Departamento de Física Universidade Federal do Espírito Santo. Santa Teresa, ES. Resumo

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1 Desenvolvimento e Avaliação de um Módulo Educacional baseado na Modelagem Computacional: Relato de um Projeto na Disciplina Informação, Ciência & Tecnologia no Ensino de Ciências Francis Morelato a, b [fmorelato@gmail.com] Thalita Quinto a [olhosglaucos@gmail.com] Laércio Ferracioli a [l.ferracioli@modelab.ufes.br] a Laboratório de Tecnologias Interativas Aplicadas à Modelagem Cognitiva Departamento de Física Universidade Federal do Espírito Santo b Educandário São Francisco de Assis Santa Teresa, ES Resumo Esse artigo relata o desenvolvimento e avaliação de um Módulo Educacional sobre o Movimento Uniforme e Movimento Uniformemente Variado utilizando um ambiente de modelagem computacional quantitativa. Esse módulo é resultado de um projeto desenvolvido em uma disciplina da graduação do Curso de Física intitulada por Informação, Ciência e Tecnologia no Ensino de Ciências no semestre 2005/01 da Universidade Federal do Espírito Santo. Palavras-Chaves: Modelagem, Modelagem Computacional, Cinemática, Módulo Educacional, Inovação Curricular. 1. Introdução Nos dias atuais a tecnologia de informação e comunicação nas instituições de ensino não se limita mais somente ao contexto administrativo, mas está cada vez mais presente no contexto de sala de aula. Nesta perspectiva, este artigo apresenta o desenvolvimento e avaliação de uma iniciativa de integração de tecnologia em sala de aula que constituiu na construção de um Módulo Educacional baseado na modelagem computacional abordando tópicos de conteúdos específicos de Física relacionados à Cinemática: Movimento Uniforme e Movimento Uniformemente Variado. 2. Referencial Teórico Rampinelli e Ferracioli (2006) afirmam que um modelo pode se entendido como representação de um objeto, sistema ou evento, sendo essa representação construída a partir de regras e relações entre as partes que o compõe e o todo. Nessa perspectiva, Ogborn e Mellar (1994) acreditam que os modelos ajudam-nos a construir a realidade como também analisá-la minuciosamente além de permitir a representação de tudo que sabemos sobre alguns aspectos dessa realidade. Assim, Ogborn (1994) argumenta que o ser humano constrói modelos idealizados e simplificados observando apenas alguns aspectos da realidade que o cerca pelo simples fato dele não ser capaz de entender o conjunto total dos aspectos dessa realidade. Dessa

2 forma, a modelagem num contexto geral pode ser conceituada como o processo de construção de modelos para representar uma situação ou fenômeno onde a continua reestruturação do modelo inicial possibilita a melhoria do modelo inicialmente idealizado levando a resultados mais relevantes comparados a realidade. No contexto educacional as atividades de modelagem podem ser classificadas em dois modos: Exploratório e Expressivo. No Modo Exploratório o estudante é levado a explorar um modelo previamente construído por um especialista ou professor de forma a possibilitar a análise do problema de diferentes formas. Já no Modo Expressivo, o estudante é levado a construir seus próprios modelos a partir de suas idéias sobre um determinado tópico ou fenômeno (Camiletti & Ferracioli, 2001). De acordo com Pinto & Ferracioli (2003) o processo de modelagem requer a utilização de ferramentas que vão desde papel e lápis, e.g. Novak e Gowin,1998, até a utilização de tecnologias interativas, como por exemplo o computador, e.g. Vitale et all,1994. A representação de um modelo no computador permite analisá-lo buscando compreender o comportamento dinâmico do fenômeno traduzido por ele. Para essa finalidade, surge num contexto educacional a Modelagem Computacional a qual utiliza Ambientes de Modelagem Computacional, tais como, o Ambiente STELLA (Camiletti e Ferracioli, 1998), o Ambiente Vensim (Dominicini e Ferracioli, 2000) e o Ambiente WLinkIt (Sampaio e Nunes, 1999, Camiletti, 2001) os quais são baseados nos princípios de Sistemas (Forrester, 1968; 1989). Um ambiente de modelagem computacional é um software que recebe esse nome pelo fato de existir uma proposta pedagógica subjacente à sua utilização e que visa possibilitar ao aluno a ampliação de sua capacidade em formular perguntas e não simplesmente em encontrar respostas (Ferracioli, 2001). As investigações desses ambientes de modelagem computacional têm se mostrado promissoras tanto em nível médio (e.g. Oliveira, 2004; Gonçalves, 2004) quanto em nível superior (e.g Camiletti, 2001; Rampinelli e Ferracioli, 2006). 3. Metodologia Na busca de utilização dessas ferramentas de modelagem computacionais no contexto de sala de aula, a disciplina do curso de Física, intitulada Informação, Ciência e Tecnologia no Ensino de Ciências, inclui atividades de modelagem. A disciplina tem uma carga horária semanal de 5 horas divididas em 2 horas de teoria e 3 horas de atividades práticas. As aulas teóricas incluem a abordagem de fundamentos psicopedagógicos e enfoques teóricos sobre o processo de ensino-aprendizagem relacionados à integração da tecnologia de informação e comunicação e tecnologia da imagem no processo educacional bem como sua integração em sala de aula. As aulas práticas incluem a estruturação, desenvolvimento e implementação de um projeto que é apresentado e avaliado no final do semestre por uma banca de avaliação constituída de professores do Departamento e por colegas de turma. Todas as atividades da disciplina são desenvolvidas em duplas de estudantes estabelecidas no início do semestre. Como exemplares de projetos realizados em semestres anteriores e apresentados em congressos, pode-se citar no caso da Física, Souza et al. (2005) e, no caso da Biologia, Mulinari e Ferracioli (2005). Assim, este artigo relata a construção de um Módulo Educacional abordando tópicos específicos de Física, MRU e MRUV, relativo a um projeto desenvolvido na disciplina no semestre 2005/1. A seguir, serão apresentados o Ambiente de Modelagem Computacional STELLA e o Módulo Educacional.

