EXPLORANDO SISTEMAS COMPLEXOS NA EDUCAÇÃO BÁSICA: UMA ABORDAGEM SISTEMÁTICA UTILIZANDO A TAXONOMIA DE BLOOM

## EXPLORANDO SISTEMAS COMPLEXOS NA EDUCAÇÃO BÁSICA: UMA ABORDAGEM SISTEMÁTICA UTILIZANDO A TAXONOMIA DE BLOOM

## EXPLORING COMPLEX SYSTEMS IN BASIC EDUCATION: A SYSTEMATIC APPROACH USING THE BLOOM'S TAXONOMY

## Maria Helena Cantuario¹, Denise Andrade do Nascimento², Antonio Marques dos Santos³

- ¹ Universidade Federal de Roraima (UFRR)/ Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, helena.cantuario@ufrr.br ² Universidade Federal de Roraima (UFRR)/ Departamento de Física/UFRR, denise.nascimento@ufrr.br
- ³ Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN), Diretoria Acadêmica de Ciências/IFRN, antonio.marques@ifrn.edu.br

## Resumo

O estudo de sistemas complexos é essencial para a compreensão de uma variedade de fenômenos naturais, sociais e tecnológicos. No entanto, sua abordagem não é realizada no ensino médio e tampouco comtemplado nos livros da educação básica. Nesse sentido, a utilização da taxonomia de Bloom em conjunto com o ambiente de modelagem NetLogo pode ser uma maneira eficaz de explorar essa temática desafiadora. A taxonomia de Bloom é amplamente utilizada na educação para definir objetivos de aprendizagem em diferentes níveis cognitivos, o que ajuda os professores a desenvolverem estratégias de ensino que promovam o pensamento crítico e a resolução de problemas. Por sua vez, o NetLogo é uma ferramenta de modelagem baseada em agentes que permite aos alunos explorar e experimentar diferentes cenários em fenômenos naturais e sociais, além de contribuir significativamente para a compreensão de conceitos chave inerentes a esses fenômenos e suas variáveis físicas. Assim sendo, esta pesquisa tem como objetivo utilizar a taxonomia de Bloom e o ambiente de simulação NetLogo para o estudo de sistemas complexos no ensino médio, mas especificamente sistemas climáticos, visando o desenvolvimento de habilidades cognitivas importantes para a formação acadêmica e profissional dos alunos, como a capacidade de avaliar informações, a criatividade e a solução de desafios. Para ilustrar a aplicação dessas ferramentas no ensino de física, será discutida a influência de variáveis, como velocidade, energia, entropia, temperatura, pressão, fluxo, dentre outras, em sistemas complexos, tais como modelos de dissipação de calor, modelos climáticos. A pesquisa foi aplicada em uma turma do terceiro ano do ensino médio, e ao final pretende-se verificar a eficácia da abordagem sistemática para o desenvolvimento de habilidades cognitivas.

Palavras-chave : Processo cognitivo, Simuladores, Níveis de Aprendizagem, Ensino de Física.

## Abstract

The study of complex systems is essential for understanding a variety of natural, social, and technological phenomena. However, this approach is not integrated into high school education, nor is it addressed in basic education textbooks. In this regard, the

use of Bloom's Taxonomy in conjunction with the NetLogo modeling environment can be an effective way to explore this challenging theme. Bloom's Taxonomy is widely used in education to define learning objectives at different cognitive levels, aiding teachers in developing teaching strategies that promote critical thinking and problemsolving. NetLogo, in turn, is an agent-based modeling tool that allows students to explore and experiment with different scenarios in natural and social phenomena. It significantly contributes to the understanding of key concepts inherent in these phenomena and their physical variables. Therefore, this research aims to use Bloom's Taxonomy and the NetLogo simulation environment for the study of complex systems in high school, specifically focusing on climatic systems. The goal is to develop important cognitive skills for students' academic and professional formation, such as the ability to evaluate information, creativity, and problem-solving.To illustrate the application of these tools in physics education, we will discuss the influence of variables such as speed, energy, entropy, temperature, pressure, flow, among others, in complex systems such as heat dissipation models and climate models. The research was conducted in a third-year high school class, and the ultimate goal is to assess the effectiveness of the systematic approach for the development of cognitive skills.

Keywords : Cognitive Process, Simulators, Levels of Learning, Physics Education.

