CAPÍTULO 5 APLICAR, EXPERIMENTAR, SIMULAR

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2 Para testar a utilização de software educativo, o segundo complemento digital proposto, CD2, escolheu-se o Equilíbrio Químico e o programa LE CHAT. Neste capítulo fundamenta-se a escolha do tema e faz-se uma breve descrição da ferramenta usada. Finalmente, descreve-se a experiência e apresentam-se os resultados. 84

3 «Be very, very careful what you put into that head, because you will never, ever get it out.» Cardeal Thomas Wolsey (1475?-1530) 1. O tema Equilíbrio Químico Unidade 3: Reacções incompletas e equilíbrio químico. (ANEXO E) Transformações físicas e químicas; Reacções incompletas e interpretação à escala molecular: equilíbrio químico; Múltiplos estados de equilíbrio em sistemas homogéneos e heterogéneos. Princípio de Le Chatelier e suas aplicações industriais. in Programa Oficial de Ciências Físico-Químicas 10º ano, em vigor em 2002/2003 A escolha desta unidade deve-se a acreditarmos que o Equilíbrio Químico (EQ) é um tema incontornável, central e complexo. É incontornável, uma vez que, pela sua importância, nunca poderá deixar de constar de qualquer versão dos programas do Ensino Secundário, presente ou futura. A revisão curricular em curso inclui o EQ, embora com uma abordagem diferente, no programa de Física e Química A do 11º ano 1 (PROGRAMA10, 2003). O tema é novamente objecto de atenção no 12º ano. É central, pois trata-se de um tema fundamental para a compreensão de fenómenos em várias áreas, como ácido-base, oxidação-redução e solubilidade. Por outro lado, os alunos revelam frequentemente dificuldades na compreensão de muitos conceitos relativos ao tema, e nós professores, sentimos por vezes alguma dificuldade em explorar esta unidade temática do modo mais claro, pelo que podemos classificá-lo como complexo. PAIVA (2000) identifica 32 concepções alternativas (CA) em relação a este assunto e apresenta os resultados de um inquérito online (WWWQUI, 2003) destinado a professores de Ciências Físico- Químicas que tentou apurar, através da percepção dos professores, qual a incidência nos alunos de algumas CA em EQ; os professores inquiridos classificavam cada CA com valores de 1 ( nunca detectei ) a 4 ( detecto com muita frequência ). Desses resultados destacam-se os seguintes aspectos: Todas as CA aparecem, na opinião dos professores, com razoável frequência nos alunos. De entre as 17 CA consideradas, a pontuação média mais baixa é 1,8, para a CA «no equilíbrio, a concentração dos reagentes é igual à concentração dos produtos da reacção», a menos frequente na sensibilidade dos professores. Em média, as CA estudadas registam valores de frequência por volta de 2,3, sintoma de que são observadas pelos professores com uma frequência significativa. Com valores médios superiores a 3 surgem as CA: «reacções muito extensas demoram muito a atingir o equilíbrio», «o princípio de Le Châtelier tem a mesma força de leis físicas como as de Newton: a sua aplicabilidade é universal» e «o equilíbrio é uma situação estática». 1 Unidade 1 Química e Indústria: equilíbrios e desequilíbrios. 85

4 Muitos dos alunos, mesmo após terem feito a aprendizagem do tema, mostram ainda possuir concepções erradas sobre EQ quando o assunto volta a ser abordado. O que acontece é que, em temas complexos como este, é frequente o treino da mecanização das respostas em vez de realmente se entender e interiorizar. O EQ parece-nos, pois, um tema especialmente indicado para ser acompanhado por simulações computacionais que permitem a visualização e manipulação de fenómenos, assim potenciando a compreensão e facilitando uma correcta aprendizagem dos conceitos envolvidos. 2. A ferramenta: o LE CHAT O programa "LE CHAT" é uma simulação em EQ. Permite visualizar graficamente o atingir do equilíbrio em sistemas químicos gasosos, bem como as alterações produzidas por alterações de concentrações de reagentes ou produtos, temperatura do sistema ou pressão (volume) a que o sistema está sujeito, de acordo com o Principio de Le Chatelier. O programa destina-se a alunos dos actuais 10º e 12º anos de escolaridade, e ainda a alunos dos primeiros anos universitários. Foi utilizada a versão 2.1, em português, que pode ser encontrada através do MOCHO, outro dos complementos digitais utilizados nesta investigação, o CD3, e que é tratado no capítulo 6 (LE CHAT, 1998). Fig. 5.1 Ecrã principal do LE CHAT

