ENSINO DA FÍSICA ATRAVÉS DO SOFTWARE 3DS MAX, EM BUSCA DE MODELOS MENTAIS DA FÍSICA QUALITATIVA Marcos Rogério dos Reis Renato Pires dos Santos VI Encontro Estadual de Ensino de Física - RS, Porto Alegre, 2015
INTRODUÇÃO Busca-se um ensino de Física Clássica dinâmico, envolvente, com a abordagem reduzida do formalismo matemático; Neste projeto desenvolve Estratégias Pedagógicas, implementado com um ambiente virtual 3D; Investiga-se a Teoria dos Modelos Mentais segundo Johnson- Laird (1983), Gentner e Stevens (1983) e contemporâneos Investiga-se a o Raciocínio Qualitativo - Física Qualitativa - desenvolvido por Kenneth D. Forbus (UNIVERSITY NORTHWESTERN, 2013).
INTRODUÇÃO [...] é preciso desenvolver modelos conceituais e também materiais e estratégias instrucionais que ajudem os aprendizes a construir modelos mentais adequados (MOREIRA, 1996). Implementa-se Mapas Conceituais como avaliação Quantitativa; Proporciona-se o desenvolvimento de modelos mentais tipo: história foto até os mais sofisticados, tipo Física Naive Investiga-se o raciocínio qualitativo do engenheiro e do cientista em uma condição de pré-formalismo matemático (FORBUS; GENTNER, 1986, p. 3)
INTRODUÇÃO Auxiliado pelo software 3ds Max 2013 (Autodesk); O Software 3ds Max 2013 fornece uma modelagem completa para animação 3D, renderização, composição e solução para jogos, filmes e artistas gráficos de movimento (DALLA VECCHIA, 2008). Através de animações 3D vídeo anaglifo.
INTRODUÇÃO Objetiva-se: A implementação de estratégias pedagógicas; Tais como Simulações 3D; Implementação da Teoria da Física Qualitativa; O desenvolver modelos mentais da Física; Com alunos do Nível Superior, na disciplina de Física Básica no IFRS, Campus Sertão - Tecnólogo em Alimentos, Bacharelado em Zootecnia e Agronomia. Alunos de Física que não Físicos...
1. INTRODUÇÃO AOS MODELOS MENTAIS O ser humano raciocina com modelos., Segundo Craik (1943). O processo do raciocínio simula modelos que somente existem na mente do indivíduo, obtendo resultados semelhantes ao mundo real (físico)... Representa-se os processos físicos que se deseja prever; Simula-se e torna-se tanto mais útil quanto mais preciso; A pesquisa da Teoria dos Modelos Mentais está preocupado com a compreensão do conhecimento humano sobre o mundo (GENTNER; STEVENS, 1983, p. 1).
1. INTRODUÇÃO AOS MODELOS MENTAIS Como professor, é nosso dever desenvolver modelos conceituais, que ajudarão o aluno a desenvolver modelos mentais adequados e apropriados. Como cientistas, desenvolve-se métodos experimentais adequados, e descarta-se a crença de encontrar um modelo mental perfeito e elegante (NORMAN, 1983, p. 14). Os modelos mentais das pessoas são deficientes em vários aspectos, talvez por incluir conceitos contraditórios, errôneos e desnecessários, Norman (1983).
2. INTRODUÇÃO À FÍSICA QUALITATIVA Pesquisadores renomados (GRECA; MOREIRA, 2000) afirmam que o modelo mental desenvolvido pelo indivíduo é algo pessoal, incompleto e qualitativo. [...] os estudantes construíram algum tipo de modelo mental para o conceito de campo elétrico [...] (MOREIRA, 1996, p. 30). A Teoria do Raciocínio Qualitativo, apresenta uma classificação dos modelos mentais (FORBUS, 1984), tipo: História Foto, Corpus Causal, Física Naive e o Especialista. O aprendizado humano dos domínios físicos pode ser analisado como uma sequência de diferentes modelos mentais (FORBUS; GENTNER, 1986, p. 3).