## 1 Introdução

As mudanças climáticas, o aquecimento global e os fenômenos climáticos extremos são assuntos que dominam as discussões no mundo atualmente. A física, sendo uma ciência que estuda a natureza e seus fenômenos, é uma ferramenta valiosa para decifrar e compreender o planeta Terra, suas interações complexas e o clima que dele emerge. Nessa perspectiva, é interessante observar como a física desempenha um papel crucial na abordagem dessas questões globais.

Um exemplo notável desse reconhecimento é o Prêmio Nobel de Física de 2021, concedido a Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi. Eles foram laureados por suas contribuições significativas na modelagem física do clima, destacando descobertas essenciais na teoria de turbulências, além de suas notáveis contribuições à teoria de desordem e flutuações em sistemas desordenados e complexos (SANTOS, 2021).

Contudo, a abordagem dessa temática de maneira acessível e eficaz aos estudantes da Educação Básica é uma tarefa que envolve desafios significativos. Como garantir que os jovens compreendam os princípios físicos subjacentes às mudanças climáticas, de modo a capacitar futuras gerações a tomar decisões embasadas cientificamente e a buscar soluções para esses problemas iminentes?

Como resposta à ausência de trabalhos prévios sobre o assunto, surge uma perspectiva promissora para abordar essa problemática no Ensino Médio: a integração entre a Taxonomia Revisada de Bloom, proposta por Krathwohl (2002), e o ambiente de modelagem e simulação NetLogo, detêm um potencial promissor para o ensino, bem como a compreensão de sistemas complexos, especialmente no contexto das mudanças climáticas.

A Taxonomia Revisada de Bloom compreende seis níveis hierárquicos de habilidades cognitivas, organizados em uma progressão crescente de complexidade, como apresentado na Figura 01(a). Inicia-se com o nível "Lembrar", onde o foco é na recuperação de informações previamente aprendidas. Avançando para "Entender", este nível vai além da simples memorização, exigindo a capacidade de interpretar, explicar ou resumir informações.

No nível 3 "Aplicar", os alunos utilizam o conhecimento adquirido para resolver problemas ou realizar tarefas em contextos práticos. O nível 4, "Analisar", requer que os alunos destrinchem as informações em partes e examinem suas inter-relações. No nível 5, "Avaliar", os estudantes fazem julgamentos sobre a qualidade, relevância ou valor das informações. Finalmente, atingindo o ápice da taxonomia, o nível 6, "Criar", envolve a síntese de informações para gerar algo completamente novo (FERRAZ E BELHOT, 2010).

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Figura 01 : (a) Estruturação da Taxonomia de Bloom revisada. (b) Ambiente de simulação NetLogo. Fonte: (a) http://www.netlogoweb.org/ Acesso: 15/07/2023. (b) FERRAZ (2010).

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Por sua vez, o NetLogo é uma ferramenta de modelagem baseada em agentes que permite aos alunos explorarem e experimentarem diferentes cenários de fenômenos naturais e sociais, Figura 01(b). Essa ferramenta contribui

significativamente para a compreensão de conceitos-chave e suas variáveis físicas. Logo, o uso de simuladores para a análise de problemas físicos de maneira simplificada proporciona uma representação próxima da realidade. Essa abordagem facilita a compreensão e a aquisição de conhecimento, tornando-se uma valiosa ferramenta no ensino.

As simulações podem ser consideradas a solução de muitos problemas que professores de física enfrentam, ao tentar explicar para seus alunos fenômenos demasiado abstratos para serem visualizados pela descrição em palavras, e demasiado complicados para serem representados por meio de uma figura estática (Aliprandini, 2009, p. 1373).

Dito posto, o objetivo desta pesquisa é utilizar a taxonomia revisada de Bloom em conjunto com o ambiente de simulação NetLogo para o estudo de sistemas complexos no Ensino Médio, mais especificamente, sistemas climáticos, os quais abrangem a interação complexa entre a atmosfera, os oceanos, a criosfera (gelo), a biosfera e a litosfera, estudados à luz da termodinâmica.

## 2 Metodologia

A pesquisa foi executada em etapas nas quais utilizou-se uma sequência didática intercalada entre aulas teóricas e o ambiente NetLogo. A taxonomia de Bloom foi empregada no planejamento e execução das aulas teóricas de modo que os alunos pudessem alcançar diferentes níveis de habilidades cognitivas, de acordo com cada um dos seis níveis da taxonomia revisada de Bloom.

