TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS APLICADAS À APRENDIZAGEM COOPERATIVA EM FÍSICA

## TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS APLICADAS À APRENDIZAGEM COOPERATIVA EM FÍSICA

## COMPUTATIONAL TECHNOLOGIES APPLIED TO COOPERATIVE LEARNING IN THE PHYSICS CLASSROOM

Sílvia Martins1, Elise Mendes2, Eduardo Takahashi1, Sorandra Lima1, Dayane Carvalho1, Victor Gargiulo2

1Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física/infis@infis.ufu.br

2Universidade Federal de Uberlândia/Faculdade de Educação/faced@ufu.br

## Resumo

Por intermédio de uma atividade de pesquisa desenvolvida em parceria com professores de Física de uma escola de Uberlândia - MG, foi possível investigar a aplicação de uma metodologia de ensino que estimula a aprendizagem cooperativa por meio de tecnologias cognitivo-computacionais. Deste modo, foram criadas situações de aprendizagem e estratégias e procedimentos de ensino com o intuito de oferecer oportunidades para os estudantes construírem conhecimento de maneira reflexiva, criativa e cooperativa, utilizando tecnologias computacionais como softwares de simulação e de editoração de mapas conceituais, fóruns, chat, bases wiki e internet. Essas ferramentas foram utilizadas de forma integrada para criar um ambiente virtual de aprendizagem que pudesse ser utilizado pelo professor para envolver os estudantes em atividades interativas e desafiadoras que exijam competências cognitivas de aprender com tecnologia e estimulem o desenvolvimento da metacognição. Neste estudo, foram investigados processos de ensino e aprendizagem de conceitos básicos de mecânica, direcionado a alunos da primeira série do ensino médio; aplicando-s-se uma abordagem do tema diferenciada do ensino tradicional.

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Palavras -chave: Tecnologias computacionais, metodologia de ensino, Física.

## Abstract

In this paper is presented the application of an educational methodology to support computer-based cooperative learning. The work was developed with the help of Physics teachers from a private school of Uberlândia, MG - Brasil in the way of creating learning contexts as well as teaching procedures and strategies for knowledge construction in a critical, creative and cooperative way. There were used computational technologies like softwares for simulation and concept-mapping management, forums, chats, wikis and internet to enhance learning in virtual environments that were both interactive and challenging in the way of promoting cognitive competences for learning with technologies and metacognition improvement in Mechanics class directed to High School students.

Keywords: Computational tecnologies, educational methodology, Physics.

## 1. Introdução

Em menos de 15 anos, com o surgimento de hipermeios e internet, ocorreu uma mudança súbita na educação, e atualmente as tecnologias da informação e da comunicação passam a exercer função predominante no ensino, embora o potencial dessa ferramenta não tenha sido utilizado plenamente no processo ensino e aprendizagem.

- O simples ato de dispor computadores nas escolas, sem a elaboração de novos objetivos para a educação, certamente, não resolveu a crise do ensino, simplesmente, tornou o processo de transferência de informação mais eficiente, o aluno continuou a aprender por meio da tecnologia e não com a tecnologia.

A questão fundamental que os países desenvolvidos enfrentam é saber qual tipo de educação irá melhor preparar os estudantes para a vida na sociedade do conhecimento. Para tanto, a resposta é: a educação deve promover a flexibilidade de raciocínio, criatividade, capacidade de solução de problemas, alfabetização científica e tecnológica, habilidade para a busca de informação e, acima de tudo, prontidão vitalícia para aprendizagem (OECD, 2000; OECD, 2004; BURGEN e HÄRNQVIST, 2001; AAAS, 2005; ABRAMS, 1998; DEDE, 1997; SCARDAMALIA e BEREITER, 2000).

Adicionadas às necessidades de formação humana na sociedade com relação às competências cognitivas e metacognitivas que devem ser inseridas no currículo, as tecnologias da informação e comunicação indicam mudanças inquestionáveis referentes ao currículo, tais como: a) recursos curriculares (de meio impresso para hipermeios); b) organização do conhecimento (de estrutura linear e hierárquica para estrutura muldimensional e interligada na Web); c) mudança do locus da responsabilidade de criação de unidades curriculares dos professores para os alunos (MIODUSER e NACHMIAS, 2002).

