Ensino por investigação: apresentação de uma atividade didática de Termodinâmica

## Ensino por investigação: apresentação de uma atividade didática de Termodinâmica

## Rosa Maria Ambrózio 1 , Geide Rosa Coelho 2

1 UFES/PPGEnFis/EEEM do Espírito Santo, rosa.fisica@gmail.com

2 UFES/PPGEnFis/Centro de Educação, geidecoelho@gmail.com

## Resumo

Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento da unidade piloto sobre Transformações Gasosas e Empuxo, que é parte de uma pesquisa que pretende investigar como a utilização de atividades investigativas associadas a experimentos de laboratório aberto ou simuladores computacionais, pode contribuir para a evolução do pensar científico dos alunos de uma escola da Rede Pública de Ensino do Espírito Santo. A proposta da pesquisa é estruturar uma Unidade de Ensino que leve o estudante a buscar uma compreensão ativa dos conceitos relacionados, por meio de atividades experimentais do tipo laboratório aberto, mediadas pela utilização de planos de investigação, em uma proposta de aprendizagem sócio-interacionista. Este trabalho está integrado a um projeto de pesquisa que objetiva verificar os efeitos da implementação desta unidade de ensino para a evolução da competência investigativa dos estudantes. Através deste projeto, vem se realizando uma série de estudos baseados na proposta de desenvolvimento da unidade de ensino, seguindo um ciclo que engloba as etapas de projeto, implementação, avaliação e validação.

Palavras-chave : Atividades investigativas, Ensino de física, Planos de investigação.

## Introdução

A qualidade do ensino ofertado em todos os segmentos de educação é tema de discussão tanto no meio acadêmico quanto nos espaços responsáveis pela gestão da educação. No entanto, as novas ações implementadas não têm se mostrado efetivas, uma vez que os resultados das ferramentas utilizadas para medir a aprendizagem dos alunos parecem revelar a pouca eficiência dos procedimentos usuais de ensino (IDEB, 2012).

As causas desse baixo rendimento são atribuídas as mais variadas causas, como falta de formação continuada dos professores, falta de recursos didáticos nas escolas, aulas quase que exclusivamente expositivas que levam à aprendizagem mecânica. No que diz respeito ao ensino de ciências, entre os professores parece existir a crença que a utilização de experimentos ou simulações computacionais pode resolver os problemas que envolvem o ensino dessa área do conhecimento. Em concordância com Borges ao afirmar que 'os professores de ciências, tanto no ensino fundamental como no ensino médio, em geral acreditam que a melhoria do ensino passa pela introdução de aulas práticas no currículo' (Borges, 2002).

Analisando o desempenho dos alunos da rede pública de ensino, aqueles que apresentam melhores resultados pertencem às escolas nas quais a prática laboratorial faz parte dos recursos educacionais, como os institutos federais. Esse

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resultado pode estar associado a outros fatores, como o fato dos alunos serem submetidos a um processo seletivo para ingressarem nessas instituições.

Este trabalho apresenta a implementação de uma atividade de ensino com enfoque investigativo nas aulas de física da Educação Básica. Essa atividade corresponde a uma primeira ação de uma pesquisa educacionalque pretende investigar como a utilização de atividades investigativas, associadas ou não, à utilização de experimentos e simuladores computacionais, podem contribuir para a evolução do pensar científico dos alunos de uma escola da Rede Pública de Ensino do Espírito Santo.

## Ensino por investigação

O ensino de Física por investigação colabora para melhorias no processo educacional, pois contribui para um ensino mais eficiente, no qual os alunos não fazem a simples memorização de determinado conteúdo para uma avaliação, que prontamente é quase totalmente esquecido logo após a realização da mesma.

As atividades investigativas, associadas ou não à prática experimental, sempre estão atreladas a situações problematizadoras, questionadoras, abrindo espaço para discussão das diferentes possibilidades de solução para um mesmo problema. Assim, mais que uma mudança na metodologia de ensino, também haverá uma mudança no comportamento dos alunos e professores que partilharão dessa prática educacional.

