Estudo de Isomeria por meio de modelos didáticos construídos pelos estudantes

ARTIGO ORIGINAL

SANTOS, Danilo Oliveira ^[1]

SANTOS, Danilo Oliveira. Estudo de Isomeria por meio de modelos didáticos construídos pelos estudantes. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 06, Vol. 08, pp. 38-48. Junho de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/quimica/modelos-didaticos

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma maneira alternativa de abordar os conceitos de Isomeria no contexto da escola pública. A referida pesquisa foi realizada através de um estudo de caso no Colégio Estadual Deputado Guido Azevedo, localizado na cidade de Areia Branca-SE. O conteúdo Isomeria foi discutido através da construção de modelos moleculares com materiais alternativos, como palitos, isopor, papel, biscuit, entre outros. Além disso, foram apresentadas estruturas em 3D com auxílio do software ACDLabs ChemSketch. A partir da metodologia utilizada foi possível perceber maior interatividade entre os estudantes, assim como um processo de ensino e aprendizagem mais ativo e prazeroso. Dessa forma, o estudo sugere que é necessário pensar em metodologias que coloquem os alunos como participantes ativos da construção do conhecimento visando uma formação mais sólida e melhor aproveitamento dos conceitos científicos abordados.

Palavras-chave: Isomeria, software, modelos moleculares, materiais alternativos.

1. INTRODUÇÃO

A química é uma disciplina que exige a percepção visual dado que as informações apresentadas para os fenômenos macroscópicos são propostas através de interações entre átomos, moléculas e partículas subatômicas. Dessa forma, compreender química significa ser capaz de combinar o macroscópico, o simbólico e as dimensões microscópicas. Essa natureza tripla da ciência deve ser integrada com o uso da linguagem científica a fim de que ocorra o entendimento sobre os fenômenos (PAVLINIC et al, 2001).

Na química, as representações podem ser classificadas em três níveis: macroscópica, simbólica e microscópica. No nível macroscópico, processos químicos são observáveis, por exemplo, combustão de uma vela. Representações ao nível simbólico incluem formas de expressar conceitos químicos, tais como fórmulas químicas, equações, os símbolos e estruturas. Representações microscópicas referem-se a modelos que representam as matrizes e movimentos de partículas (átomos e moléculas, representados, por exemplo, por esferas e bastões). (MATUS et al, 2011; WU et al, 2001).

Estudos anteriores apresentaram que as representações simbólicas e microscópicas são de difícil entendimento para os estudantes, porque essas são abstratas, enquanto os estudantes se baseiam em informações sensoriais. Para tentar reduzir as dificuldades dos alunos, os pesquisadores sugeriram utilizar uma variedade de metodologias de ensino, como o uso de modelos concretos e softwares. A visualização de animações e moléculas tridimensionais pode ajudar aos discentes nas representações microscópicas e simbólicas para descrever e explicar um processo químico. Além disso, a manipulação de modelos físicos promove a compreensão em longo prazo de moléculas e átomos (MATUS et al, 2011; WU et al, 2001;WU e SHAH, 2004).

A construção de modelos moleculares com materiais de baixo custo é uma alternativa na utilização da metodologia em sala de aula, visto que os materiais vendidos comercialmente ainda possuem um alto custo. A confecção de modelos moleculares é uma ferramenta para facilitar à assimilação e o aprendizado de conceitos que envolvam a geometria molecular, as ligações químicas, a isomeria, entre outros. A utilização de modelos moleculares no processo de ensino e aprendizagem pode oferecer ao aprendiz o nível microscópio de um fenômeno químico ou físico (CARNEIRO et al, 2011). Neste sentido, alguns conceitos científicos da Química podem ser abordados com esse tipo de metodologia, dentre eles a Isomeria.

Esse é um conteúdo científico estudado com representação microscópica. A representação de isômeros planos pode ser realizada sem modelos moleculares e os estudantes conseguem compreender a diferença entre os compostos. No entanto, no estudo dos isômeros geométricos e ópticos não há adequada compreensão por parte dos estudantes da distinção entre os isômeros (RAUPP et al, 2010). Assim, a utilização de modelos moleculares pode auxiliar na capacidade de representação dos isômeros.