Além disso, autores brasileiros enfafatizam a necessidade de desviar a cultura da aprendizagem da memorização de notações, conceitos, proposições, leis e princípios, e do ensino fragmentado e linear para um ensino que estimule a aprendizagem significativa e o pensamento complexo (HENRIQUES, 2000; MOREIRA, 1983; MOREIRA, 1999).

Nesse contexto, por intermédio de uma atividade de pesquisa desenvolvida em parceria com professores de Física de uma escola de Uberlândia - MG, foram investigados processos de ensino e aprendizagem de conceitos básicos de mecânica, direcionados a alunos da primeira série do ensino médio; aplicando-se uma abordagem do tema diferenciada do ensino tradicional.

## 2. Procedimentos e Estratégias de Ensino

Para organização e distribuição dos conteúdos do curso, foram elaborados materiais instrucionais representados por um macromapa sobre Origem do Universo (Figura 1) e submapas para todos os conceitos apresentados no macromapa. Esses mapas conceituais definiram claramente o que são conceitos, categorias, princípios, leis, exemplos e notações; e essas diferenciações foram ressaltadas por sistemas de classificações por cores e formas geométricas (cf. NOVAK e GOWIN, 1984; BERNARD e NAIDU, 1992; MOREIRA, 1999; AUSTIN e SHORE, 1995). Ressalta-se que os mapas conceituais foram fundamentais para a aplicação do método

maiêutico de Platão (perguntas operatórias), ao selecionar os conceitos mais inclusivos que deveriam orientar as questões sobre o conteúdo de mecânica.

A abordagem do tema foi dividida em três grandes tópicos: a) Origem do Universo, b) Interação entre objeto e vizinhança, c) Descrição de movimentos simples. Para cada tópico foram definidos objetivos cognitivos que os alunos necessitariam para alcançar a compreensão desses fenômenos naturais específicos por meio de conceitos fífísicos e matemáticos. A especificação dos objetivos cognitivos foi fundamentada no artigo de Anderson et al. (2001), que é uma revisão da taxonomia proposta por Bloom (1956).

## 2.1 Primeiro Tópico: Origem do Universo.

Apresentação do filme "Cosmos: A margem do oceano cósmico", de Carl Sagan, que serviu de organizador prévio (cf. AUSUBEL, NOVAK e HANESIAN 1978) para a introdução do tema Origem do Universo. A partir de perguntas direcionadas, a equipe pode avaliar os conhecimentos específicos a priori dos alunos e estimular processos cognitivos de inferência na aprendizagem cooperativa. Foram realizadas discussões sobre a criação do Universo, segundo a Teoria do Big Bang, entre os alunos e os instrutores do curso, de forma híbrida por meio da comunicação presencial e síncrona no chat da Moodle e no laboratório de computação da escola. Nessas discussões foram trabalhados, inicialmente, os conceitos gerais da Física: espaço, tempo, matéria e energia. Cada conceito foi pesquisado pelos estudantes na internet, criando uma definição e significado individual e, em seguida, os conceitos foram discutidos e definidos coletivamente, passando a constituir um banco de dados conceituais, que foi inserido no software TiddlyWiki (RUSTON, 2005; GARGIULO, 2005) com as definições consensualmente expressas.

A definição de modelo físico como forma de representação de um fenômeno natural também foi trabalhada nesse tópico. Discutiu-se a construção de hipóteses e a limitação inerente a cada modelo físico; além da dificuldade de se modelar fenômenos físicos complexos e a incapacidade da ciência em estabelecer modelos para todo evento ou fato do conhecimento humano. Além disso, outros conceitos menos inclusivos, como os de massa e inércia, também foram abordados e relacionados aos demais. Aproveitou-s-se ainda para discutir, por meio do chat, os conceitos de força gravitacional e força eletromagnética. Desse modo, foi possível discutir a importância da força eletromagnética na formação de elementos e ligações químicas que constituem a estrutura do Universo como conhecemos. No decorrer dessas discussões, enfatizaram-se os conceitos de matéria e energia, segundo a teoria da relatividade 1 . Outros conceitos relevantes, abordados nesse tópico, foram relacionados à termodinâmica, mecânica clássica, eletromagnetismo e física moderna.

