A Resolução de Situações Problemáticas Experimentais em Física Geral à Luz da Teoria dos Campos Conceituais

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## A RESOLUÇÃO DE SITUAÇÕES PROBLEMÁTICAS EXPERIMENTAIS EM FÍSICA GERAL À LUZ DA TEORIA DOS CAMPOS CONCEITUAIS

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Thiago Alexandre Melo Matheus (thiagoalex@hotmail.com), Célia Maria Soares Gomes de Sousa (celia@fis.unb.br), 2 Marco Antonio Moreira (moreira@if.ufrgs.br) 3

1 Instituto de Física - UnB, Instituto de Física - UnB, Instituto de Física - UFRGS 2 3

## Introdução

Ao longo dos últimos anos as pesquisas na área de ensino d e ciências têm se voltado para os referenciais construtivistas/cognitivistas e, dentro dessa tendência, o movimento da mudança conceitual foi um dos mais importantes. Nessa ótica, os estudos sugeriam que o processo de aprendizagem estava fundado no ato de mudar as concepções alternativas para concepções cientificamente aceitas. No entanto, percebeu-se que tal mudança não era facilmente atingida e que tais concepções estavam fortemente enraizadas na estrutura de conhecimento dos alunos; percebeuse também, que os aprendizes voltavam a utilizar a antiga percepção mesmo após passar pelo processo de aprendizagem que se propunha a efetuar a mudança conceitual. Em artigo recente, Moreira e Greca (2003) fazem uma revisão desse tema, destacando que um grande erro da pesquisa sobre mudança conceitual foi o de considerá-la como substituição de uma concepção (alternativa) por outra (científica) na estrutura cognitiva do aluno e sugerindo que ela deveria ser pensada como evolução conceitual ou enriquecimento conceitual.

No desenvolvimento da pesquisa no ensino de Física, três questões têm sido recorrentes - a resolução de problemas, a aprendizagem de conceitos físicos e o ensino de laboratório -consideradas essenciais para o ensino da Física. Dentre estas, a resolução de problemas sempre foi um tópico particular.

Em razão disso, o interesse no estudo da resolução de problemas de Física: por um lado a questão diz respeito ao aspecto psicológico, não apenas no que se refere às elaborações e regulações cognitivas do indivíduo que soluciona, como também no que concerne ao próprio conceito de problema e como este se relaciona com um campo conceitual específico. Por outro lado, o tema responde a uma demanda dos próprios professores de Física e, portanto, trata-se de um tópico q ue tem um significado particular no que se refere à prática de sala de aula. Portanto, este é um tópico que interessa tanto os pesquisadores que estudam a Psicologia do Desenvolvimento Cognitivo como aqueles preocupados com o ensino de Física.

Uma das tendências na área atualmente é a defesa de que o progresso na compreensão da resolução de problemas está vinculado ao progresso na compreensão da aprendizagem das tarefas envolvidas nesse processo. Nesta mesma linha de raciocínio, há a defesa da necessidade de se distinguir o estado da resolução de problema, o conhecimento declarativo e o conhecimento procedural. Dentro destas tendências estão os aportes teóricos mais explícitos no que diz respeito à análise cognitiva do sujeito humano frente a uma situação-problema, como é o caso da teoria dos campos conceituais de Vergnaud (Sousa, 2001; Moreira 2002) e da teoria dos modelos mentais de Johnson-Laird (1983; Moreira, 1996).

Na pesquisa aqui descrita, adotamos uma fundamentação teórica que articula os referenciais de Johnson-Laird (modelos mentais) e de Vergnaud (campos conceituais). Assim, pretendemos neste trabalho analisar as estratégias cognitivas que os alunos desenvolvem ao se deparar com uma situação-problema. Especificamente, pretendemos inferir se o indivíduo cria um modelo de trabalho e como este modelo funciona. Pretendemos também identificar os invariantes operatórios que se evidenciem neste processo.

Este procedimento é importante porque estabelecendo um modelo de como se desenvolve o raciocínio do aprendiz pode-se formular propostas que otimizem a aprendizagem. Estamos, com

isso, buscando uma maneira adequada de descrever o desenvolvimento das estratégias cognitivas ligadas ao conteúdo de Física na resolução de problemas, particularmente no laboratório didático.

