Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Outubro de 2006 TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO FACILITANDO A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE CIÊNCIAS E MATEMÁTICA Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Outubro de 2006 http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/UNIFRA

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

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 eav@if.ufrgs.br

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

Quem é capaz de responder? Se um trem viaja em linha reta durante horas, a 40 km/h, que distância percorre? 80 km Começo com uma pergunta: Se um trem viajar em linha reta durante 2 horas, a 40km/h, que distância percorre? Não tenham receio em responder que percorre 80km. Esta é a resposta certa. Esta não é uma pergunta capciosa. Qualquer sujeito minimamente culto de nossa sociedade é capaz de responder a esta pergunta. Mesmo que de forma não consciente, foi usada a relação: distância percorrida = velocidade x tempo. (Até é possível que em situações pouco mais complicadas, em que o automóvel vai e volta e que esta relação algébrica só pode ser utilizada por partes, houvesse algum engano.) Só lhes coloquei esta questão para chamar a atenção que esta questão que agora nos parece elementar, não era trivial no tempo de Galileu. eav@if.ufrgs.br

Pois para Galileu não foi tão simples assim: Em Diálogos relativos a duas novas ciências (1636) Galileu demonstra 6 teoremas sobre movimento uniforme ! eav@if.ufrgs.br

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 (1596-1650). Galileu não tinha os conhecimentos da Matemática que se ensina nos anos escolares iniciais. Álgebra tornou possível a um estudante de nível médio, dispor de condições para demonstrar os seis teoremas de Galileu sobre o movimento uniforme em pouco tempo e em algumas poucas linhas, enquanto Galileu usou páginas e páginas para tal, levando um tempo consideravelmente maior e poucos seriam os homens daquele tempo, caso se dedicassem a este problema que seriam capazes de resolvê-lo. * Andrea diSessa, Changing Minds Computers. Learning and Literacy, M.I.T. 1999. eav@if.ufrgs.br

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. Período Paleolítico que vai da origem no homem até uns 10 a 12 mil anos atrás. Morando em cavernas e passando pela glaciação (ação das geleiras sobre a Terra), a pedra lascada passa a ser um instrumento poderoso para a caça e, logo, sobervivência. Em seguida vem o fogo, que o aquece, permite cozinhar e afugentar animais. Com a pedra polida se torna possível construir instrumentos e começa a agricultura. Idade dos metais 5.000 a. C. eav@if.ufrgs.br

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) eav@if.ufrgs.br

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) eav@if.ufrgs.br

Computador é: uma ferramenta cognitiva em potencial oferecendo novas perspectivas à capacidade humana de resolução de problemas se vai ou não revolucionar o ensino? eav@if.ufrgs.br

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) 1. Ex. de vetores com o Excel. Criar vetor A, B mostrar que pode-se mov~e-los, alterá-los. Dpeois criar a soma de A + B; 2. Ex de manipulação de funções com o Excel: nomear células com xo, vo e A, criar coluna com t, calcular x=xo + vo t + a t*2/2 Construir gráfico, alterar parâmetros. 3. Criar uma queda livre com o Modellus. Mostrar tabela, gráfico e animação. Depois passar para equações diferenciais, fazer o movimento de um projétil com resistência. eav@if.ufrgs.br

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 Inteligência mental, cognitiva, pois claramente a base material só faz sentido em conjunção com o que se elabora na mente na presença da inscrição na base material. A inteligência material não está isoladamente nem na mente nem na base material, mas em um complicado e crítico acoplamento entre ambas. 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. eav@if.ufrgs.br

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 (1646-1716), que persiste até hoje, e não a de Newton (1564-1642) ? eav@if.ufrgs.br

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 .“ eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

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! eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

Praxis científica criar modelos científicos verificar se descrevem bem os fenômenos determinar seu contexto de validade melhorar a precisão dos resultados fazer predições eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

Física? eav@if.ufrgs.br

A computação, assim como a teoria e a experimentação, constituem o tripé de sustentação do desenvolvimento em Ciências dos dias atuais. eav@if.ufrgs.br

Modelagem computacional em Ciências Por quê? - é um dos pilares fundamentais do desenvolvimento científico - Física: teórica, experimental e computacional - noção de que é possível predizer, além de observar fatos A Figura 1, extraída do projeto submetido pela Shodor Educational Foundation (SHODOR, 2004) ao National Science Foundation, E.U.A., ilustra a importância da Ciência da Computação na pesquisa científica. No âmbito deste projeto, a Ciência da Computação - vista como a aplicação de técnicas numéricas e computacionais na solução de problemas científicos – é considerada uma das mais novas metodologias da pesquisa científica. Nesta perspectiva, um problema científico (aplicação) é identificado e expresso em termos matemáticos, criando um modelo matemático, cujo algoritmo é expresso em um código computacional e submetido a alguma plataforma computacional (arquitetura). O resultado deste ciclo pode ser um grande conjunto de dados, uma imagem ou uma animação, que são utilizados para entender um determinado problema científico. Usualmente, a solução requer refinamentos que são feitos computacionalmente ou em laboratório. eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