2. INTRODUÇÃO À FÍSICA QUALITATIVA Muitas pessoas têm modelos intuitivos de domínios físicos; E estão em desacordo com os modelos científicos; Compreendendo o sentido intuitivo dos mecanismos que respondem por previsões do senso comum (expectativas, explicações e julgamentos de plausibilidade sobre fatos causais); É necessário compreender como essa totalidade de ideias intuitivas, conhecidas como Física Naive, contribui e desenvolve a física escolar (DiSessa, 1993, p. 105).
3. O EXPERIMENTO DIGITAL Apresenta-se uma experiência (queda livre) e a implementação de estratégias pedagógicas estudos sobre gravidade com aspectos qualitativo e quantitativo; Esta pesquisa piloto investiga o entendimento da gravidade e gravimetria; Acrescido de uma representação através de um vídeo 3D (anaglifo);
3. O EXPERIMENTO DIGITAL I. Estratégias desenvolvidas com software 3ds Max No Software 3ds Max é possível criar um mundo imaginário tipo ficção ou mesmo desenvolver um ambiental realista.
3. O EXPERIMENTO DIGITAL I. Estratégias desenvolvidas com software 3ds Max Desenvolve-se objetos (bípede); Configura-se comandos avançados (forças, vento, gravidade, interações, etc.) O comando biped para animar o personagem Cylon.
3. O EXPERIMENTO DIGITAL II. O Modelo Mental de Física Qualitativa tipo História Foto no 3ds Max Os modelos mentais do domínio físico podem ser analisados como uma sequência de construção de modelos (FORBUS; GENTNER, 1986). O vídeo 3D proporciona ao aluno, através de ilustrações e revisões, o desenvolvimento do modelo mental história foto ; Composto por representações ricas em informações (cotidianas) e algumas específicas, proporcionando a percepção dos fenômenos físicos que são capturados a partir de exemplos dos fenômenos da Física (FORBUS; GENTNER, 1986).
3. O EXPERIMENTO DIGITAL II. O Modelo Mental de Física Qualitativa tipo História Foto no 3ds Max Faz-se a narração de uma história cujo personagem aluno adentra em um prédio abandonado e depara-se com um ambiente tecnológico habitado pelo personagem Cylon [...] Neste cenário descreve-se fenômenos, analisa-se as variáveis e desenvolve-se vocabulários dos processos, possibilitando o entendimento do mecanismo e dos domínios (FORBUS; GENTNER, 1986).
3. O EXPERIMENTO DIGITAL II. O Modelo Mental de Física Qualitativa tipo História Foto no 3ds Max Desenvolve-se o experimento da Queda Livre, Pêndulo Simples e Gravidade Local no laboratório de Física. Faz-se uma análise qualitativa a respeito do Pêndulo Simples; Força resultante (F r ), aceleração (a), tempo (t), espaço percorrido (S), massa (m) e comprimento (L). Após, no ambiente virtual, considera-se a morfologia local das rochas e subsolo (MAROJA et al., 2005).
3. O EXPERIMENTO DIGITAL II. O Modelo Mental de Física Qualitativa tipo História Foto no 3ds Max Considerando a Fórmula Internacional da Gravidade, verifica-se através de cálculos, no Excel...
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral Esta sendo implementado em 2015/1, até o momento [...] Obteve-se resultados parciais, durante as aulas do: Curso de Tecnólogo em Alimentos, com 14 alunos e oito h/a; Curso de Bacharelado em Zootecnia, com 47 alunos e doze h/a. Desenvolveu-se Mapas Conceituais e avaliação quantitativa; Questionário abordando o conteúdo de modo qualitativo; Obteve-se um parecer (quantitativo) dos alunos; Desenvolveu-se modelo mental qualitativo do domínio.
