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TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO FACILITANDO A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE CIÊNCIAS E MATEMÁTICA Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Outubro.

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1 TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO FACILITANDO A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE CIÊNCIAS E MATEMÁTICA Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Outubro de 2006

2 Educação mediada por tecnologias computacionais possibilidades no ensino de Ciências aquisição de dados comunicação tutorial...

3 As TICs como ferramentas cognitivas A importância de modelos científicos em Ciências e Matemática Simulação e modelagem computacional como recursos auxiliares para a aprendizagem significativa Aquisição automática e tratamento de dados Cuidados na construção de material com TICS Inovações tecnológicas e a prática docente

4 O computador como ferramenta da mente ou seja, ampliando a capacidade da mente humana na solução de problemas DiSessa; Jonassen

5 Quem é capaz de responder? Se um trem viaja em linha reta durante 2horas, a 40 km/h, que distância percorre? 80 km

6 Pois para Galileu não foi tão simples assim: •Em Diálogos relativos a duas novas ciências (1636) Galileu demonstra 6 teoremas sobre movimento uniforme !

7 Comentários*: •Não há um único sinal de igual (=) nos manuscritos de Galileu! •Os primórdios da Álgebra ocorrem 5 anos depois da publicação de Galileu, com Descartes ( ). * Andrea diSessa, Changing Minds Computers. Learning and Literacy, M.I.T

8 Evolução humana x ferramentas •idade da pedra lascada (paleolítico) •idade da pedra polida (neolítico) •idade dos metais A espécie humana se distingue da animal pela construção de instrumentos. A evolução humana está intimamente associada à invenção de instrumentos.

9 Ferramentas cognitivas (ou da mente) •mapas, figuras, símbolos, o alfabeto... permitem que se coloque parte do pensamento em uma ”forma física, estável, transportável, reprodutível, manipulável” •A Álgebra, Cálculo,..., vistos como uma ferramenta das Ciências, são ferramentas cognitivas (DiSessa: inteligência material)

10 Tecnologias educacionais incluem: •planilhas eletrônicas, processadores de imagens, hipertextos, micromundos, com padrões que envolvem reação e interação •CD, DVD, web novas dimensões na capacidade de armazenamento e transmissão •ações autônomas (simulação, cálculo)

11 Computador é: uma ferramenta cognitiva em potencial oferecendo novas perspectivas à capacidade humana de resolução de problemas se vai ou não revolucionar o ensino ?

12 Computador permite : •reificar ( concreto > abstratos) (Ex. vetores no Modellus) •equações, funções, vetores e relações geométricas, podem ser “manipulados” diretamente (Ex. funções no Excel) •múltiplas representações (Ex. gráficos, tabelas e animação no Modellus, prescindindo de domínio matemático - Powersim)

13 Quem sabe...: •a capacidade humana de falar e compreender a linguagem oral, que é determinante na alfabetização tradicional, combinada à capacidade de armazenar, localizar informação e fazer certos tipos de inferências, dos computadores, podem, na visão de diSessa, vir a estender a capacidade humana de interagir dinâmica e espacialmente muito além dos limites da alfabetização convencional

14 Mas...tudo está condicionado ao social Ex: Cálculo Diferencial e Integral • hoje infraestrutural na formação de engenheiros e cientistas, demorou mais de dois séculos para que viesse a ser considerado útil e possível de ser ensinado em um nível universitário, depois de acirrada disputa entre a comunidade científica inglesa e alemã •Fatores pedagógicos, levaram a comunidade a adotar a notação de Leibnitz ( ), que persiste até hoje, e não a de Newton ( ) ?

15 Já em 1974, Olson argumentava: “quase toda a forma de cognição humana requer que se trabalhe produtiva e imaginativamente com alguma tecnologia. Tentar caracterizar inteligência independentemente destas tecnologias parece ser um erro fundamental.“

16  As TICs como ferramentas cognitivas A importância de modelos científicos em Ciências e Matemática Simulação e modelagem computacional como recursos auxiliares para a aprendizagem significativa Aquisição automática e tratamento de dados Cuidados na construção de material com TICS Inovações tecnológicas e a prática docente

17 O que se procura nas Ciências Naturais? •Descrever a natureza através de modelos científicos •descrições simplificadas e idealizadas de sistemas físicos, químicos biológicos ou fenômenos naturais; • aceitos pela comunidade de cientistas; • envolvem elementos como: • proposições semânticas; • modelos matemáticos subjacentes.