Após a discussão desses conceitos, foi sugerida aos alunos a confecção individual de mapas conceituais utilizando o software livre CmapTools (IHMC, 2008), com o objetivo de avaliar a compreensão individual dos alunos. Estetes mapas foram apresentados ao grupo pelo projetor de multimídia. Neste momento, foram realizadas atividades cognitivas cooperativas de comparações, discussões e questionamentos que pudessem auxiliar a ressignificação das relações conceituais.

- O resultado destas discussões originou um mapa conceitual aceito de forma consensual pelo grupo de estudantes, representado na Figura 1.

Figura 1: Mapa conceitual sobre Universo, construído cooperativamente pelos estudantes através da mediação do professor.

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## 2.2 Segundo Tópico: Interação entre objeto e vizinhança.

Neste tópico, foi salientado o fato de que as interações entre cada elemento de um sistema físico com a sua vizinhança são determinantes na definição do tipo de movimento desse sistetema (ou dos elementos desse). Como estratégia de ensino, os estudantes foram estimulados a pesquisar na internet diversos fenômenos físicos envolvendo interações e a identificar os tipos de interações existentes em cada caso. Procurou -s -se orientá -los para a a identificação das forças predominantes e para a definição do tipo de movimento analisado.

Além disso, enfatizou-s-se o processo cognitivo de comparação, diferenciando o conceito de campo e força e explicando a relação entre o campo gravitacional e a 2 aceleração gravitacional 2 .

## 2.3 Terceiro Tópico: descrição de movimentos simples - Solução de Problemas

Neste tópico, foram abordados conceitos matemáticos relevantes para o estudo quantitativo da mecânica clássica. Inicialmente foi discutida a definição geral dos conceitos de posição, velocidade, aceleração e força resultante; estabelecendo a expressão geral para as funções horárias da posição e da velocidade de um móvel utilizando notação vetorial. A partir dessa expressão, foram estudados movimentos particulares (queda livre, lançamento oblíquo, etc.).

Esse procedimento, de trabalhar uma única equação vetorial geral para a equação horária, é diferente do ensino de física tradicional. Este método apresenta

vantagem ao orientar o estudante a refletir sobre a particularização da equação geral para o problema específico, fornecendo elementos para uma melhor análise física do movimento estudado e o seu conseqüente equacionamento matemático. Essa abordagem alternativa, apesar de inicialmente parecer mais complexa, foi recebida com bastante entusiasmo pelos estudantes, porque foi possível discutir de forma unificada os conceitos envolvidos na discussão do movimento.

## 2.3.1 Resolução de Problemas

Com o objetivo de gerar discussões sobre os conceitos, foram aplicadas 3 simulações utilizando um software de Física em realidade virtual3 l3 . A partir desta tecnologia, foram elaborados problemas inspirados em algumas simulações, com o intuito de estimular o aluno a identificar, comparar, analisar e verificar a solução do problema pela manipulação do software (POZO, 1998; POLYA, 1978).

Utilizando a técnica de Polya (1978) para resolução de problemas, foram elaborados e resolvidos, cooperativamente, dois problemas envolvendo fenômenos usualmente exemplificados no ensino médio: a) movimento retilínio uniforme e b) (Plano inclinado). Os problemas eram mal-estruturados, possibilitando várias soluções e exigindo uma reflexão, pois para resolvê -los era necessário levantar hipóteses.

- a) Movimento Retilíneo Uniforme - Um automóvel trafega por uma rua retilínea que possui semáforos em todas as esquinas (Figura 2). Considerando que o semáforo permanece no verde e no vermelho mais tempo que no amarelo, qual deve ser a velocidade constante que o automóvel deve ter para conseguir atravessar pelo menos cinco cruzamentos, sem burlar as leis de trânsito local?

Figura 2: Representação esquemática do movimento de um automóvel por uma rua retilínea, com semáforos dispostos em cada cruzamento. Cada quarteirão, assim como cada cruzamento são supostos iguais.

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Foram criados quatro casos como hipóteses de solução do problema e estratégias de intervenção pedagógica, que foram descritas segundo as etapas propostas por Polya: compreender o problema, conceber um plano, execução do plano e visão retrospectiva.