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral A implementação do software Cmap Tool tornou-se inviável; Percebe-se uma baixa qualidade nos Mapas Conceituais; Desconhecimento de tal ferramenta e a falta de habilidade; Quanto ao experimento: Considera-se que 100% do Mapa Conceitual desenvolvido pelo professor apresentam 146 pontos (50% = 73pts); Considera-se que 100% do questionário dois (II) apresentam 34 pontos (50% = 17pts.).
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral Poucos alunos atingir valores superior a 50% dos pontos do Mapa Conceitual e do Questionário II. Gráfico 1 Avaliação, em pontos, dos alunos de Alimentos (a) e Zootecnia (b), considerando Mapa Conceitual I em azul; Mapa Conceitual II em laranja, respectivamente, e 50% do Mapa Conceitual do professor em verde.
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral Alguns dos alunos (ao todo três), de Zootecnia, atingiram pontuação superior a 50% do Mapa Conceitual do Professor (73pts.). Gráfico 02 Média das avaliações (em pontos) dos alunos de Alimentos (a) e Zootecnia (b, c), considerando o Mapa Conceitual II em azul; o Questionário II em laranja; 50% da pontuação do Mapa Conceitual do Professor em verde (73pts); e 50% da pontuação do Questionário II do Professor em amarelo (17pts).
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral Conceitos, relações, proposições, relações cruzadas e exemplos; Considera-se positivo o experimento: Gráfico 4 Média das avaliações I e II, em pontos, dos alunos de Alimentos (a) e Zootecnia (b), respectivamente - considerando as variáveis.
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral No questionário II, na questão 5, muitos alunos tiveram 100% de acerto ou muito próximo desse valor. Os alunos superaram o excesso de informações cotidianas; Analisaram as informações específicas sobre o domínio da gravidade; Souberam identificar os fenômenos; Entender seu mecanismo a ponto de identificar as variáveis (força, massa, peso, aceleração, velocidade, deslocamento, tempo e período ).
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral A questão (5): se... algo acontece... então,... Identifica-se o desenvolvimento dos mecanismos e as variáveis, tal como no Modelo Mental Corpus Causal (Forbus; Gentner, 1986). A questão (6): se... algo acontece... e... algo acontece... então ;
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral A grande maioria não desenvolveu as noções necessárias para identificar os processos subjacentes e mais complexos. Observa-se uma grande dificuldade de realizar simulações qualitativas mais complexas. Não foi identificada uma noção organizada dos modelos qualitativos, tampouco a noção de processos como pode ser identificado nas questões que seguem (07 e 08). Questionou-se (questão 7) sobre o resultado dos processos sobre diferentes variáveis, e os alunos não conseguiram desenvolver tal raciocínio.
4. ANALISE DE RESULTADOS I. Análise Geral Na questão 8, faz-se uma análise sobre o experimento do Pêndulo Simples, onde o aluno deveria ter um modelo mental qualitativo complexo desenvolvido para elaborar a resposta. Considerando o baixo índice de acertos das questões 7 e 8, pôde-se descartar a possibilidade dos alunos terem obtido êxito em responder tal questão. Assim, é possível afirmar, de modo geral os alunos não desenvolveram o modelo mental da Física Naive.
4. ANALISE DE RESULTADOS II. Estudo de Caso
4. ANALISE DE RESULTADOS II. Estudo de Caso EXPLICAÇÕES SATISFATÓRIAS A aluna Stefania apresenta índices de acertos que superam 85% (quest. 05), tornando óbvio o entendimento do Modelo Mental tipo Foto História e Corpus Causal. Nas questões 7 e 8, com 57,9% de acertos, justifica-se um princípio de entendimento da Física Naive ; Demonstrou conhecer as Variáveis e os Processos; O mecanismo associado ao domínio da Física; Fazer simulações mentais simples; Desenvolveu um modelo mental qualitativo organizado através dos processos envolvidos.
