Simulador no Quadro Interativo: Impactos no Ensino e Aprendizagem da Física

Palavras-chave: simulação computacional,computational simulation,quadro interativo,interactive whiteboard,ensino da Mecânica,teaching Mechanics,aprendizagem concetual,conceptual learning,competências TIC de professores,ICT skills of teachers

A escola é hoje um espaço que exige que sejamos capazes de acompanhar os processos de mudança da sociedade em que vivemos, nomeadamente através do uso das Tecnologias de Comunicação e Informação. Se por um lado acreditamos que estas são atrativas e podem através do seu uso no ensino motivar os alunos e oferecer vantagens, por outro, entendemos que se não forem devidamente enquadradas podem ser causadoras de dispersão e desorientação. A sua integração desenvolvendo materiais que orientem, estimulem, suportem e promovam aprendizagens é um aspeto de crucial importância e envolver os professores neste processo é um ponto fundamental, sobre o qual temos refletido e que estudamos neste trabalho.  A aprendizagem da Física requer que o aluno aprenda a sua linguagem, saiba fazer distinções entre os conceitos e aprenda a fazer o seu uso correto em diferentes contextos, e esse é um dos grandes problemas dessa disciplina, a sua aprendizagem concetual. Nesse sentido, as simulações computacionais concebidas como recurso educativo digital que potencializa novas aprendizagens e que propicia o envolvimento ativo do aluno constituem um tema cuja relevância no ensino da Física tem sido amplamente reconhecida, não só por investigadores e um ainda pequeno número de professores, mas também pelos responsáveis que tomam decisões relativas às políticas educativas e aos currículos.   Assim, esta tese propõe uma nova perspetiva na aprendizagem de conceitos da Física, em que o simulador computacional e, em particular, o seu uso combinado com o Quadro Interativo e apoiado por um guião de atividades, resultando num dispositivo pedagógico, é considerado como uma ferramenta chave no processo de ensino e de aprendizagem, onde a visualização e a interação a partir do digital possibilitam ao aluno uma melhor exploração dos conceitos.   Esta perspetiva, fundamentada na investigação sobre a aprendizagem das ciências e na investigação em interfaces entre o computador e o usuário, assume que: (a) a aprendizagem é um processo ativo de criação de significados a partir de representações; (b) os alunos aprendem a partir do seu próprio esforço, trabalho, dedicação, competência cognitiva, comportamental, sensório-motora e emocional e, também, a partir de orientação externa; (c) a motivação e o envolvimento influenciam a aprendizagem; (d) a aprendizagem é um processo de familiarização com conceitos, com ligações entre conceitos e inclui pré-conceções; (e) a exploração de conceitos abstratos em interfaces digitais permite ao aluno uma melhor visualização e, também, prever e testar hipóteses, num ambiente interativo, promovendo assim novas aprendizagens, nomeadamente trabalhando as pré-conceções.  Com isso, a presente investigação teve como finalidade implementar e analisar a utilização de um dispositivo pedagógico conjugando um simulador computacional programado em VPython com um Quadro Interativo no ensino de conceitos da Mecânica. Um estudo de caso centrado nesse dispositivo foi desenvolvido em duas escolas com ensino secundário do centro de Portugal, para conhecer e compreender em profundidade e sob diferentes perspetivas o nosso objeto de estudo. Em termos metodológicos, numa abordagem mista, incluímos as vias fenomenológica e quasi-experimental e a triangulação de dados provenientes de entrevistas às professoras, questionários aos alunos, documentos relativos às classificações dos alunos antes e após a aplicação do dispositivo e observação de aulas (direta e apoiada por registos em vídeo).  Os resultados indicam que o dispositivo pedagógico apresenta potencialidades para o ensino e aprendizagem da Mecânica, na aquisição de novos conceitos e sua integração, na mudança concetual das pré-conceções identificadas, na motivação e no envolvimento dos alunos, na mudança de atitudes das professoras envolvidas relativamente a esta estratégia de ensino e na transformação das suas práticas pedagógicas.  O sistema educacional muda muito lentamente e ainda temos presente nos ambientes escolares a ênfase numa aprendizagem mecânica e em que o ensino da Física recorre demasiado a fórmulas e sua aplicação. Acreditamos que se as escolas tiverem acesso a novas e poderosas visões sobre a aprendizagem e a ferramentas e recursos educativos digitais que suportem a aprendizagem concetual significativa e que sejam tão comuns e fáceis de usar como o lápis e o papel, este cenário poderá ser transformado.    ABSTRACT  Nowadays, school is a space that demands us to be capable to follow the changes of our society, namely through the use of Information and Communication Technologies. If on one hand, we believe that these are attractive and can motivate students and offer advantages in class, on the other, we realize that when not properly framed they can cause dispersion and disorientation. Their integration developing resources that guide, stimulate, support and promote learning is of major importance. Teachers' participation in this process is a key aspect that we analyze and study in this work.  Learning Physics requires students to acquire its language, distinguishing concepts and learning how to use it correctly in different contexts. One of the major problems of this subject is conceptual learning. In this context, the relevance of computational simulations in Physics teaching, conceived as a digital educational resources which foster learning and students participation, has been widely recognized, not only by researchers and even a small number of teachers, but also by decision-makers regarding educational policies and curricula.  This thesis proposes a new perspective on learning Physics' concepts, presenting a pedagogical device integrating a computational simulation combined with an interactive whiteboard, supported by an activity guide, as a key tool for teaching and learning, where digital visualization and interaction increase conceptual learning.  This perspective based on research on science learning and on the interfaces between computers and users, assuming that: (a) learning is an active process of creating meaning from representations; (b) students learn from their own effort, work, dedication, from their cognitive, behavioral, sensory-motor and emotional competences, and also from external orientation; (c) motivation and involvement do influence learning; (d) learning is a process of acquaintance with concepts, connections between concepts and preconceptions; (e) exploring abstract concepts with digital interfaces allows students to a better visualization and also to predict and test hypotheses in an interactive environment, promoting new acquisitions, namely working on the preconceptions.  Thus, on the present study we implemented and analyzed the use of a pedagogical device combining a computer simulator programmed in VPython together with an Interactive Whiteboard to teach Mechanics concepts. A case study focused on this device was developed in two secondary schools in the center of Portugal, aiming to learn and understand in depth and under different perspectives our object. We selected a mixed approach combining the phenomenological and the quasi-experimental views and the triangulation of data from teachers' interviews, students’ surveys and test results and classroom observations (direct and supported by video recordings).  The results show that the pedagogical device has great potential in promoting Mechanics concept learning, conceptual change, and students’ motivation and participation. Also it lead the involved teachers to change their attitudes related to this teaching strategies and to improve their pedagogical practices.  The educational system changes only very slowly and we still find in schools an emphasis on mechanical learning, in which Physics teaching makes too much use of formulas and their application. We believe that if schools have access to powerful new insights about learning and to new digital educational tools, as well as resources that support meaningful conceptual learning, as common and easy to use as a pencil and a paper, this scenario could be changed.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais