Esquemas de argumentação em Física de estudantes dos períodos iniciais de Engenharia

## ESQUEMAS DE ARGUMENTAÇÃO EM FÍSICA DE ESTUDANTES DOS PERÍODOS INICIAIS DE ENGENHARIA

Anderson Fabian Ferreira Higino , Fabio Wellington Orlando da Silva 1 2

1 CEFET-MG/DFM, afhigino@gmail.com 2 CEFET-MG/DFM, fabiowdfm@yahoo.com.br

## Resumo

Este trabalho investiga uma possível correlação entre o esquema de argumentação e a capacidade do estudante para compreender e resolver problemas de mecânica. Habitualmente, admite-se que, para resolver os problemas apresentados, o expert e o iniciante adotam estratégias diferentes. Essas diferenças são atribuídas a um maior domínio do conteúdo da disciplina, que levaria o expert a uma modelagem mais adequada. Entretanto, se estudantes de mesmo nível de conhecimento fossem submetidos aos mesmos testes, teriam todos o mesmo desempenho? Seguiriam a estratégia dos iniciantes ou a dos experts? Para avaliar essas possibilidades, na primeira aula de um curso de mecânica, foi aplicado, a 61 estudantes, um teste diagnóstico constituído por seis questões sobre esse tema de provas de vestibular, solicitando-se, além da resposta, um texto explicativo da solução. Como resultado, menos de 10% dos textos fizeram referência, implícita ou explícita, a uma lei física para sustentar a linha de raciocínio, ainda que praticamente todos os estudantes tenham demonstrado conhecer a linguagem da área. As soluções iniciadas invocando uma lei física para orientar o raciocínio alcançaram índice de acerto de 61%, enquanto aquelas que apresentaram resposta justificada a posteriori alcançaram 17%. O mesmo estudante adotou ora uma, ora outra estratégia. Isso revela a passagem de um modelo de argumentação em que se apresenta a resposta seguida da justificativa para um modelo no qual a justificativa (lei ou princípio científico) precede a elaboração e a apresentação da resposta, constituindo um guia para o desenvolvimento. Sugere também que, ao ensinar uma ciência, deve-se enfatizar não apenas o conhecimento de suas leis e equações, mas também o estilo de argumentação próprio dessa ciência.

Palavras-chave : argumentação, solução de problemas, ensino de física.

## Introdução

Este trabalho investiga a capacidade argumentativa de estudantes de engenharia nos períodos iniciais e uma possível correlação entre o esquema argumentativo adotado por eles e sua habilidade de resolver problemas de Física.

A valorização da argumentação no ensino de ciências não é recente, mas adquiriu maior relevância nas últimas décadas. Uma das dificuldades para realizar um levantamento completo a esse respeito refere-se à multiplicidade de abordagens. Dependendo dos critérios de classificação, podem ser consideradas argumentativas as diversas propostas de aprendizagem ativa (PRINCE, 2004), particularmente as que se baseiam no método socrático (COLLINS, 1977; WENNING, 2005; LEIGH, 2007), o Movimento das Concepções Alternativas (GILBERT e SWIFT, 1985), o Modelo de Mudança Conceitual (POSNER et al .,1982; HEWSON E TORLEY, 1989) e o Pensamento Crítico (BAILIN, 2002).

Nos últimos anos, contudo, destaca-se a emergência de uma metodologia de educação focada especificamente na argumentação. Essa mudança acompanha a expansão dos estudos na área e é considerada um componente chave para a

educação científica pela Associação Americana para o Progresso da Ciência e pelo Conselho Nacional de Pesquisas dos Estados Unidos (CLARK e SAMPSON, 2008).

Um ensino de ciências que valorize a argumentação pode alterar a concepção de ciência dos estudantes, incentivar a aplicação dos conceitos apreendidos na escola a situações cotidianas, tornar os estudantes mais críticos em relação à propaganda pseudocientífica e influenciar, inclusive, as estratégias usadas por eles para resolver problemas que dependam de conhecimentos científicos.