Os alunos deverão passar de forma autônoma por todas as etapas que envolvem o processo de resolução de problemas, entre eles o levantamento de hipóteses, discussão das estratégias para se chegar ao objetivo da investigação, após o teste da hipótese, quando houver um experimento ou simulação computacional envolvidos, deverão repensar e rever o entendimento sobre o fenômeno estudado, retomar o objetivo inicial e questionar se haveriam outros caminhos para obtenção solução. Segundo Azevedo,

'Para que uma atividade possa ser considerada uma atividade investigativa, a ação do aluno não deve se limitar apenas ao trabalho de manipulação ou observação, ela deve também conter características de um trabalho científico: o aluno deve refletir, discutir, explicar, relatar, o que dará ao seu trabalho as características de uma investigação científica.' (Azevedo, 2004)

Em relação aos professores, vale ressaltar que deixarão de ser os transmissores de conhecimento para serem guias no processo de investigação. Deverá haver então uma mudança na postura tanto durante a realização das aulas quanto ao prepará-las, pois os problemas que conduzirão as investigações devem ser bem delimitados, claros e acima de tudo, devem fazer alguma conexão entre o novo conceito a ser aprendido com o algo do cotidiano dos estudantes.

## Discutindo as Competências e definindo competência investigativa

Com o advento dos Parâmetros Curriculares Nacionais (Brasil,1998) deu início a uma progressiva mudança na estrutura curricular de todas as disciplinas ensinadas em todas as séries da Educação Básica. Em relação às mudanças no Ensino Médio, a primeira delas foi a separação das disciplinas por áreas de conhecimento, priorizando o trabalho interdisciplinar. Além disso, permitiu a criação

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de uma matriz de competências e habilidades esperadas nos estudantes ao terminarem esse segmento de ensino.

Cada área de conhecimento apresenta competências que abrangem pontos específicos de cada disciplina, mas também competências gerais para todas as disciplinas do agrupamento. Entre as competências relevantes ao ensino de Física, vale citar a que fala sobre a apropriação de conhecimento para, em situações problemas, os estudantes sejam capazes de interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas, mostrando que os alunos necessitam mais que a simples prática em resolução de exercícios repetitivos, que muitas vezes envolvem cálculos exaustivos.O estudo de revisão feito por Weinert (1999 apud Moreira,2011) que reviu uma ampla literatura sobre as bases teóricas do conceito de competência como usado nas ciências do desenvolvimento, na psicologia, na linguística, na sociologia, nas ciências políticas e na economia identificou nove diferentes tradições teóricas nas quais o conceito de competência era definido, descrito ou interpretado teoricamente. Essas nove diferentes tradições teóricas são: (a) Competência enquanto habilidade cognitiva geral; (b) Competência enquanto habilidades cognitivas especializadas; (c) O modelo de competência performance de Chomsky; (d) Modificações do modelo competência performance; (e) Competência como tendências de ação motivada; (f) Competência como auto conceitos objetivas e subjetivas; (g) Competências de ação; (h) Competências-chave e (i) Metacompetências. Além de propor sete diferentes acepções teóricas para o conceito de competência.

A definição utilizada neste trabalho concebe a competência investigativa como competência-chave, que são competências independentes do contexto e que são equivalentes em seus usos e em suas efetividades em diferentes instituições, diferentes tarefas e sob diferentes condições de demanda. Nessa perspectiva, a competência investigativa, que é uma competência do tipo chave, deve ser contemplada na formação dos estudantes na Educação Básica conforme consta nos Parâmetros Curriculares Nacionais (Brasil, 1998) com a competência básica que compreende a investigação e compreensão.

