Um estudo exploratório acerca do processo de desenvolvimento de uma inovação didática no ensino de Física de Harvard

## UM ESTUDO EXPLORATÓRIO ACERCA DO PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE UMA INOVAÇÃO DIDÁTICA NO ENSINO DE FÍSICA DE HARVARD

## AN EXPLORATORY STUDY ON THE DEVELOPMENT PROCESS OF A DIDACTIC INNOVATION IN HARVARD PHYSICS EDUCATION

## Tobias Espinosa 1 , Ives Solano Araujo 2

- 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Física, tobias.espinosa@ufrgs.br
- 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Física, ives@if.ufrgs.br. Bolsista de produtividade em pesquisa do CNPq

## Resumo

Neste trabalho, descrevemos a gênese de uma inovação didática aplicada no ensino de Física da Universidade de Harvard: a Applied Physics 50 (AP50), uma disciplina baseada na metodologia de sala de aula invertida, com ênfase na construção de projetos em equipes. Para isso, realizamos um estudo de caso exploratório, cuja análise de dados foi amparada pela Teoria Antropológica do Didático e pelo modelo de desenvolvimento de inovações de Everett Rogers. A construção da AP50 passou por três etapas: o reconhecimento da falta de um ensino de Física voltado às necessidades dos estudantes de engenharia, pesquisa por meio de leituras e visitas a universidades e desenvolvimento do logos e da práxis da disciplina a partir de um intercâmbio de informações com outros métodos de ensino e de 'forças' institucionais. O estudo teórico de métodos desenvolvidos pragmaticamente, como aqueles presentes na AP50, pode permitir que sejam aperfeiçoados e transpostos de forma crítica-reflexiva para outros contextos.

Palavras-chave : Applied Physics 50 (AP50). Ensino de Física. Inovação didática. Processo de desenvolvimento de inovações.

## Abstract

We describe the genesis of a didactic innovation applied at Harvard University (AP50-Applied Physics Course), a flipped, team and project-based introductory physics course. An exploratory case study was carried out and the data analysis was supported by the Anthropological Theory of Didactics of Yves Chevallard and by the Everett Rogers' development model of innovations. The results indicate the design of the AP50 went through three stages: recognition of the lack of a physics teaching focused on the needs of engineering students; research through readings and visits to universities; and the development of the logos and praxis of the method from an information exchange among different teaching approaches and institutional 'forces'. A theoretical study of methods developed pragmatically, such as those present in the AP50, can allow to improve and transpose them, in a critically-reflective way, to other contexts.

Keywords : Applied Physics 50 (AP50). Physics Education. Didactic Innovation. Innovation-development process.

## Introdução

As pesquisas em ensino de Física assinalam vantagens dos métodos ativos de ensino frente às abordagens tradicionais. Entretanto, a pouca disseminação desses métodos ainda é um problema não resolvido na área (KHATRI et al., 2017). De acordo com Henderson e Dancy (2007), o problema é principalmente oriundo de fatores institucionais/situacionais, como a atitude dos estudantes em relação à universidade, à expectativa de cobrir o conteúdo e à falta de tempo. Essas barreiras institucionais, que variam de contexto a contexto, condicionam a adoção de métodos ativos, tornando quase impossível a implementação de um método tal qual é descrito por seus criadores.

A falta de um referencial teórico específico para adoção e difusão de inovações didáticas pode estar dificultando a compreensão e a busca por soluções aos problemas expostos. Nesse sentido, procuramos desenvolver, através de pesquisas teóricas e empíricas, esse referencial. Como parte desse projeto maior, nos atentamos ao estudo da gênese de uma inovação didática, cuja investigação nos permite avaliar a sua futura transposição para contextos educacionais distintos, bem como aperfeiçoá-la.

