Letramento científico no ensino fundamental por meio da associação ABP + STEM

## LETRAMENTO CIENTÍFICO NO ENSINO FUNDAMENTAL POR MEIO DA ASSOCIAÇÃO ABP + STEM

Claudiano Ferreira 1 , Paulo Victor Santos Souza 2 , Jorge Simões de Sá Martins 3

1 Instituto Federal do Rio de Janeiro, diano8@yahoo.com.br

2 Instituto Federal do Rio de Janeiro, paulo.victor@ifrj.edu.br

3

University of Colorado, jssmartins@id.uff.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma análise de uma experiência de aprendizagem sobre o conceito de energia, sua conservação e transformações, aplicada a estudantes do 8º ano do ensino fundamental. A metodologia utilizada combinou a Aprendizagem Baseada em Projetos (ABP) com a abordagem curricular STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática), buscando promover o letramento científico dos estudantes. A pesquisa foi conduzida no Colégio Estadual Boa Vista, uma escola pública em Barra Mansa, Rio de Janeiro. Os resultados indicam que a abordagem ABP+STEM, em conjunto com a engenharia reversa de brinquedos, promoveu o engajamento o desenvolvimento de habilidades relacionadas ao letramento científico. Particularmente, O principal indicador de letramento científico utilizado foi a capacidade do estudante de explicar o funcionamento dos brinquedos e propor melhorias, utilizando os conceitos de energia aprendidos. Os resultados apontam que 55% dos estudantes demonstraram um nível satisfatório de letramento científico, sendo capazes de explicar fenômenos e aplicar conceitos em diferentes contextos.

Palavras-chave : Letramento científico; Aprendizagem baseada em projeto; STEM.

## Introdução

Os baixos índices de letramento científico entre estudantes brasileiros, apontados por avaliações como o PISA (Programa Internacional de Avaliação de Estudantes), evidenciam a necessidade de novas abordagens didático-pedagógicas no ensino de ciências. O PISA é um exame internacionais que avalia se os alunos são capazes de compreender conceitos, dados e fenômenos científicos que lhes permitem participar da sociedade como cidadãos letrados cientificamente, bem como formular, empregar e interpretar conhecimentos matemáticos em vários contextos. Em uma escala de 1 a 6, o nível 2 é considerado o nível de conhecimento mínimo e básico. Resultados abaixo disso são considerados insatisfatórios. Os resultados do exame de 2022 mostraram que 73% dos alunos brasileiros tiveram desempenho abaixo do nível mínimo em matemática, enquanto 50% tiveram desempenho abaixo do nível mínimo em leitura. O Brasil também está em último lugar na América do Sul em Ciências, empatado com Argentina e Peru (INEP, 2023).

o baixo rendimento está relacionado à utilização de metodologias de ensino tradicionais (RUSSELL; MARTIN, 2023). Nos últimos anos, metodologias de ensino ativas têm se apresentado como uma alternativa às estas abordagens (POLS et al., 2022). A aprendizagem baseada em projetos (ABP) é uma metodologia importante neste contexto (NOGUEIRA et al., 2022). É frequentemente associada a um enfoque curricular específico de Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática (STEM) (ESPINOSA et al., 2019; SOUZA et al., 2021). Na combinação ABP+STEM os alunos são desafiados a observar, investigar e resolver problemas práticos em

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

situações práticas, incentivando assim a aprendizagem ativa e o desenvolvimento de habilidades como criatividade, pensamento crítico, colaboração e comunicação, que são importantes para o século XXI (ESPINOSA et al., 2019).

- O objetivo deste estudo foi avaliar se a associação ABP+STEM, usando a engenharia reversa de brinquedos como ferramenta didática, pode estimular o letramento científico entre alunos do ensino fundamental II (SIQUEIRA et al., 2023; LAUGKSCH, 2021; SASSERON; CARVALHO, 2011) no estudo da energia e suas transformações, que é um componente curricular da BNCC (BRASIL, 2018).

## Metodologia de pesquisa

A pesquisa foi realizada com estudantes do 8º ano de uma escola pública localizada em uma área periférica de Barra Mansa, Rio de Janeiro. Os estudantes participantes, com idade entre 13 e 15 anos, são provenientes de famílias de baixa renda e com histórico de baixa escolaridade. A metodologia de pesquisa utilizada foi a observação participante, com a coleta de dados realizada por meio de desenhos, quizzes online, simulações interativas, relatórios da atividade de engenharia reversa, avaliação somativa e formulário de apreciação (CRESWELL, 2012). Neste trabalho nos concentramos exclusivamente na resposta dos alunos à pergunta final do formulário de apreciação da proposta, a saber, 'escreva quais conceitos, fenômenos, habilidades você aprendeu com as atividades desenvolvidas'. As respostas dos alunos foram analisadas mediante a análise do discurso de Bardin (BARDIN, 2012).