5 O ecrã principal do programa é composto por várias janelas (Fig. 5.1). Aí, podemos seleccionar uma das várias equações químicas disponíveis, e em seguida dar início à simulação, clicando no botão correspondente. Surge a simulação visual do vaso de reacção e os gráficos de concentração, do quociente da reacção e da velocidade em função do tempo. À direita do ecrã, os valores das concentrações de reagentes e produtos vão sendo sucessivamente actualizadas em termos numéricos, e em termos de barras coloridas. É ainda possível adicionar um catalisador e ver o seu efeito. É também possível alterar as concentrações das espécies intervenientes, a temperatura de reacção, o volume e verificar os seus efeitos sobre o sistema em estudo. Sempre que se atinge o estado de equilíbrio observa-se, na equação química, setas em constante movimento quer no sentido directo quer indirecto. Existe a hipótese de se escolher a simulação livre ou a simulação guiada por roteiros de exploração (RE). O programa possui 2 roteiros para alunos do 10º ano mas existe a possibilidade de edição de novos roteiros. 3. A investigação do CD Objectivo Objectivo principal: Determinar o impacto da utilização de software educativo no processo de ensino/aprendizagem (E/A) do Equilíbrio Químico, no 10º ano. Objectivo complementar: Determinar o impacto resultante dessa utilização de software educativo ser guiada por roteiros de exploração (RE) Tipo de investigação GE L A X L O GE RE A X RE O GC A O X L utilização livre do LE CHAT X RE utilização do LE CHAT com roteiros de exploração 87

6 3.3. Os sujeitos da investigação Tabela 5.1 Distribuição dos sujeitos da investigação para o CD2 TURMA PARTICIPANTES Total GE RE GE L GC C D TOTAIS Procedimento O tratamento: Todos os sujeitos já conheciam: Aspectos quantitativos das reacções químicas: quantidade de substância, massa molar, volume molar, concentração de soluções; Reacções químicas, equações químicas, cálculos baseados nas equações químicas; Reacções químicas completas e incompletas, rendimento de uma reacção química; Reacções químicas endoenergéticas e exoenergéticas; Interpretação da evolução das reacções químicas com base na teoria cinético-corpuscular; Velocidade média da reacção em termos de concentração do(s) reagente(s) e do(s) produto(s); Factores que alteram a velocidade de uma reacção química; Foi feita uma introdução sobre EQ, numa aula teórica de 60 minutos, comum ao GE e GC: Transformações completas/incompletas, irreversíveis/reversíveis; Estado de equilíbrio de um sistema; Características dinâmicas do estado de equilíbrio químico; Exemplo de curvas de variação das concentrações dos reagentes e dos produtos de reacção em função do tempo (só um exemplo genérico para reacção completa A B e equilíbrio A B). Foi ainda referido que alguns factores podem alterar momentaneamente o estado de equilíbrio de um sistema fazendo-o evoluir para um novo equilíbrio. Foi proposto aos alunos que sugerissem que factores seriam esses e depois de alguma discussão fez-se uma lista com os seguintes concentração, pressão, temperatura, catalisador que seriam depois investigados. Na aula prática imediatamente a seguir sessão de 110 minutos, com o GE e GC separados foi proposto que se investigasse quais daqueles factores referidos na aula teórica realmente afectariam o estado de equilíbrio de um sistema e como o afectariam. 88