4. ANALISE DE RESULTADOS II. Estudo de Caso EXPLICAÇÕES SATISFATÓRIAS Na questão 8, com 70% de acertos, a aluna teve um índice de aprendizagem muito significativo, segundo Johnson-Laird (1983), e conseguiu desenvolver explicações satisfatórias para a questão do pêndulo simples.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Avaliação Quantitativa dos mapas conceituais foi: Prático; Eficaz; Oportuno para mensurar o conhecimento dos alunos. Tais como: Número de conceitos; As relações; As proposições; As relações cruzadas e exemplos; Classifica-los como: Insuficiente; Suficiente; Excelente. A metodologia para a avaliação quantitativa (mapas conceituais) é muito simples e prática.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A Turma de Tecnólogos em Alimentos evidenciou a necessidade de muito mais horas-aulas; Falta de familiaridade com os Mapas Conceituais é prejudicial; Nos questionários verificou-se a existência do Modelo Mental do tipo Foto História e causal. O Modelo Mental Foto História e o Modelo Mental do Corpus Causal ficou explícitos per todos alunos de Zootecnia.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS O Modelo Mental da Física Naive esta presente na aprendizagem da aluna que obteve bons resultados em todas as questões (Stefania). O vídeo 3D foi muito eficaz para envolver os alunos na situação problema sobre gravidade e gravimetria, oportunizando questionamentos; Percebeu-se que o vídeo 3D é animador, mas foi desenvolvido para abordar todo o tema em discussão; Na Turma de Agronomia, será apresentado ao término das aulas.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A investigação revelou que, de modo geral: As estratégias de ensino foram responsáveis por melhorias significativas na predisposição dos alunos em aprender Física; Promoveu o entendimento e/ou desenvolvimento de modelos mentais, de modo frágil e inicial; Desenvolveu-se o Modelo Mental do Tipo Corpus Causal; De modo geral estão muito longe de desenvolver o Modelo Mental do Tipo Especialista. Considerando-se o público alvo de alunos de Física que não são físicos.
REFERENCIAS CRAIK, Kenneth James Williams. The Nature of Explanation. Cambridge: Cambridge University Press, 1943. DALLA VECCHIA, Rodrigo. Grupo de Pesquisa em Ambientes- Matemáticos de Aprendizagem com Inclusão da Informática na Sociedade (GP @+): Possibilidades para a educação Matemática. 2º Simpósio Internacional de Pesquisa em Educação Matemática SIPEMAT. 2008. DISESSA, Andrea A. Towardan Epistemology of Physics. Cognition and Instruction, v. 10, n. 2-3, p. 105-225, 1993. FORBUS, Kenneth D. Qualitative Process Theory. Massachusetts Institute of Technology Artificial Intelligence Laboratory, p. 98, 1984.
REFERENCIAS FORBUS, Kenneth D.; GENTNER, Dedre. Learning Physical Domains: Towards a Theoretical Framework. In Michalski, R., Carbonell, J. and Mitchell, T. (Eds.), Machine Learning: An Artificial Intelligence Approach, Volume 2. Tioga press. 1986. GENTNER, Dendre; STEVENS, Albert L. Mental Models. Editors Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale, New Jersey. 1983. GRECA Ileana Maria; MOREIRA, Marco Antonio. Mental models, conceptual models, and modelling. International Journal of Science Education, v. 22, n. 1, 1-11, 2000. JOHNSON-LAIRD, Philip N. Mental Models. Cambridge, MA: Harvard University Press. 1983.
REFERENCIAS MAROJA, Armando M.; VITURINO, Manoel F. C.; PEREIRA, Jefferson S. Medida da Aceleração da Gravidade. XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física. Anais... Rio de Janeiro, 2005. MOREIRA, Marco Antonio. Modelos Mentais. Investigações em Ensino de Ciências v. 1, n. 3, p. 193-232, 1996. NORMAN, Donal A. Some Observations on Mental Models (University of California, San Diego). In: GENTNER, Dendre; STEVENS, Albert L. Mental Models. Lawrence Erbaum Associates. P. 7-14. 1983. POZO, J. I. Aprendizes e mestres: a nova cultura da aprendizagem. Porto Alegre: Artmed, 2002.