O uso de experimentos como ferramenta de ensino e aprendizagem: estudo de um caso

## O USO DE EXPERIMENTOS COMO FERRAMENTA DE ENSINO E APRENDIZAGEM: ESTUDO DE UM CASO

## Luciana de Morais Dutra , Marta Feijó Barroso 1 2

- 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro / LIMC, lucianamdutra@gmail.com
- 2 Universidade Federal do Rio de Janeiro / Instituto de Física, marta@if.ufrj.br

## Resumo

O desenvolvimento de materiais didáticos para o ensino de física pressupõe a avaliação tanto de sua qualidade quanto do atendimento dos objetivos de aprendizagem que deram origem à sua elaboração. Propor e executar metodologias de avaliação desses materiais didáticos, quando são utilizados nas disciplinas ou cursos, são atividades que revelam muitas dificuldades. Neste trabalho, apresentamos a avaliação inicial em uso de materiais didáticos elaborados especificamente para a primeira disciplina de física de um curso na área de ciências exatas. Os materiais didáticos desenvolvidos utilizam fortemente recursos de visualização, como, por exemplo, o uso de imagens, vídeos e hipertextos, em experimentos reais e virtuais, explorando as possibilidades de avaliar o auxílio de recursos visuais ao processo de formação de conceitos. Para avaliá-los, foram propostos métodos combinando instrumentos qualitativos sobre observações e as experiências dos estudantes, de aprendizagem dos conteúdos apresentados e de releitura das avaliações aplicadas pelos professores e monitores. Esses instrumentos foram colhidos na forma de materiais elaborados por estudantes em plataforma de ensino a distância, em relatórios e outros. Neste trabalho, apresentamos uma etapa do desenvolvimento do método de avaliação, na primeira unidade da disciplina de Introdução à Física, em que o enfoque da construção dos conceitos se deu através de experimentos reais e virtuais com forte apelo visual. O tema tratado foi a ótica geométrica. Relatam-se os resultados obtidos da utilização dos materiais, indicando em particular a dificuldade dos estudantes em transformar observações e visualizações em conceitos a serem elaborados.

Palavras-chave : Ensino de Física, Avaliações, Experimentos, Ótica Geométrica

## Introdução

Ao produzir materiais didáticos em diferentes formatos para o ensino de Física, professores se deparam com várias decisões a serem tomadas em relação ao que elaborar, em que formato, entre outros. O desenvolvimento sempre pressupõe visões dos autores a respeito do processo de ensino e aprendizagem, e os autores sempre possuem uma visão pessoal sobre a estrutura conceitual do tema a ser tratado e fazem escolhas relativas ao tema e ao formato dos materiais. Em suma, os materiais são resultado de um conjunto de referenciais teóricos, de reflexão sobre as diversas linhas pedagógicas e didáticas, do conhecimento das pesquisas em ensino de física e de uma prática como professor que muitas vezes não são explicitados e ainda assim fundamentam as escolhas feitas.

No processo de produção de materiais didáticos, uma das grandes questões é como avaliar a efetividade e a qualidade do material produzido. É difícil desenvolver metodologias de análise que envolvam mais do que um conjunto de

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20 a 25 de janeiro de 2013

testes, aplicados antes e depois das atividades realizadas pelos alunos, com a medida de um 'ganho' de aprendizagem definido a partir da escolha do tema e formato dos testes. O uso de testes padronizados, os denominados 'concept inventory', ou inventório de conceitos, nessas avaliações dá origem a algumas dúvidas sobre o que realmente é medido no processo [Caballero 2012].

A proposta geral do trabalho é buscar a resposta a duas questões gerais. É possível fazer avaliações relativas a materiais didáticos novos? E é possível estabelecer uma metodologia de avaliação dos materiais utilizando-os em turmas de disciplinas estabelecidas? Para responder a estas perguntas, foi estabelecido um cronograma de trabalho que compreende avaliar diversos formatos de materiais em diferentes momentos de disciplinas. Neste trabalho, especificamente, avalia-se a aprendizagem dos conceitos básicos de ótica geométrica, com a coleta de dados em diferentes formas e momentos, combinando aspectos qualitativos e quantitativos, para a composição de um quadro multifacetado que permita uma visão mais detalhada da eficácia e das diferenças introduzidas no processo de aprendizagem pelos novos materiais.

