Metodologias ativas para ensino e aprendizagem da física: Caso de estudo da formulação dos conceitos de calor e temperatura

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ARTIGO ORIGINAL

VILANCULO, Jossias Arnaldo [1], MUTIMUCUIO, Inocente Vasco [2], SILVA, Carlos Santos [3]

VILANCULO, Jossias Arnaldo. MUTIMUCUIO, Inocente Vasco. SILVA, Carlos Santos. Metodologias ativas para ensino e aprendizagem da física: Caso de estudo da formulação dos conceitos de calor e temperatura. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 09, Vol. 07, pp. 84-107. Setembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/educacao/calor-e-temperatura

RESUMO

A pesquisa enquadra-se em ensino de Ciências, cujo objetivo é trazer abordagens de ensino que permitam uma participação ativa do estudante, permitindo que sejam valorizadas as concepções alternativas dos estudantes, possibilitando que seja o estudante a construir seu próprio conhecimento. A pesquisa insere-se nos pressupostos teóricos de David Ausubel e foi desenvolvida numa escola Moçambicana com estudantes do 9º ano do ensino secundário geral. O trabalho surge como forma de trazer alternativas ao método tradicional do ensino de Física predominante ao mundo inteiro. Duas turmas perfazendo 101 estudantes foram submetidos a um questionário elaborado pelo pesquisador com intuito de identificar as concepções alternativas dos estudantes nos conceitos de calor e temperatura. Em seguida foram submetidos a uma intervenção didática sobre os conceitos de calor e temperatura usando a metodologia ativa na turma experimental e tradicional na turma de controle, ao final foi aplicado um pós-teste. Os resultados mostram que a estratégia usada na turma experimental permitiu maior participação dos estudantes durante as aulas e ainda se notou uma melhoria substancial na formulação dos conceitos de calor e temperatura, tendo reduzido significativamente as concepções alternativas sobre estes conceitos.

Palavras-chave: Ensino de Física, metodologia ativa, calor, temperatura.

1. INTRODUÇÃO

Em 1963 foi realizada a primeira conferência interamericana, sobre o ensino da Física, na qual Richard Feynman, físico norte-americano e vencedor do prémio Nobel de Física de 1965, já se manifestava de forma muito pessimista sobre a educação do ensino de Física em qualquer lugar, (PEREIRA, 2010). A inquietação de Feynman era na forma como a Física era ensinada nas escolas e a preocupação dos estudantes em estudarem só para memorizarem e reproduzirem os conteúdos no dia da prova, sem se preocuparem em perceber a Física.

Apesar de passarem décadas desde as constatações de Feynman até aos dias de hoje, os problemas no ensino de Física persistem. Não constitui novidade que nas escolas a nível mundial o método tradicional ainda é predominante, onde o professor vai para a sala de aulas preocupado em falar para o aluno o que ele deve saber e, por outro lado, o aluno fica com a responsabilidade de anotar e procurar formas de aprofundar o conteúdo abordado. Como resultado, o aluno preocupa-se apenas em memorizar, não há lugar para ele aprender e depois de pouco tempo esquece tudo. A consequência disso é a falta de motivação para aprender a Física e, acaba por considerar a Física como uma ciência difícil, que não tem nada a ver com a sua realidade.

De acordo com Barroso; Rubini e Siva (2018, p.2) “no período entre os anos 1970 e 1990, pesquisadores em ensino de Física deram-se conta da necessidade de compreender o que os alunos traziam como bagagem cultural e conceitual para que pudessem desenvolver processos de aprendizagem em Física”. Este movimento permitiu para que se desse um passo significativo no desenvolvimento de pesquisas na área de educação em Ciências. É neste período que alguns pesquisadores assumem o papel do conhecimento prévio ou concepções alternativas do estudante na aprendizagem de novos conceitos, com uns a assumirem que estes deviam ser substituídos com conceitos científicos e outros a defenderem a sua acomodação.

Mais tarde, sob influência de Vygotsky as concepções alternativas mantiveram a sua importância na aprendizagem. A abordagem na perspectiva de Vygotsky é de não substituir as concepções alternativas nos estudantes, mas sim, tê-los em consideração. Até aos dias de hoje, os debates têm sido nesta perspectiva.

As concepções alternativas são as ideias iniciais apresentadas pelos alunos e que divergem dos saberes científicos.