No presente trabalho, investigamos, por meio de um estudo empírico de natureza exploratória, o processo de desenvolvimento de uma inovação didática que vem sendo aperfeiçoada nos últimos cinco anos no ensino de Física da Universidade de Harvard, no grupo do professor Eric Mazur: a disciplina Applied Physics 50 (AP50). A instituição é conhecida como referência em inovações didáticas no ensino de Física. Em 2014, o professor Mazur recebeu o prêmio internacional Minerva para avanços na educação superior devido à criação e difusão do método Peer Instruction . Dada a experiência e o perfil inovador do professor, bem como a circunstância temporal (momento de desenvolvimento da AP50), estabeleceu-se condições promissoras para o estudo do processo de criação de uma inovação didática. Para tal, amparamo-nos na Teoria Antropológica do Didático de Chevallard (1999) e no modelo de desenvolvimento de inovações de Rogers (2003).

## A inovação didática: Applied Physics 50 (AP50)

A Applied Physics 50 (AP50) é uma disciplina de Física introdutória voltada a estudantes de engenharia, caracterizada por uma aprendizagem orientada ao desenvolvimento de equipes e à elaboração de projetos. A AP50 conta com no máximo 75 alunos, divididos em equipes de 4-5 estudantes, e com a presença de cerca de oito monitores e dois professores. As equipes são modificadas três vezes ao longo do semestre, isto é, no início de cada novo projeto. São três encontros semanais de duas horas cada, sendo que um deles é em um laboratório adequado à construção de projetos e os demais em uma sala com o design propício ao trabalho colaborativo, incluindo quadros brancos móveis.

A partir de um software de leitura colaborativa ( Perusall 1 ), os estudantes, em casa, leem e discutem algumas páginas do livro-texto. Em sala, envolvem-se em uma série de atividades que vão, progressivamente, possibilitando o domínio dos conceitos

necessários para a construção dos projetos, que são apresentados em feiras com avaliadores externos à disciplina. As atividades são: instrução pelos colegas ( Peer Instruction ), tutoriais, atividades de estimativa, atividades experimentais, resoluções de problemas e atividades avaliativas de garantia de preparação (MILLER et al., 2016). Os alunos ainda avaliam seus colegas de equipe. Todas as equipes se envolvem em projetos com objetivos e orientações similares dados pelos professores. Como exemplos de projetos estão: um carro com um sistema de propulsão mecânica, uma máquina de Rube Goldberg e um instrumento musical construído com materiais recicláveis.

## Referencial Teórico

Para conduzir a pesquisa, nos amparamos em duas perspectivas teóricas: a Teoria Antropológica do Didático (TAD), de Chevallard (1999), como forma de definir e abordar as inovações didáticas; e o modelo de desenvolvimento de inovações, de Rogers (2003), como uma visão holística da criação de uma inovação.

A TAD destaca que toda atividade humana (a Matemática, a Física, os métodos de ensino) pode ser descrita em um modelo único, denominado de Organização Praxeológica (OP). Essa OP surge como uma solução, mesmo que provisória, a um problema que a sociedade enfrenta em dado tempo e contexto. As OPs, histórica e socialmente legitimadas, são expressas pelo conjunto [T, τ , θ, Θ], onde T é o tipo de tarefa, indica a técnica, ou seja, a maneira de resolver determinada τ tarefa, θ é a tecnologia, que representa um discurso que justifica/explica/gera uma técnica, e Θ trata-se da Teoria, que exerce o mesmo papel que a tecnologia exerce sobre a técnica. Nem sempre todos os elementos estão presentes em uma OP, assim como podem surgir níveis de justificação superiores à teoria. Pode-se ainda dividir essa praxeologia em dois blocos que são complementares entre si: um prático-técnico ( práxis ) e outro tecnológico-teórico.