Em uma breve observação da matriz de competências apresentadas no Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM) pode-se perceber que as determinações ali presentes falam de uma produção de conhecimento que seja útil para utilização para além da vida escolar. Os conteúdos também devem estar disponíveis quando o estudante, na posição de pessoa humana, interagindo em sociedade, tenha que tomar alguma decisão e necessite ter uma postura estrategista além de uma base de conceitos acadêmicos.

As atividades investigativas estimulam o desenvolvimento do pensamento crítico e reflexivo dos estudantes, provocam a argumentação, a socialização de ideias e conceitos na sala de aula concebendo, aos sujeitos inseridos nessa prática, experiências genuínas de produção de conhecimento (Munford; Lima, 2007).Trabalhando nessa perspectiva é provável que os alunos, ao final da educação básica consigam utilizar de forma mais segura os conceitos físicos aprendidos na escola para situações reais das suas vidas.

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## Aatividade piloto

## Contexto da pesquisa

A pesquisa está sendo conduzida em oito turmas da segunda série do ensino médio do ano de 2012, as quais duas pertencem ao turno matutino e seis pertencem ao turno vespertino. As atividades são realizadas durante as aulas da disciplina de Física de uma escola pública estadual. Essa escola possui uma localização geográfica central na região metropolitana da Grande Vitória, recebendo alunos oriundos de todas as cidades do entorno da capital.

A escola atende vinte e duas turmas em cada um dos turnos diurnos e oito turmas no noturno, totalizando cinquenta e duas turmas de Ensino Médio das quais quatorze são segundos anos.

A seleção das turmas participantes da pesquisa não foi aleatória, uma vez que todas as classes escolhidas têm aulas de física ministradas pela professora/pesquisadora que conduz esse trabalho. Essa pesquisa também conta como o apoio de um aluno do curso de Licenciatura em Física, que por estar cursando a disciplina de Estágio Supervisionado, participa das atividades realizadas em sala, até a fase aqui relatada, apenas como observador.

Os alunos que estão cursando a segunda série são, em sua maioria, alunos que fizeram a primeira série na própria escola e foram promovidos pela aprovação, alguns são repetentes, outros poucos vieram de outras escolas. A quantidade de alunos por turma varia entre 25 e 35 alunos, e no total duzentos e trinta e seis estudantes participarão das atividades que integram a pesquisa. Em cada turma, os alunos foram divididos em cinco grupos, dessa forma o número de integrantes em cada grupo varia entre as turmas, pois cada uma delas têm diferentes número de alunos. Esses grupos serão mantidos em todas as etapas da pesquisa realizando coletivamente as tarefas de cada atividade.

## Metodologia de ensino

A unidade piloto dessa pesquisa e tema do presente trabalho abordou o assunto - Transformações gasosas e empuxo. Antes de dar início às atividades de investigação foi trabalhado, da forma tradicional, ou seja, apenas com aulas expositivas, não havendo realização de experimentos ou simulações computacionais, o assunto - Estudo dos gases - para que os alunos tivessem suporte teórico para a produção dos planos de investigação.

Essa unidade foi iniciada com a leitura silenciosa e individual do texto 'A grande história de mistério' seguida de um debate crítico direcionado pelos questionamentos apresentados em Power point e elaborados pela professora. Na aula seguinte, os alunos foram divididos em cinco grupos e estes foram distribuídos na sala de aula de forma que o debate interno entre seus integrantes não atrapalhasse os grupos vizinhos.

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Figura 01: Segundo slide do guia em Power Point para o debate

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Na primeira aula, já em grupo, os estudantes receberam o material instrucional que era composto pelo tutorial do simulador computacional e uma folha independente contendo os dois problemas sobre flutuação de dois tipos de balão, um de ar quente e outro de gás hélio, em uma câmara fechada. O simulador utilizado está disponível entre outros tantos no site Phet Colorado (http://phet.colorado.edu) no qual pode ser feito o download do applet, podendo ser utilizado mesmo nas escolas cujos laboratórios de informática não disponibilizam acesso à internet. Estes problemas deveriam ser resolvidos a partir da utilização do simulador, e nessa aula os estudantes produziram um esboço dos planos de investigação.