Desta forma, o objetivo do presente trabalho é demonstrar a elaboração de modelos moleculares com materiais alternativos para moléculas orgânicas e o estudo de isomeria com alunos do 3º Ano do Ensino Médio.

2. METODOLOGIA

Este estudo foi realizado com estudantes das turmas de terceiro ano do ensino médio do Colégio Estadual Deputado Guido Azevedo, localizado em Areia Branca-SE. Quatro turmas, uma do turno matutino, duas do turno vespertino e uma do turno noturno, participaram do projeto. A disciplina Química tem duas aulas semanais e o conteúdo programático é condizente com a série a qual foi aplicado. O estudo foi promovido em alguns momentos (Figura 1).

Figura 1. Metodologia utilizada para a realização do projeto.

As turmas foram divididas em grupos de no máximo cinco alunos e o professor explicou aos estudantes todo o processo para o estudo do tema Isomeria. Em seguida, foram orientados na produção dos modelos moleculares.  Na demonstração inicial do objetivo do projeto, o docente exibiu algumas estruturas moleculares com auxílio do software ACDLabs ChemSketch (Figura 2).

Figura 2. Interface do software ACDLabs ChemSketch.

Os alunos foram instruídos a pesquisar sobre o tema Isomeria e representar isômeros com modelos moleculares produzidos com materiais alternativos. Os grupos deveriam demonstrar cinco pares de isômeros.

O acompanhamento da produção do material aconteceu semanalmente nas aulas de Química e por contato via redes sociais, meio muito utilizado pelos estudantes para recorrer ao docente.

Após a construção dos modelos moleculares, cada grupo apresentou seus resultados na sala de aula para o compartilhamento do conhecimento científico produzido.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

No estudo de química orgânica, é notável a dificuldade de compreensão do conteúdo isomeria pelos estudantes, tanto da educação básica como do ensino superior. Há complexidade em visualizar os aspectos tridimensionais das moléculas e seus relacionamentos com outras moléculas (KURBANOGLU et al, 2006). Assim, a isomeria trata da forma molecular e seu significado para propriedades físicas e químicas, foi identificado como de difícil compreensão. Tem sido sugerido que essa dificuldade surge porque a compreensão requer o entendimento das diferentes maneiras dentro da natureza tríplice da química e fazendo uso da capacidade de visualização 3D (PAVLINIC et al, 2001).

Nos livros didáticos de Química, são frequentes as representações concretas, que são imagens associadas a um determinado modelo científico, tais como desenhos, projeções bidimensionais ou objetos tridimensionais. As representações e imagens utilizadas para o ensino são, além de importantes meios para o aprendizado da química, objetivos de sua formação, uma vez que aprendê-los implica fazer parte das linguagens que os químicos utilizam em suas interpretações. As múltiplas maneiras pelas quais as uniões químicas podem ser representadas e a falta de aprofundamento nelas é uma das razões determinantes para as dificuldades dos estudantes nessa área (MATUS et al, 2011).

Uma alternativa para melhorar a compreensão do conteúdo científico é a utilização de softwares devido à possibilidade de gerar experiências interativas, que modelam o mundo microscópico da molécula. Nesse projeto, o software utilizado – ACDLabs ChemSketch – permite construir modelos moleculares, girar modelos 3D e observá-los de diferentes visualizações.

Para introduzir conceitos químicos relacionados à isomeria, foi proposto aos alunos a confecção de modelos moleculares com materiais a sua escolha. Para auxiliar no processo, inicialmente, foram demonstradas estruturas moleculares (butan-1-ol; 1,2-dimetil-ciclopentano; 1-flúor-etan-1-ol) no software ACDLabs ChemSketch (Figura 3).

Figura 3. Imagens demonstradas em sala de aula com auxílio do software ACDLabs ChemSketch.