Geralmente, os métodos de ensino são tratados como conjuntos de técnicas. No presente trabalho, consideramos um método como uma OP, ou seja, é composto por uma práxis (Tipos de tarefa e Técnicas) e por um logos (Tecnologias e Teorias). No caso da AP50, podemos ter como tipo de tarefa (T) a ser realizada por um estudante: ler e fazer anotações em um capítulo do livro-texto indicado pelo professor. Para resolvê-la, é indicada a seguinte técnica ( ): acessar, fora da sala de aula, o livroτ texto via um software de leitura colaborativa e destacar passagens do texto, gerando perguntas e comentários, bem como respostas às dúvidas dos colegas. Um discurso tecnológico (θ) que justifica o uso de tal técnica é que o aluno adquire controle sobre a própria aprendizagem, podendo estudar em um ritmo próprio. No material da AP50, as teorias (Θ) não estão presentes explicitamente.

Para entender o processo de criação tanto do logos quanto da práxis de uma inovação, recorremos ao modelo do processo de desenvolvimento de inovações de Rogers (2003). Esse modelo apresenta conceitos e categorias gerais, cujas aplicações se estendem a qualquer tipo de inovação.

Segundo Rogers (2003), no processo de desenvolvimento de uma inovação estão presentes três etapas que não são exclusivas e não seguem, necessariamente, a ordem exposta. São elas: (1) reconhecimento de um problema ou necessidade; (2) pesquisa básica e aplicada; (3) desenvolvimento. Inicialmente, o indivíduo (ou grupo social) reconhece um problema ou necessidade. Por exemplo, a desmotivação frente à abordagem de ensino e/ou a falta de concentração dos estudantes. Em seguida,

inicia-se o processo de exploração (pesquisa) para encontrar, usando a nomenclatura chevallardiana, tarefas e técnicas, bem como tecnologias e teorias, capazes de serem apresentadas como uma solução ao problema. Ou, como diria Rogers, uma solução tecnológica 2 . O desenvolvimento, que dificilmente se separa da pesquisa e não necessariamente a sucede, é o processo de colocar uma nova ideia em uma forma que a possibilite resolver os problemas inicialmente identificados. Nesse processo surgem intercâmbios de informações, ou seja, ideias transitam de uma instituição à outra, e a construção é afetada pela própria instituição em que se insere, constituindose, em essência, em uma construção social.

## Metodologia de Pesquisa

Realizamos um estudo exploratório (YIN, 2010), em contexto único com uma unidade de análise: o professor Eric Mazur, responsável pela criação da inovação didática em estudo. Tivemos como objetivo obter informações preliminares acerca da gênese de uma inovação didática. O estudo foi conduzido na Universidade de Harvard no segundo semestre de 2017 em uma nova disciplina de Física aplicada ( Applied Physics 50 - AP50).

Para coleta de dados, o primeiro autor do presente trabalho observou durante um semestre letivo as atividades desenvolvidas na disciplina, participou de reuniões semanais em que era avaliado o andamento da disciplina e conduziu uma entrevista semiestruturada com o professor Mazur. As observações, em conjunto com os referenciais teóricos adotados, serviram como base para a construção das questões da entrevista.

A entrevista semiestruturada, realizada ao final do semestre, teve duração de aproximadamente 30 minutos e consistiu de três questões, cujo objetivo era obter uma descrição do processo de desenvolvimento da AP50. Cada questão foi acompanhada de uma série de subquestões que auxiliaram a guiar a discussão. As três questões principais: 1) Conte-me um pouco sobre a história da AP50; 2) Quais foram as principais influências para o desenvolvimento da AP50? 3) Quais foram os principais problemas e desafios enfrentados no início? Como esses desafios foram superados?

## Resultados

A Figura 1 mostra o processo de desenvolvimento da disciplina Applied Physics 50 (AP50) de acordo com a nossa análise. A seguir passamos a explicá-la.

