Aplicação, avaliação e desenvolvimento de um recurso digital sobre gases para o ensino da Química 417 Amélia Pedrosa 1, João Paiva 1, 2 1 Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (Portugal), ameliapedrosa@sapo.pt 2 Centro de Física Computacional da Universidade de Coimbra (Portugal), jcpaiva@netcabo.pt Resumo Este trabalho tem como objectivo central a aplicação, avaliação e melhoramento de um recurso digital para o ensino da Química sobre o tema gases. Este assunto tem associado problemas de aprendizagem específicos e concepções alternativas bem determinadas. A abordagem didáctica pode beneficiar do bom uso do computador. É neste contexto que surge a definição do problema do nosso estudo e a respectiva hipótese de trabalho: Será que uma simulação computacional como o módulo Pressão de um gás do Molecularium, acompanhada por um roteiro de exploração, melhora a aprendizagem? A avaliação dos resultados obtidos neste estudo, a opinião dos alunos e a nossa própria sensibilidade levou-nos à ideia de que há benefícios objectivos para a aprendizagem dos alunos sobre este tema, usando a simulação. Foi possível também estabelecer algumas recomendações e melhoramentos do módulo, que se encontram descritos nesta comunicação. Palavras Chave Concepções alternativas; Estudo dos Gases, Roteiros de exploração, Simulações computacionais. INTRODUÇÃO Os actuais currículos das disciplinas de Física e Química procuram uma nova maneira de se trabalhar com a ciência, uma vez que sugerem a exploração das potencialidades dos meios informáticos como forma de aprendizagem do educando. Recursos como a visualização e a experimentação podem ser combinados e, nesse sentido, provocar uma nova configuração na escola, em que a informática, aliada à pedagogia, pode mudar a natureza do ensino das ciências. O acesso a simulações computacionais, que contemplem conceitos abstractos de uma forma mais atraente e interactiva, pode ser considerado como um destes recursos informáticopedagógicos. Com o avanço da tecnologia, é possível proporcionar aos alunos o desenvolvimento da capacidade para explicar e representar fenómenos, processos e ideias abstractas, nos seus distintos níveis, recorrendo ao uso de simulações digitais. São vários os estudos que referem as vantagens e potencialidades em termos de ensino/aprendizagem destas simulações [1]-[3]. Uma simulação cria ou recria um fenómeno, um ambiente, ou uma experiência; providencia uma oportunidade para compreender; é interactiva; é fundamentada (baseada num modelo referente a uma teoria); é imprevisível (baseado em condições aleatórias, ou de extrema sensibilidade ao registo de entradas) [4]. O conhecimento das características que tornam um software adequado ou não ao processo de ensinoaprendizagem, das modalidades de interacção que estabelece com o utilizador e da sua inter-relação com os objectivos educacionais em situações especificas de ensino, é de fundamental importância para o êxito da relação entre informática e educação. [5]. O software educativo pode ser acompanhado de material de apoio que oriente o aluno ao longo da navegação, de modo a permitir que o aluno saiba a cada momento que objectivos deverá atingir. Este material de apoio poderá ser um roteiro de exploração. Os roteiros de exploração levam os alunos a reflectir/observar/prever, mediante os desafios e operações desencadeadas na sequência da exploração do software [6]. ESTUDO DO IMPACTO DA SIMULAÇÃO JUNTO DOS ALUNOS O recurso digital aplicado neste estudo e desenvolvido para o ensino da Química, o módulo Pressão de um gás (figura 1) do Molecularium, encontra-se disponível na Internet no endereço www.molecularium.net.
