Mapas conceituais na análise da construção de conceitos de transferência de energia térmica: uma proposta integrando atividades experimentais e simulações computacionais

## Mapas conceituais na análise da construção de conceitos de transferência de energia térmica: uma proposta integrando atividades experimentais e simulações computacionais

## Fernanda Teresa Moro 1 , Italo Gabriel Neide 2 , Marcia Jussara Hepp Rehfeldt 3

1 Universidade do Vale do Taquari/PPG Ensino de Ciências Exatas/fernandamoro@universo.univates.br

- 2 Universidade do Vale do Taquari/ PPG Ensino de Ciências Exatas /italo.neide@univates.br
- 3 Universidade do Vale do Taquari/ PPG Ensino de Ciências Exatas /mrehfeld@univates.br

## Resumo

Este trabalho resulta de uma pesquisa qualitativa desenvolvida com estudantes do 2º ano do Ensino Médio de uma escola particular do município de Erechim, Rio Grande do Sul, parte da dissertação de Mestrado da autora principal. A pesquisa buscou investigar as implicações do uso de simulações vinculadas às atividades experimentais na aprendizagem significativa dos estudantes no conteúdo transferência de energia térmica. As atividades experimentais e as simulações computacionais foram planejadas buscando colocar o estudante como participante do processo educativo. Para embasar teoricamente o estudo foi utilizada a aprendizagem significativa, a integração entre atividades experimentais e tecnologias como simulações computacionais durante as aulas de Física. Neste trabalho serão apresentados os resultados evidenciados nos mapas conceituais elaborados pelos estudantes após a intervenção pedagógica, buscando indícios de modificações de subsunçores, frente ao questionário semiestruturado inicial. A análise dos mapas conceituais permitiu verificar alterações nos subsunçores dos estudantes investigados inicialmente, bem como apontaram que a integração entre atividades experimentais e simulações computacionais podem ser um material potencialmente significativo para auxiliar na aprendizagem de alguns conceitos de transferência de energia térmica.

Palavras-chave : Mapas Conceituais, Atividades Experimentais, Simulações Computacionais, Aprendizagem Significativa

## Introdução

A inserção de atividades experimentais e simulações computacionais durante as aulas de Física pode despertar a motivação e o interesse do estudante, bem como o trabalho integrado entre elas pode contribuir para a construção de conceitos de Física e tornar a aprendizagem significativa. Faz-se necessário, portanto, a busca de novas práticas pedagógicas que relacionem a Física com fenômenos do cotidiano.

As implicações do uso de simulações vinculadas às atividades experimentais em uma turma do 2º ano do Ensino Médio de uma escola da rede particular do município de Erechim/RS, composta por 35 estudantes, foi o objeto de estudo deste trabalho. Para tal, utilizaram-se mapas conceituais elaborados pelos alunos como instrumentos de análise. Os mapas foram comparados com as respostas coletas em um questionário semiestruturado, com perguntas abertas e dissertativas, como instrumento da coleta de dados inicial. O questionário utilizado foi estruturado com 6 perguntas relacionadas aos modos de propagação da energia térmica e foi aplicado antes da intervenção pedagógica, buscando verificar os conhecimentos prévios dos estudantes acerca do conteúdo transferência de energia térmica.

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## Fundamentos teóricos

Em todas as áreas do conhecimento, é imprescindível que os estudantes tenham oportunidades de fazer explorações, experimentações e discussões, podendo investigar, descrever e perceber propriedades e fenômenos que os cercam. As atividades experimentais podem ser uma estratégia para o professor em suas aulas, pois o experimento constitui-se numa atividade pedagógica desenvolvida pelo aluno que inclui, intercaladamente, tarefas teóricas e experimentais, onde o fazer é importante e o refletir para compreender é fundamental. Da mesma forma as simulações computacionais podem ser integradas aos experimentos, conforme destacam Brandão, Araújo e Veit (2008), sendo uma das alternativas para a inserção de conteúdos de natureza epistemológica com conteúdos de Física, onde os alunos passam a ter a visão da construção do conhecimento científico.

Quando pensa-se em conhecimento científico é necessário que o trabalho esteja embasado em alguma teoria que propicie a construção deste conhecimento. Neste trabalho optou-se pela teoria cognitivista de Ausubel, da aprendizagem significativa. Conforme a teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel (2003) novas ideias e informações podem ser aprendidas e retidas na medida em que conceitos relevantes e inclusivos estejam disponíveis na estrutura cognitiva do indivíduo, comportando-se como âncora para novas ideias e conceitos. À medida que isso acontece, soma-se às ideias prévias o conhecimento científico, consolidando a relação entre ciência, escola e sociedade, possibilitando um ser humano que se coloque como agente atuante e transformador, visto que isso permite ao indivíduo o conhecimento cada vez maior do seu universo físico, bem como os fenômenos que nele acontecem.