3 3.1 O Ambiente de Modelagem Computacional Quantitativo STELLA. O ambiente de modelagem computacional utilizado nesse estudo foi o STELLA, acrônio de Structural Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation, cuja tradução para o português seria Laboratório de Aprendizagem Experimental com Animação baseado no Pensamento Sistêmico (e.g. Forrester, 1968; Camiletti e Ferracioli, 1998). Esse ambiente de modelagem vem sendo utilizado desde a década de 80 em várias escolas nos Estados Unidos da América, sendo utilizado nas primeiras versões dos computadores Macintosh, mostrando-se promissor em aplicações em salas de aulas em diversas áreas, tais como, Física, Biologia, Literatura entre outras (Mandinach & Cline, 1994). Nesse ambiente o usuário não precisa trabalhar com equações matemáticas nem dominar uma linguagem de programação: no ambiente STELLA a construção de um modelo é feita utilizando a interface gráfica baseada em ícones que representam variáveis. Essas variáveis podem ser, basicamente, de dois tipos: variável tipo Nível e variável tipo Taxa as quais são baseadas na metáfora de um tanque (Nível) e de uma torneira (Taxa) conforme apresentadas na Figura 01. Figura 01: Os dois Tipos de Variáveis do Ambiente STELLA O modelo STELLA apresentado na Figura 01 representa a situação física de uma torneira (Taxa) enchendo um tanque (Nível). No ambiente STELLA o modelo é construído e simulado na área de trabalho denominada Modo Diagrama conforme Figura 02. Figura 02: Tela do Modo Diagrama para Construção de Modelos

4 Como pode ainda ser observado na Figura 02, o ambiente STELLA possui outros ícones básicos de construção de modelos além de recursos para a construção e disponibilizarão dos resultados da simulação nos formatos de saídas gráficas e em tabelas, conforme descrito no Quadro 01. Quadro 01: Ícones Básicos de Construção de Modelos do STELLA ÍCONE DESCRIÇÃO NÍVEL: representa uma variável que pode ser alterada ao longo do tempo por uma variável do tipo taxa. TAXA: representa uma variável que promoverá a mudança da variável tipo Nível ao longo do tempo. Pode ser Unidirecional ou Bidirecional. CONVERSOR: representa o mecanismo para estabelecer constantes, definir entradas externas para o modelo e realizar cálculos algébricos. CONECTOR: representa uma relação de causa-efeito entre variáveis, expressando uma dependência entre elas. PLATAFORMA DE GRÁFICOS: é usada para traçar o gráfico de uma ou mais variáveis de um modelo em simulação. PLATAFORMA DE TABELAS: é usada para visualizar a saída numérica de uma ou mais variáveis de um modelo em simulação. 3.2 Módulo Educacional Um Módulo Educacional é estruturado em 3 níveis, objetivo, conteúdo instrucional e prática & avaliação (Ferracioli, 2004). Nesse contexto, o Módulo Educacional sobre o Movimento Uniforme e o Movimento Uniformemente Variado teve o objetivo de promover um melhor entendimento e aprofundamento desses dois tipos de movimento abordados em Cinemática. Já o conteúdo instrucional, consistiu em uma abordagem teórica sobre os dois tipos de movimento, apresentando as equações e as formas gráficas gerado por elas. Finalmente, a prática & avaliação consistiu da apresentação do módulo para professores de uma banca os quais avaliaram diversos fatores os quais serão vistos mais adiante no tópico Avaliação do Módulo. 3.3 O Módulo Educacional MRU e MRUV A idéia central desse Módulo Educacional é a construção de um modelo no Ambiente de Modelagem STELLA representando o Problema do Passageiro Trem, onde um passageiro atrasado corre, em movimento uniforme, atrás do trem em movimento uniformemente acelerado. O Módulo Educacional é iniciado por um Menu Principal contendo seis botões de navegação conforme apresentado na Figura 03.