Figura 02: Tutorial do simulador utilizado na investigação

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As duas aulas que sucederam a produção desse primeiro esboço foram destinadas ao aperfeiçoamento dos planos de investigação feitos pelos alunos.

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## A atividade

Esta unidade piloto representa a abertura de uma pesquisa mais ampla que pretende averiguar se há evolução da competência investigativa dos estudantes ao longo do desenvolvimento de uma unidade de ensino que aborda quase que exclusivamente atividades investigativas, associadas ou não à pratica experimental. Para ambientar os alunos com esse novo tipo de atividade a unidade piloto foi elaborada de forma que os estudantes tivessem a primeira experiência em tentar chegar à solução de um problema por meio de criação de estratégias após a reflexão, discussão e negociação coletiva, para enfim relatar os procedimentos necessários para a solução de uma questão aberta.

A primeira aula desse piloto foi dedicada à leitura seguida de debate do texto 'A grande história de mistério' (Infeld; Einstein 1976), buscando fazer com que os alunos correlacionassem as suposições feitas naturalmente durante a leitura de um livro ou ao assistir um filme, e as suas alterações à medida que novos fatos vão surgindo, com o trabalho de um pesquisador, como mostrado pelos autores do texto. Durante o debate, em algumas turmas, surgiram analogias muito interessantes, como a associação à montagem de um quebra cabeças.

Figura 03: Fotos dos alunos em diferentes etapas da investigação

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Nas três aulas seguintes os alunos, já organizados em grupos, se dedicaram à tarefa de elaboração de seus planos de investigação. Em uma folha de atividade padrão da escola estavam as duas questões que nortearam os alunos na

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elaboração da investigação. A primeira delas era sobre a flutuação do balão de ar quente, e a segunda, sobre o balão de hélio.

SITUAÇÃO 1: Balão de ar quente.

Problema: Em uma câmara está inserido um balão de ar quente. Pretendendo-se avaliar as condições de flutuação do balão, mantendo-se o volume constante, como fazer com que o balão de ar quente flutue dentro da câmara de gás? (O ícone referente ao balão de ar quente deve estar fixado no máximo para iniciar a exploração)

SITUAÇÃO 2: Balão de hélio.

Problema: Em uma câmara está inserido um balão de hélio. Pretendendo-se avaliar as condições de flutuação do balão, mantendo-se a pressão constante, como fazer com que o balão de hélio flutue sobre a câmara de gás?Depois de discutir com o grupo e registrar a (s) possível (is) solução (ões) para essa problema (ou seja, depois de discutir e registrar as hipóteses do grupo) inicie a exploração da simulação para tentar solucionar o problema proposto.

Em princípio houve resistência por parte de alguns alunos, mas a maioria deles se mostrou intencionada à realização das atividades por constituir uma nova perspectiva de trabalho. Algumas turmas lidaram com a descoberta das hipóteses como uma competição, tentando descobrir alguma hipótese antes que os outros, ou encontrar a hipótese mais elaborada.

Durante a realização da simulação os alunos reproduziram a sequência de investigação estabelecida nos roteiros que criaram em seus planos, verificando que a mesma não era única e suficiente para atingir o objetivo da atividade. Nos casos que as estratégias escolhidas pelos alunos não funcionaram, houve a reelaboração das mesmas a partir da correção dos problemas identificados, que foram responsáveis pela invalidação da sequência. Essa reestruturação foi registrada na conclusão dos planos.

A possibilidade de atividades como as dessa natureza colaboram com a aproximação mesmo dos alunos que não possuem afinidade com a disciplina de Física, uma vez que todos querem manipular o objeto de investigação. Alguns alunos que não tiveram grande participação na elaboração dos planos e aqueles que muitas vezes não apresentam um bom comportamento durantes as aulas, se mostraram exímios exploradores, pois tiveram paciência e persistência para fazer inúmeros testes até a obtenção do objetivo da flutuação dos balões.

