CONSTRUÇÃO DOS CONCEITOS CIENTÍFICOS DE TERMODINÂMICA DOS ALUNOS DE ENSINO MÉDIO UTILIZANDO A PRÁTICA EXPERIMENTAL

## CONSTRUÇÃO DOS CONCEITOS CIENTÍFICOS DE TERMODINÂMICA DOS ALUNOS DE ENSINO MÉDIO UTILIZANDO A PRÁTICA EXPERIMENTAL

*Caroline Schmechel Schiavon¹; Larissa Pires Bilhalba ; Paola Gay Dos 2 Santos; Christian Michel Da Cunha Garcia; Alex Campos De Souza; Álvaro Leonardi Ayala Filho 3

1 Universidade Federal de Pelotas/Curso de Licenciatura em Física, carol\_schmechel@hotmail.com

## Resumo

As Oficinas de Física é uma atividade de ensino, pesquisa e extensão organizada pelo Programa de Educação Tutorial, grupo PET-Física, da Universidade Federal de Pelotas (UFPel). A atividade consiste na apresentação de uma série de experimentos de Física para os estudantes do ensino médio nas escolas da região de Pelotas. As Oficinas possuem dois objetivos. O primeiro objetivo é desenvolver uma ação pedagógica diferenciada para os alunos da escola, propiciando a interação entre os graduandos do curso de Licenciatura em Física e Licenciatura em Matemática e os estudantes das escolas públicas de ensino médio de Pelotas e região. O segundo é auxiliar os estudantes a construir os conceitos científicos relacionados ao tema abordado em cada oficina. Nesse trabalho, apresentamos os resultados iniciais da pesquisa associada à atividade. Esta pesquisa iniciou em 2014 e objetiva investigar a contribuição das Oficinas de Física para a construção dos conceitos científicos de Termodinâmica pelos estudantes do ensino médio. A pesquisa tem como referencial a Teoria Histórico-Cultural de Vygotsky.

Palavras-chave : Conceitos Espontâneos, Conceitos Científicos.

## Introdução

O grupo do Programa de Educação Tutorial do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal de Pelotas (grupo PET - Física) realiza nas escolas públicas da região uma atividade intitulada Oficinas de Física. As Oficinas de Física consistem na apresentação de uma série de experimentos em formato de oficina nas escolas de ensino médio. Os experimentos são planejados, elaborados e apresentados pelos graduandos do curso de Licenciatura em Física e Licenciatura em Matemática, integrantes do grupo PET-Física. O objetivo de promover uma atividade experimental, diferenciada das aulas expositivas de quadro e giz, propicia aos professores em formação a oportunidade de vivenciar situações docentes enriquecedoras. Além disso, a atividade possibilita aos estudantes do ensino médio o contato com simples experiências de Física de fácil reprodução e execução, estimulando o interesse

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26 a 30 de janeiro de 2015

dos estudantes pelo estudo da Ciência por meio de uma prática pedagógica diferenciada.

- O grupo observa que o conteúdo programático desenvolvido nas escolas é muito extenso e as atividades experimentais, muitas vezes, acabam sendo esquecidas. Nesse contexto, as práticas adotadas pelos professores para ensinar Física não são atrativas para os alunos, que, por consequência, associam os conceitos de Física a um conjunto de cálculos áridos e a fenômenos naturais estudados sistematicamente em situações dissociadas da sua realidade.

Em conjunto com as Oficinas, o grupo desenvolve um projeto de pesquisa que objetiva investigar estratégias de utilização da atividade experimental como instrumento mediador da construção dos conceitos científicos pelos estudantes do Ensino Médio.

A pesquisa é realizada à luz do referencial da teoria Histórico-Cultural de Vygotsky. Dá-se ênfase à investigação das concepções espontâneas dos alunos e à forma como estas são articuladas para explicar situações físicas específicas. A organização da apresentação dos experimentos se dá a partir da investigação dos conceitos espontâneos dos alunos referentes ao tema de Termodinâmica. Durante a apresentação do experimento, procura-se explicitar as formas de raciocínio utilizadas pelos estudantes, dando ênfase às contradições presentes nos argumentos. Esse processo, desenvolvido de forma dialógica e não expositiva, promove a tomada de consciência sobre as concepções e formas de argumentação espontâneas, possibilitando a superação dialética dessas concepções e a construção dos conceitos científicos.