Sobre a origem das concepções alternativas, pesquisadores como Caldeira e Martins (1990); Thomaz et al. (1994); Mutimucuio (1998); Hülsendeger, Costa e Cury (2006); Araújo e Souza (2015); Leão e Kalhil (2015); Krause e Scheid (2018) convergem em afirmar que os modelos que os indivíduos usam para explicar conceitos e fenómenos físicos do dia-a-dia desenvolvem-se desde a infância, a partir do momento em que o indivíduo entra em contacto com a natureza, outros através do censo comum, não sendo originados exclusivamente do seu aprendizado escolar.

Nos dias de hoje é consensual a importância da valorização das concepções alternativas no processo de ensino e aprendizagem. Ausubel, nos seus trabalhos defende o papel que o conhecimento que o aluno adquire ao longo das suas vivências interfere na compreensão de novos conceitos no ambiente escolar.

De modo a dar seu contributo na temática sobre o ensino de Física, o autor traz aqui um estudo realizado numa escola Moçambicana na abordagem dos conceitos de calor e temperatura na sala de aulas com estudantes do 9º ano.

Para Faccin e Garcia (2017, p.19), “a compreensão dos conceitos de calor e temperatura torna-se difícil, possivelmente, pelo fato de também serem utilizados no cotidiano com significado diferente daquele aceito cientificamente”. É comum alguém pronunciar palavras como “hoje está fazer calor”, como se o calor fosse medida da temperatura, mas querendo dizer hoje a temperatura está elevada, ou “no verão faz muito calor e no inverno muito frio”, como se o calor e frio fossem termos contrários, mas querendo dizer no verão a temperatura é muito elevada e no inverno é muito baixa.

A partir destes conceitos, calor e temperatura, o autor traz uma abordagem usando uma metodologia ativa, onde o estudante é autor do seu próprio conhecimento (BACICH e MORAN, 2018).

As metodologias ativas fortalecem a autonomia dos estudantes, com elas, os estudantes são capazes de construir e reconstruir seu conhecimento em vez de recebê-lo de forma passiva do professor, tornam-se mais questionadores podendo intervir de forma consciente e transformar a realidade (PUHL, 2017).

O Autor espera que com esta pesquisa dê o seu contributo na abordagem de aulas de Física usando metodologias ativas, onde o estudante seja autônomo e autor da construção do conhecimento científico.

2. ATIVIDADES EXPERIMENTAIS E A TEORIA DE APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE AUSUBEL

David Paul Ausubel foi um psicólogo norte-americano que se ocupou com estudos dos processos de aprendizagem. Desenvolveu uma teoria que ficou conhecida como a Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel.

Segundo Ausubel; Novak e Hanesian (1968); Masini (2011) apud Silva (2020, p.2), “a Teoria da Aprendizagem Significativa (TAS) descreve como o indivíduo aprende à medida que novos conhecimentos são incorporados em suas estruturas cognitivas, a partir dos conhecimentos prévios relevantes”.

Para Silva (2020, p.2), “essa Teoria originou-se a partir da insatisfação vivida por Ausubel em sua escolarização, que foi caracterizada pela ausência de condições que contribuíssem para seu desenvolvimento profissional e para a aprendizagem de novos conhecimentos pelos demais alunos”.

De acordo com Moreira (2011), Ausubel define Aprendizagem Significativa com sendo:

Um processo através do qual uma nova informação (novo conhecimento) se relacionada de maneira não arbitrária e substantiva (não literal) à estrutura cognitiva do aprendiz. É no curso da Aprendizagem Significativa que o significado lógico do material de aprendizagem se transforma em significado psicológico para o sujeito. (MORREIRA, 2011)

Para Ausubel (1963) a aprendizagem Significativa é o mecanismo humano, por excelência, para adquirir e armazenar a vasta quantidade de ideias e informações representadas em qualquer campo de conhecimento.

Ausubel faz destaque ao conhecimento prévio como fundamental para que ocorra uma Aprendizagem Significativa. De acordo com este psicólogo, o ensino deve-se centrar naquilo que o aprendiz já sabe, em suas estruturas cognitivas prévias (subfunções), caso contrário não haverá Aprendizagem Significativa, mas sim Aprendizagem Mecânica.

Na perspectiva de Ausubel, o professor deve preocupar-se antes em saber quais são os conhecimentos prévios ou concepções alternativas dos alunos sobre o conceito a ser abordado.  Esta abordagem pode ser viabilizada por meio de atividades experimentais onde as mesmas podem ser problematizadas.

As atividades experimentais constituem materiais potencialmente significativos. Ausubel, faz referência aos materiais potencialmente significativos como outro elemento essencial para haver aprendizagem significativa para além do conhecimento prévio.