## A engenharia reversa e o ensino de ciências - uma breve revisão bibliográfica

Nesta seção, apresentamos uma revisão bibliográfica acerca da utilização da engenharia reversa no ensino de ciências, elemento que consideramos inovador neste trabalho. A pesquisa, realizada no Portal de Periódicos da CAPES e no Google Acadêmico, revelou a escassez de trabalhos com essa temática no Brasil.

Dentre os estudos em língua inglesa, destaca-se o artigo "Using Reverse Engineering in the Classroom to Teach Creativity" de Boyette (2004). O autor define engenharia reversa como o exame detalhado de um dispositivo, produto ou processo para compreender seus materiais, fabricação, função e uso. Apesar dos obstáculos para sua aplicação, como a associação com a violação de propriedade intelectual, Boyette (2004) argumenta que a engenharia reversa possui aplicações legítimas em diversos campos, como: reconstrução de equipamentos obsoletos; verificação de patentes e licenciamentos; análise forense de acidentes; compreensão da evolução tecnológica em arqueologia e aprimoramento de produtos e redução de custos. Boyette (2004) relata sua experiência com a aplicação da engenharia reversa em um curso de Design em Engenharia Biológica e Biomédica. Os estudantes, após palestras sobre o tema, receberam fechaduras para desmontar, documentar o processo e especular sobre seus aspectos de design. O autor conclui que a atividade promoveu o pensamento crítico, a criatividade e a atenção a detalhes.

Também em língua inglesa, Clark (2015), em sua dissertação "Reverse Engineering For Freshman through Senior", propõe um projeto de engenharia reversa com complexidade progressiva para o ensino médio. O autor destaca o potencial da atividade para o engajamento dos estudantes e sugere critérios para a

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

escolha dos dispositivos: baixo custo, fácil desmontagem, grau de complexidade e interesse dos alunos. Clark (2015) conclui que a atividade permite trabalhar habilidades de matemática, física e engenharia.

Em língua espanhola, Monroy et al. (2017), em "Caracterización de los Contextos de Uso de la Ingeniería Inversa", exploram a aplicação da engenharia reversa na educação, baseando-se no Construtivismo Filosófico de Kant. Os autores argumentam que a engenharia reversa, como ferramenta de ensino, possibilita: aprender com sucessos e fracassos reais; desenvolver a curiosidade e o interesse dos estudantes; recuperar o conhecimento presente em produtos de software; desenvolver competências para modelar, programar e realizar a manutenção de softwares e corrigir erros no processo de aprendizagem.

Também em língua espanhola, Acosta (2013), em "Uso de la Ingeniería Inversa Como Metodología de Enseñanza En La Formación Para La Innovación", defende a inclusão da engenharia reversa nos currículos de engenharia. Acosta (2013) conclui que a prática da engenharia reversa desenvolve habilidades como a compreensão completa de produtos de engenharia, a formulação de hipóteses, a revisão de conceitos físicos e experimentação, e a proposição de melhorias em projetos.

Não encontramos, contudo, pesquisas que apresentem algum resultado ou discussão acerca do uso da engenharia reversa no ensino fundamental, particularmente, o uso de engenharia reversa de brinquedos no ensino-aprendizagem de ciências.

## O modelo instrucional

O modelo instrucional adotado foi composto por 17 atividades, distribuídas em seis encontros síncronos de 100 minutos cada e atividades assíncronas, buscando abordar o conceito de energia e suas transformações a partir de diferentes perspectivas, utilizando recursos como desenhos, quizzes online, simulações interativas e engenharia reversa. Na tabela 01 é apresentada uma versão sumária do modelo instrucional. O componente do modelo que tem caráter absolutamente inovador diz respeito à realização de exercícios de engenharia reversa, algo ainda inédito em países de língua portuguesa (BOYETTE, 2004; ACOSTA, 2013; MONROY et al., 2017). Na tabela 01 é apresentada uma descrição sumária do modelo instrucional.

## Resultados e discussão

Neste trabalho, dentre as várias atividades realizadas e conteúdos produzidos pelos estudantes, a análise dos indicadores de letramento científicos foram feitas exclusivamente nas respostas da seguinte pergunta do questionário de apreciação, respondido pelos estudantes ao final da sequência didática: 'Para finalizar, escreva quais conceitos, fenômenos, habilidades você aprendeu com as atividades desenvolvidas:'. Participaram desta atividade trinta e seis estudantes. As respostas dos alunos já categorizadas são mostradas na figura 01. Quatro estudantes não responderam à pergunta e foram classificados no primeiro critério. Outros quatro estudantes, que foram citados no diagrama entre os critérios um e dois, escreveram que aprenderam o conteúdo, porém não citaram os conceitos aprendidos (critério vermelho na figura 01). Se enquadram neste critério respostas tais como: 'Muito bom, aprendi muita coisa' e 'Eu achei todas as aulas extremamente interessantes'.

