Ao Engenheiro Ilídio Martins pela programação da simulação e pela disponibilidade demonstrada.

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1 Agradecimentos Ao professor Doutor João Carlos de Matos Paiva, orientador desta tese, por todo o apoio prestado desde a escolha do tema, pela disponibilidade, pelos seus comentários e sugestões, pela leitura e revisão do texto e pela entusiasmante perspectiva de trabalho e aprendizagem que me proporcionou. Ao Engenheiro Ilídio Martins pela programação da simulação e pela disponibilidade demonstrada. A todos os alunos que participaram neste estudo, sem os quais tal não seria possível. A professora Conceição Mendonça, professora do grupo experimental, que demonstrou uma enorme motivação na participação deste estudo. À sua colega Fátima Sousa, professora do grupo de controlo, por colaborar neste estudo. A Escola Secundária Inês de Castro, em Vila Nova de Gaia, por permitir a realização deste estudo. Um agradecimento especial ao meu marido pelo apoio, ajuda, paciência e compreensão infinita durante todo este trabalho. Aos meus filhos, pela compreensão demonstrada. I

2 Lista de abreviaturas CA: Concepção alternativa ou concepções alternativas GC: Grupo de controlo GE: Grupo experimental GR: Ganho residual GRC: Ganho residual corrigido GRCM: Ganho residual corrigido médio MBL: Microcomputer Based Laboratory OCDE: Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Económico PTN: Condições normais de pressão e temperatura (P = 1 atm; T C = 0º C) TIC: Tecnologia de informação e comunicação II

3 Resumo A filosofia dos novos currículos está orientada para uma metodologia centrada no aluno, em que a observação, a experimentação e a reflexão têm um papel central na aprendizagem. Os computadores e a Internet também estão associados a esta nova visão curricular. Utilizando as novas tecnologias da informação e comunicação, a divulgação de conteúdos científicos pode ser realizada de forma inovadora, atraente e motivadora para os alunos. Este estudo tem como objectivo central a aplicação, avaliação e desenvolvimento de um recurso digital para o ensino da química, associado ao módulo Pressão de um gás do Molecularium e que se encontra disponível na Internet no endereço Elaborou-se um roteiro de exploração, que relaciona o software educativo com os seus objectivos pedagógicos, especialmente vocacionado para a interacção com alunos do 12º Ano de escolaridade. Investigou-se o impacto da utilização deste roteiro através de um estudo quase-experimental, recorrendo a questionários de perguntas fechadas, para avaliar em que medida a simulação associada a um roteiro de exploração é útil para a aprendizagem dos conhecimentos científicos desejados. Os resultados revelaram que o roteiro de exploração permitiu aos alunos a utilização do software de uma forma mais eficaz possibilitando ainda a reflexão sobre o tema de aprendizagem e que o ensino apoiado em software educativo pode trazer melhorias na aprendizagem de conceitos abstractos. Após a avaliação do software utilizado foram propostos melhoramentos à simulação com vista a corrigir aspectos ainda não optimizados. Alguns destes melhoramentos foram implementados. III

4 Abstract The new curricula focus in the student s role. In order to achieve the objectives of new curricula a new praxis has to be developed, where observation, experimentation and reflection have a central place in learning. Computer and Internet are also associated to this new curricular vision. Using the new technologies of information and communication, the divulgation of scientific content may be made in an innovative, attractive and motivating way to students. This study aims to apply, evaluate and develop a digital resource in the teaching of chemistry, associated to the module gas pressure of the Molecularium available at An exploration guide book was elaborated which associates an educational software module with the corresponding pedagogical objectives, especially built to interact with students of 12 th grade. To investigate the impact of the use of this guide we used a quasiexperimental study, with closed questionnaires, to evaluate in which way the simulation associated to an exploration guide is useful to learning scientific knowledge. The results revealed that the exploration guide allows students to use the software in a more effective way and made possible a reflection about the learning subject. This also showed that teaching assisted by educational software may bring improvements in learning abstract concepts. After the evaluation of the software, improvements to the simulation were proposed in order to correct aspects not yet optimised. Some of the suggested improvements were implemented. IV