5 Figura 03: Menu Principal do Módulo Educacional No lado esquerdo do Menu Principal o primeiro botão Informações sobre a Utilização do Módulo, auxilia o usuário na navegação pelo Módulo. O segundo botão Problema Passageiro-Trem apresenta o enunciado da situação problema abordado nesse Módulo. O terceiro botão Conhecendo os Movimentos apresenta o referencial teórico do problema proposto, enfatizando os comportamentos gráficos e as equações matemáticas dos dois movimentos. No lado direito do Menu Principal, o botão Conhecendo o Modelo, apresenta passo a passo a construção do modelo explicando cada componente ou variável que o constitui, o qual pode ser visto na Figura 04. Nessa figura, clicando no ícone, aparecerá uma janela contendo informações referentes à variável selecionada. Ao ser fechada, esse mesmo ícone aparecerá agora em outra variável do modelo para que seja possível percorrer todas as variáveis do modelo até sua versão final. Figura 04: Apresentação passo a passo do Comportamento do Modelo

6 Assim, o modelo completo representando os dois fenômenos pode ser visualizado na Figura 05. Nessa figura, o Movimento Uniforme é mostrado no lado esquerdo enquanto o modelo do Movimento Uniformemente Variado encontra-se no lado direito. Figura 05: Apresentação passo a passo do Comportamento do Modelo O segundo botão da direita no Menu Principal, Gráficos dos Movimentos, permite simular o modelo e observar o comportamento gráfico de ambos os movimentos de uma forma dinâmica, sendo possível também observar os valores da posição, da velocidade e da aceleração com o passar do tempo. O último botão da direita, Solução Algébrica, apresenta a solução matemática e a solução gráfica do problema. A Solução Gráfica é apresentado na Figura 06. Nessa figura o botão executar permite o usuário simular o modelo utilizando as condições iniciais do modelo estabelecidos em sua construção, de modo a observar o comportamento gráfico de ambos os móveis e consequentemente seus possíveis encontros. Figura 06: Solução Gráfica do Módulo Educacional

7 No lado direto dessa tela são apresentadas as Variáveis Disponíveis onde o usuário tem a possibilidade de alterá-las através de controladores. Após uma alteração, o usuário pode simular novamente o modelo através do botão Executar e observar de forma dinâmica o comportamento gráfico tanto do Passageiro quanto do Trem, sendo possível verificar se há algum ponto de encontro e em qual instante ele ocorre. Localizado na parte de baixo da Figura 06 existem três Questões onde são sugeridas algumas alterações nas variáveis do modelo no intuito fazer com que o usuário analise as modificações realizadas. 4. Avaliação do Módulo De acordo com o procedimento metodológico da Disciplina, organiza-se uma comissão de avaliação constituída de professores do Departamento de Física e com a finalidade de avaliar os projetos desenvolvidos pelos alunos com relação à Aspectos Computacionais e de Interface e Aspectos Educacionais. Participam também da avaliação as demais duplas de estudantes da disciplina. Essa avaliação é feita a partir de um questionário com 12 itens da avaliação para cada aspecto os quais variam numa escala de 1 (ruim) até 5 (bom). A Tabela 01 mostra a média dessas avaliações para o presente Módulo. Tabela 01: Resultado da Avaliação dos Aspectos Computacionais e de Interface e Aspectos Educacionais do Módulo Educacional Aspectos Computacionais e de Interface Nota (0 a 5) A padronização de interface das seções do Módulo auxilia na sua utilização? 4,8 As informações apresentadas são adequadas aos objetivos do módulo? 4,6 A disposição dos textos, das ilustrações e dos botões de ligação auxilia o uso do módulo? As informações estão organizadas de forma lógica? 4,8 A formatação (fonte, tamanho e cor) utilizada nos textos facilita a leitura? 3,4 O conteúdo é apresentado de maneira clara e objetiva? As ilustrações utilizadas são visualmente adequadas? Existe algum erro conceitual no módulo? 5,0 A apresentação da interface motiva o uso do módulo? O módulo é adequado ao contexto educacional da disciplina em que foi usado? 5,0 O Menu Principal permite entender a estrutura do Módulo? 4,8 O módulo possui atividades que incentivam a formulação de hipóteses? 4,2 Os botões de ligação/ícones/símbolos são bem localizados? 4,0 O módulo possibilita a verificação de hipótese através da análise de resultados das situações? 4,6 Os botões de ligação/ícones/símbolos são de fácil compreensão? 4,2 A linguagem utilizada está de acordo com objetivos do módulo? 4,6 O usuário pode escolher sua própria seqüência de navegação? O módulo possui recursos que motivam a aprendizagem? 4,2 É preciso percorrer muitas páginas para se chegar à informação desejada? O módulo contribui para aprendizagem de novos conhecimentos sobre o tema? 4,2 O módulo é de fácil utilização? 4,6 O módulo o auxiliou a re-elaborar seu conhecimento prévio sobre o tema? 3,6 O módulo contribui para o desenvolvimento de habilidade tais como: interpretação de gráficos, elaboração de hipóteses e identificação de relação entre as variáveis? 4,6 As instruções de simulação são fáceis de serem entendidas? Aspectos Educacionais Nota (0 a 5)