Apesar desse reconhecimento quase universal, as evidências indicam que a argumentação ainda é pouco praticada no ensino, em seus diversos níveis (ASSIS e SILVA, 2009; KUHN, 2009, 2010). Uma possível explicação para essa lacuna, pelo menos no Brasil, onde os exames de seleção para os cursos superiores são constituídos essencialmente por questões objetivas, é a visão de que essa habilidade não seria necessária para a aprovação nesse âmbito. Entretanto, os resultados deste trabalho sugerem que a habilidade de argumentação e o esquema argumentativo adotado pelo estudante estejam correlacionados com sua capacidade de resolver essas questões. Portanto, ainda que o interesse de diversas escolas de nível médio e dos cursos preparatórios esteja voltado para as questões objetivas, o desenvolvimento da habilidade de argumentação pelo estudante não deve ser negligenciado, em benefício do próprio sucesso nesse tipo de avaliação,

## Metodologia

A metodologia deste trabalho é o estudo de caso (YIN, 2010). O público alvo são estudantes na faixa etária de 20 anos que ingressam na primeira disciplina de física de cursos de engenharia. A hipótese investigada é uma possível correlação entre o esquema argumentativo adotado pelos estudantes e sua habilidade de resolver problemas de Física.

Entende-se aqui por esquema argumentativo a estrutura conceitual e relacional do discurso argumentativo. Os iniciantes seriam orientados para objetos, enquanto os experts seriam orientados por princípios (CHAMPAGNE, GUNSTONE & KLOPFER, 1982; KUO et. al., 2013). Um iniciante típico buscaria, por exemplo, organizar os dados, apoiado em garantias para chegar a conclusões; já um expert começaria citando as leis e os princípios que regem o fenômeno para, depois, construir um percurso metodológico a partir dos dados considerados relevantes e, então, obter a conclusão. Essas diferenças estruturais podem se refletir não apenas na qualidade da resposta, mas também no índice de acerto das questões, tal como será visto na próxima seção.

A disciplina na qual ocorreu a pesquisa é a Mecânica, oferecida no segundo período letivo, logo após um semestre de Cálculo Diferencial e Integral, Geometria Analítica e Álgebra Vetorial, entre outras. No primeiro dia de aula, foi aplicado um teste diagnóstico, constituído por seis questões de provas de vestibular: três objetivas e três discursivas. Independentemente do tipo de questão, os estudantes deveriam apresentar todas as soluções justificadas da maneira mais completa possível. Apesar de o teste conter apenas questões de mecânica - tema da disciplina -, no que concerne aos aspectos formais de argumentação, há simetria com as demais áreas da física, uma vez que a estrutura usada na modelagem e na solução de um problema de mecânica é similar àquela usada em eletromagnetismo ou em termodinâmica, recorrendo-se, em cada caso, às leis e aos princípios que regem os respectivos fenômenos.

O questionário foi aplicado a duas turmas de cursos distintos, totalizando 61 participantes. As questões propostas visam a avaliar o conhecimento dos princípios da Mecânica newtoniana e a capacidade de argumentação, a partir deles, em algumas situações específicas, tal como sintetizado no Quadro 1. A título de exemplo, a questão 2 é reproduzida na Figura 1.

Quadro 1 : síntese das questões

O esquema interpretativo divide as soluções dos estudantes em duas categorias principais: 1) as que começam com alguma forma de referência à lei física pertinente (menção, enunciado etc.) e 2) as que apresentam diretamente os aspectos operacionais, sem estabelecer a priori tal quadro de referência. Em cada categoria, as soluções foram, ainda, agrupadas conforme o critério de acerto ou não da resposta . Desse modo, os dados quantitativos encontram-se sintetizados em quatro categorias analíticas finais: sim-sim ( usou a lei física e acertou a resposta); sim-não ( usou , mas não acertou ); não-sim ( não usou e acertou ); não-não ( não usou e não acertou ).

Figura 1 : reprodução da questão 2 (lançamento oblíquo de projétil)

<!-- image -->

## Resultados

Na Tabela 1, apresentam-se os dados quantitativos referentes ao uso ou não da lei física e ao acerto ou não da resposta em cada uma das 6 questões, bem como os totais referentes à quatro categorias analíticas propostas. Dentre outros aspectos gerais, verifica-se que os alunos que usam as leis físicas nas soluções são sempre em número menor, chegando ao máximo de 18,0% na questão 1 (coluna Q1: (4+7)/61). No total, as soluções realizadas com o uso de leis físicas montam a 8,5% (coluna Total: (19+12)/366).