Apresenta-se a avaliação de uma unidade da disciplina de Introdução à Física, concebida como a primeira disciplina de física do curso de um curso da área de ciências exatas e tecnologia em uma instituição federal de ensino superior. A disciplina foi proposta com caráter semi-presencial: há aulas presenciais em parte do horário, atividades experimentais e atividades virtuais, realizadas com auxílio de uma plataforma de ensino a distância mantida pela coordenação da disciplina; as atividades são desenvolvidas com apoio de professores e monitores. Nesta disciplina, são explorados aspectos da aprendizagem com recursos de visualização [Gilbert 2005], e são abordados diferentes temas de física que fornecem bases para o progresso posterior nas disciplinas tradicionais de Física.

- O tema abordado na unidade objeto da avaliação apresentada aqui é a ótica geométrica. Este não é um tema habitualmente abordado em cursos superiores, mas fornece a possibilidade de desenvolvimento de habilidades dos estudantes nos aspectos de observações experimentais, discussão sobre geometria elementar, e principalmente a discussão sobre a construção de modelos em física.
- A metodologia de avaliação baseou-se na análise dos trabalhos apresentados pelos alunos, realizados presencialmente e a distância, na plataforma de ensino a distância disponibilizado.

Os resultados apresentados encerram a primeira fase da avaliação, que corresponde à análise dos relatórios experimentais apresentados pelos estudantes.

## A descrição do contexto

A disciplina sob análise faz parte do currículo de um curso da área de ciências da natureza, e é a primeira disciplina de física cursada pelos estudantes, no primeiro período do curso. O conteúdo da disciplina está dividido em três unidades, e o trabalho aqui apresentado refere-se aos materiais desenvolvidos para a primeira unidade, cujo tema é a ótica geométrica.

Na primeira unidade, o estudante deveria, após responder a um pré-teste, um questionário de avaliação de suas ideias iniciais sobre a luz e sua propagação, participar de oficinas experimentais, trabalhando em grupos de até 3 estudantes e entregando relatórios e similares individuais. As atividades possuíam um roteiro para

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trabalho autônomo do estudante, e eles eram auxiliados, em seu desenvolvimento, por monitores. Ao final da realização dos experimentos, os estudantes respondiam a um questionário de auto-avaliação e deveriam entregar um relatório individual das atividades desempenhadas. Ao final, o aluno faz uma prova escrita.

Todas essas atividades eram controladas e acompanhadas. A estruturação do material didático (os experimentos, os textos apresentados) foi feita especificamente para a disciplina. Alguns dos pressupostos básicos de sua elaboração foram: que o aluno deve participar ativamente de seu processo de construção de conhecimentos, que o modelo para a luz deve ser elaborado a partir de observações experimentais e discussões entre os pares, e que o trabalho deve se dar de forma colaborativa entre os estudantes, monitores, tutores e professor.

A disciplina foi oferecida em períodos sucessivos, a partir de 2009. A avaliação apresentada aqui refere-se a duas turmas, de 2010 e 2011, com a avaliação das atividades de 186 estudantes. Todas as atividades desenvolvidas pelos estudantes foram registradas, e as análises envolvem todas as unidades da disciplina e as diversas atividades realizadas.

## A proposta metodológica de avaliação

- O objetivo geral do trabalho foi o de avaliar os materiais didáticos produzidos e desenvolver metodologias que permitam essa avaliação. Para isso, foi necessário o desenvolvimento de ferramentas adequadas para a avaliação.
- O objeto deste trabalho relaciona-se à avaliação das atividades experimentais propostas. O instrumento de coleta de dados escolhido para esta análise foi o relatório dos experimentos. Esses relatórios eram apresentados individualmente, e a correção feita pelo professor da disciplina fazia parte do grau final do estudante.

Para a avaliação, foram construídas classificações [Lüdke e André 1986; Brandão 2002] a partir da leitura dos relatórios apresentados. Essas classificações foram feitas de duas formas: a observação dos avaliadores relativas a respostas a perguntas de aspectos não objetivos contidos nos relatórios, e uma classificação das respostas a partir dos objetivos de aprendizagem (de conteúdo) dos materiais.