Corroborando com esta ideia, Moreira (2001) afirma que o conhecimento é o conjunto de conceitos constantemente adquiridos e reelaborados que permite ao homem situar-se e tomar decisões de como agir no mundo. Neste sentido, Brandão, Araújo e Veit (2008) destacam a importância do professor, em seu trabalho em sala de aula, buscando estratégias que deem sentido ao que o aluno estuda, evitando o distanciamento entre ensino e ciência. O desafio dos professores é dar sentido aquilo que se quer ensinar.

Baseado nos pressupostos anteriormente citados é importante a busca por novas metodologias de ensino. O uso de tecnologias durante as aulas pode contribuir na predisposição dos estudantes a trabalhar de modo ativo, na busca de soluções para os problemas que lhes são propostos. É importante salientar que, de acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) (BRASIL, 1999) a utilização de recursos como o computador pode contribuir para os processos de ensino e de aprendizagem, tornando a atividade experimental mais rica. Os alunos precisam ser encorajados a desenvolver seus processos metacognitivos e sua capacidade crítica. Conforme Ausubel (2003), a predisposição para aprender é uma das condições da aprendizagem significativa. A outra é que o material seja potencialmente significativo.

As atividades experimentais investigativas representam uma estratégia para permitir que os alunos ocupem uma posição mais ativa no processo de construção do conhecimento e que o professor passe a ser mediador ou facilitador desse processo. O professor deve ter a capacidade de proporcionar a participação dos estudantes em todas as etapas da investigação. Suart e Marcondes (2008) afirmam

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que os estudantes conseguem elaborar hipóteses, testá-las e discuti-las quando tem a oportunidade de acompanhar e interpretar as etapas de uma investigação, como durante uma aula experimental.

O trabalho com tecnologias computacionais pode complementar as atividades experimentais realizadas. A simulação é um recurso que se apropria de modelos teóricos da realidade, de observações do mundo real. As simulações por sua vez, não podem substituir a atividade experimental e o uso do laboratório. No ensino eles são importantes para que o estudante compreenda a atividade científica. Corroborando com esta ideia, Santos e Silva (2003) enfocam que as animações interativas podem ser utilizadas como organizadores prévios, de acordo com a Teoria da Aprendizagem Significativa. Santos e Silva (2003) afirmam que as simulações são ferramentas que podem agir na estrutura cognitiva, modificando subsunçores, principalmente a partir das conexões entre as ideias prévias e as novas informações.

É nesse contexto que esta pesquisa foi inserida, cuja proposta foi utilizar atividades experimentais integradas às simulações para uma melhor compreensão dos fenômenos relacionados à transferência de energia térmica. As atividades experimentais sobre condução, convecção e radiação, foram realizadas no Laboratório de Física e Química da escola, bem como a abordagem teórica dos conteúdos pelo pesquisador. A teoria dos conteúdos e conceitos abordados permeou as atividades experimentais. Portanto, alguns conceitos foram trabalhados com a própria prática experimental. Os estudantes receberam um roteiro semiestruturado, com perguntas abertas relacionadas à transferência de energia térmica em situações cotidianas, desde charges até comparações como, por exemplo, entre a maçaneta metálica e a estrutura de madeira da porta. O professor mediou o processo. A Figura 1 apresenta um esboço da montagem dos equipamentos que foram utilizados na intervenção pedagógica, construídos pelo pesquisador.

Figura 1 - Esquema das atividades experimentais

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As simulações computacionais do Energy2D 1 e no PhET 2 foram utilizadas nesta pesquisa como aliadas às atividades experimentais durante as aulas de Física, em especial, no tópico de Termologia. As simulações computacionais utilizadas foram pensadas buscando a integração com as atividades experimentais

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já realizadas no Laboratório de Física da instituição. Os estudantes trabalharam em duplas com seus próprios notebooks.

Cabe destacar que as atividades de simulação são importantes tendo em vista que algumas demonstrações só são possíveis de serem feitas com recursos computacionais. Sabe-se que qualquer pessoa percebe a propagação de energia térmica ao longo de uma haste metálica (como o cabo de uma colher), pois queimará seus dedos. Porém, quando cores são inseridas nesta experiência pode tornar mais fácil e mais demonstrativa a situação, percebendo-se a propagação ao longo da haste metálica, fato este oferecido pela simulação computacional. A Figura 2 apresenta uma das simulações utilizadas, onde o recurso de cores referido acima se destaca.

Figura 2 - Simulação computacional do Energy2D

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Outra vantagem do uso de simulações é o fato da reversibilidade do fenômeno, bem como o fato de estudante poder decidir o fato de parar e iniciar novamente a simulação. É por estes motivos que reforça-se a importância da integração das atividades experimentais com as simulações computacionais nesta investigação. Na sequência serão apresentados os resultados que os mapas conceituais apontaram.

