para monitorar e acompanhar a compreensão dos estudantes sobre

o conceito de força e movimento e 'tornou-se um instrumento para a avaliação de inovações metodológicas nas aulas de Física introdutória e de levantamento de concepções dos estudantes sobre esse mesmo tema' (SINVAL, SILVA, MANSOR, 2009).

Hestenes et al (1992) afirmam que o FCI pode ser melhor interpretado decompondo-o em seis dimensões conceituais básicas: (i) Cinemática, (ii) Primeira Lei de Newton, (iii) Segunda Lei de Newton, (iv) Terceira Lei de Newton, (v) Princípio da Superposição e (vi) Tipos de Força, distribuídas de tal forma que cada dimensão sondada aparece várias vezes ao longo do teste e contém 'distratores não newtonianos' entre as opções de resposta (SINVAL, SILVA, MANSOR, 2009).

A primeira dimensão explora conceitos e concepções sobre cinemática, que permitem identificar a capacidade do aluno diferenciar posição de velocidade, assim como velocidade de aceleração. A ideia de ímpetus está contida na segunda dimensão conceitual e se relaciona com a 1ª Lei de Newton. Esse termo foi utilizado pelos criadores do FCI para caracterizar a concepção de que há um tipo de 'força intrínseca' que mantém o movimento de um corpo. A concepção sobre Força Ativa refere-se à necessidade de um agente ativo que atua no sistema através de forças de contato, sendo agente casual de movimento, criando e transferindo ímpetus aos objetos.

Quanto às concepções sobre ação e reação, o equívoco está na interpretação da palavra 'interação', entendido como um conflito de forças opostas. Esta concepção expressa a crença de que um corpo de massa maior exerce uma força maior. A quinta categoria, Concatenação de Influências, identifica a falta de compreensão do Princípio da Superposição, evidenciando a concepção de que em um sistema de composição de forças prevalece a 'lei do mais forte' sendo o movimento causado pela força maior. Por fim, a última dimensão conceitual agrupa concepções que os alunos têm sobre as influências externas ao movimento, além da 'força ativa', como pressão e resistência do ar, aceleração da gravidade e a força peso, e envolvem uma quantidade de distratores maior.

A seleção das questões do FCI para a formulação do Diagnóstico de Força e Movimento foi feita, primeiramente, analisando-se os conteúdos abordados e, posteriormente, escolhendo as que continham enunciados mais curtos e objetivos para reduzir o tempo de aplicação do teste. Outro critério de seleção de questões foi a existência de assuntos mais específicos sobre força, movimento e trajetórias, em que poderíamos evidenciar mais concepções alternativas imersas nessa dimensão conceitual.

Na maioria das pesquisas em que são realizados levantamentos de concepções alternativas, há dupla aplicação dos instrumentos de coleta de dados (questionários de pré-teste e pós-teste), separadas por uma sequência de aulas e/ou atividades de ensino, com o objetivo de verificar possíveis mudanças conceituais (HAKE, 1998; SAVIANAINEM, SCOTT 3 , 2002 apud SINVAL, SILVA, MANSOR 2009; PIEKARZ ET AL, 2004; BARROS ET AL , 2004 apud SINVAL, SILVA, MANSOR 4 2009; SINVAL ET AL, 2009). Dentro dessa proposta, é possível medir a eficiência do rendimento dos estudantes, chamado de ganho normalizado, que depende da

porcentagem de acertos obtidos no pré-teste e no pós-teste (HAKE, 1998). Todavia, o presente trabalho realizou levantamentos baseados nos resultados obtidos em uma única aplicação do teste.

## Resultados

Participaram da pesquisa 173 alunos cursando a terceira série do ensino médio em escolas do interior do Estado de São Paulo. Desse total, 59 alunos (34 %) estavam matriculados em escolas públicas e 114 em escolas privadas (66 %). A porcentagem de meninas foi de 53 % e a de meninos 47 %. Quanto às idades, 85% tinham entre 16 e 17 anos e 15% estavam entre 18 e 19 anos.

Com relação à escolaridade das mães, desconsideramos os casos de estudantes cujas mães cursaram até a 8ª série do ensino fundamental, assim como aquelas de ensino médio incompleto, ensino superior incompleto e os que desconheciam a informação, pois o número de sujeitos em cada subgrupo era pequeno para efeito de análises estatísticas. Do total efetivamente analisado, 32% dos alunos eram filhos de mãe com ensino médio completo, 43% possuíam ensino superior completo e 25% tinham pós-graduação.