A partir das atividades experimentais propostas, o professor elabora questões problema, onde o aluno ao procurar soluções para as questões colocadas pelo professor, terá oportunidade de expor as suas concepções alternativas.

As atividades experimentais são consideradas estratégias didáticas singulares que contribuem para uma aprendizagem significativa na sala de aulas. Historicamente desde a década 60, várias tentativas com relação à melhoria da qualidade de ensino de ciências basearam-se nas atividades experimentais (CATELANI e RINALDI, 2018).

Esta estratégia proporciona uma mudança de atitude passiva para a ativa, tanto para o estudante, quanto para o docente, pois o aprendiz deixa de ser um mero observador das aulas e, passa a argumentar, a pensar, a agir, a interferir e a questionar (CATELANI e RINALDI, 2018).

Para Pereira (2010), o uso das atividades experimentais como estratégia didática para o ensino da Física deve seguir as seguintes etapas:

  • Proposta do problema;
  • Levantamento das hipóteses;
  • Elaboração do plano de trabalho, ou seja, de como a experiência deve ser realizada;
  • Montagem do arranjo experimental e coleta de dados;
  • Análise de dados;
  • Conclusões.

De acordo com o mesmo autor, o plano de trabalho deve conter: objetivos, problema, hipóteses e solução do problema.

3. METODOLOGIA DA PESQUISA

Aqui é feita a descrição da abordagem metodológica da pesquisa, os instrumentos de recolha de dados e as técnicas de análise e interpretação dos resultados. Trabalhou-se com duas turmas, uma de controlo e outra experimental, as quais foram submetidas a um pré-teste antes da intervenção e depois a um pós-teste após a intervenção.

Do ponto de vista de forma de abordagem do problema, a pesquisa é qualitativa e quantitativa. De acordo com Gerhaldt e Silvera (2000, p.31-41),“ tanto a pesquisa quantitativa quanto a pesquisa qualitativa apresentam diferenças com os elementos fortes de um a complementarem as fraquezas do outro e vice-versa”.

A abordagem quantitativa, na óptica de Silva e Menezes (2001, p.20) “significa traduzir em números opiniões e informações para classificá-las e analisá-las”. Neste caso, as concepções alternativas dos estudantes serão agrupadas em tabelas de frequências percentuais para sua análise.

É também qualitativa por que a explicação e interpretação dos conceitos não vai requerer técnicas estatísticas, mas sim o ambiente natural, onde a fonte direta para coleta de dados é o pesquisador e é o instrumento-chave (SILVA e MENEZES, 2001).

Quanto aos objetivos é de carácter exploratória, pois, como explica Severino (2017, p.91), “busca apenas levantar informações sobre determinado objeto, delimitando-se assim um campo de trabalho, mapeando as condições de manifestação desse objeto”.

O estudo foi feito por meio de um questionário (pré-teste e pós-teste) aplicado aos estudantes em dois momentos diferentes. O objetivo era de identificar as concepções alternativas dos alunos sobre os conceitos de calor, temperatura, direção de transferência espontânea de calor e equilíbrio térmico e, a partir do mesmo identificar a turma do controlo e experimental.

O instrumento antes da aplicação foi aprovado por dois professores especializados na matéria, por sinal o supervisor e co-supervisor e, lido antes da aplicação por dois docentes de Física da escola onde se desenvolveu a pesquisa.

A amostra foi constituída por 101 estudantes da 9ª classe, dado que estes conceitos são abordados formalmente pela primeira vez nesta classe. Esta amostra é proveniente de 2 turmas selecionadas aleatoriamente num universo de 9 turmas do período diurno.

As idades do grupo amostral estão entre 13 e 17 anos. Antes de serem submetidos, solicitou-se autorização aos pais e ou encarregados de educação numa reunião dirigida pelos diretores de turma. Antes, o pesquisador solicitou autorização á direção da escola através de uma carta formal.

Para análise de dados qualitativos, optou-se por criar categorias hierárquicas em função do nível de elaboração de cada resposta do estudante, excetuando as questões 1 e 5 que pediam os significados de calor e temperatura respectivamente nas línguas maternas dos estudantes, tendo sido analisadas de acordo com o modelo da tabela 1, elaborada pelo autor.