Para entender a química orgânica, os estudantes precisam desenvolver uma capacidade de visualizar moléculas em três dimensões. Estudos mostraram que a capacidade espacial é importante para a compreensão de conceitos químicos. Alunos com maiores habilidades espaciais apresentam maior aprendizagem de conceitos de isomeria. De fato, alguns estudos afirmaram que o estudo da isomeria pode melhorar as habilidades espaciais de um aluno (ABRAHAM et al, 2010).

No ensino e aprendizagem de química em aulas ou usando livros didáticos e outros materiais de ensino, uma variedade de representações de estruturas moleculares são usadas para representar à estrutura molecular 3D. Muitas vezes, é esperado que os alunos reconheçam estruturas moleculares 3D com base em representações 2D. Além disso, espera-se que eles sejam capazes de entender as explicações baseadas naquelas representações (FERK et al, 2003). Para reduzir a dificuldade discutida, além da apresentação dos modelos moleculares no software, os discentes construíram suas próprias estruturas moleculares.

Os modelos apresentados e construídos pelos alunos são adequados para o ensino médio e pode ser uma alternativa no ensino superior, visto que são visualmente atraentes e os estudantes podem construir sem dificuldades e com materiais de fácil acesso e baixo custo. Toda a construção dos materiais foi supervisionada pelo professor, porém a criatividade e a maneira como produziram os modelos moleculares foram discutidos entre eles nos grupos (Figura 4).

Figura 4. Produção dos modelos moleculares em andamento.

Diferentes modelos foram confeccionados com distintos materiais, tais como: isopor, jujubas, tampas de garrafas, massa de modelar, biscuit, garrafas PET, papelão (Figura 5). Os modelos são ferramentas de ensino poderosas que podem ajudar aos alunos em qualquer nível a visualizar conceitos e aperfeiçoar suas habilidades.

Figura 5. Modelos moleculares construídos com diferentes materiais.

Os professores de química, por muitas vezes, não estão satisfeitos com a infraestrutura disponível na rede pública de ensino. A falta de materiais para a realização de atividades diversificadas é uma justificativa para a ausência de aulas dinâmicas de química. No entanto, as dificuldades de materiais podem ser superadas com criatividade e utilização de materiais de baixo custo ao invés dos kits de modelos moleculares que apresentam elevado custo. Além disso, a produção dos modelos moleculares com materiais alternativos motivam os alunos, tornando as aulas mais interessantes e atrativas (GONÇALVES e MARQUES, 2006).

A última etapa do projeto foi a apresentação e discussão em sala de aula dos modelos moleculares produzidos. Os alunos demonstraram grande interesse e participaram ativamente da aula resultando no entendimento dos conteúdos abordados. As Figuras 6, 7 e 8 apresentam alguns modelos moleculares produzidos pelos estudantes e separados pelo tipo de isomeria entre os compostos.

A Figura 6 apresenta isômeros estruturais ou de constituição, em que moléculas com a mesma fórmula molecular apresentam sequência dos átomos ligados diferente (VOLHARDT e SCHORE, 2004).

Figura 6. Representação de isômeros estruturais.

A Figura 7 exibe isômeros geométricos em que as moléculas têm a mesma conectividade, mas o arranjo espacial é diferente (VOLHARDT e SCHORE, 2004).

Figura 7. Representação de isômeros geométricos.

A Figura 8 expõe os enantiômeros, classe de compostos que é caracterizada por moléculas que não se superpõem com suas imagens (VOLHARDT e SCHORE, 2004).

Figura 8. Representação dos enantiômeros.

Diante do que foi abordado percebe-se que a produção e utilização dos modelos moleculares por estudantes permitem melhor aproveitamento dos conceitos de isomeria, visto que há a manipulação e visualização tridimensional das moléculas representadas. Neste sentido, a metodologia demonstrada pode ser uma alternativa nas práticas escolares, inclusive de escolas com deficiências estruturais.

4. CONCLUSÃO

A ação docente não se resume a transmissão do conteúdo científico, é necessário articulação e motivação dos alunos para o aprendizado. As aulas podem ser diversificadas com metodologias alternativas. Apesar de algumas escolas públicas não apresentarem materiais diversos para a aplicação na sala de aula, há a possibilidade de utilizar a criatividade e desenvolver atividades produtivas com materiais de fácil aquisição e baixo custo.