- O processo de desenvolvimento da AP50 iniciou, como previsto tanto pelo modelo de Rogers quanto pela TAD, a partir de um problema. O professor, em conjunto com o departamento de engenharia da universidade de Harvard, identificou falhas no ensino de Física voltado a futuros engenheiros. Em suas palavras:

Há cinco anos atrás, eu estava falando com o meu superior, chefe do departamento de engenharia [nome omitido] [...] sobre como o ensino de Física para estudantes de

engenharia não estava bom. Essencialmente, você pega a disciplina que normalmente é dada a estudantes de Física, mistura com mais alguma coisa e entrega aos engenheiros. Nós pensamos que, em vez de pedir que os estudantes de engenharia fossem ao departamento de Física cursar as disciplinas, nós podíamos oferecer disciplinas de Física no departamento de engenharia e realmente pensar qual seria a melhor experiência para esses estudantes. [tradução nossa]

Figura 1 - Processo de desenvolvimento da AP50

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Identificamos três fatores que possibilitaram que o professor passasse do problema à etapa de pesquisa: a experiência anterior com o desenvolvimento do Peer Instruction (PI), a disponibilidade de tempo e a liberdade institucional .

- O professor já tinha experiência no desenvolvimento de um método ativo de ensino, bem como leituras e pesquisas na área, formando um conjunto de condições que lhe possibilitaram desenvolver a AP50. O professor mencionou que na construção da AP50, diferentemente do PI, era necessário pensar a experiência como um todo.

Eu queria ajustar minha abordagem de ensino de qualquer forma. Já havia passado de aulas tradicionais para o Peer Instruction, mas o PI está reparando um modelo de ensino falido e não pensando a experiência como um todo. [tradução nossa]

- O desenvolvimento e relativo sucesso da difusão do PI, possivelmente, colocaram o professor em uma posição política privilegiada na instituição e geraram o reconhecimento necessário para que o departamento de engenharia lhe desse tempo e liberdade para a criação da nova disciplina.

Eu disse a ela que eu estava interessado em fazer isso, mas que levaria tempo. Então, ela me deu um ano […] para pensar sobre o ensino e, essencialmente, dedicar o tempo que normalmente seria dedicado ao ensino para repensar completamente a disciplina. Eu tinha a liberdade para fazer o que eu queria sem pessoas me dizendo: não, você não pode fazer isso ou aquilo. [tradução nossa]

Com as condições necessárias, o professor deu início à etapa de pesquisa, que envolveu leituras e visitas a diferentes universidades.

Então, eu fiz diversas leituras. Visitei várias universidades para analisar suas abordagens de ensino. Eu realmente tentei me educar sobre abordagens de ensino, da mesma forma que eu faria em pesquisa. [tradução nossa]

No decorrer de sua busca, Mazur adotou duas referências que, por meio de um intercâmbio de informações , o levaram ao desenvolvimento do logos e da práxis da AP50: o livro ' Who owns the learning ', escrito por Alan November (2012) e as ideias do método Team-Based Learning , desenvolvido por Larry Michaelsen (MICHAELSEN; KNIGHT; FINK, 2004).

Em termos do logos , mais especificamente dos discursos tecnológicos que explicam, justificam e criam as técnicas da AP50, o professor Mazur se apropriou da ideia de motivação intrínseca trazida por Alan November (2012). O autor argumenta que os estudantes precisam se envolver em trabalhos com propósito.

Então, um é o livro cujo título é 'Who owns the learning'. Eu acho esse livro lindo. Esse livro fala de como a maior parte do aprendizado é motivado por fatores extrínsecos. Você irá aprender ou irá reprovar nas provas. Você será punido em vez de querer aprender intrinsicamente. Esse livro foi escrito por Alan November, um consultor de ensino k-12. Sua afirmação é: se você prestar atenção nas crianças, elas aprendem não porque nós estamos batendo com um chicote e aplicando provas. Elas estão aprendendo porque a mente está conectada para aprender. Quando crianças, elas continuam perguntando o porquê. Elas querem entender. Então, acho que todos, de certo modo, nascem com um desejo intrínseco de entender o mundo que nos rodeia e de aprender. Infelizmente, no momento que os estudantes chegam ao ensino médio, esse desejo é substituído por um desejo extrínseco de aprender. [tradução nossa]

Estabelecidas as bases tecnológicas, foram geradas as técnicas e tarefas ( práxis ) coerentes. Nesse caso, o professor utilizou o desenvolvimento de projetos como forma de estimular a motivação intrínseca. Em um dos projetos, por exemplo, os estudantes são solicitados a construírem um instrumento musical com materiais de baixo custo e, ao final do projeto, doá-los a crianças carentes, criando um sentido ao desenvolvimento do projeto que vai além da aprendizagem do conteúdo.