A categorização foi inspirada nos modelos utilizados por outros pesquisadores da área de investigação em Ciências (NEVES; CHARRET e CARVALHO, 2017; COVOLAN e SILVA, 2005; MOÇO e SERRANO, 2002). Assim sendo, criou-se três categorias (A, B e C), onde a categoria “A” representa o maior nível da elaboração das respostas e a categoria “C” o nível mais baixo de elaboração.

Para dados quantitativos usou-se gráficos de barras.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 RELATO DE INTERVENÇÃO DIDÁTICA

Nesta seção é descrito o ambiente em que se desenvolveram as aulas na turma experimental, onde procurou-se desenvolver uma metodologia ativa de ensino e aprendizagem baseada em atividades experimentais. A estrutura do guia experimental seguiu a proposta de Pereira (2010).

Esta proposta enquadra-se na teoria de aprendizagem significativa de Ausubel, que defende a valorização do conhecimento inicial do estudante, nesta ótica, todas a atividades iniciam com uma problematização, onde o estudante é solicitado a formular hipóteses através dos seus conhecimentos prévios, que nesta pesquisa são designados por concepções alternativas.

Atividade 1: Medir a temperatura de água em três bacias diferentes

Objetivo: Verificar que não é confiável medir a temperatura por meio de tato.

Problema: Como saber se a água está quente ou fria?

Formulação de hipóteses pelos alunos: O docente solicitou aos estudantes a colocarem as possíveis respostas à questão colocada. As hipóteses dos estudantes foram as seguintes:

  • Tateando as bacias por fora.
  • Mergulhando as mãos em cada uma das bacias.
  • Usando o termómetro.

Etapas para a solução do problema: Nesta atividade dois estudantes foram solicitados para mergulharem as suas mãos em uma bacia com água quente e outra na água fria, ver figura 1. Depois de 30 segundos retiraram as mãos e mergulharam em água morna, ver figura 2. Perguntou-se a sensação que tiveram. As respostas foram de que para a mão que vinha de água quente, tinham a sensação de frio e na outra mão que vinha de água quente tinham sensação de calor.

Figura 1: Três bacias com água quente, morna e fria

Fonte: Autor

Figura 2: O momento em que um dos estudantes mergulhava as duas mãos nas bacias com água quente e fria e, depois as duas na água morna.

Fonte: Autor

Com estas atividades experimentais, os estudantes chegaram à conclusão de que o sentido de tacto pode nos dar sensações erradas da temperatura, não sendo por essa via recomendável para medição da temperatura.

Atividade 2: Medir a temperatura de um corpo.

Objetivo: Identificar o termómetro como instrumento para a medição da temperatura.

Problema: Temos duas colheres quase iguais, uma de metal e outra de madeira. Como avaliar a temperatura das duas colheres? Compare as duas temperaturas.

Formulação de hipóteses pelos alunos: Os estudantes foram solicitados a colocar algumas hipóteses após a discussão em grupos de dois a dois, tendo resultado no seguinte:

  • Tateando o objeto com a palma da mão.
  • Colocando o objeto em contato com a testa.
  • Medindo a sua temperatura com o termómetro.
  • A colher de metal tem menor temperatura em relação à colher de madeira.

Etapas para a solução do problema:

Os estudantes foram solicitados a palpar duas colheres, uma metálica e outra de madeira, em seguida perguntou-se qual delas tinha temperatura mais baixa. Maior parte respondeu que a colher de metal estava com temperatura baixa pois estava mais fria.

Após a discussão, os estudantes mediram as temperaturas das duas colheres usando o termómetro (Figura 3) tendo chegado à conclusão de que a temperatura era a mesma.

Figura 3: O momento da medição das temperaturas das colheres de metal e de madeira.

Fonte: Autor

Conclusão: concluiu-se que a terceira hipótese é verdadeira, ou seja, para medir a temperatura de um corpo deve-se usar um instrumento chamado termómetro.

Atividade 3: Formulação do conceito de temperatura.

Objetivo: Definir temperatura.

Problema: O que é temperatura? Que relação existe entre a temperatura e o grau de agitação das partículas?

Formulação de hipóteses pelos estudantes: Sobre a questão de conceito da temperatura, os estudantes responderam o seguinte:

  • Temperatura é a quantidade de calor.
  • Temperatura é energia interna.
  • Temperatura é o grau de agitação das partículas.
  • Temperatura é o estado de aquecimento.

Sobre a relação entre temperatura e o grau de agitação das partículas, nenhum estudante respondeu.