A visão retrospectiva era realizada através do software de simulação em realidade virtual (Figura 3). A partir dos aspectos de interação em 3D e da navegação desta ferramenta, foi possível a visão do movimento de diversos ângulos(de dentro do carro, da calçada e de uma visão aérea.). Esse recurso possibilitou aos estudantes analisarem o movimento a partir de diferentes pontos de vista e confirmarem os resultados literais, verificando se a resolução do problema era consistente, para diferentes escolhas das velocidades do carro.

Figura 3: Visão do software de simulação de um movimento retilíneo uniformemente variado, desenvolvido em realidade virtual.

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Como se tratava de um problema aberto, houve a necessidade de uma discussão acerca da delimitação do problema e de quais hipóteses seriam consideradas. Apresentaram-s-se várias considerações e algumas foram descartadas em virtude da grande complexidade da solução. Uma delas correspondia à consideração de que os semáforos apresentavam tempos de mudança de cores não sincronizados, ou com sincronização muito complexa. Pelo menos duas considerações distintas foram adotadas para resolver o problema, no sentido de evidenciar as diferenças entre as respostas obtidas e possibilitar uma análise qualitativa melhor do problema proposto.

Outra situação considerava que todos os semáforos estavam sincronizados de forma a mudar da cor verde para a amarela e para a vermelha simultaneamente e que o automóvel encontrava-se inicialmente a uma quadra de distância do primeiro semáforo, aproximando-se deste; ainda outra consideração era de que os semáforos apresentavam um sincronismo tal que havia um intervalo de tempo fixo entre as mudanças de cor de um semáforo para o próximo, cada um mudando para uma mesma cor em instantes diferentes.

b) Plano Inclinado - Para que um automóvel consiga subir uma ladeira é necessário que o motor exerça uma força. O mesmo acontece com um bloquinho em um plano inclinado. De acordo com a Figura 4, se fizermos os uma analogia, poderemos perceber que o bloco B exerce a função do motor e o bloco A, a do automóvel. Considerando o sistema com e sem atrito, quais serão as relações entre as massas dos blocos A e B para que o sistema: a) permaneça em repouso; b) entre em movimento, com o bloco A subindo o plano inclinado?

Figura 4: Visão do software de simulação de um sistema de blocos acoplados em um plano inclinado.

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A partir da inserção de parâmetros do problema no software foi possível veririficar e avaliar a consistência das soluções literais encontradas pelos estudantes.

No entanto, os resultados obtidos pelos alunos sobre solução de problemas não foram satisfatórios. Assim, os pesquisadores decidiram elaborar situações-problema qualitativos (para a compreensão conceitual) e subproblemas quantitativos (para aplicação em exercícios). Essa estratégia pedagógica permitiu uma discussão mais ampla com os alunos, instigando-os a refletir sobre a situação-problema.

## 2.4. Atividade Cooperativa Final

Para avaliação da metodologia de ensino adotada nesse curso e da compreensão dos alunos, foi construído coletivamente um mapa conceitual envolvendo os principais conceitos físicos associados ao tema (Figura 5). Este mapa final mostra que eles puderam estatabelecer relações não lineares entre os conceitos trabalhados.

Figura 5: Mapa conceitual sobre Mecânica Clássica construído cooperativamente .

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## 3. Discussão dos Resultados

O material instrucional, por meio de mapas conceituais, auxiliou os instrutores do curso a definirem claramente o que são conceitos, categorias, princípios, leis, exemplos e notações; e terem uma visão global e integrada do conteúdo. Além disso, foi fundamental para a aplicação do método maiêutico, ao selecionar os conceitos mais inclusivos que deveriam orientar as questões relevantes.

Os procedimentos de ensino do conteúdo, partindo de temas gerais (origem do universo e a interação do objeto e a vizinhança) e dos conceitos mais inclusivos (matéria, energia, camampo, força, etc.) possibilitaram aos estudantes reconhecer os exemplos e aplicações mais específicas numa visão geral da Física (como o movimento retilíneo uniforme e o exemplo clássico do plano inclinado).