Em vez de pegar o livro e dizer aos meus estudantes: está aqui, aprendam isso. Isso é bom para você. Eu digo aos alunos: nós vamos trabalhar em um grande projeto! E eu tento adicionar um componente de empatia ou bem social a isso. Assim, eles podem fazer um bem à sociedade ou fazer algo que pode ser empolgante. Uma vez que eles estão realmente empolgados com o projeto, eu digo a eles que olhar o livro pode ajudá-los. Então, o conteúdo, em vez de ser um objetivo por si só, torna-se um meio de alcançar um objetivo que é mais significativo na mente dos estudantes. [tradução nossa]

A outra importante influência à criação da AP50, o método Team-Based Learning (TBL), enfatiza a importância do desenvolvimento de equipes, transformando a sala de aula em um ambiente colaborativo, no qual os estudantes adquirem habilidades de trabalho colaborativo necessárias à vida em sociedade. Essa ideia, que compõe parte da tecnologia do método, foi transferida para a AP50.

[...] a educação está completamente focada no indivíduo, mas a forma como a sociedade funciona é quase sempre fazendo com que as pessoas trabalhem juntas [...]. No entanto, a educação é focada no indivíduo, você está sozinho na sala de aula ouvindo o professor. Pode haver outras pessoas sentadas ao seu lado, mas não estão falando com você. […] Então, enviamos nossos graduados, nossos engenheiros, para empresas onde devem trabalhar em equipe e eles descobrem que não conseguem, porque nunca aprenderam [...] [tradução nossa]

Na AP50 foram adotados os tipos de tarefas do TBL que contam sempre com atividades individuais e em equipe, usualmente intercaladas. Um exemplo é a tarefa de garantia de preparação ( readiness assurance ), cujo aluno individualmente responde a uma série de questões (usualmente conceituais) acerca do conteúdo

estudado e, em seguida, responde às mesmas questões com a sua equipe. Além disso, a formação de equipes heterogêneas (em termos de conhecimento) para o desenvolvimento de equipes de aprendizagem é outro exemplo de práxis proveniente do TBL. As tarefas e técnicas, bem como as tecnologias, do TBL original não eram suficientemente coerentes com o logos da AP50 estabelecido pelo professor, mais especificamente com a ideia de motivação intrínseca. Nas palavras do professor Mazur, ele adotou o TBL, mas acredita ter levado as ideias além.

Nós certamente adotamos o TBL. Não há dúvidas. Incluindo a tarefa de preparação. Nós fizemos algumas mudanças na forma como eles implementam, mas acho que o TBL não necessariamente tem um projeto. Também nos certificamos de que, em todos os aspectos do curso sempre haja uma fase individual e outra em equipe. [...] Então, mesmo para a tarefa de casa, você viu eles trabalhando primeiro em casa, individualmente, e depois há a fase em equipe em classe. Eu tento pegar a ideia do TBL e levá-la ainda mais além do que eles fazem. [tradução nossa]

Dois elementos se destacaram como parte da construção social da AP50: os projetos e as tarefas de casa. De acordo com o professor, a definição dos projetos foi a parte mais difícil do desenvolvimento da AP50. Os projetos foram aperfeiçoados semestre após semestre pela equipe responsável pela AP50 (oito monitores e dois instrutores por semestre). Durante o semestre observado (2017/2) a equipe ainda modificava os projetos e os protocolos de avaliação. Além disso, modelos de relatório foram desenvolvidos no referido semestre.