5 Índice de Figuras Figura 2.1 Figura 2.2 Imagem da simulação temperatura do Molecularium ( 10 Imagem da simulação Virtual lab ( 10 Figura 2.3 Mapa de conceitos sobre o tema Matéria leccionado no 3º ciclo Figura 2.4 Mapa de conceitos referente à unidade 2 do programa de Física e Química A 10º Ano Figura 2.5 Mapa de conceitos da unidade 2 do Programa de Química do 12º ano (1996) Figura 2.6 Mapa de conceitos da unidade 2 do Programa de Química do 12º ano (2004) Figura 2.7 Relação entre a escala Kelvin, Celsius e Fahrenheit (Paiva et al, 2003) Figura 2.8 A pressão de um gás exerce-se em todas as direcções Figura 2.9 A pressão está directamente relacionada com o número de colisões Figura 2.10 Esquema ilustrativo da forma como variam a pressão e o volume, mantendo-se a temperatura e o número de moles constantes Figura 2.11 Gráfico que traduz a Lei de Boyle-Mariotte Figura 2.12 Esquema ilustrativo da forma como variam a temperatura e o volume, mantendo-se a pressão e o número de moles constantes Figura 2.13 Gráfico que traduz a Lei de Charles Figura 2.14 Esquema ilustrativo da forma como variam a pressão e a temperatura, mantendo-se o volume e o número de moles constantes Figura 2.15 Gráfico que traduz a Lei de Charles Figura 2.16 Esquema ilustrativo da forma como variam o número de moles e o volume, mantendo-se a temperatura e a pressão constantes Figura 2.17 Gráfico que traduz a Lei de Avogadro Figura 2.18 A pressões elevadas as forças de coesão intermolecular deixam de ser desprezáveis V

6 Figura 2.19 Gráfico PV/RT versus P para uma mole de três gases reais e para um gás ideal (Reger, Goode e Mercer, 1997) Figura 2.20 Imagem da simulação PV = nrt ( 62 Figura 2.21 Imagem da simulação Propriedade dos gases ( v6.swf) Figura 2.22 Imagens da simulação Modelo molecular de um gás ideal do site inglês ( 64 Figura 2.23 Imagens da simulação Modelo molecular de um gás ideal do site espanhol ( m_molecular/idealgas_s.htm) Figura 2.24 Imagem da simulação do site Câmara de pressão ( 65 Figura 2.25 Imagem da simulação do site Processos especiais de um gás ideal ( 66 Figura 2.26 Imagem da simulação do site Teoria cinética dos gases ( 67 Figura 2.27 Imagens da simulação Pressão de um gás ( 68 Figura 2.28 Imagens de algumas das visualizações do site a Lei dos gases ( 69 Figura 2.29 Imagem da simulação Movimento de um gás perfeito num cilindro ( 70 Figura 2.30 Imagem da simulação Programa Lei dos gases ( 71 Figura 2.31 Imagens da simulação Gases ideais (prestemp.exe na página s_gas.html) Figura 2.32 Portal Mocho ( 74 Figura 3.1 Ecrã de entrada do Molecularium ( 86 Figura 3.2 Óculos para visualização tridimensional da anáglifos VI

7 Figura 3.3 O modulo Pressão de um gás no Molecularium Figura 4.1 Comparação entre o uso de computadores nos dois grupos Figura 4.2 Comparação das médias das notas dos testes realizados no 1º período Figura 4.3 Fotografia de alguns dos alunos na aula experimental Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Representação dos resultados do pós-teste em função do pré-teste e da respectiva equação de regressão Comparação dos GRC individuais no grupo de controlo e no grupo experimental depois de ordenados Comparação dos resultados obtidos por questão dos dois grupos no préteste Comparação dos resultados obtidos por questão dos dois grupos no pósteste Figura 5.1 Interface do módulo Pressão de um gás Figura 5.2 Imagem do novo interface do módulo Pressão de um gás Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.5 Figura 5.6 Imagem do módulo Pressão de um gás após clicar no ícone Ajuda Início da página com as definições dos conceitos de volume, temperatura e pressão Início da página com a evolução histórica para a interpretação do comportamento dos gases e as biografias dos seus intervenientes Início da página com a teoria cinética, a sua evolução histórica e as biografias dos seus intervenientes Figura 5.7 Início da página com o roteiro de exploração Figura 5.8 Início da página com algumas das questões interactivas Figura 5.9 Início da página com os resultados do teste VII

