Proposta de Desenvolvimento de Modelos Computacionais e Estratégias para sua Integração em Disciplinas dos Cursos de Graduação em Física e Biologia Mariana Rampinelli & Michelle Oliveira PIBIC/CNPq Laércio Ferracioli Laboratório de Tecnologias Interativas Aplicadas à Modelagem Cognitivas Departamento de Física Universidade Federal de Espírito Santo 1. Introdução A modelagem computacional no contexto educativo pode ser usada como uma ferramenta complementar nos processos de ensino e aprendizagem de alunos em diferentes níveis de ensino. A integração dessa tecnologia, associado à Internet, pode ampliar o entendimento sobre os processos de ensino e aprendizagem relacionados a conteúdos específicos em Ciências, tanto no ensino presencial quanto no ensino à distância. Este artigo apresenta especificamente uma proposta de desenvolvimento de modelos computacionais e métodos para sua integração abrangendo disciplinas dos cursos de graduação em Física e Biologia. 2. Modelos Um modelo pode servir para representar objetos/ fatos/ eventos/ processos que acontecem no mundo real ou no mundo imaginário (Sampaio, 1999). Um modelo é uma representação para um objeto ou sistema. Qualquer conjunto de regras e relações que descrevem algo pode ser considerado um modelo. Todo o nosso pensamento pode ser entendido com sendo baseado em modelos. Concepções são abstrações baseadas em nossa experiência, as quais são dependentes da percepção individual para produzir modelos mentais que representam o mundo em torno de nós (Kurtz dos Santos et al, 2002). Forrester (1968, apud Kurtz dos Santos et al) considera que a mente humana é bem adaptada para construir e usar modelos que relacionam objetos no espaço e também para manipular modelos associados com palavras e idéias. No entanto, no caso de representações de fenômenos mais amplos, tais como os relacionados a sistemas complexos e modelos dinâmicos que re- 1
presentem mudanças através do tempo, a mente humana não é apropriadamente adequada. E, para esse tipo de sistema pode-se recorrer à modelagem computacional como uma ferramenta de auxílio na análise e entendimento. 3. Objetivo A proposta para o período de um ano desta pesquisa é a investigação da modelagem computacional quantitativa e de sua integração na aprendizagem de Ciências constituindo-se de três principais tópicos: o primeiro, resume-se no desenvolvimento do material instrucional para a utilização do ambiente de modelagem computacional, STELLA, nas áreas de Biologia e Física; o segundo, é o planejamento de estratégias para a integração desse material nos processos de ensino e aprendizagem; e, finalmente a disponibilização do trabalho elaborado no site do ModeL@b. 4. O Ambiente de Modelagem Computacional STELLA STELLA é acrônimo para Structural Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation (Ferracioli & Camiletti, 1998), em português, Laboratório de Aprendizagem Experimental com Animação para o Pensamento Sistêmico. Esse ambiente permite a construção de modelos através da conexão de ícones básicos que traduzem as variações dos fenômenos em estudo. O usuário não necessita trabalhar com equações matemáticas, mas somente fornecer relações causais entre as variáveis consideradas relevantes, para que o sistema converta essas relações em linhas de programa. O STELLA permite a obtenção de gráficos que mostram a evolução temporal de quaisquer variáveis e também a geração de tabelas que traduzam numericamente essas variações (Kurtz dos Santos et al, 2002). O STELLA é um ambiente de modelagem quantitativa e semiquantitativa que usa objetos como tanques, válvulas, conversores e conectores. O tanque/ nível representa uma grandeza que pode crescer ou decrescer. A válvula/ fluxo associada ao tanque decide com que taxa de variação temporal a grandeza representada pelo tanque irá variar. O conversor pode ser uma constante ou uma grandeza calculada pelo modelo e o conector estabelece um vínculo direto entre os objetos que compõem o modelo (Camiletti & Ferracioli, 2001; Machado & Krüger, 1999). A Figura 01 ilustra a representação de um sistema constituído por um tanque e uma válvula através do ambiente STELLA. 2
Figura 01: Modelo STELLA para o Sistema Tanque-Válvula 5. Propostas de Estudo 5.1. Utilizando o ambiente STELLA em Física Para alguns cursos de exatas da Universidade Federal do Espírito Santo é oferecida a disciplina de Física Experimental I, na qual os alunos realizam 10 experiências que abrangem conceitos de Mecânica (Força e Movimento, estudados em Física I) e de Termodinâmica (Energia e Leis da Termodinâmica, estudados em Física II). O desenvolvimento desse trabalho se dará na perspectiva implementada por Pinto & Ferracioli (2002) e Victor & Ferracioli (2002). Os alunos dessa disciplina serão convidados a participar de um mini-curso, no qual serão levados a desenvolver uma atividade de modelagem computacional sobre uma das experiências já realizadas por eles em laboratório. Os estudantes são submetidos a um questionário sobre os conceitos físicos envolvidos na experiência, antes e depois da atividade de modelagem. Esses questionários serão analisados e, a partir deles, será avaliada tanto a atividade de modelagem desenvolvida quanto as concepções dos estudantes sobre o experimento propriamente dito. 5.2. Utilizando o ambiente STELLA em Biologia Inicialmente, a proposta é o desenvolvimento de um material instrucional baseado no conteúdo programático das disciplinas de Biologia Geral I e Fisiologia Humana do departamento de Ciências Biológicas desta Universidade que abrangem, respectivamente, tópicos de Biologia Molecular/ Citologia e Processos Fisiológicos. O estudo será desenvolvido na disciplina de Informação, Ciência e Tecnologia no Ensino de Ciências, oferecido pelo Departamento de Física e será utilizada a metodologia implementada por Ferracioli & Sampaio (2001), que consiste em levar os alunos na triangulação de três aspectos: fundamentação teórica, procedimento experimental e atividades de modelagem e simulação. Os 3