A parte mais difícil foi realmente criar os projetos. [...] quando começamos a disciplina, nós só tínhamos dois projetos. Então, tivemos que pensar muito em como implementá-los. Nós eliminamos, eu acho que depois do primeiro ano… Nós eliminamos um ou dois projetos e os substituímos por outros. Então, ao longo dos anos, substituímos um projeto após o outro. [tradução nossa]

- O feedback dos alunos fez com que as tarefas de casa fossem alteradas diversas vezes. Segundo Mazur, a maioria dos alunos de Harvard são motivados pela forma de obter as melhores notas com a menor quantidade de esforço, o que o levou a modificar as tarefas de casa (leitura e sistema de correção) algumas vezes. Inclusive, o sistema para leitura colaborativa que é utilizado na disciplina, o Perusall , foi desenvolvido para sanar problemas oriundos da sala de aula.

Nós modificamos as tarefas de casa várias vezes. Mudamos a abordagem [...]. Foi muito, muito difícil. A maioria dos estudantes de Harvard é motivado por notas. Eles determinam como vão estudar com base em como obter a maior nota com o menor esforço. [...] No início não tínhamos o Perusall. [...] a ideia do Perusall surgiu porque eu precisava resolver um problema na sala de aula. [tradução nossa]

Em função da disciplina estar imersa em um grupo de pesquisa em ensino de Física, alguns dos instrumentos de avaliação, como a avaliação entre os colegas, foram modificados, contribuindo à construção da AP50. Além do mais, outros elementos institucionais, não identificados aqui devido ao escopo metodológico adotado, fizeram e fazem parte da construção social da AP50.

## Considerações finais

A partir da análise, verificamos que o processo de criação da AP50 envolveu três etapas principais: o reconhecimento de um problema oriundo da forma como os alunos de engenharia estavam tendo aulas de Física, a pesquisa, que envolveu a leitura de artigos e visitas a universidades, e o desenvolvimento que foi (e ainda é) influenciado pela instituição (construção social) e por intercâmbio de informações com outros métodos de ensino, tanto na construção do logos quanto da práxis da AP50.

Para passar do reconhecimento do problema à pesquisa, foram necessárias certas condições pessoais e institucionais.

Podemos destacar do presente estudo que, assim como na adoção, o desenvolvimento de inovações didáticas requer uma série de condições institucionais que o possibilitem. Individualmente, sem o apoio da instituição (tempo e liberdade criativa) e de sua experiência prévia com a criação e difusão de outro método ativo, tornar-se-ia quase impraticável o desenvolvimento da AP50.

Além disso, os resultados aqui destacados podem servir como base para o estudo da adoção e difusão da AP50 para contextos educacionais distintos. Ao compreendermos a origem dos discursos que legitimam as técnicas empregadas no método, podemos realizar modificações nas técnicas e tipos de tarefa do método que não o descaracterizem, usufruindo de seus benefícios e adaptando-o a contextos educacionais brasileiros. Para uma maior compreensão, em trabalhos futuros, será construída a organização praxeológica da AP50 e investigada as condições que facilitam e dificultam a implementação da disciplina na Universidade de Harvard. Tais pesquisas permitem a articulação das ideias de Chevallard e Rogers, possibilitando à construção de um referencial teórico para inovações didáticas.

## Referências

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HENDERSON, C.; DANCY, M. Barriers to the use of research-based instructional strategies: The influence of both individual and situational characteristics. Physical Review Special Topics - Physics Education Research , v. 3, n. 2, p. 020102-1020102-14, 2007.

KHATRI, R. et al. Characteristics of well-propagated teaching innovations in undergraduate STEM. International Journal of STEM Education , v. 4, n. 1, p. 1-10, 2017.

MICHAELSEN, L. K.; KNIGHT, A. B.; FINK, L. D. Team-Based Learning : A Transformative Use of Small Groups in College Teaching. Sterling, VA: Stylus Publishing, LLC, 2004.

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