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

Tipos de atividades de simulação e modelagem computacionais 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

Powersim (Stella) init Q = 0 flow Q = - dt*ralo + dt*torneira aux ralo = Q*k const torneira = 100 const k = 1 eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

Exemplos de softwares: Spectrogram (fig) Aq_dados (fig) Osciloscope (fig) MBL eav@if.ufrgs.br

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. 26 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num2/a03.pdf http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/slinky.html http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring.html http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring2.html http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring3.html http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/solidoa/fasterg.html O uso de Espirais de encadernação como molas, Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p. 593-597, 2005. http://www.sbfisica.org.br/rbef/Vol27/Num4/v27_593.pdf eav@if.ufrgs.br

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. 593-597, 2005.) eav@if.ufrgs.br

Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, eav@if.ufrgs.br Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da, Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p. 593-597, 2005.

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 eav@if.ufrgs.br

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 “A título de exemplo, quando se quer fazer com que os alunos apropriem-se do fato de que a Terra gira em torno do Sol, surge a convicção empirista inversas, fortemente estruturada pela concepção cotidiana do fenômeno: eles estão convictos que o Sol é que gira em torno da Terra. Esta convicção bloqueia temporariamente, seu acesso ao conhecimento científico e necessita de forte desestibilização para ser acomodada na convicção inversa. Trata-se, no caso, de obstáculo, não de dificuldade(...) Obstáculo é diferente de “dificuldade”, no sentido de que esta se insere em um falta de conhecimento ou de técnica não-estruturada, a priori, em convicção de verdade. O processamente de um obstáculo necessita,geralmente, da implementação de uma situação-problema” (Ètienne e Lerouge, 1997, p.65) extraído de Construir as competência desde a escola, Phylippe Perremound, p.59) eav@if.ufrgs.br

Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional teoria da carga cognitiva http://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/cargacognitiva.pdf eav@if.ufrgs.br

Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional elementos de webdesign contraste repetição alinhamento proximidade eav@if.ufrgs.br

Exemplo de dificuldades de aprendizagem interpretação de gráficos da cinemática http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/cinematica/index.html eav@if.ufrgs.br

Exemplo de dificuldades de aprendizagem circuitos elétricos simples: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/circuitos/index.html eav@if.ufrgs.br

Às vezes a convicção supera a realidade! eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

Objetivos do ensino e desempenho do estudantes. Por que tão diferentes? 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 Dra. Zulma Gangoso, Córdoba, Argentina eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

Aprendizagem significativa mecânica 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. eav@if.ufrgs.br

É PRECISO LEVAR EM CONTA COMO OS ALUNOS APRENDEM! E COMO OS PROFESSORES ENSINAM! eav@if.ufrgs.br

E como os professores ensinam? Normalmente, do mesmo modo como aprenderam! eav@if.ufrgs.br

novas tecnologias > novas metodologias diversidade de estratégias no ensino

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 eav@if.ufrgs.br

O Diagrama AVM eav@if.ufrgs.br

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. eav@if.ufrgs.br

Papel do professor? coordena orienta observa estimula propõe atividades, desafios, ... põe em prática a avaliação formativa e somativa (método colaborativo presencial) eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

“As coisas mais importantes nunca devem ficar à mercê das menos importantes”. Johann Wolfgang von Goethe eav@if.ufrgs.br

Referências: Andrea A. diSessa, Changing Minds Computers, Learning and Literacy, MIT Press, 1999. Jonassen, D. H. Computadores como herramientas da mente. Disponível em: http://tecnologiaedu.us.es/bibliovir/pdf/efect_cog.pdf Acesso em: 10 de julho de 2006. Esquembre, F. Esquembre, Computers in Physics Education, Computer Physics Communications 147, 13-18 2002. VEIT, E. A. Modelagem computacional no ensino de Física. XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física. Rio de Janeiro. 2005. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/SNEF_RIO/Modelagem_computacional_noEnsino_de_Fisica_XVI_SNEF.pdf http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/XXIIIEFNNE/ eav@if.ufrgs.br

Osciloscope (entrada de som) eav@if.ufrgs.br

Spectrogram canto de um pássaro eav@if.ufrgs.br

Spectrogram tubo de 30cm tubo 40cm eav@if.ufrgs.br

Ad_dados eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

7 2 Informação Limitada máximo: órgãos sensorias trabalho + elementos memória de longo prazo trabalho 7 2 Limitada máximo: elementos órgãos sensorias + eav@if.ufrgs.br

A captura de informações depende também do que já se sabe eav@if.ufrgs.br

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! eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

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! eav@if.ufrgs.br

Liane Tarouco http://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/cargacognitiva.pdf eav@if.ufrgs.br

...e de alfabetização visual http://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/alfabvisualres.pdf http://penta2.ufrgs.br/edu/alfabetizacaovisual/ Profa. Liane R. Tarouco, UFRGS eav@if.ufrgs.br

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

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 eav@if.ufrgs.br

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 eav@if.ufrgs.br

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