estudantes serão solicitados a responder questionários para o levantamento de suas concepções do senso comum e modelos (Ferracioli, 2001) sobre os processos estudados. 6. O Delineamento do Estudo O processo de investigação científica para Gowin (1981, apud Ferracioli, 2002) é entendido como uma construção de uma estrutura de significados a partir de elementos básicos, por ele denominados de eventos, fatos e conceitos. Assim, a partir da observação de um evento que ocorre na natureza ou é provocado pelo observador, o procedimento de pesquisa estabelece conexões específicas entre os registros deste evento, levando a julgamentos factuais derivados do estudo desses registros e a observação de regularidades evidenciadas por esse julgamento que através dos conceitos e sistemas conceituais utilizados para interpretar esses julgamentos pode-se chegar a uma explicação deste evento (Ferracioli, 2002). Assim sendo, a partir dessa filosofia, será apresentado o V de Gowin destes estudos que foi construído como forma de estruturação e orientação para o desenvolvimento das atividades previstas. O V mostrado na Figura 02 apresenta várias lacunas justamente por representar o início da proposta destes estudos. 7 - Agradecimento Este trabalho de pesquisa foi parcialmente financiado pelo CNPq e FACITEC/CMT/PMV - Fundo de Apoio a Ciência e Tecnologia do município de Vitória - ES. 8 - Referências CAMILETTI, G. & FERRACIOLI, L. (2001) A Utilização da Modelagem Computacional Quantitativa no Aprendizado Exploratório de Física. Caderno Catarinense de Ensino de Física, 18(2): 214-28. FERRACIOLI, L. (2001) Aprendizagem, Desenvolvimento e Conhecimento na Obra de Jean Piaget: Uma Análise do Processo de Ensino-Aprendizagem em Ciências. Revista Brasileira de Estudos Pedagógicos. 80 (194): 5-18. FERRACIOLI, L. (2002) O V Epistemológico como Instrumento Metodológico para o Processo de Investigação. Artigo submetido aos Cadernos de Pesquisa. Rio de Janeiro. FERRACIOLI, L. & CAMILETTI, G. (1998) Introdução ao Ambiente de Modelagem Computacional STELLA (versão preliminar). Série Modelos 01/ 98. Vitória. Publicação interna do ModeLab/UFES. 4
Filosofias O uso da tecnologia através da integração de ambientes de modelagem computacional nos processos de ensino e aprendizagem pode ampliar a compreensão dos alunos na áreas de Ciências. Teorias Questão Básica Como a modelagem computacional pode ser integrada na aprendizagem de Física e Biologia? Asserções de Valor Asserções de Conhecimento Interpretações Resultados Tópicos do estudo de Física: Força e Movimento; Energia e Leis da Termodinâmica; Tópicos de estudo de Biologia: Estruturas e funcionamento celular; Princípios de Sistemas (Forrester, 1968); Conceitos Pesquisa: Conceito Conceito Científico Concepção do Senso Comum Conhecimento do Senso Comum Transformações Fatos Registro de Eventos Anotações sobre o desenvolvimento das atividades de modelagem pelos estudantes; Questionário respondidos pelos estudantes. Eventos Alunos de Física experimental I são levados a desenvolver atividade de modelagem computacional sobre uma das experiências já realizadas por eles no laboratório. Antes e depois da atividade de modelagem os alunos são solicitados a responder questionários; Alunos de Ciências Biológicas são levados a desenvolver atividades de modelagem computacional sobre tópicos de Biologia Molecular/ Citologia e Processos Fisiológicos. Antes e depois da atividade de modelagem os alunos são solicitados a responder questionários. Figura 02: O V de Gowin do Estudo. 5
FERRACIOLI, L. & SAMPAIO, F. F. (2001) Informação, Ciência, Tecnologia & Inovação Curricular em Cursos de Licenciatura. Revista Brasileira de Informação na Educação, 8(1): 77-85. PINTO, B.D.L. & FERRACIOLI, L. (2002) A Integração de um Ambiente de Modelagem Computacional Quantitativo no Laboratório de Física Experimental. Incluído nesta Seção de Apresentações Orais destes Anais. VICTOR, R. & FERRACIOLI, L. (2002) A Utilização da Modelagem Computacional no Laboratório de Física Básica. Incluído nesta Seção de Apresentações Orais destes Anais. KURTZ DOS SANTOS, A. C.; CHO, Y.; ARAUJO, I. S.; GONÇALVES, G. P. (2002) Modelagem computacional utilizando STELLA: considerações teóricas e aplicações em Gerenciamento, Física e Ecologia de Sistemas. http:/ /www.sf.dfis.furg.br/arion/livro. Site acessado em Novembro/ 2002. MACHADO, B. S.; KRÜGER, K. (1999) Utilizando o STELLA no Laboratório de Física. Anais do III Seminário sobre Representações e Modelagem no Processo de Ensino-Aprendizagem. Rio Grande: Fundação Universidade do Rio Grande. 17-19/Novembro 1999. p. 44-49. SAMPAIO, F. F. (1999) Modelagem Dinâmica Computacional e o Processo de Ensino-Aprendizagem: Algumas Questões para Reflexão. Anais do III Seminário sobre Representações e Modelagem no Processo de Ensino- Aprendizagem. Rio Grande: Fundação Universidade do Rio Grande. 17-19/ Novembro 1999. p. 15-26. VEIT, E. A. & TEODORO, V.D. (2001) Modelagem no ensino/ aprendizagem de Física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física. Porto Alegre. 6