Etapas para a solução do problema:

O docente exibiu três copos, um com água natural, outro com mistura de água e cubos de gelo e por fim o terceiro com cubos de gelo. Solicitou aos estudantes para descreverem o grau de agitação das partículas com categorias maior, moderado e menor e, usando as mesmas categorias compararem as temperaturas nos três copos.

Os estudantes conseguiram responder que no copo com água natural, há maior agitação das partículas comparativamente com os outros copos e, por sua vez no copo que contém água e cubos de gelos, a agitação é maior comparativamente ao copo com cubos de gelo.

Em relação às temperaturas, alguns estudantes, responderam que o copo de água natural tem maior temperatura, seguindo o copo de mistura de cubos de gelo e água e, por fim com temperatura mais baixa o copo com cubos de gelos. Porém, existe um número reduzido de estudantes que ficou indeciso sobre as temperaturas dos copos 2 e 3, respetivamente da mistura cubos de gelo + água e cubos de gelo.

Para dissipar as dúvidas, o docente solicitou dois estudantes para medirem a temperatura dos três copos e preencherem na tabela, ver Tabela 1:

Figura 4: Os três momentos de medição da temperatura nos três copos com água natural, água + cubos de gelo e cubos de gelo

Fonte: Autor

Tabela 1: Dados experimentais na formulação do conceito de temperatura.

Copos 1 2 3
Grau de agitação das partículas menor moderado maior
Valor da temperatura 4º C 10º C 25º C

Fonte: Autor

Com esta atividade experimental os estudantes conseguiram formular que a temperatura mede o grau de agitação das partículas.

A partir dos resultados da medição, foi possível chegarem à seguinte conclusão: Quanto maior for a temperatura, maior é o grau de agitação.

A 2ª aula sobre o conceito de calor, teve a seguinte sequência de atividades:

Atividade 4: Formulação do conceito de calor

Objetivo: Definir o conceito de calor.

Problema: O que é calor? Qual é o significado de calor na tua língua materna?

Formulação de hipóteses pelos estudantes: Em grupo de dois a dois, os estudantes foram orientados a discutirem o conceito em português e, depois nas suas línguas maternas. As respostas dadas pelos estudantes são as seguintes:

  • Calor é a variação da temperatura.
  • Calor significa temperatura elevada.
  • Calor significa energia.
  • Na língua tsuá calor significa temperatura elevada.
  • Na língua guitonga calor significa temperatura elevada.
  • Na língua chichope calor significa temperatura elevada.

Sobre esta atividade, de acordo com Ausubel (2003), o ser humano apresenta a tendência de aprender mais facilmente um conjunto de conhecimentos quando ele é apresentado a partir de suas ideias mais gerais e mais inclusivas e se desdobrando para as ideias mais específicas e menos inclusivas, ou seja, a partir da sua língua materna consegue apresentar ideias gerais e, na língua portuguesa ideias mias especificas.

Etapas para a solução do problema:

Solicitou-se dois estudantes para a realização da atividade experimental a partir dos seguintes materiais: 4 Copos, água fria, e água a temperatura do ambiente, e termómetro. Os outros em grupos de dois estudantes cada, observavam e discutiam as suas observações.

Colocou-se a mesma quantidade de água a temperatura do ambiente nos dois copos (Copo 1 e Copo 2); mediu-se a temperatura inicial da água nos dois copos; misturou-se a água de copo 1 e copo 2 e mediu-se a temperatura final.

Figura 5:  O momento da realização da atividade experimental para formulação do conceito de calor

Fonte: Autor

Em seguida colocou-se a mesma quantidade de água fria num copo e noutra água quente; (Copo 3 e Copo 4); mediu-se a temperatura inicial nos dois copos; misturou-se a água dos copos 3 e 4 e mediu-se a temperatura da mistura.

Os resultados foram preenchidos na tabela abaixo.

Tabela 2: Dados experimentais para formulação do conceito de calor

Recipientes T1 T2 T3
Copo 1 27º C 55º C 47º C
Copo 2 66º C
Copo 3 27º C 27º C 27º C
Copo 3 27º C

Fonte: Autor

Solicitou-se aos estudantes para explicarem o fenómeno observado, respondendo em grupos de 2 estudantes cada as seguintes questões: Porque na primeira mistura (copo 1 e copo 2) a temperatura variou? Porque na segunda mistura (copo 3 e copo 4) não houve variação da temperatura de T1 para T2? e de T2 para T3?

Sobre as misturas dos copos 3 e 4, quase todos estudantes tinham a mesma opinião de que não houve variação da temperatura porque as duas quantidades estão a mesma temperatura.