FIGURA 1 INTERFACE DO MÓDULO DE PRESSÃO DE UM GÁS. Com este módulo pretende-se relacionar a pressão, a temperatura, o volume e o número de moléculas de um gás recorrendo à equação dos gases ideais e verificando o que acontece a nível molecular no interior de um recipiente fechado. O objectivo deste módulo é criar oportunidades para uma interiorização das variáveis que afectam a pressão de um gás. Com efeito, é sabido que muitas das aprendizagens relacionadas com estes conceitos são mecanizadas ou matematizadas, escapando aos alunos a verdadeira percepção do que se passa. O nosso estudo envolveu alunos do 12º ano que não são discentes da docente que realizou este estudo. O grupo de controlo, era constituído por 25 alunos de uma mesma turma, sendo 2 do sexo masculino e 23 do sexo feminino, com idades entre os 16 e 18 anos. O grupo experimental, era constituído por 25 alunos, 13 do sexo masculino e 12 do sexo feminino, com idades entre 16 e 19 anos. 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. O objectivo deste estudo consistiu em investigar se um grupo de alunos, o grupo experimental, sujeitos a uma aprendizagem recorrendo apenas ao uso de uma simulação acompanhada por um roteiro de exploração, obteria ou não melhores resultados em questões relacionadas com os conceitos de gases ideais. Investigou-se o impacto da utilização deste recurso digital através de um estudo quase-experimental, recorrendo a questionários de escolha múltipla na elaboração do pré-teste e do pós-teste, para avaliar em que medida a simulação associada a um roteiro de exploração é suficiente para proporcionar os conhecimentos científicos desejados. Este tipo de questionário exige questões muito bem organizadas, não demasiado longas e contendo uma forma lógica. Devem, ainda, evitar-se questões irrelevantes, desinteressantes ou ambíguas, que possam levar a diferentes interpretações. Os questionários permitem uma maior uniformidade e rapidez na análise das respostas. Os testes efectuados neste estudo pretendiam averiguar o grau de conhecimento do aluno sobre o tema em estudo - a equação de estado dos gases ideais e os 418 conceitos associados a este assunto. O pré-teste foi concebido para permitir ao aluno seleccionar a resposta mais correcta a cada questão. Existem dez questões com quatro alíneas cada. A questão 1 pretende avaliar se os alunos tiveram ou não conhecimento da equação dos gases ideais antes deste estudo ser efectuado. As questões 2, 3, 4 e 5 foram elaboradas por forma a que o aluno aplique a nível macroscópico a Lei de Boyle-Mariotte (relaciona pressão e volume), a Lei de Avogadro (relaciona moléculas e volume), a Lei de Gay- Lussac (relaciona pressão e temperatura) e a Lei de Charles (relaciona temperatura e volume) respectivamente. As questões 6, 7 pretendem verificar os conhecimentos a nível microscópico no que se refere às colisões moleculares. A questão 8 relaciona a energia cinética e a temperatura de uma gás. A questão 9 avalia a relação entre as várias variáveis que afectam a pressão de um gás. A questão 10 apresenta gráficos para reconhecer se o aluno domina o conceito de proporcionalidade directa. O pós-teste foi elaborado de forma a manter a mesma estrutura do pré-teste. Todavia, na questão 10, pretende-se agora averiguar se o aluno domina o conceito de inversamente proporcional. Para os alunos do grupo experimental o pós-teste foi acompanhado de algumas questões abertas onde se pedia a colaboração para opinar sobre a simulação, o roteiro de exploração e a utilização de computadores em aulas. O pré-teste e o pós-teste são questionários relativamente simples, equivalentes ao que disponibilizamos em http://nautilus.fis.uc.pt/cec/pressao/dados/questoes/index.html. A análise dos resultados efectuada aos testes mostrou que: O pós-teste evidenciou que todos os alunos estão familiarizados com a equação dos gases ideais; Nas questões 2 e 4 o grupo experimental obteve um desempenho ligeiramente inferior do que o grupo de controlo; Verificou-se que na questão 3, que relaciona o número de moléculas com o volume de um gás, os alunos do grupo experimental obtiveram um desempenho marcadamente inferior ao do grupo de controlo, o que pode significar que a questão não foi compreendida pelos alunos ou que de facto a aula experimental não os esclareceu; Nas questões 3 e 5 houve uma discrepância negativa, no grupo experimental, em relação aos resultados do préteste. Isto pode dever-se ao facto dos alunos terem respondido talvez um pouco ao acaso, uma das desvantagens apresentadas por este tipo de questionário; Nas questões 6 e 7, relacionadas com o sucedido a nível molecular, os resultados dos dois grupos foram idênticos. No entanto era de esperar que o grupo experimental tivesse resultados melhores; Em contrapartida, nas questões 8 e 9 os alunos do grupo experimental evidenciaram uma subida significativa relativamente ao pré-teste, o que não se verificou no grupo de controlo; Os resultados obtidos na questão 10, mostram que os alunos não conseguem reconhecer um gráfico de grandezas inversamente proporcionais.