## Discussão dos resultados

Buscando indícios de aprendizagem significativa, após a realização do questionário semiestruturado para verificar os conhecimentos prévios, das atividades experimentais e simulações computacionais, como última etapa, os estudantes elaboraram, em duplas, um mapa conceitual que abordasse o que foi estudado. Conforme Moreira (2005) os mapas conceituais são diagramas de significados, de relações significativas; de hierarquias conceituais e não devem buscar classificar conceitos, mas sim relacioná-los e hierarquizá-los.

Para facilitar a análise dos mapas conceituais, os mesmos serão nomeados por M 1 , M e assim sucessivamente. Foram analisados dezoito mapas conceituais 2 construídos, porém apenas alguns serão aqui apresentados. No mapa M 2 observase a organização hierárquica de ideias, porém estabelecem poucas relações entre os conectores. Os estudantes preocuparam-se mais em exemplificar as formas de transferência de energia térmica. A Figura 3 ilustra esse mapa conceitual.

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Figura 3 - Mapa conceitual M 2 elaborado pelos estudantes

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Observando o mapa conceitual M 4 pode-se visualizar uma quantidade significativa de conceitos e proposições relacionados com o conceito central de propagação da energia térmica. Também apresenta, de acordo com Moreira (1983), hierarquias conceituais, mostrando conceitos específicos, pouco inclusivos e exemplos , principalmente quando se refere aos fenômenos de transferência da energia térmica no cotidiano. É importante destacar a ligação entre as três formas de transferência de energia térmica. Os estudantes relacionaram a ocorrência dos três simultaneamente, quando exemplificaram a garrafa térmica como um aparelho destinado a evitar tais processos. A Figura 4 apresenta o mapa conceitual M 4 .

Figura 4 - Mapa conceitual M 4 elaborado pelos estudantes

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A garrafa térmica foi o aparelho utilizado por sete dos dezoito grupos para evidenciar a simultaneidade dos processos de transferência de energia térmica Outro grupo, durante a apresentação do mapa conceitual, destacou que escreveu o termo 'vice e versa' para o sentido de propagação da energia térmica pelo fato de já terem lido que os refrigeradores são máquinas térmicas que operam ao contrário.

O mapa conceitual M 7 , apesar de apresentar mais frases do que conceitos, como é a proposta de um mapa conceitual, elencou elementos importantes, tanto das aulas experimentais quanto das computacionais, observado na escrita à direita

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do mapa conceitual 'as moléculas se agitam'. Essa escrita pode evidenciar a relação visual estabelecida pelos estudantes, pois o movimento das moléculas só pode ser observado com o auxílio da simulação. Trouxe exemplos dos experimentos realizados e a garrafa térmica, onde os três processos de propagação ocorrem simultaneamente. Observe a Figura 5 que apresenta o mapa conceitual M 7 .

Figura 5 - Mapa conceitual M 7 elaborado pelos estudantes

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A partir das afirmações presentes no mapa conceitual M 14 e nas apresentações realizadas, pode-se inferir, segundo a teoria da aprendizagem significativa de Ausubel (2003), que alguns alunos parecem estabelecer relações explícitas entre materiais do cotidiano, experimentos e simulações e a propagação da energia térmica, o que pode evidenciar uma interação substantiva entre o novo conhecimento (transferência da energia térmica) e algum subsunçor já existente na estrutura cognitiva (condutor, isolante, radiação). A Figura 6 destaca os conceitos presentes no mapa M 14 .

Figura 6 - Mapa conceitual M 14 elaborado pelos estudantes

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Observa-se neste mapa a ideia de que a radiação só ocorre no vácuo, uma vez que o correto seria que ela também pode ocorrer no vácuo. Também percebe-se que foram utilizadas cores diferentes, provavelmente para reforçar a distinção entre as formas de propagação de energia térmica. O referido mapa também apresenta indícios da diferenciação de significados e da reconciliação integradora, principalmente quando os estudantes relacionam os experimentos e simulações realizadas com a charge do questionário semiestruturado e ainda, diferenciam a existência dos três processos na garrafa térmica - fato este que não estava presente no questionário inicial - . Isto vem ao encontro do que Moreira (2011a) destaca como uma aprendizagem significativa. De acordo com o autor quando conseguimos progressivamente diferenciar e integrar significados dos novos conhecimentos adquiridos, percebendo diferenças entre eles estaremos simultaneamente procedendo à diferenciação progressiva e a reconciliação integradora, processos estes necessários à construção cognitiva.