7 Aos alunos do GC foi-lhes dito que se juntassem em grupos de dois, discutissem entre eles, consultassem o livro de apoio (CORRÊA, NUNES E ALMEIDA, 1997) e tentassem chegar a uma conclusão. Em seguida as várias conclusões de cada grupo foram apresentadas a toda a classe e comparadas e, quando necessário, corrigidas. Para finalizar foi-lhes dito que resolvessem os exercícios de aplicação do livro sobre este assunto. Os alunos do GE foram levados para uma sala de informática. Foi-lhes dito que se juntassem em grupos de dois e que escolhessem um computador e o ligassem. Em seguida, deveriam clicar no ícone do LE CHAT (previamente criado nos ambientes de trabalho). Utilizando um dos computadores facilmente visível por todo o grupo, foi-lhes mostrado, de modo muito resumido, em que consistia o programa, como podiam escolher uma reacção, como fazer a simulação avançar, como modificar alguns parâmetros, sendo ainda feita uma chamada de atenção para o visor da simulação da reacção e o dos gráficos. Foi-lhes sugerido que gastassem alguns minutos a clicar nos vários botões para se habituarem ao programa. Os pares formados foram distribuídos aleatoriamente por dois sub-grupos. A um dos sub-grupos foi dito que explorassem o programa livremente (GE L ), fazendo as manipulações e modificações que bem entendessem, de modo a chegar à resposta sobre como/se aqueles factores suspeitos da lista feita na aula teórica influenciariam o estado de equilíbrio de um sistema. À outra metade foi pedido que fechassem a simulação livre e abrissem os roteiros de exploração (GE RE ), escolhessem cada um dos roteiros do 10º ano, e os seguissem. Pouco antes do final da aula, todos fecharam o programa e desligaram os computadores e cada grupo concluiu para si, quais os factores que afectariam o estado de equilíbrio de um sistema e como o afectariam. As várias conclusões de cada grupo foram apresentadas a toda a classe e comparadas e, quando necessário, corrigidas. Em relação ao EQ, na aula prática do GE, a professora só se manifestou no início para propor a questão que seria investigada, e no fim, para garantir que todos tomavam conhecimento das conclusões correctas. Na do GC, além desses dois momentos, a professora proporcionou algum feedback durante a discussão, para compensar de certo modo o proporcionado pelo programa ao GE. A medição 1 observação: A sessão do GC decorreu calmamente. A maior parte dos sujeitos do GC tiveram dificuldade em chegar às conclusões só a partir da discussão do assunto. Grande parte deles teve dificuldade em organizar uma estratégia de utilização do livro para auxiliar a discussão e a maior parte solicitou a participação da professora. O grosso do grupo chegou às conclusões finais, copiando-as do texto do livro. 89

8 Todos os alunos, em grupos de dois, resolveram os exercícios do livro sobre EQ e, finda a sessão, ficou a impressão de que teriam compreendido o assunto. A sessão do GE foi agitada. A mudança da sala habitual para uma sala de Informática causou atrasos e muita excitação inicial. Além de que a perspectiva de ir para a sala dos computadores fez com que todo o grupo começasse por encarar a sessão como uma actividade de tempos livres. Grande parte dos sujeitos do GE mostraram pouco à vontade com o computador e foi necessário ajudá-los a arrancar o programa. Todos os sujeitos do GE mostraram dificuldade em usar o programa 2. As raparigas mostraram mais dificuldade que os rapazes, quer a usar o computador quer a usar o programa. Todos os sujeitos do GE mostraram dificuldade em estabelecer estratégias de manipulação das variáveis para chegar às respostas pretendidas Os sujeitos do GE que utilizaram RE conseguiram superar essa dificuldade por seguirem as instruções dos roteiros. Todos os sujeitos do GE tiveram dificuldade em escrever as conclusões finais. Finda a sessão, ficou a impressão de que teriam ficado confusos. Os alunos do GE partilharam melhor o trabalho em grupo do que os alunos do GC, que pareciam preferir trabalhar individualmente. A medição 2 pós-teste: O pós-teste (ANEXO H1) foi integrado no 2º teste de avaliação do 1º período (Dezembro de 2002) e ocorreu imediatamente a seguir à aula prática, nada mais tendo sido discutido sobre o assunto até lá. Os resultados do pós-teste apresentam-se no ANEXO H2. Não foi realizado pré-teste uma vez que o EQ é um tema completamente novo para todos e por ter sido verificada a equivalência ente o GE e GC (ver capítulo 3, secção 3.2) Análise e discussão dos resultados Hipótese: A utilização do CD2 influenciou a aprendizagem medida. H 1 M E M C H 0 M E = M C = 0,05 2 O LE CHAT existe também em Inglês, versão que se encontra disponível no CD-ROM General Chemistry Collection, 6ª edição, do Journal of Chemical Education (JCE, 2002). Esta versão apresenta um interface mais simples, criado para responder às dificuldades de alguns utilizadores mais jovens e/ou inexperientes. 90