Já no caso dos copos 1 e 2 apesar de os estudantes comungarem a opinião de que houve variação da temperatura de T1 para T2 por que as duas quantidades encontravam-se a temperaturas diferentes, os mesmos divergem no que diz respeito aos argumentos da variação da temperatura, como veremos a seguir algumas intervenções de estudantes:

Estudante 1 :Houve variação da temperatura porque a água quente transferiu temperatura para a água fria.

Estudante 2: Houve variação da temperatura devido a transferência de temperatura fria para água quente, daí ter baixado para 55º C.

Estudante 3: Transferiu calor para água fria.

Estudante 4: Houve transferência de calor de água fria para água quente.

Perguntou-se aos estudantes o que provocou a variação da temperatura. O pesquisador explicou aos estudantes que a entidade que provocou a variação da temperatura foi a energia (em trânsito) em forma de calor em virtude da diferença de temperatura. Foi repisado que essa transferência só ocorre quando dois corpos ou substâncias com temperaturas diferentes são colocados em contato.

Perguntou-se de novo aos estudantes, afinal o que é calor? Após várias definições, os estudantes chegaram à conclusão de que calor é a quantidade de energia em trânsito em virtude da diferença de temperaturas.

Solicitou-se aos estudantes para analisar se o conceito de calor nas línguas maternas traduz o conceito científico ou não, tendo chegado à conclusão de que nas línguas maternas, o conceito de calor significa temperatura elevada, contrastando deste modo com o conceito científico de calor.

Foram colocadas as questões seguintes para resolução em grupo como forma de consolidação: Considera dois cubos de gelo que inicialmente se encontram a temperaturas diferentes como vem ilustrado abaixo. Eles são colocados em contato.

Haverá transferência de algo entre os dois blocos? Em caso afirmativo, o que é transferido entre os dois blocos de gelo? Justifique.

O docente explicou aos estudantes que neste caso também há transferência de calor por que estamos a colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, quer dizer, a transferência de calor ocorre não apenas para corpos aquecidos mas também para corpos frios, desde que os mesmos se encontrem a temperaturas diferentes.

A 3ª aula sobre equilíbrio térmico e direção de transferência espontânea de calor, foi desenvolvida com as atividades seguintes:

Atividade 5: Equilíbrio térmico e direção de transferência espontânea de calor

Objetivos: Definir equilíbrio térmico e identificar a direção de transferência espontânea de calor.

Problema: Considere um Bloco (porca de uma viatura) aquecido até 106º C que é introduzido no interior de um copo com água a temperatura inicial 20º C. Qual será a direção de transferência de calor? Quando é que cessa a transferência de calor? A temperatura final do sistema será: a. Maior que 106º C; b. 106º C; c. 20º C; d. Maior que 20 C e menor que 106º C.

Formulação de hipóteses pelos estudantes:

As respostas dos estudantes foram as seguintes:

  • A direção de transferência de calor será de água para o bloco.
  • A direção de transferência de calor será do bloco para a água.
  • A transferência de calor para quando o sistema estiver a mesma temperatura.
  • A temperatura final do sistema será de 20º C.
  • A temperatura final do sistema será maior que 106º C.
  • A temperatura final do sistema será maior que 20º C e menor que 106º C.

Etapas para a solução do problema:

Usando um aquecedor, aqueceu-se um bloco (porca de uma viatura) por 5 minutos, tempo em que os estudantes respondiam as questões do problema. Solicitou-se a dois estudantes para medir a temperatura inicial do bloco aquecido, a temperatura inicial da água em um copo e, depois introduzir o bloco aquecido no copo com água, ver figura 6. Observar os valores lidos pelo termómetro até a temperatura parar de variar.

Figura 6: O aparato experimental para formulação do conceito de equilíbrio térmico.

Fonte: Autor

Conclusão: A atividade permitiu aos estudantes concluírem que a direção de transferência espontânea de calor é do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura, essa transferência para quando os dois corpos atingem a mesma temperatura, ou seja, o equilíbrio térmico.

4.2 RESULTADOS DAS CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS NO PRÉ-TESTE E PÓS-TESTE

A categorização dos resultados do pós-teste está apresentada nas Tabelas a seguir:

Tabela 3: Os resultados da análise das respostas dos estudantes sobre o conceito de calor, questão número 2 (no pré-teste) e questão número 1 (no pós-teste).

 Tipo Percentagem dos estudantes (%)  Concepções alternativas identificadas
Pré-teste Pós-teste
A 21 72 Calor significa temperatura elevada.