Os ganhos na aprendizagem, foram tratados estatisticamente de acordo com as sugestões de Glass e Hopkins [7], minimizando o efeito da regressão para a média. 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. O ensino apoiado em software educativo pode trazer melhorias na aprendizagem de conceitos abstractos. O perfil dos roteiros a adoptar depende dos objectivos do professor, da complexidade dos temas, e do estilo ou experiência dos alunos, mas, tendo em conta os resultados obtidos neste estudo, os roteiros de exploração parecem revelar-se úteis para um melhor aproveitamento das potencialidades do software. Os alunos concordaram que a utilização de software educativo guiada por roteiros de exploração trouxe vantagens à sua compreensão do tema leccionado, sendo um bom complemento às simulações. A perspectiva de usar as TIC nas suas actividades lectivas é sempre algo que atrai à partida os alunos, apesar de estes, muitas vezes, não serem capazes de lhes aproveitar as potencialidades ao máximo. Houve alunos do grupo experimental que não responderam correctamente a algumas das questões do pós-teste, o que leva a concluir que subsistem lacunas. O estudo evidenciou que a simulação deveria permitir a construção de gráficos, uma vez que os alunos têm dificuldades em reconhecer um gráfico de grandezas inversamente proporcionais. DESENVOLVIMENTO DA SIMULAÇÃO Para poder melhorar a simulação, recorreu-se a uma grelha de avaliação de software educativo. A avaliação do software educativo, como toda a avaliação envolvendo pessoas, não deixa de ser uma actividade subjectiva. Todavia, devem ser tidas em consideração as características que o tornam adequado ou não ao processo ensino/aprendizagem, as modalidades de interacção que estabelece com o aluno e a sua inter-relação com os objectivos educacionais em situações específicas de ensino. A avaliação e a forma de lidar com estas questões são de fundamental importância para o êxito da relação do binómio computadores / educação [8]. Com o intuito de comparar a simulação utilizada neste estudo, investigou-se ainda quais os recursos digitais existentes na Internet sobre os conceitos de gases para assim averiguar possíveis melhoramentos. Após a avaliação do software utilizado foram propostos melhoramentos à simulação (tabela I). Os onze primeiros itens já foram implementados e os restantes estão em desenvolvimento. Pretendeu-se colmatar algumas das concepções alternativas associadas aos conceitos relacionados com gases assim como adaptar a simulação aos novos programas lectivos que entrarão em vigor no ano lectivo 2005/2006. 419 TABELA I RESUMO DOS MELHORAMENTOS SUGERIDOS (SÓ FORAM AINDA IMPLEMENTADOS OS 11 PRIMEIROS). 1 Cores mais vivas no interface. 2 Diferenciar mais a velocidade das partículas quando se altera a temperatura. 3 Modificar o manómetro colocando uma escala numérica. 4 Esconder a expressão PV = nrt de forma a ficar somente acessível por clique. 5 Link onde os alunos podem consultar outras unidades de pressão. 6 Introduzir uma máquina de calcular virtual para permitir aos alunos efectuar conversões de unidades no link referido anteriormente em 2. 7 Link onde se pode aceder à definição de cada uma das definições das variáveis intervenientes na simulação. 8 Link onde se pode aceder à evolução histórica para a interpretação do comportamento dos gases e as biografias dos seus intervenientes. 9 Link que permita aceder à teoria cinética dos gases, a sua evolução histórica e as biografias dos seus intervenientes. 10 Roteiro interactivo on line. 11 Grupo de questões on line com resposta. 12 Em alternativa, modificar a escolha das variáveis de forma a permitir variar estes parâmetros numa maior escala de valores. O que irá facultar valores suficientes para a construção de gráficos. 13 Permitir, quando solicitado, a visualização dos vectores deslocamento de cada partícula. 14 Permitir aceder numa mesma página a dois gases com massas diferentes e visualizar o efeito da modificação das outras variáveis na sua pressão. 15 Permitir aceder numa mesma página, caso seja solicitado, a uma simulação com o comportamento de um gás ideal e outra com o comportamento de gás real. 16 Para o caso anterior (15), a pedido dos alunos, seria importante poder visualizar os vectores forças existentes nos dois recipientes para cada partícula. 17 Mexer no manómetro, congelando 2 das 3 variáveis T, V ou N e ver o que acontece à terceira. 18 Permitir o registo de interacções sucessivas e o respectivo esboço de gráficos. 19 Recurso a visualização alternativa da manipulação de P, V, T e N com barras coloridas. 20 Tridimensionalizar a simulação. A partir da investigação realizada e de uma análise critica dos recursos produzidos e da metodologia utilizada, acrescentaram-se melhoramentos ao software usado, fornecendo desta forma conteúdos e serviços para apoiar a comunidade escolar, na obtenção e produção de material educacional/multimédia na área da Química. O módulo Pressão de um gás passou a ter um novo visual (figura 2). FIGURA 2 IMAGEM DO NOVO INTERFACE DO MÓDULO PRESSÃO DE UM GÁS.