Tabela 1: frequências referentes a uso de lei física e acerto de resposta

A Tabela 2 registra os percentuais de acerto com ou sem o uso da lei física pertinente, para todas as questões. Nas cinco primeiras, os percentuais de acerto da categoria 1 (com lei) são de 2 a 5 vezes maiores que os da categoria 2 (sem lei). Os resultados da Questão 6 geram indeterminação matemática para a categoria 1, já que não houve nenhum caso de uso da lei pertinente (cf. Tabela 1). No total, verifica-se um índice 3,7 vezes maior para a categoria 1 do que para a categoria 2.

Tabela 2: percentuais de acerto com ou sem uso de lei física

Algumas observações qualiquantitativas relevantes sobre as soluções dos alunos são apresentadas a seguir, destacando-se as regularidades e peculiaridades mais significativas. Na questão 1 , 4 alunos mencionaram a primeira lei de Newton, exibindo raciocínios e respostas consistentes (sim-sim), dentre os 13 com a resposta correta (sim-sim + não-sim). Houve 7 respostas erradas (sim-não) dentre as 11 que mencionaram a lei (sim-sim + sim-não) e 41 (não-não), dentre as 50 que não o fizeram (não-sim + não-não). No grupo não-sim , 4 dos 9 alunos indicaram um vetor vertical para cima como melhor representação da força que o plano exerce no corpo em movimento, descrita apenas como soma da força normal com a de atrito; outros 3 incluíram a força normal em afirmações ainda menos precisas e mais 2 citaram a oposição ao peso ou aos seus componentes, mas sem articulação explícita com a primeira lei de Newton. No grupo sim-não , 2 alunos reduziram a força do plano no corpo apenas à força normal; outros 5 indicaram um vetor paralelo ao plano para cima como representativo da força em questão, quer sem justificativa detalhada, quer a partir de soma imprecisa com a força de atrito. No grupo não-não , 22 alunos reduziram a força resultante no corpo à força normal, alguns atribuindo a velocidade constante à suposta ausência de atrito; 12 alunos indicaram um vetor paralelo ao plano para cima como representação da força, associando-o ao atrito cinético ou à soma deste com a força normal. Outros 3 indicaram um vetor paralelo ao plano, para baixo, sem justificativa consistente, ou um vetor vertical para baixo (3 casos), sem justificativa ou afirmando se tratar da força normal. Apenas 1 aluno não respondeu.

Na questão 2 , 3 alunos mencionaram a lei de conservação da energia mecânica, exibindo raciocínios e respostas consistentes, dentre os 17 com resposta correta. Não houve resposta errada dentre os que mencionaram a lei, frente a 44 casos dentre os 58 que não o fizeram. Os 14 alunos do grupo não-sim trabalharam apenas com relações cinemáticas, seguindo um percurso longo e tortuoso, em um

cenário resumido a 2 cálculos corretos e 12 incorretos . Em 10 destes últimos, a coincidência com a resposta correta adveio de um uso indevido da equação de Torricelli, com os dados tratados como se fosse o caso unidimensional, produzindo o mesmo resultado que o uso do teorema trabalho-energia cinética em uma dimensão, ou a lei da conservação da energia mecânica em duas dimensões. Os 44 casos do grupo não-não contêm: 15 indicações de alternativas incorretas e 12 respostas não contempladas na questão; 17 casos sem nenhum desenvolvimento; 3 casos com menções teóricas consistentes, inclusive à conservação da energia mecânica, mas sem desenvolvimento subsequente; 12 casos de cálculos cinemáticos incorretos; 5 casos de conceitos incorretos, incluindo 4 menções a uma suposta 'conservação da velocidade'; 3 casos com meros esboços de trajetória parabólica e/ou menções sumárias a vetores (velocidade e força), incluindo uma negação do enunciado da questão; 1 resposta sem justificativa; 1 caso sem desenvolvimento consistente e outro com indicação de que o estudante não lembrava o assunto.