Calor é uma substância, um fluido.

Calor é contrário de frio.

B 14 15
C 65 13

Fonte: Autor

Tabela 4: Análise das respostas dos alunos sobre o conceito de calor da TC

Tipo  Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Pré-teste Pós-teste
A 20 22 Calor significa temperatura elevada.

Calor é diretamente proporcional a temperatura.

Calor é associado apenas a corpos aquecidos.

Calor é uma substância, um fluido.

Calor é contrário de frio.

B 15 7
C 75 71

Fonte: Autor

Comparando as duas tabelas no pós-teste, nota-se que na turma experimental os estudantes tiveram melhor elaboração do conceito calor, tendo obtido 72% na categoria A contra 22% da turma de controlo. Pese embora as concepções alternativas persistam, a turma experimental teve menor percentagem (13%) comparativamente à turma de controlo (71%). Em relação à análise antes e depois da intervenção didática, não duas turmas nota-se uma melhoria significativa na elaboração dos conceitos científicos na turma experimental.

A seguir é apresentado o resultado da análise da questão número 2 através das Tabelas 5 e 6 cujo enunciado é o seguinte: “Associamos a existência de calor nas seguintes situações: I-A qualquer corpo em movimento, pois todo o corpo em movimento possuí calor; II-Apenas aos corpos quentes; III- A situações nas quais dois corpos entram em contato, com temperaturas diferentes”. Esta questão apenas foi avaliada no pós-teste.

Tabela 5: Análise das respostas dos alunos à questão número 3 da TE

 

Tipo

Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 92 Calor significa temperatura elevada.

Corpos em movimento possuem calor.

B 3
C 5

Fonte: Autor

Tabela 6: Análise das respostas dos alunos à questão número 3 da TC

Tipo Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 68 Calor significa temperatura elevada.

Corpos em movimento possuem calor.

B 12
C 30

Fonte: Autor

Nesta questão é evidente a diferença entre as duas turmas, com a turma experimental a atingir 92% de conceitos com um nível de elaboração científico contra 68% da turma de controlo. O nível de dificuldades ou com concepções alternativas é de 13% na turma experimental contra 30% na turma de controlo.

As Tabelas 7 e 8 evidenciam a análise sobre o conceito da Temperatura, questão número 4 (no pré-teste) e questão número 3 (no pós-teste).

Tabela 7: Análise das respostas dos alunos sobre o conceito de temperatura na TE

Tipo Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 12 89 Temperatura como medida de calor.

Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.

B 10 6
C 78 5

Fonte: Autor

Tabela 8: Análise das respostas dos alunos sobre o conceito de temperatura na TC

Tipo Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 15 82 Temperatura como medida de calor.

Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.

B 27 15
C 58 3

Fonte: Autor

Em relação ao conceito de temperatura o estudo mostra que nas duas turmas houve uma melhoria significativa na elaboração do conceito. A diferença percentual é menor, sendo 89% na turma experimental e 82% na turma de controlo. Quanto às concepções alternativas exibidas, as duas turmas apresentam percentagem menor, contudo a turma de controlo tem menor percentagem (2%) em relação a turma experimental (2%). Porém, esta diferença não é significativa para pôr em causa o método usado.

O resultado da análise da questão 4.1 (do pós-teste) e 7.1 (no pré-teste) é exibida nas Tabelas 9 e 10 abaixo. A questão colocada aos alunos foi a seguinte: “Tens um bloco metálico inicialmente a 75º C e um calorímetro contendo água a 20º C. Em seguida, o bloco metálico A é introduzido no calorímetro, de acordo com a figura a seguir:

O que é transferido entre o bloco metálico A e a água no calorímetro?”.

Tabela 9: Análise das respostas dos alunos na TE

Tipo Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 31 95 Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
B 24 0
C 45 5

Fonte: Autor

Tabela 10: Análise das respostas dos alunos na TC

Tipo Percentagem dos estudantes (%) Concepções alternativas identificadas
Antes Depois
A 52 80 Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
B 35 12
C 13 8

Fonte: Autor

As duas tabelas mostram que 95% e 80 % dos estudantes, respetivamente nas turmas Experimental e de Controlo definir o conceito de temperatura. Quantos às concepções alternativas exibidas, apenas 5% dos estudantes da turma experimental e 8% da turma de controlo confundem ainda a temperatura como algo que se transfere de um corpo para outro, ou seja, confundem temperatura com calor. Nas duas turmas houve melhorias na formulação de conceitos, tendo reduzido a frequência das concepções alternativas, com maior incidência na turma experimental.