Quanto às médias na disciplina Física - informação solicitada para investigar possíveis correlações entre nota e existência de concepções prévias - obtivemos a seguinte distribuição: 31 %com médias abaixo de seis, 31% com média igual a seis e 38% com médias acima de seis.

A Tabela 1 apresenta a porcentagem com que as alternativas apareceram . 5 Realçamos em cinza escuro, a título de ilustração, as alternativas corretas enquanto que os valores destacados em cinza claro representam as alternativas que apareceram com maior frequência e que contém conceitos intuitivos e não científicos. A análise considerou os maiores valores presente na tabela como sendo as concepções alternativas mais frequentes, ocultando a porcentagem de acertos, uma vez que o objetivo principal é identificar as concepções alternativas desses estudantes.

Obtivemos uma média de 39% de acertos, o que, de acordo com Piekarz et al. (2004), sinaliza um pensamento não newtoniano. Resultados abaixo de 60% indicam tal ocorrência, ao passo que valores acima de 85% são obtidos por pensadores 'plenamente newtonianos'. De acordo com nossos dados, oito alunos estão incluídos nesse intervalo, representando apenas 5% da amostra.

As questões quatro e 17 apresentaram, respectivamente, a maior e a menor porcentagem de acertos. A questão quatro - que apresentou o maior índice de acertos em todo o teste - ilustra a trajetória de um projétil após um arremesso giratório. Nesta questão o aluno deveria indicar que, ao cessar a força centrípeta, a partícula seguiria no mesmo sentido e direção da velocidade tangencial. Ainda é preciso destacar que 12% dos estudantes escolheram uma trajetória parecida, mas que não confere com o raciocínio correto.

Tabela 1: Frequência das alternativas do Diagnóstico de Força e Movimento

Em contrapartida, apenas 10% dos estudantes responderam corretamente à questão 17. Nessa questão, 28% afirmaram que ao dobrar a intensidade de uma força sobre um corpo já em movimento constante, a velocidade também será dobrada, fortalecendo o conceito não newtoniano sobre força ativa. A maioria das respostas (33%) indicava que o corpo passaria a se movimentar com velocidade constante maior que a anterior se a força fosse dobrada, opinião que é contra o aumento gradativo da velocidade em caso de resultante de forças diferente de zero. A alternativa D, com 23%, expõe esse aumento da velocidade, porém, afirma que esse movimento, em algum momento, se torna constante, como se as forças horizontais se desgastassem com o passar do tempo. Desse modo, 90% das respostas da questão 17 levantaram concepções alternativas de que a força aplicada é proporcional à velocidade e que ela pode perder intensidade, conceitos contrários à 2ª Lei de Newton.

Essas análises foram realizadas para as questões que continham valores mais discrepantes entre acertos e erros para diferentes características, tais como gênero, idade, rede escolar, escolaridade da mãe e média em Física. Porém, não foi possível identificar a existência de concepções alternativas específicas para os subgrupos gênero, idade ou média em Física. Observamos a presença de concepções padronizadas, com percentuais elevados nas alternativas que correspondem às concepções mais frequentes.

Em contrapartida, o rendimento e a presença de concepções alternativas em relação às duas esferas de ensino e à escolaridade da mãe foram facilmente evidenciadas. A média de acertos para a escola particular foi de 50% contra 19% da escola pública. A partir das porcentagens mais divergentes, identificamos nos alunos da rede pública mais concepções sobre o Princípio de Superposição. Por exemplo, mais da metade afirmou que um projétil lançado de um avião em movimento

horizontal realizaria uma trajetória 'para trás', em relação ao movimento do avião. Com relação à identificação das forças atuantes sobre uma cadeira em repouso, 42% dos alunos da rede pública afirmaram a existência apenas da força peso, esquecendo-se da força normal necessária para equilibrar o sistema. Tais concepções alternativas não foram observadas nos alunos da rede particular.

No que diz respeito a escolaridade da mãe, estudantes cujas mães concluíram o ensino médio tiveram uma média de 30% de acertos; com ensino superior a média foi de 45% e para mães com pós-graduação, o rendimento foi de 53%. Porém, não é possível generalizar a hipótese de que quanto mais elevado for o nível escolar da mãe melhor o desempenho do aluno, pois em algumas questões ela não se aplica, como por exemplo, a questão 17, em que o rendimento foi ruim para todos e cujas respostas se concentram nas alternativas A, B e D, indicando a concepção de que a força é diretamente proporcional à velocidade; de que só há movimento se a força supera a resistência; e que ímpetus sofre desgaste, respectivamente. Ou seja, a escolaridade da mãe pode minimizar a presença de concepções alternativas, mas não as elimina.

