A EVOLUÇÃO DAS EXPLICAÇÕES DOS ALUNOS SOBRE A PROPAGAÇÃO DO SOM NO AR

## A EVOLUÇÃO DAS EXPLICAÇÕES DOS ALUNOS SOBRE A PROPAGAÇÃO DO SOM NO AR

## THE EVOLUTION OF STUDENTS' EXPLANATIONS OF SOUND PROPAGATION IN THE AIR

João Paulo Costa 1,2 , Mónica Baptista 2 , Amanda Amantes 3

1 CEFET-MG - Campus Timóteo/Departamento de Formação Geral, joaopaulo@cefetmg.br 2 Universidade de Lisboa/Instituto de Educação, mbaptista@ie.ulisboa.pt 3 Unversidade Federal da Bahia/Instituto de Física, amanda.amantes@ufba.br

## Resumo

No âmbito da Educação em Ciências há estudos que se focam em analisar como os alunos elaboram uma explicação científica. A Progressões das Aprendizagens descrevem como os alunos podem explicar um conceito em níveis sucessivos de sofisticação crescente, com base em ideias coerentes, instruções e experiências anteriores. A maior parte das investigações, nessa abordagem, iniciam com o desenvolvimento do mapa de construto: a estrutura categórica dos níveis hierárquicos de progressão das aprendizagens. Este estudo teve como objetivo verificar como é que os alunos explicam a propagação do som no ar, em diferentes níveis de sofisticação. Foram conduzidos, a 37 alunos do 11. º ano do ensino secundário, um pré-teste e um pós-teste, após uma intervenção durante um mês, com foco nas aprendizagens sobre a propagação do som no ar. A análise dos dados permitiu verificar a existência dos diferentes níveis previstos conceitualmente e comparar as evoluções na sofisticação das explicações dos alunos.

Palavras-chave : explicações científicas, educação em ciências, progressões das aprendizagens, propagação do som

## Abstract

Within Science Education, there are studies that focus on analyzing how students elaborate a scientific explanation. Learning Progressions describe how students can explain a concept at successive levels of increasing sophistication, based on coherent ideas, instructions and previous experiences. Most research in this approach begins with the development of the construct map: the categorical structure of the hierarchical levels of learning progression. The aim of this study was to see how students explain the propagation of sound in the air, at different levels of sophistication. A pre-test and a post-test were administered to 37 students of 11 th grade, after a one-month intervention, focusing on their learning about the propagation of sound in air. The analysis of the data made it possible to verify the existence of the different levels predicted conceptually and to compare the changes in the sophistication of the students' explanations.

Keywords : scientific explanations, learning progressions, propagation of sound, science education.

## Introdução

Na Educação em Ciências, é essencial que os alunos desenvolvam capacidades para elaborar explicações científicas sólidas acerca dos diversos fenômenos. Uma explicação científica de qualidade requer a aplicação explícita de teorias científicas, visando revelar relações causais ou modelar os mecanismos subjacentes a fenômenos específicos. É essencial, portanto, que os alunos possuam compreensão sólida e domínio do conteúdo científico, utilizando esses conhecimentos na identificação das ideias centrais e das características do fenómeno, para elaborar boas explicações científicas (Gotwals; Songer, 2010; Laliyo et al., 2023; Rönnebeck; Bernholt; Ropohl, 2016; Yao; Liu; Guo, 2023).

Nos anos 1980, inúmeros estudos, no contexto da Educação em Ciências, preocuparam-se em investigar explicações dos alunos, centrados, todavia, nas conceções alternativas e erros comuns sobre conceitos da ciência (Alonzo; Gotwals, 2012; Alonzo; von Aufschnaiter, 2018; Krajcik, 2012). Por sua vez, não investigaram como essas explicações eram amadurecidas ao fim de uma unidade de ensino ou no decorrer dos anos escolares.

No início dos anos 2000, o National Research Council (NRC) propõem uma abordagem com foco na Progressão das Aprendizagens Learning Progression -(LP) dos alunos. A Progressão das Aprendizagens procura compreender os caminhos de como as explicações dos alunos, sobre um determinado tópico da ciência, tornamse mais sofisticadas, após a instrução e/ou no decorrer dos anos escolares. Descrevem as explicações dos alunos em níveis sucessivos e de crescente sofisticação baseando-se em ideias coerentes, instruções e experiências anteriores (Krajcik, 2012; Smith et al., 2006).