4.3 RESULTADO DO DESEMPENHO POR TURMA, NO PRÉ-TESTE E PÓS-TESTE

Os gráficos da Figura 1 mostram a situação inicial dos estudantes antes de serem submetidos à intervenção didática nas turmas 10 (turma de controlo) e 11 (turma experimental).

Figura 7: Gráfico comparativo dos pré-testes da turma experimental e de controlo

Fonte: Autor

Olhando para os dados do gráfico apesar de a turma de controlo apresentar uma percentagem de positivas e negativas ligeiramente superior à da turma experimental, esta diferença não é significativa, como será demonstrado mais adiante. Quer dizer, as duas turmas encontravam-se no mesmo nível em relação aos conteúdos avaliados.

Depois da aplicação do pré-teste, as duas turmas foram submetidas a uma intervenção didática, usando estratégias de ensino diferentes, tendo sido submetidas a posterior a um pós-teste. O resultado é apresentado no gráfico 2 a seguir:

Figura 8: Gráfico comparativo dos pós-testes da turma experimental e de controlo

Fonte: Autor

Comparando os dois gráficos, é notável a diferença entre a percentagem de positivas no pós-teste na turma experimental. Pese embora na turma de controlo também tenha havido aumento da percentagem de positivas, esse aumento não é substancial. Pode-se assumir a partir desta evidência que a estratégia usada contribuiu significativamente para maior percentagem de positivas.

5. CONSIDERAÇÕES GERAIS

O ser humano, ao nascer entra em contato com o meio que lhe rodeia. Este contato, faz com que haja uma inteiração entre o ser humano e a natureza. É através desta inteiração que o ser humano vai interpretando os fenómenos da natureza antes do contato formal com a escola, daí que o estudante ao chegar na sala de aulas ele já tem algum conhecimento prévio.

Ao introduzir novos conceitos na sala de aulas, o professor deve ter a noção da existência de concepções alternativas nos estudantes e, criar situações para estas serem exploradas na sala de aulas de modo que os estudantes tenham possibilidade de diferenciar saberes científicos e não científicos.

Ao serem ignoradas as concepções alternativas, não haverá aprendizagem significativa dos conceitos.

A pesquisa mostra que a aprendizagem significativa tem lugar quando há valorização das concepções alternativas dos estudantes, verificando deste modo, a premissa de Ausubel quando diz “o fator mais importante para que o aprendiz assimile novo conhecimento é quilo que ele sabe”.

As concepções alternativas existem em muitos conceitos da Física, sendo a Termodinâmica a área onde os estudantes têm tido muitas concepções alternativas. Em relação aos conceitos de calor e temperatura, as concepções mais comuns dos estudantes são:

  • Calor significa temperatura elevada.
  • Calor é diretamente proporcional a temperatura.
  • Calor é associado apenas a corpos aquecidos.
  • Calor é uma substância, um fluido.
  • Calor é contrário de frio.
  • Temperatura é sinónima de calor.
  • Temperatura como medida de calor.
  • A temperatura pode ser transferida,
  • Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
  • Corpos frios não contêm calor.
  • A temperatura depende da natureza do material.
  • A direção de transferência espontânea de calor é do corpo com massa para corpo de menor massa.
  • Em corpos arrefecidos (abaixo de zero grau não há transferência de calor
  • Temperatura mede-se com o sentido do tacto.
  • Quando dois corpos a temperaturas diferentes entram em contato, a temperatura final sempre será a média aritmética da temperatura dos dois corpos.
  • A temperatura final de dois corpos em contato com temperaturas iniciais diferentes será dada pela soma das duas temperaturas.

Conclui-se que nas línguas maternas dos estudantes inqueridos (xitswua, gitonga e cicopi), não há diferença de termos para designar calor e temperatura, as concepções alternativas mais comuns dos estudantes tem como causas da persistência mesmo após o ensino formal as seguintes: a língua, onde os conceitos são explicados usando o senso-comum para simplificar a sua compreensão, a cultura, onde os modelos que o indivíduo usa para explicar conceitos desenvolvem-se desde a infância, não sendo originados do seu aprendizado escolar.

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[1] Mestrado em Educação/ Ensino de Física. Graduado em Ensino de Matemática e Física.

[2] Orientador. Professor Doutor.

[3] Co-orientador. Professor Doutor.

Enviado: Julho, 2020.

Aprovado: Setembro, 2020.

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