## Metodologia

Esta pesquisa foi desenvolvida em duas etapas, as quais correspondem, em termos cronológicos, a dois semestres letivos consecutivos em nível universitário. Participaram dessa pesquisa alunos do curso de Engenharia Elétrica da disciplina Física 2 Experimental, oferecida pelo Instituto de Física da Universidade de Brasília durante o segundo período letivo de 2003 e o primeiro semestre letivo de 2004. Esta disciplina é composta de 10 experimentos, versando sobre os conteúdos de Mecânica e Termodinâmica

Na primeira etapa, o desenvolvimento da situação problemática correspondente a cada experimento foi conduzido na forma usual da disciplina, deixando que os alunos seguissem os procedimentos propostos na apostila da disciplina, constituída basicamente de objetivo, texto de apoio (fundamentos teóricos), materiais e equipamentos a serem utilizados, e procedimentos experimentais. A cada experimento realizado, cada grupo de trabalho, com de três componentes (o mesmo grupo que realizava o experimento elaborava o respectivo relatório) recebia um conjunto de questões para ser respondido como parte integrante do relatório . Esse conjunto de questões consistia de situações problemáticas diferentes das propostas durante a realização dos experimentos, mas sem fugir do aporte teórico abordado em sala de aula, que foram elaboradas com a intenção de que provocassem a explicitação dos invariantes operatórios utilizados pelos alunos para resolver a situação problemática experimental proposta em cada experimento.

O material gerado por esses conjuntos de questões e as respostas dos alunos aos itens das duas avaliações (provas escritas) da disciplina foram submetidos a uma análise qualitativa com o objetivo de inferir a eventual construção de modelos mentais pelos estudantes e os invariantes operatórios que poderiam emergir nesse processo, evidenciando possíveis dificuldades dos alunos em termos da aprendizagem significativa do tópico experimental em questão.

A partir dessa análise, foram selecionados cinco experimentos para serem abordados na segunda etapa do estudo, de acordo com os seguintes critérios: maiores dificuldades conceituais apresentadas pelos alunos e abrangência, em termos conceituais, do tema do experimento. Os experimentos selecionados foram: pêndulo simples, movimento harmônico amortecido, movimento do giroscópio, princípio de Arquimedes, lei do resfriamento de Newton.

Na segunda etapa, foi implementado um tratamento diferenciado para a realização de cada um dos experimentos selecionados: foi feita uma exposição prévia sobre a fundamentação teórica (que o grupo já deve ter elaborado) referente àquele experimento e o procedimento experimental a ser desenvolvido é orientado em termos de questionamentos e direcionamento dos passos com questões a serem respondidas ao longo do processo . Essas questões têm como objetivo explorar o campo conceitual do tema em questão de forma a se promover uma situação problemática experimental, a ser solucionada durante a realização do experimento.

Adicionalmente, de forma semelhante à primeira etapa, a cada experimento selecionado realizado, cada grupo de trabalho, constituído de três componentes (o mesmo grupo que realiza o experimento e elabora o respectivo relatório) recebe um conjunto de questões para ser respondido como parte integrante do relatório. Esse conjunto de questões consiste de situações problemáticas diferentes das propostas durante a realização do experimento, mas sem fugir do aporte teórico abordado em sala de aula que foram também elaboradas com a intenção de que provoquem a explicitação dos invariantes operatórios utilizados pelos alunos para resolver a situação problemática experimental.

O material gerado por esses conjuntos de questões e as respostas dos alunos aos itens das duas avaliações (provas escritas) da disciplina, que corresponderem aos experimentos selecionados estão sendo submetidos a uma análise qualitativa com o objetivo de identificar a eventual construção de modelos mentais pelos estudantes e os invariantes operatórios que possam emergir

nesse processo verificando em que medida tais modelos e invariantes aproximam-se daqueles cientificamente aceitos.

## Resultados

Analisamos 76 respostas dadas pelos grupos às questões adicionais ao relatório antes referidas. Ao longo dessa análise chegamos às seguintes quatro categorias:

- Categoria 1 Fórmulas: respostas dadas basicamente a partir de fórmulas e de sua relação com o tratamento experimental (gráficos)
- Categoria 2 Proposições: respostas dadas basicamente a partir de proposições (princípios físicos)
- Categoria 3 Modelos de Trabalho: respostas indicadoras de construção de modelos mentais.
- 3.1 - respostas que parecem evidenciar compreensão cientificamente adequada da situação problemática.
- 3.2 - respostas que parecem evidenciar compreensão cientificamente inadequada da situação problemática.

Categoria 4 -Fórmulas e Proposições não Articuladas: respostas envolvendo fórmulas e proposições que, embora sem erros conceituais aparentes, não se articulam de modo a dar evidência de construção de modelos.

Tabela 1 - número de respostas por categoria

## Discussão dos resultados

Os dados da tabela 1 mostram uma grande predominância das respostas dadas a partir de fórmulas (categoria 1) e uma quantidade relativamente pequena de respostas da categoria modelo de trabalho (categoria 3). Supondo que a compreensão implica modelização mental, esses dados sugerem que a maioria dos alunos não dominou de maneira significativa as situações problemáticas apresentadas nas atividades laboratoriais. Aparentemente, houve um acentuado predomínio de aprendizagem mecânica caracterizada pelas explicações automatizadas, baseadas nas fórmulas.