420 Este novo interface evidencia algumas diferenças, nomeadamente: As cores são mais apelativas; A velocidade das partículas no interior do recipiente, para uma temperatura elevada, foi aumentada de 30%; O manómetro apresenta uma escala numérica onde se pode agora visualizar o bar como unidade de pressão; Para ter acesso a equação que relaciona as variáveis é necessário clicar no ícone ajuda (surge então, para além das equações, uma máquina de calcular que permite efectuar os cálculos desejados); Fornece-se um conjunto de informações onde são referidas outras unidades de pressão (figura 3); FIGURA 4 INÍCIO DA PÁGINA COM O ROTEIRO DE EXPLORAÇÃO. FIGURA 3 IMAGEM DO MÓDULO PRESSÃO DE UM GÁS APÓS CLICAR NO ÍCONE AJUDA. Surgem vários links que permitem aceder a um conjunto de informações conforme referenciado pela respectiva designação; Ao clicar em conceitos tem-se acesso a página onde são referidos os conceitos de volume, temperatura e pressão; Ao clicar em gases comportamento acede-se a página onde é apresentada à evolução histórica para a interpretação do comportamento dos gases e a biografia de cada um dos cientistas que contribuíram para o seu desenvolvimento; Ao clicar em gases teoria cinética surge a página com à teoria cinética, a sua evolução histórica e as biografias dos cientistas que contribuíram no seu desenvolvimento; Ao clicar em roteiro interactivo, aparece o roteiro de exploração (Figura 4). Os alunos têm ainda a possibilidade de responder de forma interactiva a um conjunto de 19 questões (Figura 5). FIGURA 5 INÍCIO DA PÁGINA COM ALGUMAS DAS QUESTÕES INTERACTIVAS. A versão melhorada do site encontra-se no endereço http://nautilus.fis.uc.pt/cec/pressao/. CONCLUSÕES Existe um sem número de vantagens conferidas pela utilização destes complementos digitais, mas que não são passíveis de medição pelos instrumentos utilizados neste estudo e, por isso, não se terão revelado nitidamente. Entre estes, encontram-se a evolução a nível das atitudes e competências tais como a curiosidade, o espírito crítico, a capacidade de síntese e reflexão, evoluções que influenciam a aprendizagem de um modo mais profundo e não detectável de imediato. De um modo geral, a primeira reacção destes jovens ao uso de complementos digitais foi de entusiasmo. As simulações contribuem para a aprendizagem de conceitos de Química que ocorrem a nível molecular e que os torna mais fácil de visualizar e interiorizar, facto referido por alguns alunos. As simulações deverão, no entanto, ser consideradas como ferramentas ao serviço do professor, tal como o trabalho laboratorial e/ou experimental. O papel do professor será cada vez mais de orientador do trabalho do aluno. Terá ainda como função fazer a selecção da
informação, concordante com os objectivos do ensino pretendido, recorrendo aos meios mais adequados de avaliação de software educativo. Este estudo permitiu-nos desenvolver aptidões necessárias para no futuro poder implementar mais aulas recorrendo ao uso dos computadores. Pretendemos conferir ainda mais e melhores actualizações a este módulo digital, pelo que todas as sugestões são muito bem vindas. 421 AGRADECIMENTOS Agradece-se à escola Secundária Inês de Castro, onde se realizou a aula com o recurso digital e aos docentes e alunos envolvidos. Uma palavra de agradecimento ao programador Eng. Ilídio Martins. REFERÊNCIAS [1] Russel, J. et al, Use of simultaneous-synchronized macroscopic, and symbolic representation to enhance the teaching and learning of chemical concepts, Journal of Chemical Education, 74, 3, 1997, 330-334. [2] Sanger, M. et al, Using a computer to improve students conceptual understanding of a can-crushing demonstration, Journal of Chemical Education, 77, 11, 2000, 1517-1520. [3] Sanger, M, Badger, S, Using a computer-based visualization strategies to improve students understanding of molecular polarity and miscibility, Journal of Chemical Education, 78, 10, 2001, 1412-1416. [4] Shmucker, K, Taxonomy of simulation software, 1999, Em: Langle, Y, Ronen, M. Training teachers as evaluators and informed users of simulations. Second International GIREP Seminar, University of Udine, Italy.. Disponível em: http://www.uniud.it/cird/girepseminar2003/abstracts/pdf/langley_ronen. pdf; consultado em 3-1-2005. [5] Brandão, E. em Rosa, L, A integração das tecnologias de informação e comunicação (TIC) na escola: desafios, condições e outras reflexões... ; ÁGORA, boletim on-line do programa Prof 2000, 3ª edição, Junho de 2000. Disponível em: http://www.univab.pt/~porto/textos/leonel/pessoal/integracao_tic_escola.htm; consultado em 12-10-2004. [6] Paiva, J e Costa, L., Roteiros de exploração - valorização pedagógica de software educativo de Química, Boletim da Sociedade Portuguesa de Química, 96, 2005,64-66. [7] Glass, G, Hopkins, K, Statistical methods in education and psychology, Boston, Allyn and Bacon, 1984. [8] Brandão, E, Repensando modelos de avaliação de software educacional, 1998, Disponível em: http://www.minerva.uevora.pt/simposio/comunicacoes/artigo.html; consultado em 3-1-2005.