9 Tabela 5.2 Comparação estatística de M para o GE e GC para o CD2 (Quadro fornecido pelo Analysis ToolPak do Microsoft Excel ) Teste T: duas amostras com variâncias desiguais Média 48, , Variância 435, , Observações Hipótese de diferença de média 0 gl 50 Stat t 1, P(T<=t) bi-caudal 0, t crítico bi-caudal 2, M C M E Aceitamos H 0 : as médias do GE e GC são estatisticamente iguais. A utilização do LE CHAT parece não ter influenciado a aprendizagem medida sobre EQ. Apesar de existir diferença entre a média das classificações obtida nas questões sobre EQ, pelo GE e pelo GC, esta não é estatisticamente significativa. A ausência de diferença significativa ente as médias, mas sobretudo o facto da pequena diferença que se observa se manifestar no sentido oposto ao esperado, requer a nossa atenção. Isto é, aparentemente, a utilização do programa não teria acrescentado nada ao trabalho do GE ou tê-lo-ia até penalizado. Este resultado não é tão surpreendente como poderia parecer à primeira vista e poderá ser melhor compreendido se recordarmos a descrição da experiência, nomeadamente: o GE ter sido obrigado a mudar da sala habitual para uma sala de Informática; o GE ter mostrado pouco à vontade com o computador e com o programa; a aula prática do GE ter sido agitada; o GC ter usado estratégias que lhes são familiares; a aula prática do GC ter decorrido calmamente. Assim, acreditamos que a razão do GC ter aparentemente ficado com ideias mais claras sobre o assunto do que o GE, que acabou a sessão confuso, e de essa impressão se ter esboçado no pós-teste, é muito provavelmente apenas o reflexo da falta de hábito destes alunos em relação a este tipo de aulas. Além disso, o à vontade que estes jovens mostram com o computador parece de algum modo diminuir quando verificam que vão trabalhar a sério em actividades lectivas, e não apenas jogar. Até os alunos mais experientes com estas técnicas, nomeadamente aqueles mais habituados a jogos de computador, e que geralmente nem precisam das instruções para lhes desvendar os mistérios, parecem experimentar dificuldades acrescidas em descobrir como usar um jogo educativo. Isto parece estar de acordo com o facto de estes jovens, segundo eles próprios (ver capítulo 1, secção 3.5), «não gostarem de jogos educativos». Mas, até que ponto uma melhor classificação no pós-teste significa necessariamente ideias mais claras sobre EQ? A perspectiva quase exclusivamente dedicada ao sucesso na avaliação sumativa com 91

10 que a maior parte dos alunos das nossas escolas secundárias encaram esses 3 anos um período de acesso à Universidade faz com que muitas vezes treinem a mecanização das respostas, sobretudo em temas complexos como o EQ, sem que os assuntos sejam realmente entendidos e interiorizados. Sobretudo alunos com o perfil dos participantes deste estudo (ver capítulo 3, ponto 3.1) jovens com rendimento escolar acima da média, pertencentes a um estrato sócio-económico e cultural elevado, com intenções de prosseguir estudos universitários. O GC esteve durante parte da aula prática a resolver exercícios do livro, exercícios que tinham soluções e livro que podiam consultar. O tipo de tarefa que lhes é familiar e que permite o treino de respostas certas, muito frequente neste assunto. O GE debateu-se com tarefas a que não estão habituados. Estes jovens, embora com computador e Internet em casa na sua maior parte, não os utilizam em sala de aula ou, digamos, a sério. O treino das respostas certas foi dificultado. Mas, quem sabe se, passado o primeiro choque, não se descobriria, aqui sim, ideias verdadeiramente mais claras sobre o assunto? 3 Uma referência ainda ao valor das classificações sobre EQ, que rondam os 40% 50%, muito inferiores aos resultados obtidos na globalidade do teste, entre os 65% 70% (ANEXO H3). A Fig. 5.2 representa o histograma com a distribuição dessas classificações. No gráfico podemos observar claramente como a curva EQ está muito mais deslocada para a esquerda do que a curva TESTE, pondo em evidência a baixa performance alcançada no grupo sobre EQ. 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Classificações / 100 pontos GC - EQ GC - TESTE GE - EQ GE - TESTE Fig. 5.2 Comparação dos resultados sobre EQ e resultados totais no TESTE Esse aspecto é contudo comum ao GE e GC, pelo que acreditamos que se deve essencialmente à tradicional dificuldade dos alunos em relação a este tema, acrescida do facto de ambos os grupos terem seguido estratégias pouco convencionais nas aulas, tendo-se promovido atitudes de pesquisa e discussão em detrimento de aulas meramente expositivas, com que estes alunos estão mais 3 Haveria todo o interesse de continuar este estudo experimental com estes sujeitos, mas, por absoluta falta de tempo (um programa extenso a cumprir) e de condições (dificuldades em conseguir novamente a sala de informática para um horário compatível), foi impossível. Teria sentido, nomeadamente, fazer entrevistas complementares aos alunos do GE. 92