Na questão 3 , 6 alunos mencionaram as leis de conservação da energia e do momento linear, exibindo raciocínios e respostas consistentes, dentre os 15 com a resposta correta. Houve 2 respostas erradas dentre os 8 que mencionaram as leis e 44, dentre os 53 que não o fizeram. Os 2 casos sim-não afirmaram a conservação de P e E , ainda que mencionando a condicionante da ausência de forças externas e, um deles, também a possibilidade de movimento conjunto subsequente. Dentre as 9 soluções do grupo não-sim , algumas justificativas desconsideraram a ausência de forças externas como condicionante; outras atribuíram noções imprecisas de variação e conservação à massa e à velocidade; outras, ainda, apelaram mais para uma abordagem 'classificacionista' do que para a análise teórica. Na categoria nãonão , afora os 6 casos sem nenhuma solução, há o seguinte cenário: a conservação simultânea de P e E é afirmada em 13 casos, ora sem justificativa ou condicionante, 'apesar de poderem ser transferidas de um corpo para o outro', ora em decorrência da 'definição de colisão inelástica' ou da ausência de perdas no sistema, dissipação de E ou 'mudanças físicas de energia'. Em 15 outros casos, a conservação apenas de E ora é afirmada sem justificativa, ora é atribuída à não dissipação. Quanto a P, ou se considera que nada pode ser afirmado ou se atribui sua variação à alteração da velocidade. Em 10 outros casos, ainda, é afirmada a variação de P e E, seja sem justificativa ou, de um modo vago, como consequência da variação de velocidade, como decorrência da dissipação de energia na colisão inelástica, da variação de K ou da transformação de E. Em um deles, P e E são chamadas de 'forças'.

Na questão 4 , 5 alunos partiram da equação horária do MRUV, exibindo raciocínios e respostas consistentes, dentre os 14 com a resposta correta. Houve 1 resposta errada dentre os 6 que usaram a equação e 46, dentre os 55 que não o fizeram. Dentre os 5 casos sim-sim , estão os 2 únicos com abordagem integrada das variáveis descritivas e mais 3 de cálculo fragmentário dos intervalos de subida e descida. O caso de erro sim-não deveu-se a uma confusão entre sinais e sentidos. Nos 9 casos não-sim , foi unanimidade a percepção fragmentária dos intervalos de tempo, ainda que 3 alunos tenham tirado proveito da simetria entre a subida e o retorno até a posição inicial. Dentre os 46 casos da categoria não-não , observa-se uma multiplicidade de situações, com prevalência de abordagens quantitativas fragmentárias e inconsistentes (21 casos), envolvendo cálculo isolado a) do intervalo de subida, ou de descida, ou b) de um intervalo de subida e de um - ou dois - de descida. A abordagem apenas qualitativa feita em 2 outros casos também revela a percepção fragmentária dos intervalos de tempo. São também numerosos os casos

de indicação de equações sem desenvolvimento consistente e de uso de equações erradas ou de confusão entre grandezas. As soluções restantes englobam 5 cálculos sem consistência, 3 respostas sem justificativa, 3 indicações de que o aluno não lembrava o assunto e 3 sem registro de solução.

Na questão 5 , 1 aluno partiu das equações horárias do MRU e do MRUV, exibindo raciocínio e resposta consistentes, dentre os 6 com a resposta correta. Houve 2 respostas erradas dentre os 3 que mencionaram as equações, frente a 53, dentre os 58 que não o fizeram. Nos 2 casos da categoria sim-não , ocorreu desatenção às condições iniciais e erros em sinais/sentidos e na decomposição de vetores. Em 4 dos 5 casos não-sim , houve cálculo fragmentário dos intervalos de subida e descida. Dentre os 53 casos não-não , 24 não apresentaram qualquer anotação consistente e 2 exibiram apenas indicação de não lembrar o assunto. Os 27 restantes trouxeram alguma solução, destacando-se os seguintes aspectos: cálculo fragmentário dos intervalos de subida e descida; afirmativa não justificada da suposta igualdade do intervalo de tempo do movimento analisado com o da questão anterior; erro ao decompor vetores; inclusão indevida de fatores trigonométricos em equações; confusão ao atribuir MRU e MRUV às direções horizontal e vertical.