8 Índice de tabelas Tabela 2.1: Temas a desenvolver na disciplina Ciências Fisico-Químicas - 8º Ano Tabela 2.2: Temas a desenvolver na disciplina de Física e Química A 10º Ano Tabela 2.3: Temas a desenvolver na disciplina de Química - 12º Ano Tabela 2.4: Temas a desenvolver, no novo programa, da disciplina de Química - 12º Ano Tabela 2.5: Constantes de van der Waals (Reger, Goode e Mercer, 1997) Tabela 2.6: Resumo das CA para assuntos ou conceitos relacionados com gases Tabela 2.7: Resumo comparativo das várias simulações Tabela 2.8: Vantagens e desvantagens das perguntas abertas e fechadas (Hill e Hill, 2000) Tabela 4.1: Comparação estatística dos GRCM no grupo experimental (variável 1) e no grupo de controlo (variável 2) Tabela 5.1: Limitações do estudo devido as ameaças à validade interna Tabela 5.2: Limitações do estudo devido as ameaças à validade externa Tabela 5.3: Resumo dos melhoramentos sugeridos VIII

9 Índice Agradecimentos... Lista de abreviaturas... Resumo... Abstract... Índice de figuras... Índice de tabelas Introdução 1.1. Contextualização e definição do problema Revisão de literatura/recursos 2.1. Tecnologia-educação Generalidades sobre TIC na Educação O caso particular das simulações digitais para o ensino da Química Roteiros de exploração de software educativo Avaliação de software educativo em Química O estudo dos gases Gases ideais e programas curriculares Conceitos de volume, temperatura e pressão Equações dos gases ideais Gases reais Concepções alternativas Generalidades sobre concepções alternativas Variáveis que afectam o processo de aprendizagem Revisão de alguns estudos sobre as dificuldades sentidas pelos alunos sobre o tema gases Resumo de algumas CA sobre gases Recursos digitais relacionados com gases Metodologias de investigação em ciências de educação Metodologias O caso particular da investigação experimental Os planos quase-experimentais Questionários... I II III IV V VIII IX

10 3. Descrição do protótipo gases do Molecularium 3.1. O Molecularium O módulo Pressão de um gás Descrição do roteiro de exploração para o módulo Pressão de um gás.. 4. Estudo de campo 4.1. Caracterização da amostra Descrição do estudo Instrumentos de inquirição Procedimento Resultados Notas finais 5.1. Reflexão, autocrítica e reformulação da metodologia do estudo Síntese avaliativa do módulo Pressão de um gás do Molecularium e recomendações para uma versão melhorada Implementação de algumas melhorias no módulo Pressão de um gás 5.4. Algumas conclusões Bibliografia Anexos... Anexo 1: Referência a recursos digitais nos programas de Química 12º Ano, Física e Química A 10º Ano e 11º Ano e Ciência Físico-Químicas do 3º ciclo... Anexo 2: Roteiro de exploração para o módulo Pressão de um gás... Anexo 3: Pré-teste... Anexo 4: Pós-teste... Anexo 5: Resultados dos pré e pós-testes... Anexo 6: Resultados dos ganhos de aprendizagem... Anexo 7: A evolução histórica para a interpretação do comportamento dos gases e as biografias dos seus intervenientes... Anexo 8: A teoria cinética dos gases, a sua evolução histórica e as biografias dos seus intervenientes... Anexo 9: Respostas abertas dos alunos X