- O cronograma de atividades foi desenvolvido em uma escola estadual na cidade de Boa Vista/RR, envolvendo trinta e quatro alunos do 3º ano do ensino médio. Ao longo de nove aulas, cada uma com duração de duas horas, foram explorados diversos temas relacionados à física e climatologia.

A primeira aula foi dedicada à exibição do documentário "Segredos Climáticos: Temperatura". Durante esse encontro, foram explorados fenômenos climáticos, bem como sua interpretação à luz da física. Conceitos fundamentais, como temperatura, calor e estados da matéria, foram abordados.

No segundo encontro, o foco em conceitos relacionados à física e mudanças climáticas, abordando temas como pressão, radiação solar, concentração de gases de efeito estufa, etc. Na terceira aula, abordou-se o conteúdo relacionado aos gases ideais, apresentando as variáveis de estado de um gás e introduzindo a lei de Boyle.

Utilizou-se a simulação "gás in box" disponível no repositório do NetLogo para aprofundar a compreensão dos alunos.

A quarta aula continuou a exploração das leis dos gases, com ênfase na lei de Charles e Gay-Lussac, e nas transformações gasosas. O conteúdo foi concluído com a exibição da equação de Clapeyron, acompanhada pela simulação do "Pistão exotérmico".

A quinta aula tratou da lei geral dos gases, proporcionando uma contextualização do conteúdo ao iniciar o estudo da atmosfera terrestre e a abordagem de sistemas complexos. A simulação "Climate change" foi explorada para enriquecer a compreensão dos alunos.

No sexto encontro, os alunos aprofundaram seus conhecimentos sobre sistemas complexos, abordando suas características e explorando temas como atmosfera, clima e aquecimento global. A simulação "Camada de ozônio" foi analisada como suporte ao conteúdo, destacando como o clima de uma região depende de variáveis diversas. É relevante destacar que todas as simulações empregadas em sala de aula são oriundas do NetLogo, sendo que os alunos também interagiram com elas durante as atividades.

As últimas três aulas foram reservadas para a aplicação de atividades, seguindo a taxonomia de Bloom. As atividades, realizadas em duplas, abrangeram desde os níveis mais básicos, como lembrar e entender, até níveis mais complexos, como aplicar, analisar, avaliar e criar. Essa abordagem permitiu uma compreensão aprofundada e uma aplicação prática dos conceitos aprendidos ao longo do curso.

Cada nível cognitivo foi alinhado às atividades propostas pelo professor, nas quais os alunos aplicaram os conceitos aprendidos para solucionar desafios apresentados nas simulações do ambiente NetLogo, por exemplo, no Modelo Camada de ozônio, Figura 02. Desse modo, os alunos tiveram a oportunidade de um aprendizado ativo, onde puderam explorar conceitos, testar hipóteses, desenvolver habilidades analíticas e aplicar conhecimentos teóricos na prática, ou seja, todas as atividades de ensino foram organizadas de forma planejada e estruturada.

## XX Encontro de Pesquisa em Ensino de Física - 2024

Figura 02: Ambiente de simulação NetLogo: Modelo Climate Change .

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Fonte: http://www.netlogoweb.org/ Acesso: 15/11/2023

## 3 Resultados e Discussão

A Tabela 01 apresenta os resultados de atividades realizadas por 34 alunos do 3º ano do Ensino Médio, que se encontram em cada nível da Taxonomia de Bloom. A análise dos dados apresenta as estatísticas descritivas por meio da interpretação das simulações de sistemas complexos realizadas pelos estudantes no ambiente NetLogo e dos dados mediante a resposta de questionários.

Tabela 01: Quantidade de respondentes por níveis de aprendizagem.

Fonte: Os autores, 2023.

Observando os resultados tendo como suporte taxonomia de Bloom revisada na tabela 01, é evidente que a maioria dos alunos, especificamente 97,05%, alcançou o nível lembrar. Além disso, notamos que 94,11% dos alunos conseguiram atingir os níveis entender e aplicar, demonstrando um desempenho sólido nessas áreas. Ao subir na hierarquia cognitiva, observa-se que 88,23% dos alunos alcançaram o nível

analisar, enquanto o nível avaliar apresenta uma porcentagem um pouco menor, com 70,58%.