18 Modelos para a descrição do movimento pendular do mouse? •o modelo do pêndulo simples: •hipótese que o mouse é pontual •o fio tem massa desprezível •o fio é inextensível •a resistência do ar é desprezível Não existe um pêndulo simples na natureza!

19 Movimento planetário •Na descrição do movimento de translação, os planetas são considerados como partículas pontuais (obviamente isto é uma idealização). •Na descrição do movimento de rotação, passam a ser tratados como corpos esféricos rígidos, ainda que na realidade não sejam nem perfeitamente esféricos nem rígidos.

20 Modelo do gás ideal •O gás é constituído por partículas pontuais que interagem via colisões perfeitamente elásticas. •Não há na natureza tal sistema. Isto é uma idealização dos físicos, que serve como ponto de partida para a descrição de propriedades características dos gases, como pressão, volume e temperatura

21 Em relação a modelos •É essencial dar-se conta que a Ciência tem origem na mente dos cientistas. •Ou seja, é uma construção humana, coletiva, que busca descrever o universo, através de teorias, modelos provando hipóteses e submetendo-as a avaliação empírica e/ou racional.

22 Os modelos... •Apresentam contexto de validade e distintos graus de precisão. •Não são cristalizados em sua forma de criação mas são reformulados, melhorados e abandonados, dependendo do grau de êxito na descrição de resultados experimentais ou com raciocínios teóricos.

23 Praxis científica •criar modelos científicos •verificar se descrevem bem os fenômenos •determinar seu contexto de validade •melhorar a precisão dos resultados •fazer predições

24 Relatório do National Research Council (E.U.A.) 1989 computação científica...pode ser considerada uma terceira metodologia fundamental das Ciências, paralela ao paradigma experimental e ao teórico das ciências, mais bem estabelecidos

25 Física?

26 A computação, assim como a teoria e a experimentação, constituem o tripé de sustentação do desenvolvimento em Ciências dos dias atuais.

27 Modelagem computacional em Ciências •Por quê? - é um dos pilares fundamentais do desenvolvimento científico - é um dos pilares fundamentais do desenvolvimento científico - Física: teórica, experimental e computacional - Física: teórica, experimental e computacional - noção de que é possível predizer, além de observar fatos - noção de que é possível predizer, além de observar fatos

28 O que é modelagem em Ciências? Modelagem de um sistema físico (químico, biológico) é o processo de construção de uma versão computacional de um modelo científico para descrever este sistema. Modelagem computacional no ensino de Ciências: a construção de um modelo computacional que representa um modelo científico de um fenômeno com objetivos didáticos.

29 Por que simulações e modelagem no ensino de Ciências e Matemática? •facilitar a compreensão de modelos científicos •facilitar a construção e investigação de situações-problema •desenvolver a capacidade de predizer, avaliar e analisar predições •possibilitar o tratamento de problemas mais gerais e atuais.

30 Não se trata de substituir os experimentos por simulações! •aulas teóricas com ênfase nos aspectos conceituais e nas aplicações •aulas experimentais e/ou demonstrativas •aulas com recursos computacionais com ênfase em atividades de simulação e modelagem computacional, centradas no aluno

31 Simulação x modelagem Simulação: aluno não tem Modelagem: aluno tem acesso aos primitivos do modelo matemático ou icônico subjacente à implementação da modelagem

32 Tipos de atividades de simulação e modelagem computacionais •exploratórias exploratórias observação, análise e interação do sujeito com modelos já construídos o sujeito passa por todo o processo de construção do modelo desde sua estrutura matemática ou icônica até a análise dos resultados • expressivas de modelagem expressivas de modelagemexpressivas de modelagem