11 familiarizados. Além disso, por se tratar de uma situação experimental controlada, não se realizaram, para o EQ, as tradicionais aulas de dúvidas 4. Hipótese: A utilização de RE com o CD2 influenciou a aprendizagem medida. H 1 M EL M ERE H 0 M EL = M ERE = 0,05 Tabela 5.3 Comparação estatística de M E para o GE L e GE RE para o CD2 (Quadro fornecido pelo Analysis ToolPak do Microsoft Excel ) Teste T: duas amostras com variâncias desiguais M ERE M EL Média 47, ,5 Variância 473, , Observações Hipótese de diferença de média 0 gl 24 Stat t 2, P(T<=t) bi-caudal 0, t crítico bi-caudal 2, Aceitamos H 1 : as médias do GE L e GE RE são estatisticamente diferentes. A utilização de RE parece ter influenciado a aprendizagem medida sobre EQ. Os roteiros realmente ajudaram os alunos; os alunos do GE que exploraram o programa livremente perderam-se mais do que os que seguiram roteiros; este resultado manifestou-se na observação da sessão prática mas foi também provado claramente pelos resultados do pós-teste Conclusão Não é possível emitir uma conclusão sobre o impacto no processo de ensino/aprendizagem do Equilíbrio Químico no 10º ano da utilização do software educativo LE CHAT. Houve vantagem em que a utilização do software educativo LE CHAT tivesse sido guiada por roteiros de exploração. 4 A classificação obtida no grupo de EQ foi retirada do total do 2º teste do 1º período e não pesou na classificação do período. O EQ e o LE CHAT voltaram a ser objecto de atenção no início do 2º período, embora sem objectivos experimentais, apenas para actividades de recuperação e de igualização dos grupos em relação ao assunto. Em sessões para o GC e GE, o LE CHAT foi manipulado pela professora num computador à vista de todos, que participaram nas interpretações e conclusões. Foi disponibilizado no FQONLINE (capítulo 4 secção 1) ao GE e em CD ao GC. O EQ entrou na avaliação do 2º período. 93

12 3.7. Crítica As características muito próprias da amostra limitam, como já vimos (capítulo 3, secção 5.1), a validade externa desta investigação. No entanto, acreditamos que as conclusões deste estudo específico, referente ao CD2, serão válidas para a generalidade da população das escolas portuguesas, cuja prática da utilização de software em contexto educativo é tão incipiente como a desta amostra (capitulo 1, secção 2.2 e secção 3.5). Vejamos agora as ameaças à validade interna (capitulo 3, secção 5.2). Um indivíduo do GE não participou numa das fases do estudo (faltou ao pós-teste) mas não acreditamos que esse facto tenha tido qualquer influência de salientar nos resultados. As sessões práticas do GE e do GC ocorreram durante a mesma tarde e uma imediatamente a seguir à outra. Todos os alunos tomaram conhecimento do que se ia passar apenas no início das sessões pelo que não houve tempo de imitação de atitudes entre os grupos ou do surgir de rivalidades ou ressentimentos que pudessem influenciar os resultados do pós-teste, que ocorreu logo a seguir. Para atenuar a ameaça resultante da expectativa optimista em relação ao CD2, a professora que orientou a fase experimental com os alunos, que é também a investigadora e autora desta dissertação, tentou nas 3 sessões manter uma postura o mais distanciada possível. No entanto, teve uma participação um pouco mais activa na fase de discussão e conclusões do GC por considerar que o GE já usufruiria de feedback suficiente através do próprio programa. É possível que estes dois aspectos tivessem contribuído para um atenuar das diferenças entre os resultados do pós-teste dos dois grupos ou até para a melhor, embora não estatisticamente significativa, prestação do GC. 94