## Considerações Finais

Ao analisar o conjunto dos mapas conceituais elaborados pelos estudantes identificam-se aspectos significativos que surgiram como: a garrafa térmica exemplificando os três modos de propagação da energia térmica; a distinção de cada processo; ligações com exemplos do cotidiano; radiação como onda eletromagnética; diferenciação entre calor e temperatura; o movimento das ondas de convecção; apresentação das ideias por meio de diferentes formas de estruturas de mapas conceituais. Apesar de não aparecer explicitamente as atividades práticas ou computacionais nos mapas, pode-se observar vários indícios na forma de palavras ou ideias que representam indiretamente as atividades trabalhadas.

Foi possível verificar, tanto nos questionários das atividades experimentais e computacionais, quanto nos mapas conceituais, a evolução nas respostas e nos conceitos abordados neste conteúdo, apontando indícios de modificação de subsunçores. Cabe também listar alguns aspectos não significativos destas construções como a falta de conexões nos mapas dos três modos de propagação da energia térmica; falta de conexões e flechas nos mapas conceituais; textos escritos dentro das caixas; em vários mapas parece que fica a ideia de que a radiação ocorre apenas no vácuo.

As falas de alguns estudantes durante as aulas - elemento importante para a análise, conforme Carvalho (2005) evidencia - são indícios que convergem para a aprendizagem significativa: ' agora entendo o porquê das lajotas parecerem mais frias e o piso de madeira mais quente!'.( E 4 ); ' Ah!!!! Os coletores solares têm que ser sempre pintados de preto opaco, assim absorvem mais a energia do sol, que é principalmente por radiação!!' (E 15 ); 'Aprender Física dessa forma é muito mais produtivo! Por que a profe não nos deu aula no ano passado?' (E 28 ). Ausubel (2003) destaca em sua teoria, que a linguagem pode determinar ou refletir as operações mentais que se estabelecem para a aquisição de conceitos mais abstratos ou de ordem superior.

Finalmente, analisando o conjunto dos mapas conceituais, verifica-se que, conforme Moreira (2005) e Tavares (2007), a aprendizagem implica atribuição de significados idiossincráticos e os mapas traçados pelos alunos evidenciaram isto. De uma forma geral, os mapas iniciais, apresentaram conceitos e conectores importantes quando se trabalha as formas de propagação da energia térmica.

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Alguns estudantes mencionaram que ouvem, durante os noticiários de previsão do tempo, termos errados, confundindo calor e temperatura. Um dos estudantes mencionou 'É como aquela velha história: você vai na farmácia e sobe na balança para ver sua massa e não o seu peso, como ouvimos muitos falar!'. Isso evidencia que os estudantes modificaram suas concepções iniciais, o que pode ser um indício de reconciliação integradora, que conforme Moreira (2006) faz parte do processo de aprendizagem significativa, resultando num delineamento explícito de similaridades e diferenças entre ideias correlatas.

## Referências

AUSUBEL, David P. Aquisição e Retenção de Conhecimentos: Uma Perspectiva Cognitiva . Paralelo Editora, LDA. LISBOA. 1.ª Edição, 2003.

BRANDÃO, R.V.; ARAUJO, I.S.; VEIT,E.A. A modelagem científica de fenômenos físicos e o ensino de Física. Física na Escola . São Paulo, v. 9, n. 1, 2008.

BRASIL. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. PCN+ Ensino Médio: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC, SEMTEC, 2002.

CARVALHO, A. M. P. Metodología de Investigación en enseñanza de física: Una propuesta para estudiar los procesos de enseñanza y aprendizaje. Enseñanza de la Física v. 18, n. 1, p. 29-37, 2005.

MOREIRA, Marco Antônio. Uma abordagem Cognitiva ao Ensino de Física: A teoria de aprendizagem de David Ausubel como sistema de referência para a organização do ensino de ciências. Porto Alegre: UFRGS, 1983.

MOREIRA, Marco Antônio . Aprendizagem significativa: a teoria de David Ausubel . São Paulo, Centauro, 2001.

MOREIRA, Marco Antônio. Mapas conceituais e diagramas V. Porto Alegre, Ed. Do autor, 2005.

MOREIRA, Marco Antônio . Aprendizagem Significativa: a teoria e textos complementares. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2011a.

SANTOS, J. N. S.; SILVA, R. T. Animação interativa como organizador prévio . In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 15., 2003, Curitiba. Atas do Simpósio Nacional de Ensino de Física. Curitiba: CEFET-PR, 2003. p. 2333-2342. 1 CD-ROM.

SUART, R. C.; MARCONDES, M. E. R. Atividades experimentais investigativas: habilidades cognitivas manifestadas por alunos do Ensino Médio . Em: Encontro Nacional de Ensino de Química, Curitiba, 2008. Resumos... Curitiba, 2008.

TAVARES, R. Construindo mapas conceituais. Ciências &amp; Cognição , Rio de Janeiro, v. 12, p. 72-85, 2007. Disponível em: http://www.cienciasecognicao.org/pdf/v12/m347187.pdf&gt;. Acesso em: 12 mar. 2015.

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