8 Os Aspectos Computacionais e de Interface avaliam a facilidade de trabalho com o Módulo Educacional a partir de sua implementação e design enquanto os Aspectos Educacionais avaliam o uso do Módulo como material instrucional de utilização prévia, paralela ou posterior ao estudo formal deste tópico. Os resultados revelam uma avaliação positiva do Módulo construído, mesmo que tenham havido sugestões de para a melhoria do mesmo as quais foram imediatamente implementadas para sua utilização. 5. Considerações Finais O desenvolvimento do projeto referente à construção de um Módulo Educacional apresentou aspectos relevantes que contribuíram para o aprendizado de um Ambiente de Modelagem Computacional incluindo desde aspectos técnicos da construção de modelos até a sua simulação a uma análise e discussão detalhada de um conteúdo de específico de Física que foi o Movimento Uniforme e Uniformemente Variado. Estes aspectos estão de acordo com um dos objetivos da disciplina Informação, Ciência e Tecnologia no Ensino de Ciências que visa a preparação de um profissional apto a discutir, manusear e implementar suas atividades profissionais com o auxílio do ferramental da tecnologia da informação e comunicação (Ferracioli, 2004). Uma vez concluído o Módulo, conforme dito anteriormente, este pode vir a ser utilizado prévia, paralela ou posteriormente ao estudo formal deste tópico no contexto de sala de aula. Baseado no design do Módulo Educacional, este pode ser utilizado, por exemplo, a partir da estruturação de atividades exploratórias, que, de acordo com Camiletti & Ferracioli (2001), podem levar o estudante a explorar um modelo construído por um especialista ou professor de forma a possibilitar a análise do problema sob diferentes aspectos. Esta perspectiva pode levar o estudante a confrontar suas próprias concepções sobre os tópicos abordados e promover uma possível evolução conceitual sobre o tema. Porém, a integração de ferramentas da tecnologia no contexto educacional, especificamente no contexto de sala de aula a partir dos conceitos de modelagem e modelagem computacional demanda uma investigação sistemática para se concluir sobre suas reais possibilidades no processo de ensino e aprendizagem. 6. Agradecimento Trabalho parcialmente financiado pelo CNPq, CAPES e pelo FACITEC Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia do Conselho Municipal de Ciência e Tecnologia do Município de Vitória, ES. 7. Referências CAMILETTI, G.G. (2001) A Modelagem Computacional Semiquantitativa no Estudo de Tópicos de Ciências: Um Estudo Exploratório com Estudantes Universitários. 218 f. Dissertação (Mestrado em Física) Programa de Pós-Graduação em Física, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória. CAMILETTI, G. G. & FERRACIOLI, L. (2001) A Utilização da Modelagem Computacional Quantitativa no Aprendizado Exploratório de Física. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, 18(2): CAMILETTI, G.G. e FERRACIOLI, L. (1998) Introdução ao Ambiente e Modelagem Computacional STELLA (Versão Preliminar). Série Modelos 01/98, Vitória. Publicação Interna do Model@b/UFES.

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