33 PowersimPowersim (Stella) init Q = 0 flow Q = - dt*ralo + dt*torneira aux ralo = Q*k const torneira = 100 const k = 1

34  As TICs como ferramentas cognitivas  A importância de modelos científicos em Ciências e Matemática  Simulação e modelagem computacional como recursos auxiliares para a aprendizagem significativa Aquisição automática e tratamento de dados Cuidados na construção de material com TICS Inovações tecnológicas e a prática docente

35 Exemplos de softwares: SpectrogramSpectrogram (fig)(fig) Aq_dados (fig)(fig) Osciloscope (fig)fig MBL

36 Velhos temas com novas tecnlogias •Medida da velocidade do som no ar com microcomputador R. M. Grala e E. S. Oliveira, Física na Escola, v. 6, n. 2, p. 26 •Mola em queda Podem molas em queda livre ter aceleração maior que a da gravidade? F. L. da Silveira e R. Axt. Física na Escola, v. 6, n. 2, p O uso de Espirais de encadernação como molas, Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p ,

37 Surpreendentemente para nossa intuição a extremidade inferior da mola permanece estática enquanto a extremidade superior desce com grande aceleração. Enquanto isto, o centro de massa da mola desce com a aceleração gravitacional. (Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p , 2005.)

38 Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p , 2005.

39  As TICs como ferramentas cognitivas  A importância de modelos científicos em Ciências e Matemática  Simulação e modelagem computacional como recursos auxiliares para a aprendizagem significativa  Aquisição automática e tratamento de dados Cuidados na construção de material com TICS Inovações tecnológicas e a prática docente

40 Cuidados na elaboração de material educacional •dominando o conteúdo de estudo •conhecendo referenciais teóricos e estratégias de ensino •levando em conta como os alunos aprendem e seus conhecimentos prévios •conhecendo os obstáculos de aprendizagem (dificuldades, concepções alternativas, raciocínios e convicções errôneas) por parte dos alunos •levando em conta as recomendações sobre webdesign e os limites de carga cognitiva

41 Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional •teoria da carga cognitivateoria da carga cognitiva

42 Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional •elementos de webdesign contraste repetição alinhamento proximidade

43 Exemplo de dificuldades de aprendizagem interpretação de gráficos da cinemática

44 Exemplo de dificuldades de aprendizagem circuitos elétricos simples:

45 Às vezes a convicção supera a realidade!

46  As TICs como ferramentas cognitivas  A importância de modelos científicos em Ciências e Matemática  Simulação e modelagem computacional como recursos auxiliares para a aprendizagem significativa  Cuidados na construção de material com TICS  Aquisição automática e tratamento de dados Inovações tecnológicas e a prática docente

47 Objetivos do ensino e desempenho do estudantes. Por que tão diferentes? Dra. Zulma Gangoso, Córdoba, Argentina ObjetivosDesempenho alunos com espírito crítico capacidade para enfrentar situações novas interesse pelo mundo natural e como “complemento” buscam a resposta correta majoritariamente só decoram fórmulas e resolvem problemas padrão marcante desinteresse pela ciência elevadas taxas de reprovação

48 O que resulta disto? •uma aprendizagem mecânica, normalmente •sem conexão com as situações nem do dia-a- dia, nem da vida profissional •na mente do estudante, cada caso, é um caso •torna-se difícil vislumbrar as idéias gerais subjacentes a vários problemas solúveis com um único modelo •as informações são acumuladas na mente como elementos dispersos, dificilmente recuperados

49 Aprendizagem significativa “ O fator isolado mais importante que influencia aprendizagem é aquilo que o aprendiz já conhece”. Motivação: Ninguém aprende se não quiser. Material deve ser potencialmente significativo. mecânica significativa Aprendizagem

50 É PRECISO LEVAR EM CONTA •COMO OS ALUNOS APRENDEM! •E COMO OS PROFESSORES ENSINAM!