## Conclusão

Através da presente análise das questões relacionadas aos perfis dos estudantes, foi possível constatar que fatores tais como a idade, gênero e média em Física dos alunos do terceiro ano do ensino médio não refletem no desempenho no Diagnóstico de Força e Movimento, uma variante do FCI adaptada para os fins de nossa pesquisa. Para esses fatores os resultados foram bastante semelhantes.

Por outro lado, a escolaridade da mãe do estudante parece ser um fator relevante para o aprendizado e o desempenho em Física. Contudo, o tipo de rede escolar frequentado pelo aluno é o fator mais importante. Tendo em vista que a grande maioria dos estudantes brasileiros estão matriculados na rede pública de ensino, os resultados dessa pesquisa - bastante preocupantes - confirmam a necessidade de ampliar as discussões que vêm sendo travadas sobre a qualidade do ensino de Física no Brasil.

Quanto às concepções alternativas, foi possível identificar as que mais se destacaram. Verificamos que boa parte dos alunos acredita, no final da educação básica, que objetos mais massivos têm alcance menor que objetos mais leves, caso sejam arremessados nas mesmas condições; que um objeto em ascensão, com velocidade constante, possui uma resultante de forças na direção vertical com sentido para cima. Para movimentos horizontais essa concepção também gerou destaque, porém, no caso da subida do elevador foi possível verificar de forma mais evidente.

As respostas também indicaram a crença na capacidade de uma força resultante de aumentar a velocidade inicial constante para uma velocidade final também constante, sendo indiferente o tempo para que esse processo ocorra. Indicaram também, em diversas questões, a necessidade/existência de uma força que mantém e orienta o movimento (ímpetus). Além dessas, confirmamos a existência de concepções alternativas extensamente relatadas na literatura, tais como a indiscriminação de posição e velocidade, assim como velocidade e aceleração, presentes, principalmente, em alunos de escolas públicas.

Resumindo, os estudantes afirmam que objetos mais massivos caem mais rápido; que para haver movimento, deve haver força e se não há força, não há movimento; que objetos em movimento são acompanhados por uma força externa (ímpetus) que pode ser dissipada, recuperada e acumulada.

Na medida em que parte desses alunos estará em breve nas universidades, e ainda que parte deles não voltará a ter contato com a disciplina em função de suas escolhas profissionais, provavelmente, essas concepções não serão substituídas pelo conhecimento científico.

Por se tratar de uma pesquisa exploratória, os resultados apresentados constituem-se no ponto de partida para novas investigações por se tratar de tema fértil, com implicações de inúmeras variáveis, e que podem auxiliar professores e alunos.

## Referências

BAHIA, M. T.; ORTEGA, G. L.; ARRUDA, L. C.. Análise de Concentração: Investigando as Concepções Alternativas dos Estudantes . Instituto Federal de Santa Catarina. Gramado, RS, 2013.

GEBARA, M. J. F.. O ensino e a aprendizagem de física: contribuições da História da Ciência e do Movimento das Concepções Alternativas. Um estudo de caso. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2001.

HAKE, R. R.. Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousandstudent survey of mechanics test data for introductory physics courses. American Associatio of Physics Teachers , Indiana 47405, v. 66, n. 1, January 1998.

MORTIMER, E. F.. Construtivismo, Mudança Conceitual e Ensino de Ciências: para onde vamos? III Escola de Verão de Prática de Ensino de Física, Química e Biologia , Serra Negra - SP, v. 1, n. 3, Outubro 1994.

PIEKARS, H. A. et al.. Adaptação e Validação de um teste diagnóstico de concepções estpontâneas em mecânica . Universidade Federal do Paraná. Paraná, 2004.

SINVAL, T. H. D.; SILVA, G. S. F. D.; MANSOR, M.. O uso do Inventário de Concepção de Força para análise das concepções de mecânica newtoniana de alunos de Licenciatura em Física . Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo - CEFET/SP. Vitória, ES, 2009.

VIENNOT, L.. Spontaneous Reasoning in Elementary Dynamics. International Journal of Science Education . [S.l.]: [s.n.], v. 1, 1979.

VILLANI, A.. Ideias espontâneas no Ensino de Física. Revista de Ensino de Física , São Paulo, v. 11, p. 130-147, Dezembro 1989.

YAGUTI, R.. As concepções alternativas em Física no final da educação básica . Monografia. Universidade Estadual de Campinas. Campinas. 2013. 43 f.