Na questão 6 , não houve nenhuma menção consistente à conservação da energia envolvendo os movimentos de translação-rotação. Ainda assim, dos 61 respondentes, 10 indicaram a resposta correta e 51 não o fizeram. No total, 4 alunos deixaram de apresentar qualquer solução e os 57 restantes reduziram a análise, quase exclusivamente, a aspectos pertinentes à translação, tenham ou não indicado a resposta correta. O cenário é coerente com o nível geral de conhecimento suposto para os respondentes, já que a rotação não é estudada no ensino médio. Duas menções ao termo rolamento sugerem a possibilidade de alguns alunos terem estudado o tema na graduação sem assimilação consistente, pois estão associadas a uma resposta incorreta e a uma indicação da resposta correta sem justificativa suficiente. Vale destacar que 8 dos 10 casos não-sim apresentaram variantes de um raciocínio que associa a hipótese de a esfera maciça possuir maior massa razoável, em vista dos tamanhos iguais representados na figura da questão - à noção incorreta de que um maior peso implicaria maior aceleração. Nos 2 outros casos, a resposta correta é indicada sem qualquer justificativa. Nos 51 casos nãonão , 34 alunos afirmaram a chegada simultânea das esferas, 4 não responderam e os outros 17 dividiram-se entre as opções que afirmam a antecedência da chegada da esfera oca (6 casos) ou da de diâmetro maior (3 casos) ou menor (4 casos).

## Discussão

Conforme os dados quantitativos destacados com as Tabelas 1 e 2, embora relativamente poucos alunos façam uso das leis físicas como ponto de partida e guia de orientação, esse uso produz percentuais de acerto significativamente maiores. No aspecto qualitativo, os acertos advindos do uso das leis físicas ( sim-sim ) estão associados a esquemas de argumentação consistentes de modo mais intenso do que no caso negativo (não-sim). À luz da distinção experts -iniciantes, esse contraste aponta uma vantagem também qualitativa para a abordagem baseada em leis.

Mesmo sem termos investigado a atuação dos alunos diretamente no Ensino Médio, nossos resultados permitem inferir que existe uma lacuna no trabalho escolar realizado até esse nível, quanto à compreensão e ao uso das leis físicas. Evidenciase a importância de valorizar mais as estratégias de ensino baseadas nas leis, seja

no estudo teórico-conceitual ou na solução de problemas, em oposição a tendências excessivamente mnemônicas e operacionais frequentes nas escolas brasileiras.

No ensino médio , é comum uma parte significativa dos esforços voltarem-se à preparação para os processos seletivos que os estudantes enfrentarão. Pelo que mostram nossos resultados, não há oposição, mas sim convergência, da abordagem baseada no uso das leis em relação a esse trabalho preparatório, pois quem se exercita para usar as leis tende a argumentar melhor e a acertar mais. Consideramos haver também boas possibilidades de articulação com abordagens pedagógicas voltadas ao letramento científico e à formação da cidadania. Afinal, elas buscam garantir a inserção dos conhecimentos de Física - não apenas sobre Física - em um contexto que inclui as dimensões sociais e tecnológicas que o perpassam. A abordagem baseada nas leis físicas pode propiciar um conhecimento profundo e preciso o suficiente para subsidiar a atitude de lucidez política objetivada.

Na educação superior na área científico-tecnológica, a abordagem baseada nas leis físicas pode propiciar uma formação científica sólida e articulada com a percepção do caráter instrumental - mais do que meramente operacional - que o conhecimento deve adquirir e com o senso de responsabilidade social e profissional a obter com os estudantes. No aspecto qualitativo, as soluções das questões de 1 a 5 envolveram erros bastante típicos. Conquanto os resultados destas convirjam claramente com as sugestões apresentadas aqui, poderia parecer que os resultados da questão 6 põem em dúvida a importância das leis físicas como ponto de partida do esquema de argumentação a construir com os alunos. Afinal, é possível dizer que boa parte deles errou tentando acertar, ao aplicar leis físicas inadequadas à situação que lhes foi proposta. E isso poderia ser interpretado, equivocadamente, como um sinalizador de que, nesse caso, a tentativa de aplicação das leis físicas levou mais ao erro do que ao acerto. Ao contrário disso, em nossa percepção, esses resultados também reiteram a importância de trabalhar a partir das leis físicas, mas incluindo a discussão clara dos contextos e das condições de aplicação . A mesma tendência excessivamente operacional que prevaleceu nas demais soluções parece-nos ter levado à análise de um movimento que inclui rotação com conceitos próprios da translação. Esse fenômeno é recorrente em outras áreas, tal como se observa quando um teorema da Matemática é aplicado em um contexto inadequado. Na questão 6, mais do que em outros casos, o eventual uso de 'macetes' mostra-se inócuo, dificultando o funcionamento de estratagemas e levando a uma exposição mais legítima de um raciocínio que precisa de correção. O fato de os alunos mostrarem não perceber a diferença de contexto indica a necessidade de aprofundar a discussão desse aspecto em sua formação, ao destacar as leis físicas na solução de problemas. Nisso, os resultados da questão 6 convergem com os das demais.