Desta forma, a avaliação de materiais didáticos foi estruturada com duas componentes, uma componente subjetiva, de análise do pesquisador, e uma componente objetiva, a de aprendizagem dos objetivos instrucionais propostos pelo elaborador dos materiais.

- A avaliação não objetiva foi centrada em cinco aspectos, todas obtidas através da leitura (por mais de um avaliador) das seguintes componentes, todas relativas à percepção pelo avaliador se:
- ƒ as atividades propostas foram realizadas pelo estudante;
- ƒ as atividades foram realizadas com atenção e cuidado;
- ƒ o relatório foi escrito e apresentado com cuidado pelo aluno;
- ƒ o estudante foi capaz de relatar de forma clara uma observação feita;
- ƒ o estudante foi capaz de conectar o experimento ou a atividade com os conceitos em discussão.

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## Os resultados obtidos

Na leitura dos relatórios, os avaliadores registravam respostas, para cada um dos relatórios, a um conjunto de 5 afirmações, segundo uma escala Likert. O registro era comparado por dois avaliadores diferentes.

No Quadro 1, apresenta-se o resultado da leitura dos relatórios para os dois grupos de alunos (turmas de 2010 e 2011).

Quadro 1: A avaliação relativa à leitura dos relatórios

Dos 186 relatórios estudados, 90% dos alunos dão a impressão de que realizaram as atividades e experimentos propostos, e 71% mostram cuidado e atenção na realização dos experimentos. Também 81% apresentaram relatórios feitos com cuidado.

Na quarta afirmação, relativa à percepção de um relato claro e estruturado, 60% dos estudantes foram capazes de relatar de forma clara uma observação feita. Durante a análise, observou-se que os alunos que não conseguiam relatar a observação também apresentaram dificuldade de expressão textual: seus textos não possuíam coerência interna, com respostas contraditadas pelas justificativas, esquemas e desenhos que revelavam discrepâncias em relação às observações realizadas.

Na avaliação, o resultado relativo à quinta afirmativa, 48% dos estudantes apresentaram dificuldade (tanto parcial como total) em conectar o que foi aprendido no experimento com os conceitos discutidos nos textos e com o professor.

A seguir, foram estudadas as respostas dadas pelos estudantes em cada uma das questões do relatório, e classificadas em corretas, parcialmente corretas, incorreta e 'não sei avaliar'.

- O relatório era dividido em 6 experimentos, com respostas que envolviam comandos como desenhar, demonstrar e estimar, e um espaço para o estudante expor a sua opinião a respeito dos experimentos.
- O Quadro 2 apresenta a frequência percentual de respostas para cada item de acordo com a classificação.

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A maior parte dos estudantes respondeu corretamente ao que era proposto nos experimentos 2, 4 e 5. Os experimentos 1, 3 e 6 apresentam um grande número de respostas classificadas como parcialmente corretas ou incorretas em alguns de seus itens. Esses itens serão apresentados com mais detalhe.

Quadro 2. A classificação das respostas dos estudantes aos itens do relatório.

A primeira parte do experimento 3 apresenta o maior número de respostas classificadas como 'Não soube avaliar' e uma grande quantidade de respostas em branco; a distribuição das respostas classificadas como 'Correta', 'Parcialmente correta' e 'Incorreta' é praticamente a mesma.

Para este trabalho, analisaremos o experimento 6 e a respostas dadas ao mesmo.

## EXPERIMENTO 6

Este experimento consistia da observação dos fenômenos da refração e da reflexão quando da passagem do raio luminosos de um meio menos refringente para um mais refringente. Após fazer o experimento, o aluno precisava reproduzir o que tinha observado através de um desenho, como o visto na Figura 1.

A base utilizada para a classificação das respostas dadas à essa questão era o seguinte: observava-se se o estudante havia traçado corretamente os raios luminosos, bem como indicado seus ângulos de incidência, refração e reflexão e a normal à superfície de separação dos meios.

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Figura 1: Exemplo classificado como correto do desenho da refração luminosa.

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A Figura 2 apresenta os resultados das análises das respostas dadas pelos estudantes a essa questão. É interessante frisar que a resposta a este item estava fortemente relacionada ao que foi observado pelo estudante.