## Referencial Teórico

- O objetivo desse trabalho é investigar quanto uma prática experimental, cuja metodologia de apresentação é embasada na Teoria Histórico-Cultural de Vygotsky, é capaz de contribuir para desenvolvimento dos conceitos científicos da área de Termodinâmica. O público-alvo dessa prática são estudantes de ensino médio.

Para Vygotsky (2009), o processo de construção dos conceitos não se dá pelo estabelecimento de um conjunto de conexões associadas a definições que se sustentam na memória do aprendiz. A construção de um conceito é mais que um hábito mental, é um completo ato de pensamento.

Vygotsky (2009) diferencia dois tipos de conceitos: os conceitos espontâneos e os conceitos científicos. Os conceitos espontâneos são aqueles ligados diretamente com situações do cotidiano, são vivenciados fora da formalidade escolar, e caracterizam-se pela ausência de um sistema com outros conceitos. Seu uso é não consciente e está ligado diretamente aos objetos da experiência, possuindo baixo grau de abstração e generalização.

- Os conceitos científicos seguem um caminho particular de desenvolvimento. Esses conceitos se estabelecem na presença de um sistema, formando uma rede conceitual com outros conceitos através de interconexões de generalidade e hierarquia. Estes conceitos possuem um caráter verbal, são desenvolvidos, majoritariamente, no ambiente escolar, por meio da palavra do

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professor ou pela leitura de manuais didáticos ou livros. A articulação desses conceitos se dá de forma voluntária e consciente.

Um exemplo ilustrador da contraposição entre os conceitos espontâneos e científicos é a utilização do conceito de Calor. No contexto da Termodinâmica, o conceito científico de Calor está associado ao fenômeno de transferência de energia, ou seja, Calor é a transferência de Energia que se dá entre corpos com temperaturas diferentes. De outra forma, o conceito espontâneo está associado à sensação térmica, de tal forma que o sujeito 'possui' calor, no sentido de que a sensação pertence ao sujeito. Além disso, o conceito espontâneo de Calor possui um conceito oposto, que é o conceito de 'frio'. Espontaneamente, dizemos que 'estamos com Calor', frase que está errada do ponto de vista dos conceitos científicos da Física, pois Calor, como dito anteriormente, é a Energia em trânsito. A sensação de 'frio' está associada à perda de energia na forma de Calor pelo corpo humano. Quando o sujeito se vale de um conceito espontâneo para explicar uma situação física, a ausência de um sistema associado ao conceito espontâneo não permite perceber as contradições presentes na argumentação. A contradição entre dois conceitos só pode ser percebida quando estes estão subordinados a conceitos mais gerais, dentro de uma rede de significados organizados de forma hierárquica em um sistema de conceitos.

Considerando essa categorização de conceitos espontâneos e científicos, o uso da experimentação se torna fundamental à medida que desenvolvemos essa prática para, partindo de situações ligadas ao uso concreto de objetos físicos, construirmos a diferenciação e conscientização desses dois tipos de conceitos. Os experimentos escolhidos para as Oficinas explicitam situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. A apresentação e o questionamento são encaminhados de tal forma a conduzir o aluno a contrapor o conceito espontâneo com a situação concreta, explicitando seu uso e mostrando a limitação do conceito. Quando dispomos frente a frente o conceito científico e o espontâneo, a interação dialética entre ambos inicia um processo de modificação e articulação do conceito espontâneo e a criação do conceito científico. Devemos salientar que não esperamos que o conceito espontâneo seja subsumido ou desapareça em favor do conceito científico. Nossa expectativa é que o estudante aprenda, paulatinamente, os contextos de uso adequado de cada uma deles.

Pesquisas realizadas por Alberto Gaspar e Isabel Cristina de Castro Monteiro (2005) investigam o efeito do uso de atividades experimentais nas salas de aula para a construção dos conceitos científicos. Como instrumentos de análise eles usaram ideias expressas pelos alunos antes de depois das demonstrações, gravações em vídeo feitas durante a atividade e questionário respondido pelos alunos logo após a aula demonstrativa. Esses autores mostram que, após as demonstrações realizadas a partir de atividades experimentais, os alunos apresentam melhoria no seu vocabulário científico e nos resultados de testes relacionados aos conceitos abordados.