Tabela 01: Descrição sumária do modelo instrucional

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Oito estudantes somente mencionam os conceitos aprendidos (critério amarelo na figura 01). Um exemplo de resposta que se enquadra nesta categoria é 'Aprendi muito sobre engenharia reversa'. Doze estudantes citam os conceitos científicos aprendidos para explicar o que aprenderam (critério roxo na figura 01). Uma das respostas que se enquadra nesta categoria é reproduzida na figura 02A. Finalmente, estudantes falam da aplicação dos conceitos e fenômenos científicos aprendidos (critério verde na figura 01).

Uma das respostas que se enquadra nesta categoria é reproduzida na figura 02B. Uma vez categorizadas as respostas, utilizou-se a definição de letramento científico segundo o PISA apenas para um comparativo na dimensão de competência. Estas competências foram adaptadas por Siqueira et al. (2023) e agrupadas em três grandes grupos, a saber, (1) explicar fenômenos cientificamente, o que implica 'recordar e aplicar conhecimentos científicos apropriados', 'identificar, gerar e usar modelos e representações explicativos', 'fazer e justificar previsões apropriadas', 'oferecer hipóteses explicativas' e ' explicar as potenciais implicações do conhecimento científico para a sociedade'; (2) avaliar e planejar investigações científicas, o que implica 'identificar a questão explorada em um determinado estudo científico', 'distinguir questões que poderiam ser investigadas cientificamente, 'propor uma forma de explorar cientificamente determinada questão', 'avaliar formas de explorar cientificamente uma questão' e 'descrever e avaliar como os cientistas asseguram a confiabilidade dos dados, a objetividade e a generalização das explicações; (3) interpretar dados e evidências cientificamente, o que implica 'transformar dados de uma representação para outra', 'analisar e interpretar dados e tirar conclusões apropriadas', 'identificar as premissas, as evidências e o raciocínio em textos relacionados à ciência', 'distinguir entre argumentos baseados em evidências e teoria científicas e argumentos baseados em outras considerações' e 'avaliar argumentos e evidências científicas de diferentes fontes (ex.: jornais, internet, periódicos)'.

Figura 01: Respostas dos alunos categorizadas.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

<!-- image -->

Tendo em vista esses critérios, pode-se concluir que as respostas dos estudantes classificadas nos critérios um e dois, totalizando dezesseis estudantes (44%), que não citam ou apenas citam sem explicar o conceito, não podem ser consideradas com algum nível de letramento científico dentro das competências apontadas pelo PISA, visto que não apontam nenhuma tentativa de desenvolvimento de raciocínio. Por outro lado, as respostas dos estudantes classificadas no terceiro critério, doze estudantes, 33% do total, refere-se aos estudantes que demonstraram utilizar os conceitos científicos para explicar as situações trabalhadas na sequência didática, estão na habilidade 'explicar fenômenos cientificamente' e competência 'recordar e aplicar conhecimentos científicos apropriados'. As respostas dos estudantes classificadas no quarto critério, oito estudantes, 22% do total, refere-se aos estudantes que falam da aplicação dos conceitos científicos, estão na habilidade 'explicar fenômenos cientificamente' e competência 'recordar e aplicar conhecimentos científicos apropriados'. Conclui-se que 55% do total dos alunos demonstrou alguns sinais e indicativos que sugerem a presença de algum nível de letramento científico.

## Comentários finais

Neste trabalho analisamos os resultados de um modelo instrucional que combina a ABP à abordagem STEM no aprendizado de estudantes do 8º ano do ensino fundamental em uma escola pública da rede estadual da cidade de Barra Mansa, Rio de Janeiro, do conceito de energia e suas transformações. Um dos objetivos do modelo instrucional foi promover o letramento científico dos estudantes. O modelo é composto por 17 atividades distribuídas em seis encontros, e inclui a produção de desenhos, quizzes online, simulações interativas e atividades de engenharia reversa. O elemento do modelo instrucional que é efetivamente inovador é a engenharia reversa dos brinquedos. De fato, dentro do melhor conhecimento dos autores, não foram encontradas referências na literatura ao uso de engenharia reversa no ensino fundamental. Os resultados indicaram que, depois de desenvolver as atividades propostas, cerca de 55% dos estudantes demonstraram um nível satisfatório de letramento científico.