As investigações em Progressão das Aprendizagens destacam que, além de perceber quais são as conceções alternativas que os alunos apresentam em suas explicações, é importante investigar os avanços após a instrução (Alonzo, 2011; Jin et al., 2019; Plummer et al., 2015).

Apesar de haver estudos que se centraram em perceber as conceções alternativas e erros comuns dos alunos nos diversos tópicos que permeiam o conteúdo de Acústica, ainda são escassas as investigações, nessa perspectiva, com foco na Progressão das Aprendizagens (Hernandez; Couso; Pinto, 2012).

No que concernem os estudos com abordagem nas progressões, geralmente iniciamse com a elaboração dos mapas de construto; uma estrutura categórica na qual são descritos os diferentes níveis de sofisticação para explicações dos alunos sobre o tópico (Covitt et al., 2018; Jin et al., 2019; Plummer et al., 2015; Plummer et al., 2020; Wilson, 2009).

Com o objetivo de promover um maior conhecimento sobre Progressão das Aprendizagem na propagação do som no ar, tomando o desenvolvimento do mapa de construto (Costa et al., 2023) como um passo inicial para aprimorar essas estratégias, esta parte do estudo foi conduzida pela seguinte questão de investigação: Como os alunos explicam a propagação do som no ar, em diferentes níveis de sofisticação?

Esta investigação foi realizada com 37 alunos (21 do sexo masculino e 16 do sexo feminino) do 11. º ano do ensino secundário de uma escola pública de Portugal. Foram aplicados um pré-teste e um pós-teste, após um mês de instrução com foco nas progressões das aprendizagens dos alunos sobre a propagação do som no ar.

Os resultados do pré-teste foram usados na elaboração de estratégias que ajudassem os alunos a apresentarem explicações em níveis de maior de sofisticação. Os professores envolvidos na instrução discutiram as respostas dadas às questões do pré-teste e, junto aos investigadores, elaboraram estratégias de ensino com foco nas progressões das aprendizagens dos alunos sobre o som. Foram abordados os seguintes temas: natureza mecânica do som, como o som se propaga, como o som afeta o ar enquanto se propaga, o papel do ar como meio de propagação e o porquê do som não se propagar no vácuo.

## Métodos

A análise das respostas foi realizada por quatro professores de Física, todos com ampla experiência na educação básica. Para cada uma das questões, um investigador (um dos autores) codificou e categorizou todas as respostas dos 74 testes (pré/pós teste), enquanto os outros três professores codificaram as respostas de 20 testes (uma amostra de 27%). Quando houve uma concordância menor que 85% entre as codificações, os professores discutiram até chegar a um nível superior de concordância. Feito isto, foram então atribuídos os níveis de progressão para cada resposta, de cada uma das questões do teste.

O método, já utilizado noutros estudos (Jin et al., 2019; Plummer et al., 2015; Plummer et al., 2020), consiste em alinhar as evidências das respostas, dadas aos itens do teste escrito, a cada nível de progressão do mapa de construto (Tabela 1).

Tabela 1 - Mapa de constructo para a progressão das aprendizagens sobre a propagação do som no ar

Fonte: Costa et al. (2023)

Para a classificação dos níveis de progressão, foram verificadas as evidências apresentadas em cada uma das explicações dadas pelos alunos e atribuído o nível de LP de acordo com o mapa de constructo.

No que diz respeito a confiabilidade entre as codificações dos avaliadores, os resultados apresentaram alfas de Cronbach 0,81 para o pré-teste e 0,89 pós-teste, o que demonstra consistência interna e similaridade na atribuição dos códigos. Em relação à concordância entre a codificação dos experts obteve-se um kappa de Fleiss médio de 0,77 (SD=0,23) para o pré-teste e de 0,89 (SD=0,15) para o pós-teste. Estes

resultados permitem inferir que há confiabilidade entre os códigos atribuídos às respostas (Landis; Koch, 1977)

## Resultados e Discussões

Para o pré-teste, como era de se esperar, níveis superiores de LP não foram elucidados nas respostas dos alunos, já que não tinham tido instrução adequada na altura do ano escolar em que se encontravam, como pode ser observado na Tabela 2, que apresenta a frequência absoluta das classificações das respostas em níveis de progressão. Para o pós-teste, no entanto, todos os níveis de LP foram elucidados.