## Metodologia

As Oficinas são sempre apresentadas de forma a estimular a participação e o envolvimento dos estudantes, caracterizando uma prática

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diferenciada do contexto usual de sala de aula. As apresentações se valem de situações cotidianas. Os experimentos são discutidos de forma dialógica e argumentativa, explicitando, no decorrer do debate, as contradições das argumentações espontâneas, ação que estimula a tomada de consciência e promove a diferenciação entre os conceitos espontâneos e científicos.

Cumprindo seu caráter formativo para os graduandos do curso de Licenciatura em Física, a atividade foi composta de diversas etapas: reuniões semanais para estudo do referencial teórico, preparação dos experimentos, organização da pesquisa (elaboração dos pré-testes e pós-testes a serem respondidos pelos alunos das escolas) e análise dos resultados. As atividades nas escolas propriamente ditas foram desenvolvidas em duas etapas: a apresentação das Oficinas exploratórias, que serviu de subsídio para coleta das concepções espontâneas e elaboração dos testes, e apresentação das Oficinas propriamente ditas, acompanhadas da aplicação dos testes. No quadro abaixo apresentamos o desenvolvimento da atividade:

Tabela 1: Metodologia da atividade.

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Além disso, no pós-teste os alunos escrevem um resumo, relatando quais foram as principais contribuições das Oficinas de Física para a sua aprendizagem.

- O Grupo já realizou Oficinas de Física em diferentes escolas da região de Pelotas/RS. Os resultados aqui relatados correspondem a primeira apresentação onde forma realizados os testes. O ciclo das 4 etapas descritas anteriormente é realizado periodicamente com o objetivo de aprimorar a metodologia de apresentação e ampliar a análise dos resultados.

## Resultados e discussões

O método dialógico proposto apresenta alguns resultados de natureza qualitativa que merecem atenção como prática pedagógica. Quando é perguntado aos alunos o que acontece com a pressão atmosférica quando nos deslocamos para um local de maior altitude, como uma montanha, a maioria responde que há um aumento da pressão (o que não está correto cientificamente). Após receber essa resposta, o apresentador desenvolve uma sequência de questões que leva o estudante a concluir que as moléculas de gás presentes na atmosfera possuem peso e, portanto, são atraídas pelo campo gravitacional. Seguindo o questionamento, a próxima conclusão é que deve existir uma concentração maior de 'ar' quanto maior for à proximidade com a superfície terrestre. Esse processo cria um conflito cognitivo nos estudantes, dando origem a contradições que estimulam a tomada de consciência e o início da construção do conceito científico. Então, alguns estudantes percebem que a pressão atmosférica diminui com a altitude.

As questões dos pré e pós-testes são elaboradas para que sejam um instrumento de avaliação autêntico e representativo, articulados a partir dos conceitos espontâneos dos alunos observados nas Oficinas Exploratórias.

Os testes são compostos por questões que contrapõem conceitos espontâneos e científicos. A intenção é investigar se as demonstrações apresentadas e as estratégias dialógicas utilizadas estão contribuindo para a construção dos conceitos científicos de Termodinâmica. Apresentamos abaixo os resultados obtidos na primeira apresentação das oficinas. As tabelas apresentam a porcentagem de acertos das questões respondidas pelos alunos de primeiro (grupo 1) e segundo ano (grupo 2) do ensino médio, respectivamente, de uma escola pública de Pelotas. O conteúdo de Termodinâmica faz parte do programa da disciplina de Física do primeiro ano, enquanto, no segundo ano, o conteúdo desenvolvido é Mecânica Newtoniana. Dessa forma, todos os estudantes que participaram da atividade já tiveram contato com o tema abordado. Os dois grupos de estudantes responderam aos mesmos testes.

Tabela 2: Porcentagem de acertos das questões respondidas pelos alunos do primeiro ano do ensino médio (grupo 1).

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QUESTÃO

TEMA

PRÉ-TESTE

PÓS-TESTE

Tabela 3: Porcentagem de acertos das questões respondidas pelos alunos do segundo ano do ensino médio (grupo 2).