Mesmo que os resultados sejam interessantes, reconhecemos algumas restrições da pesquisa realizada. Para começar, a pesquisa foi realizada em uma única escola pública com um número limitado de alunos. Por causa disso, os resultados podem ser limitados ao ser aplicados a outras escolas e contextos. Além disso, a avaliação do letramento científico tem se baseado principalmente em atividades práticas e relatos dos alunos. Isso pode apresentar caminhos para interpretação e subjetividade. A falta de um grupo de controle dificulta a comparação

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

direta com outras metodologias de ensino. Além disso, é difícil atribuir os resultados exclusivamente à abordagem ABP+STEM.

Cabe-nos ressaltar que os resultados apresentados neste trabalho são um fragmento da pesquisa realizada por um dos autores no contexto de seu curso de mestrado em ensino de física. Desse modo, para verificar a replicabilidade, pretendemos implementar novamente o modelo instrucional em um contexto ligeiramente diferente. Além disso, pretendemos também utilizar métodos de avaliação mais padronizados e incluir um grupo de controle, o que pode fornecer uma avaliação mais completa do impacto do modelo instrucional no letramento científico dos estudantes.

Figura 02: Exemplos de respostas que sugerem certo grau de letramento científico

<!-- image -->

## Referências

ACOSTA, D. A. R. Uso de la ingeniería inversa como metodología de enseñanza en la formación para la innovación. In: World Engineering Education Forum: Innovation In Research And Engineering Education: Key Factors For Global Competitiveness. [S.l.], 2013. p. 1-7.

BARDIN, Laurence. Análise de Conteúdo . São Paulo: Edições 70, 2011.

BRASIL. Base Nacional Comum Curricular . Ministério da Educação, 2018.

BOYETTE, M. D. Using reverse engineering in the classroom to teach creativity. In: proceedings of 2004 ASEE annual conference, Salt Lake City, Utah: ASEE Conferences . [S.l.: s.n.], 2004.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

CLARK, C. B. Reverse Engineering for Freshman through Seniors . 2015. Dissertação (Mestrado em Tecnologia) - East Tennessee State University, Johnson City, Tennessee, 2015.

CRESWELL, John W. Educational Research: Planning, Conducting, and Evaluating Quantitative and Qualitative Research. 4ª ed. Boston: Pearson, 2012.

ESPINOSA, T.; MILLER, K.; ARAUJO, I.; MAZUR, E. Reducing the gender gap in students' physics self-efficacy in a teamand project-based introductory physics class. Physical Review Physics Education Research , v. 15, p. 010132, maio 2019.

INEP, I. N. de Estudos e P. E. A. T. Pisa 2023. Relatório Nacional, 2023.

LAUGKSCH, C. R. Scientific literacy: A conceptual overview. Science education , Wiley Online Library, v. 84, n. 1, p. 71-94, 2000.

MONROY, M. E.; ARCINIEGAS, J. L.; RODRÍGUEZ, J. C. Caracterización de los contextos de uso de la ingeniería inversa. Información tecnológica , SciELO Chile, v. 28, n. 4, p. 75-84, 2017.

NOGUEIRA, Andreza Marques; PEREIRA, Marta Máximo; SOUZA, Paulo Victor Santos. Cidades inteligentes como eixo estruturante de uma sequência didática para o ensino remoto. Revista de Educação, Ciências e Matemática , v. 12, n. 1, 2022.

POLS, C. F. J.; DEKKERS, P. J. J. M.; VRIES, M. J. de. Defining and assessing understandings of evidence with the assessment rubric for physics inquiry: Towards integration of argumentation and inquiry. Physical Review Physics Education Research , v. 18, n. 1, p. 010111, fev. 2022.

RUSSELL, T.; MARTIN, A. K. Learning to teach science. In: Handbook of research on science education . [S.l.]: Routledge, 2023. p. 1162-1196.

SASSERON, L. H.; CARVALHO, A. M. P. de. Alfabetização científica: uma revisão bibliográfica. Investigações em ensino de ciências , v. 16, n. 1, p. 59-77, 2011.

SIQUEIRA, I. de S.; MONTEIRO, C. M.; INTORNE, A. C.; SOUZA, P. V. S. Letramento científico e o desafio da garrafa: Uma sequência didática sob a ótica de Vygotsky. Experiências em Ensino de Ciências , v. 18, n. 4, p. 663-674, 2023.

SOUZA, Paulo Victor Santos et al. Fluídos não newtonianos e a solução do problema milenar da armadura-uma proposta para o ensino remoto com enfoque CTEAM. Revista de Enseñanza de la Física , v. 33, n. 2, p. 479-486, 2021.

TULARAM, G. A. Traditional vs non-traditional teaching and learning strategies-the case of e-learning! International Journal for Mathematics Teaching and Learning , v. 19, n. 1, p. 129-158, 2018.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_