## Conclusão

Este estudo com estudantes de cursos superiores de engenharia revela que apenas uma minoria possui as habilidades necessárias para a apresentação de uma argumentação clara na área de física. Ao tentar resolver os problemas propostos, a maioria buscou somente aplicar alguns esquemas operacionais, em vez de iniciar pelo enquadramento do assunto com base em leis e princípios. Aqueles que adotaram esta última abordagem obtiveram maior sucesso. Sugere-se também que, ao ensinar uma ciência, é importante enfatizar não apenas o conhecimento de suas leis e equações, mas também o estilo de argumentação próprio da área.

## Referências

ASSIS, E. A. de S.; SILVA, F. W. O. da. A erística no ensino de ciência. Educação em Foco , n. 14, p. 67-81, 2009.

BAILIN, S. Critical thinking and science education. Science &amp; Education , v. 11, p. 361-375, 2002.

CHAMPAGNE, A. B.; GUNSTONE, R. F.; KLOPFER, L. E. A perspective on the differences between expert and novice performance in solving physics problems. Research in Science Education , v. 12, p. 71-77, 1982.

CLARK, D. B.; SAMPSON, V. Assessment of the ways students generate arguments in science education: current perspectives and recommendations for future directions. Science Education , v. 92, n. 3, p. 447-472, 2008.

COLLINS, A. Processes in acquiring knowledge. In: ANDERSON, R.C.; SPIRO, R.J.; MONTAGUE, W.E. (Org.). Schooling and the acquisition of knowledge . Hillsdale (EUA): Lawrence Erlbaum Associates, 1977. p. 339-374.

GILBERT, J. K.; SWIFT, D. J. Towards a lakatosian analysis of the piagetian and alternative conceptions research programs. Science Education , v. 69, n. 5, p. 691696, 1985.

KUHN, D. Do students need to be taught how to reason? Educational Research Review , v . 4, p. 1-6, 2009.

\_\_\_\_\_\_ Teaching and learning science as argument. Science Education , v. 94, p. 810-824, 2010.

KUO, E.; HULL, M. M.; GUPTA, A.; ELBY, A. How students blend conceptual and formal mathematical reasoning in solving physics problems. Science Education , v. 9, n. 97, p. 32-57, 2013.

HEWSON, P. W.; TORLEY, N. R. The conditions of conceptual change in the classroom. International Journal of Science Education , v. 11, n. 5, p. 541-553, 1989.

LEIGH, F. Platonic dialogue, maieutic method and critical thinking . Journal of Philosophy of Education , v. 41, n. 3, p. 309-323, 2007.

POSNER, G. J.; STRIKE, K. A.; HEWSON, P. W.; GERTZOG, W. A. Accommodation of a scientific conception: toward a theory of conceptual change. Science Education , v. 66, n. 2, p. 211-227, 1982.

PRINCE, M. Does active learning work? A review of the research. Journal of Engineering Education , v. 93, n. 3, p.223-231, 2004.

WENNING, C. J. Whiteboarding &amp; Socratic dialogues: questions &amp; answers . Journal of Physics Teacher Education Online , v. 3, n. 1, p. 3-10, 2005.

YIN, R. K. Estudo de caso : planejamento e métodos. Porto Alegre: Bookman, 2010.

## Agradecimento

Pesquisa realizada com o apoio institucional do CEFET-MG. Fabio W. O. da Silva é bolsista da Capes, Processo nº BEX 10707/13-1.