51 E como os professores ensinam? Normalmente, do mesmo modo como aprenderam!

52 novas tecnologias > novas metodologias diversidade de estratégias no ensino

53 Método Predizer Observar Explicar (P. O. E.) •Predizer como evoluirá uma determinada situação-problema •Observar o que de fato ocorre em uma simulação do evento •Explicar eventuais divergência entre o predito e o observado

54 O Diagrama AVM

55 Idéias consensuais •métodos de aprendizagem ativos e interativos •aprender fazendo; •aprender explorando; •aprender a aprender; •aprender a pensar. •abolição do ensino em que •aluno é paciente; •professor agente; •escola cenário do processo de ensino.

56 Papel do professor? -coordena -orienta -observa -estimula -propõe atividades, desafios,... -põe em prática a avaliação formativa e somativa (método colaborativo presencial)

57 Reflexão continuada sobre •a adequação da tecnologia educacional aos objetivos do processo de ensino-aprendizagem •as tecnologias como meio para facilitar o processo de ensino-aprendizagem (e não como um fim em si) •as tecnologias como ferramenta cognitiva, possibilitando ampliação das capacidades humanas

58 “As coisas mais importantes nunca devem ficar à mercê das menos importantes”. Johann Wolfgang von Goethe

59 Referências: •Andrea A. diSessa, Changing Minds Computers, Learning and Literacy, MIT Press, •Jonassen, D. H. Computadores como herramientas da mente. Disponível em: Acesso em: 10 de julho de 2006.http://tecnologiaedu.us.es/bibliovir/pdf/efect_cog.pdf •Esquembre, F. Esquembre, Computers in Physics Education, Computer Physics Communications 147, •VEIT, E. A. Modelagem computacional no ensino de Física. XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física. Rio de Janeiro Disponível em: _noEnsino_de_Fisica_XVI_SNEF.pdf _noEnsino_de_Fisica_XVI_SNEF.pdf

60 Osciloscope (entrada de som)

61 Spectrogram canto de um pássaro

62 Spectrogram tubo de 30cm tubo 40cm

63 Ad_dados

64 O que é carga cognitiva? quantidade total de carga imposta à memória de trabalho a maior parte desta carga deve estar associada ao conteúdo no material instrucional e não ao seu uso

65 Informação + memória de longo prazo memória de trabalho 7 2 Limitada máximo: elementos órgãos sensorias

66 A captura de informações depende também do que já se sabe

67 Qual a relação com material instrucional? carga cognitiva total carga cognitiva intrínsica carga cognitiva estranha recursos mentais É preciso economizar memória de trabalho com o material instrucional!

68 Carga cognitiva intrínseca: inerente à natureza do conteúdo em estudo esforço contribui para a assimilação de esquemas externa: associada à estruturação e organização do material esforço desgasta, sem contribuição para a aprendizagem do contéudo

69 Desdobramento de atenção •ocorre quando o sujeito tem de focar a atenção em mais de uma fonte de informação no modo dual •texto escrito + figura •texto escrito + figura em movimento (gif animado, vídeo) •texto falado + figura •texto falado + figura em movimento atividades mistas : •leitura mais procura •instruções e manuseio do software a integração de elementos pode evitar o desdobramento de atenção Cuidado, nem sempre mais é melhor!

70 Liane Tarouco

71 de alfabetização visual visualres.pdf Profa. Liane R. Tarouco, UFRGS

72 Conceito central Aprendizagem Significativa Significado do novo conhecimento resulta da interação entre uma nova informação e um aspecto relevante da estrutura cognitiva do aprendiz de forma substantiva (não-literal) Subsunçor

73 Diferenciação progressiva Reconciliação integrativa Partir do geral e, progressivamente, chegar ao particular Também se deve fazer constantes referências ao geral para não perder a visão do todo Conceitos mais gerais e inclusivos Conceitos intermediários Conceitos específicos

74 Condições para ocorrência da aprendizagem significativa 1. Material potencialmente significativo 2.Disposição para aprender o conteúdo do material a ser estudado deve ter relação com a estrutura cognitiva do aluno o material deve ter significado lógico o aluno deve manifestar uma disposição para relacionar o novo material, potencialmente significativo, à sua estrutura cognitiva

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