Para o pós-teste ocorreu uma diminuição de frequência explicações com menor sofisticação (LP1, LP2 e LP3) e um aumento de explicações com maior rigor científico (LP4 e LP5).

Tabela 2 - Frequência absoluta dos níveis de progressão das explicações dos alunos nos testes

Fonte: Dados da investigação.

Para a questão 01, nota-se que, no pré-teste, a maior parte dos alunos (N=28) apresentou explicações no nível mais baixo de LP (LP1), enquanto quatro deles apresentaram explicações sem qualquer evidência de aprendizagem (LP0), com erros e/ou conceções alternativas sobre o som. Para o pós-teste, no entanto, ocorre uma diminuição da frequência dos níveis mais baixos, um aumento de explicações em níveis intermédios (LP2 e LP3), o aparecimento de explicações nos níveis superiores (LP4 e LP5) e nenhuma explicação sem evidência de aprendizagem.

É importante salientar que, a única diferença entre os subníveis, dos níveis superiores, é que as explicações classificadas nos subníveis LP4A e LP5A apresentam a informação de que o som é uma onda mecânica, enquanto as explicações nos subníveis LP4B e LP4A não apresentam esse conceito.

Um caso a se destacar é de um aluno que, no pré-teste apresentou uma explicação no nível LP1 para explicar a propagação do som no ar:

'Na figura, o homem emite som a partir das cordas vocais que ao vibraram emitem uma onda sonora de uma frequência com um intervalo entre o qual é perceptível para o ouvido do ser humano. A mulher consegue ouvir o som do homem a partir da propagação das ondas sonoras pelo ar. O ar age como transportador do som.' (pré-teste A\_30\_G2)

O aluno menciona que o som é uma onda sonora, identificando a fonte e o receptor. No entanto, a explicação não aborda a natureza mecânica e a vibração longitudinal do som, além de não mencionar a propagação do som como uma perturbação nas partículas do meio. A explicação enfatiza que a mulher ouve o som através da propagação das ondas sonoras pelo ar, mas não explora os mecanismos específicos envolvidos na propagação. No pós-teste, no entanto, observa-se uma evolução significativa na sua explicação:

'O som traduz-se numa onda mecânica e longitudinal. O som tem origem no homem, que faz vibrar as partículas afetando a pressão das partículas mais próximas, propagando-se para as seguintes. A onda sonora transporta energia, sem transporte de matéria. O som ao colidir com as partículas faz a pressão do ar, criando zonas de compressão (cristas) e zonas de rarefação (vales).' (pós-teste A\_30\_G2)

A explicação, classificada no nível superior de progressão LP5A, apresenta a informação de que o som é uma onda mecânica e longitudinal, o que demonstra uma compreensão acerca da natureza do som. A explicação descreve adequadamente a origem do som no homem, que faz vibrar as partículas do meio, afetando a pressão das partículas mais próximas e propagando-se para as seguintes. O aluno também destaca corretamente que a onda sonora transporta energia, sem transporte de matéria. Além disso, o aluno menciona que o som colide com as partículas do meio, afetando a pressão do ar e criando zonas de compressão (cristas) e zonas de rarefação (vales) durante a propagação.

## Conclusões e Considerações Finais

A análise das explicações apresentadas pelos alunos nos testes escritos permitiu-nos perceber que, no pré-teste nenhuma das questões apresentaram explicações em níveis mais complexos de progressão. Isto relaciona-se com o facto de que os alunos, nessa época do ano escolar, não tinham tido ainda a instrução na perspectiva das progressões das aprendizagens e que, portanto, não apresentavam explicações com os elementos que garantissem conhecimentos mais complexos sobre o assunto e com o requerido rigor científico (Jin et al., 2019).

A aleatoriedade das respostas no primeiro momento, devido ao facto de os alunos não terem tido instrução adequada específica do conteúdo, pode resultar em respostas difusas, ainda com as conceções alternativas e erros comuns (Plummer et al., 2015; Wilson, 2009). Dessa forma, a análise dos níveis após a instrução fornece melhor diferenciação entre as respostas e inferências mais concisas para a validação do mapa de construto.