Na construção dos mapas conceituais ficou evidenciada a falta de clareza e/ou estabilidade de vários conceitos físicos para os estudantes, cujo comprometimento parece ocorrer em razão da metodologia tradicional de ensino dessa disciplina, que não enfatiza adequadamente a fenomenologia e a construção dos conceitos físicos relevantes (cf. MINTZES, WANDERSEE e NOVAK, 1998). Um ponto considerado muito positivo foi o grande interesse demonstrado pelos estudantes na compreensão dos conceitos e nos relacionamentos conceituais para a confecção dos mapas.Além disso, observamos que a elaboração de mapas conceituais, individual e coletiva, contribuiu para a aprendizagem significativa, uma vez que esses mapas se iniciaram pelos conceitos a priori dos alunos e se desenvolveram num processo coletivo. Desse modo, esse processo de compreensão a partir de uma ferramenta gráfica facilitou a visão geral dos conceitos e suas relações. Assim, os mapas conceituais e a definição dos conceitos na base wiki i contribuíram para o processo de aprender a aprender com tecnologia, e estimulou a aprendizagem cooperativa. Além disso, foi possível aos instrutores a avaliação da aprendizagem, porque proporcionou uma visão histórica da compreensão dos alunos.

Dentre as maiores dificuldades acerca do uso de tecnologias computacionais na aprendizagem, percebemos que a comunicação por meio de chat t não ocorreu de forma natural, visto que foram observados freqüentes desvios de atenção do conteúdo estudado. Acreditamos que esse fato deve-s-se à grande tendência de utilizar o chat t como instrumento de comunicação informal, voltados apenas ao lazer. Para tornar a comunicação mais eficiente, os encontros presenciais foram extremamente importantes na orientação do processo ensino e aprendizagem. Portanto, concluímos que o chat t deve ser, inicialmente, aplicado como ferramenta pedagógica híbrida (em ações de encontros presenciais e virtuais) para estimular os estudantes a associar essa ferramenta de comunicação em ações de aprendizagem.

Quanto à metodologia de ensino para estimular a metacognição em solução de problemas, observamos que os alunos apresentam uma estrutura de pensamento não flexível e linear.

Na fase de compreensão dos problemas, alguns estudantes apresentaram dificuldade em interpretar ao expressar por suas próprias palavras qual era o problema proposto. Em geral, faziam leituras truncadas do enunciado para responder a questão. Contudo, devido ao trabalho anterior com os mapas conceituais e as bases wiki, os estudantes identificaram os conceitos físicos apresentados nos problemas.

Durante a etapa de elaboração do plano de ação, notamos a ansiedade dos estudantes em obter rapidamente a resposta. Praticamente todos partiam diretamente para a aplicação de fórmulas, sem qualquer reflexão sobre quantos e quais eram os procedimentos possíveis para se chehegar à solução. Este fato evidencia a falta de metodologias de ensino que estimulem a solução de problemas no cotidiano escolar. Desse modo, concluímos que o ensino tradicional que considera as atividades de solução de problema como treinamento por meio da repetição de exercícios, fortalece a visão comum de que a Física se resume a fórmulas; ignorando sua relação com fenômenos da natureza presentes na vida real.

O reconhecimento da dificuldade dos alunos em criar estratégias de solução de problemas, levou a a equipe de instrutores a motivá-los por meio de uma maior interação e auxílio na solução do problema. Além disso, a experimentação através

da simulação em realidade virtual foi fundamental para incentivá-los nessa atividade, uma vez que a manipulação dos obobjetos de aprendizagem e a observação dos comportamentos desses objetos eram semelhantes a situações concretas. Desse modo, apesar dos obstáculos encontrados, o uso das técnicas de solução de problemas, com o auxílio da experimentação em realidade virtual, induziu os alunos a exercitarem a mobilidade do pensamento e buscarem coerência na explicação dos fenômenos físicos. Sendo assim, podemos concluir que a realização de atividades que estimulem a solução de problemas no cotidiano escolar dos alunos deverá contribuir para que os alunos aprendam a aprender.

Concluindo, as tecnologias de informação e comunicação, como o CmapTools, as bases wiki, as simulações interativas em realidade virtual, a internet e plataformas a distância podem contribuir para a criação de metodologias de ensino inovadoras que estimulam a construção do conhecimento, a ação intencional e reflexão, a contextualização, a cooperação e a competência metacognitiva. No entanto, observamos que essas tecnologias devem estar integradas em um sistema e não em separado como ocorreu no desenvolvimento dessa pesquisa.

## 4. Referências

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