Figura 2: Quadro de divisão da classificação das respostas dadas pelos alunos ao Experimento 6.

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Observa-se neste gráfico que 57% dos estudantes acertaram parcialmente esta questão. É uma estatística impressionante, pois não exigia habilidades como calcular, onde os alunos normalmente apresentam dificuldade maior. Observa-se deste fato que há uma dificuldade em passar para o desenho o que foi observado do

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experimento, algo que já foi destacado no Quadro 1, onde cerca de 21% dos alunos apresentaram dificuldade em relatar de forma clara uma observação feita.

A Figura 3 apresenta um exemplo de resposta classificada como parcialmente correta.

Figura 3: Exemplo classificado como parcialmente correto do desenho da refração luminosa.

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Duas situações apresentadas neste desenho mostram claramente o motivo dele ser classificado como parcialmente correto: primeiramente é impossível relacionar o raio incidente com os raios refletidos e refratados correspondentes (erro bastante comum entre os estudantes que fizeram este experimento). Essa informação precisaria aparecer de modo claro, seja por uma alteração na cor do desenho ou com um código de identificação.

Posteriormente, os raios refletidos estão completamente incorretos. Conforme pode ser observado na Figura 1, os raios refletidos deveriam partir da primeira superfície de separação dos meios e não de dentro da lente, como o exposto na Figura 3. Situações em que ocorre a reflexão total dependem do ângulo limite e só ocorrem quando o ângulo de incidência é maior do que este.

## Considerações finais

Neste trabalho, avaliamos relatórios de experimentos realizados por alunos de um curso de física básica de nível superior. O material utilizado foi avaliado para 186 estudantes que cursaram a disciplina nos anos de 2010 e 2011. A análise dos questionários foi realizada de forma independente, sem a participação do professor da disciplina.

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Este trabalho é parte de um projeto mais extenso, de discussão das metodologias de avaliações de materiais didáticos em diversos formato em uso em sala de aula. Foram também avaliados resultados das provas, os outros tipos de materiais utilizados (hipermídias, exercícios) e a relação entre esses diversos dados. Apresentamos aqui a parte da análise já finalizada.

Esta parte da avaliação dos materiais nos permite concluir que os alunos têm dificuldade de entender os comandos, ou os verbos, utilizados nas perguntas. Os que apresentaram maior dificuldade foram desenhar um esquema , demonstrar , explicar .

- É também patente a resistência dos estudantes à leitura de guias e textos fornecidos, configurando hábitos de estudo inadequados [Almeida 2001].
- A descrição das atividades realizadas e das observações feitas, tanto de forma verbal quanto na forma de esquemas ou desenhos, revela-se uma tarefa difícil. Comunicar resultados ou observações, então, parece ser uma habilidade não desenvolvida nesse grupo.

Com relação às possibilidades de avaliação de materiais didáticos, há indicações neste trabalho que é necessário combinar avaliações qualitativas dos avaliadores (relativas ao que é observado de forma independente nos trabalhos apresentados pelos estudantes) com as avaliações objetivas de aprendizagem dos temas.

- O trabalho deve evoluir, então, para as comparações mais detalhadas dos resultados obtidos nesta análise e os demais resultados disponíveis.

## Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES pelo apoio através do programa Observatório da Educação 2010.

## Referências

ALMEIDA, M.A.T. et al. Reversão do desempenho de estudantes em um curso de Física Básica. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 23, n. 1, p. 8392, 2001.

BRANDÃO, Z. Pesquisa em Educação: conversas com pós-graduandos. Rio de Janeiro: PUC-Rio, 2002.

CABALLERO, M.D. et al. Comparing large lecture mechanics curricula using the Force Concept Inventory. American Journal of Physics, vol. 80, n. 7, p. 638644, 2012.

GILBERT, J. K. Visualization: A metacognitive Skill in Science and Science Education, , in Gilbert, J.K. (ed), Visualization inScience Education, Netherlands: Springer, 09-27, 2005.

LÜDKE, M. e ANDRÉ, M. Pesquisa em Educação: Abordagens Qualitativas. São Paulo: EPU, 1986.

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