Os resultados da correção dos testes são apresentados nas tabelas 2 e 3. A coluna 1 apresenta o número da questão, a coluna 2 o tema, e as colunas 3 e 4 a percentagem de acerto das questões. No grupo 1 (tabela 2), as questões 2, 4 e 5 indicam a melhora na percentagem de acertos. A tabela 3 indica a melhora nos escores das questões 2 a 5. Para o grupo 1, a questão 3 não apresentou modificação nos escores entre os pré e pós-teste. Para os dois conjuntos, os resultados da questão 1 são especialmente relevantes para o entendimento da evolução conceitual dos estudantes, pois apresenta uma redução no número de acertos. No pré-teste, a questão 1 apresenta três esferas de mesmo metal e mesmo tamanho, sendo que uma foi aquecida, outra foi mantida a temperatura ambiente e a terceira foi resfriada. É perguntado então o que ocorre com o volume das esferas. No pós- teste são apresentados dois cubos, sendo que um é aquecido e o outro é mantido a temperatura ambiente. A resposta correta afirma que o cubo aquecido possuía maior volume, maior energia interna e maior temperatura. O item errado que teve o maior índice de escolha afirma que o cubo aquecido tem maior volume, maior energia interna e maior calor. Associando essa resposta com os índices de acerto da questão 3 que trata especificamente sobre calor, podemos perceber, no mínimo para o grupo 2, que o conceito de calor foi bem empregado na resposta à questão 3, mas não foi empregado corretamente na questão 1. Ou seja, o uso correto do conceito apresenta dependência de contexto de utilização, o que mostra que a rede de relações que determina seu

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significado está em construção, mas não está estável. Existe um grau de dependência de contexto para o uso correto ou incorreto do conceito. Tecnicamente, em termos da teoria Histórico-Cultural, o conceito ainda não está formado.

Uma questão de caráter discursivo foi incluída no pós-teste solicitando que cada aluno manifestasse sua impressão sobre as Oficinas de Física. As quase totalidades dos estudantes afirmaram, de forma espontânea, que os experimentos ajudaram na compreensão da matéria. Ilustramos com duas respostas: 'Adorei as experiências que nos apresentaram hoje, acho muito melhor aulas práticas, pois é possível aprender mais por chamar nossa atenção.' E ainda: '[...] aprendi bastante coisas que eu não tinha entendido em aula.' Torna-se evidente o interesse que os alunos demonstraram pela atividade.

## Conclusões

Nossos resultados iniciais estão de acordo com a afirmação de Vygotsky (2009) de que a construção dos conceitos científicos é um processo de longo prazo que apenas se inicia com a apresentação formal dos conteúdos. Mesmo que de forma preliminar, os resultados da pesquisa mostram que a opção de estabelecer uma relação dialógica com os estudantes na interpretação dos experimentos é vantajosa na elaboração dos conceitos. Também a dinâmica de explicitar as concepções espontâneas através das suas contradições com os conceitos científicos representa uma prática pedagógica eficaz.

Provocar conflito cognitivo, contraponto os conceitos espontâneos e os conceitos científicos por meio dos experimentos e perguntas direcionadas exige o desenvolvimento de habilidades prática específicas. Por sua vez, a construção desse 'knowhow' exige empenho do grupo, pois a maioria dos graduandos não teve oportunidade de vivenciar atividades similares durante sua estada no ensino médio. Esse desenvolvimento se deu a partir do próprio esforço do grupo em interpretar o referencial teórico e materializar essas ideias em suas práticas pedagógicas.

De forma específica, podemos concluir que as Oficinas de Física apresentadas contribuíram para o processo de construção dos conceitos científicos de Termodinâmica pelos alunos de Ensino Médio participantes da atividade. Também o aumento da motivação e interesse pelos temas de Física foi significativo, contribuindo indiretamente para construção dos conceitos científicos.

A articulação entre extensão, pesquisa e ensino, característica dessa atividade, promove a construção do conhecimento socialmente referenciado, pois as práticas pedagógicas propostas e avaliadas nesse projeto de pesquisa vem ao encontro de demandas da comunidade externa à universidade, incluindo os professores das escolas de ensino Médio da região de Pelotas. Assim, cumprem-se os dois objetivos da atividade: a formação do licenciando em Física conhecedor do processo de construção do conhecimento e responsável perante a sociedade pela qualidade desse conhecimento e a geração de conhecimento novo que permite propor e avaliar novas práticas pedagógicas.

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## Referências

GASPAR, Alberto; MONTEIRO, Isabel Cristina de Castro. Atividades experimentais de demonstrações em sala de aula: Uma análise segundo o referencial da teoria de Vygotsky. Investigações em Ensino de Ciências -V10(2), pp. 227-254, 2005.

VYGOTSKY, Lev Semenovitch. A Construção do Pensamento e da Linguagem . São Paulo: Martins Fontes, 2009.

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