A categoria 2 poderia, em princípio, ser tomada como evidência de alguma aprendizagem significativa desde que pudéssemos nos certificar de que as proposições utilizadas eram significativas para os alunos. Tais proposições poderiam ser o que Vergnaud chama de teoremasem-ação. Contudo, nossa análise preliminar não permite inferências nessa direção.

- A categoria 3 é aquela que consideramos desejável pois sugere a construção de modelos mentais que, por sua vez, implicam compreensão, ainda que não adequada cientificamente, como sugere a categoria 3.2.
- A categoria 4 também não dá evidência de aprendizagem significativa pois proposições desarticuladas não constituem um modelo mental.

Portanto, apenas 26% das respostas sugerem a construção de modelos mentais que, por sua vez, indicam pelo menos um certo grau de domínio da situação problemática. Tais modelos devem conter os chamados invariantes operatórios de Vergnaud e podem evoluir para esquemas de assimilação. Mas queremos deixar claro que não pudemos, nessa etapa da pesquisa, identificar tais representações. Queremos também chamar atenção para o fato de que as respostas foram sempre dadas por um grupo de três alunos o que, de certa forma, inviabiliza a busca por invariantes operatórios. Mesmo quando falamos em modelos mentais, eles seriam modelos do grupo; rigorosamente falando, não sabemos se tais modelos foram 'negociados' no grupo ou se representam modelos de um ou outro componente do grupo. Em uma futura pesquisa nessa linha, seria necessário trabalhar com respostas individuais.

Voltando à questão da predominância da aprendizagem mecânica nas respostas, teríamos que buscar as causas, pelo menos em parte, nas situações problemáticas propostas. Quer dizer, talvez a forma de propô-las tenha favorecido uma aprendizagem mecânica. Talvez os roteiros dos experimentos estejam muito estruturados no sentido de levar os alunos a se apoiarem predominantemente em fórmulas e regras. Talvez as próprias situações problemáticas não tenham sido apresentadas de maneira que os alunos as percebessem como problemas. Segundo Vergnaud, as situações problemáticas é que dão sentido aos conceitos; mas para isso é preciso que o sujeito as perceba como problemáticas. Em uma futura pesquisa seria necessário reformular os roteiros e a maneira de apresentar as situações.

## Conclusão

A pesquisa aqui descrita faz parte de um projeto mais amplo conduzido à luz das teorias de Vergnaud e de Johnson-Laird, envolvendo resolução de problemas, ou seja, situações problemáticas (Moreira et al., 2004). Dentro deste projeto estamos considerando que as experiências de laboratório também são, ou deveriam ser, situações problemáticas, se é que a sua realização por parte dos alunos deve contribuir para o domínio do campo conceitual correspondente. Os resultados preliminares aqui relatados parecem sugerir que os laboratórios bastante estruturados favorecem uma aprendizagem mecânica na qual as situações não dão sentido aos conceitos, como preconiza Vergnaud.

## Bibliografia

FÁVERO, M. H. e SOUSA, C. M. S. G. (2000). A Resolução de Problemas em Física: Revisão de Pesquisa, Análise e Proposta Metodológica. Investigações em Ensino de Ciências . Porto Alegre, RS, 1(3) http://www.ufrgs.br/ienci

GRECA, I. M. e MOREIRA, M. A. (2002). Além da Detecção de Modelos Mentais dos Estudantes, uma Proposta Representacional Integradora. Investigações em Ensino de Ciências. Porto Alegre, RS. 7(1) http://www.ufrgs.br/ienci

JOHNSON-LAIRD, P. N. (1983). Mental Models . Cambridge, M. A.,Harvard University

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MOREIRA, M. A. (1996). Modelos Mentais. Investigações em Ensino de Ciências . Porto Alegre, RS. 1(3) http://www.ufrgs.br/ienci

MOREIRA, M. A. (2002). A teoria dos campos conceituais de Vergnaud, o ensino de ciências e a pesquisa nesta área. Investigações em Ensino de Ciências . Porto Alegre, RS.7 (1) http://www.ufrgs.br/ienci

MOREIRA, M. A. e GRECA, I. M. (2003). Cambio conceptual: analysis crítico y propuestas a la luz de la teoría del aprendizaje significativo. Ciência & Educação , 9(2): 301-315.

MOREIRA, M. A.; GRECA, I.; SOUSA; C. M. S. G.; COSTA, S. S. C. (2001). Resolução de Problemas em Física e Modelos Mentais . Projeto de Pesquisa desenvolvido com apoio do CNPq no período 2001-2003.

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SOUSA, C. M. S. G. (2001). A Resolução de Problemas e o Ensino de Física: uma análise psicológica . Tese de Doutorado. Instituto de Psicologia, Universidade de Brasília.

VERGNAUD, G. (1990) La théorie des champs conceptuels. Récherches en Didactique des Mathématiques , 10 (23): 133-170.