## Considerações Finais

Nesse trabalho evidenciamos uma perspectiva metodológica fundamentada no ensino por investigação, que norteia uma pesquisa educacional que está em andamento. As considerações apresentadas nessa seção estão fundamentadas nas reflexões/impressões da professora/pesquisadora sobre a inserção dessa perspectiva de ensino em suas aulas. Resultados mais específicos serão apresentados após uma análise mais detalhada do material produzido pelos alunos e serão apresentados tanto em eventos destinados a divulgação da pesquisa em ensino de Física quanto na dissertação produzida ao final dessa pesquisa de mestrado. O material desenvolvido pelos estudantes será utilizado para analisar a qualidade dos planos de investigação e a evolução da competência investigativa desses sujeitos.

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Os alunos, de forma geral, parecem ter gostado dessa forma de trabalho, já que alguns grupos tiveram que receber atenção especial, pois estavam havendo discussões muito enérgicas entre os integrantes para a escolha das hipóteses que deveriam ser registradas nos planos. Em outra turma houve disputa entre os grupos para tentar entregar primeiro o plano de investigação. Esses comportamentos parecem revelar que, em alguns estudantes, foi despertado maior interesse na realização dessa atividade investigativa se comparado com os comportamentos dos alunos durante realização de atividades comuns, como quando estão respondendo exercícios após explicação de um conteúdo.

Durante a realização da simulação no laboratório de informática a empolgação dos alunos foi ainda maior. Quando perguntados sobre sua satisfação na realização tal atividade alegaram que seu entusiasmo estava associado à possibilidade de visualização do fenômeno estudado. Em uma conversa não documentada com os grupos, perguntei-os sobre o que achavam da simulação sem roteiro, e a maioria afirmou achar essa forma de realização mais interessante, pelo fato de terem a liberdade de manipulação. Apenas um grupo disse que preferia a simulação roteirizada, pois esta os levaria direto ao objetivo da atividade.

## Agradecimentos

Especiais agradecimentos ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física - Mestrado Profissional PPGEnFis/UFES, que possibilitou a realização deste trabalho e a toda equipe da E.E.E.M. do Espírito Santo que permitiu e colabora com a realização dessa pesquisa.

## Referências

Azevedo M.C.P.S. Ensino por Investigação: Problematizando as atividades em sala de aula . In: Carvalho, A.M.P. (org.), Ensino de Ciências: Unindo a Pesquisa e a Prática, p. São Paulo: Thomson, 2004.

BRASIL, Ministério da Educação e Desporto (MEC), Secretaria de Educação Fundamental. Índice de Desenvolvimento da Educação (IDEB) . Brasília: MEC/SEF, 2012.

BRASIL, Ministério da Educação e Desporto (MEC), Secretaria de Educação Fundamental. Matriz de referência para o ENEM 2009 . Brasília: MEC/SEF, 2009.

BRASIL, Ministério da Educação e Desporto (MEC), Secretaria de Educação Fundamental. Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) . Brasília: MEC/SEF, 1998.

BORGES, A.T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v.19, p.291-313, dez. 2002.

INFELD, L.; EINSTEIN, A.; A ascensão do conceito mecânico. In: Enistein A.; Infeld, L.; Evolução da Física. Rio de Janeiro: Zahar Editores, p. 13-39, 1976.

MOREIRA, D.M.F.A; A evolução temporal da competência em física escolar e habilidades cognitivas amplas na primeira série do ensino médio. 2011. 159f. Dissertação (Mestrado em Educação) - Faculdade de Educação da Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais.

MUNFORD, D; LIMA, M.E.C.C. Ensinar ciências por investigação: em que estamos de acordo? Revista Ensaio , v.9, n.1, p.72-89, 2007.

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