Esta parte do estudo apresentou algumas das ideias do raciocínio dos alunos quando explicam a propagação do som no ar, organizadas nos níveis no mapa de construto. Entretanto, é preciso validar a hierarquia dos níveis de complexidade e verificar se há manutenção da hierarquia dos níveis, nos diferentes momentos de aplicação dos instrumentos de recolha de dados (Jin et al., 2019). A validação dos níveis de progressão pode ser realizada através do modelo Rasch unidimensional, para se verificar a consonância entre os índices de dificuldade atribuídos conceptualmente e fornecidos empiricamente. A busca pela solução dessas limitações, portanto, compreende nas próximas etapas deste estudo.

## Referências

ALONZO, A. C. Learning Progressions That Support Formative Assessment Practices, Measurement. Measurement: Interdisciplinary Research & Perspective , v. 9, n. 23, p. 124-129, 2011.

ALONZO, A. C.; GOTWALS, A. W. Leaping Into Learning Progression in Science. In: ALONZO, A. C.; GOTWALS, A. W. Learning progressions in science: Current challenges and future directions. Rotterdam: The Netherlands Sense Publishers, 2012.

ALONZO, A. C.; VON AUFSCHNAITER, C. Moving Beyond Misconceptions: Learning Progressions as a Lens for Seeing Progress in Student Thinking. The Physics Teacher - American Association of Physics Teachers , v. 56, p. 470-473, 2018.

COSTA, J. P. C. et al. Construct map development for the propagation of sound in the air. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education , 9, 2023. em 2327.

COVITT, B. A. et al. Teachers' use of learning progression-based formative assessment in water instruction. Applied Measurement in Education , 31, n. 2, 2018. 128-142.

GOTWALS, A. W.; SONGER, N. B. Reasoning Up and Down a Food Chain: Using an Assessment Framework to Investigate Students' Middle Knowledge. Science Education , 94, 2010. 259-281.

HERNANDEZ, M. I.; COUSO, D.; PINTO, R. The Analysis of Students' Conceptions as a Support for Designing a Teaching/Learning Sequence on the Acoustic Properties of Materials. Journal of Science Education and Technology , v. 21, n. 6, p. 702-712, 2012.

JIN, H. et al. A validation framework for science learning progression research. International Journal of Science Education , v. 41, n. 10, p. 1324-1346, 2019.

KRAJCIK, J. S. The importance, cautions and future of Learning Progressions Research. In: ALONZO, A. C.; GOTWALS, A. W. Learning progressions in science: Current challenges and future directions. Rotterdam: The Netherlands Sense Publishers, 2012.

LALIYO, L. A. R. et al. Evaluating students' ability in constructing scientific explanations on chemical phenomena. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education , 19, n. 9, 2023. em2328.

LANDIS, J. R.; KOCH, G. G. The measurement of observer agreement for categorical data. Biometrics , 33, 1977. 139-174.

PLUMMER, J. D. et al. Development of a Learning Progression for the Formation of the Solar System. International Journal of Science Education , v. 37, n. 9, p. 13811401, 2015.

PLUMMER, J. D. et al. Evaluating a learning progression for the solar system: Progress along gravity and dynamical properties dimensions. Science Education , v. 104, n. 3, p. 530-554, 2020.

RÖNNEBECK, S.; BERNHOLT, S.; ROPOHL, M. Searching for a common ground - A literature review of empirical research on scientific inquiry activities. Studies in Science Education , 52, n. 2, 2016. 161-197.

SMITH, C. L. et al. Implications of research on children's learning for standards and assessment: A proposed learning progression for matter and the atomic molecular -theory. Interdisciplinary Research and Perspectives , v. 4, p. 1-98, 2006.

WILSON, M. Measuring Progressions: Assessment Structures Underlying a Learning Progression. Journal of Research in Science Teaching , v. 46, n. 6, p. 716-730, 2009.

YAO, J.; LIU, X.; GUO, Y. Learning progression-based design: advancing the synergetic development of energy understanding and scientific explanation. Instr Sci , 51, 2023. 397-421.