Por último, ao considerar o ápice da taxonomia, o nível criar, percebemos que apenas 17,64% dos alunos conseguiram atingir esse estágio mais avançado do processo de aprendizagem. Essa constatação sugere que a habilidade de criar, sintetizar e produzir conhecimento é uma área em que a maioria dos alunos ainda enfrenta desafios.

Essa análise com base na taxonomia de Bloom revisada destaca tanto os pontos fortes quanto as áreas que demandam maior atenção no desenvolvimento das habilidades cognitivas dos alunos. O foco em estratégias pedagógicas que promovam atividades mais criativas e analíticas pode contribuir para elevar o desempenho dos estudantes nesses níveis mais elevados da taxonomia.

## 4 Conclusões

Ao avaliar os resultados com base na Taxonomia de Bloom revisada e considerando que as atividades estavam centradas em sistemas climáticos, surgem insights significativos sobre o desempenho cognitivo dos alunos. Evidencia-se que a maioria dos estudantes atingiu níveis sólidos nos aspectos iniciais da taxonomia, como "Lembrar", "Entender" e "Aplicar". Contudo, ao subir na hierarquia cognitiva, observa-se uma redução nas porcentagens, especialmente no nível mais elevado, "Criar".

A constatação de que apenas uma parcela limitada dos alunos alcançou o estágio de criação sugere que a habilidade de sintetizar e produzir conhecimento em contextos complexos, como os sistemas climáticos, apresenta desafios. Essa análise destaca a importância de estratégias pedagógicas que estimulem a criatividade e a análise em profundidade, a fim de fortalecer as habilidades dos alunos nos níveis mais avançados da taxonomia. O foco nesses aspectos contribuirá não apenas para uma compreensão mais profunda dos sistemas climáticos, mas também para o desenvolvimento de competências essenciais para enfrentar os desafios acadêmicos e profissionais futuros.

Uma metodologia variada, como o uso de simulações, pode ajudar a atender às necessidades e estilos de aprendizagem diversos dos alunos. A aplicação da hierarquia da Taxonomia Revisada de Bloom, juntamente com o modelo de avaliação e análise propostos nesta pesquisa, oferece um caminho promissor para investigações futuras.

Ao variar as atividades de acordo com os níveis da Taxonomia de Bloom, pode-se avaliar não apenas a quantidade de conhecimento que os alunos adquiriram, mas também outras capacidades dispostas em cada nível. Isso proporciona uma avaliação mais abrangente e profunda alinhada aos objetivos educacionais, e ainda, pode mostrar ao educador onde há maior necessidade de intervenção para correção de possíveis deficiências na aprendizagem.

## Referências

ALIPRANDINI, D. M.; SCHUHMACHER, E.; SANTOS, M. C. Processo de Ensino e Aprendizagem de Física Apoiada em Software de Modelagem . In: Simpósio Nacional de Ensino de Ciência e Tecnologia. 2009. Ponta Grossa. ISBN: 978-857014-048- 7, p. 1370-1380.

FERRAZ, A.P.C.M.; BELHOT, R.V. Taxonomia de Bloom: Revisão teórica e apresentação das adequações do instrumento para definição de objetivos instrucionais , Gest. Prod., v. 17, n. 2, p. 421431, 2010. DOI: https://doi.org/10.1590/S0104-530X2010000200015.

KRATHWOHL, D. R. A revision of bloom's taxonomy: an overview. In: Theory into Practice . N. 41, v. 4. P. 212-218. 2002.

Raleduc. Disponível em: &lt;https://blog.raleduc.com.br/2018/01/15/benjamin-bloomsua-taxonomia/&gt; Acesso: 11 dezembro de 2023.

LACERDA, A. C. R . Efeitos da Capacidade de Absorção do Conhecimento Individual no Domínio de Aprendizagem com Base na Taxonomia de Bloom .

Dissertação de Mestrado. São Paulo: Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2017.

NetLogo. Disponível em: http://www.netlogoweb.org/ . Acesso em: 15/07/2023.

SANTOS, Mariana Custodio dos. Prêmio Nobel de Física 2021 - Modelos de Aquecimento Global. Mata Nativa Blog. Disponível em:

https://matanativa.com.br/premio-nobel-de-fisica

2021/#:~:text=Em%205%20de%20outubro%20de,e%20Giorgio%20Parisi%20(italian o). Acesso em: 15/12/2023