No projeto apresentado, há a sequência de atividades para a discussão do conceito científico Isomeria. No processo, utilizou-se o software ACDLabs ChemSketch para a visualização das moléculas orgânicas em 2D e 3D. Além disso, os estudantes foram instruídos a produzir modelos moleculares e apresentá-los em sala de aula.

A análise do trabalho mostra que as atividades desenvolvidas auxiliam no entendimento do conteúdo Isomeria que é relatado em pesquisas como de difícil compressão. O aluno torna-se participante ativo no processo de ensino e aprendizagem visto que constroem seus próprios modelos moleculares. As aulas ficam mais dinâmicas, com maior diálogo entre os estudantes sobre os conteúdos estudados. Além disso, o material produzido pode ser utilizado para estudar outros conteúdos de química, tais como propriedades dos compostos orgânicos, reações orgânicas.

5. REFERÊNCIAS

ABRAHAM, Michael; VARGHESE, Valsamma; TANG, Hui. Using Molecular Representations To Aid Student Understanding of Stereochemical Concepts. Journal of Chemical Education, v. 87, n. 12, p. 1425–1429, 2010.

CARNEIRO, Fernando José Costa; RANGEL, José Hilton Gomes; LIMA, Joselia Maria Ribeiro. Construção de modelos moleculares para o ensino de química utilizando a fibra de buriti. Revista ACTA Tecnológica, vol. 6, n. 1, p.17-26, 2011.

FERK, Vesna; VRTACNIK, Margareta; BLEJEC, Andrej; GRIL, Alenka. Students’ understanding of molecular structure representations. International Journal of Science Education, v. 25, n. 10, p. 1227-1245, 2003.

GONÇALVES, Fábio Peres; MARQUES, Carlos  Alberto. Contribuições Pedagógicas e Epistemológicas em textos de experimentação no Ensino de Química. Investigações em Ensino de Ciências, v.11, n. 2, p. 219-238, 2006.

KURBANOGLU, N. Izzet; TASKESENLIGIL, Yavuz; SOZBILIR, Mustafa. Programmed instruction revisited : a study on teaching stereochemistry. Chemistry Education Research and Practice, v. 7, n. 1, p. 13–21, 2006.

MATUS, Liliana; BENARROCH, Alicia, NAPPA, Nora.  La modelización del enlace químico en libros de texto de distintos niveles educativos. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, v. 10, p. 178–201, 2011.

PAVLINIC, Slavica.; BUCKLEY, Paul; DAVIES, Janet; WRIGHT, Tony. Computing in Stereochemistry – 2D or 3D Representations ? Research in Science Education – Past, Present, and Future, p. 295–300, 2001.

RAUPP, Danielle; SERRANO, Agostino; MARTINS, Tales Leandro Costa; SOUZA, Bruno Campello. Uso de um software de construção de modelos moleculares no ensino de isomeria geométrica : um estudo de caso baseado na teoria de mediação cognitiva. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, v. 9, p. 18–34, 2010.

VOLHARDT, K. Peter C.; SCHORE, Neli E. Química Orgânica: Estrutura e Função. 4ª Edição. Porto Alegre: Bookman, 2004.

WU, Hsin-Kai; KRAJCIK, Joseph S.; SOLOWAY, Elliot. Promoting Understanding of Chemical Representations : Students’ Use of a Visualization Tool in the Classroom. Journal of Research in Science Teaching, v. 38, n. 7, p. 821–842, 2001.

WU, Hsin-Kai; SHAH, Priti. Exploring Visuospatial Thinking in Chemistry Learning. Science Education, v. 88, n. 3, p. 465-492, 2004.

ANEXO – FIGURA EM INGLÊS

Figure 1. Methodology used to achievement of the project.

^[1] Graduado em Química Licenciatura pela Universidade Federal de Sergipe; Mestre em Química pela Universidade Federal de Sergipe; Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de Sergipe.

Enviado: Fevereiro, 2019.

Aprovado: Junho, 2020.