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C ONCEITOS CIENTÍFICOS EM DESTAQUE
A seção ‘Conceitos científicos em destaque’ tem por objetivo abordar, de maneira crítica e/ou inovadora, conceitos científicos de interesse dos professores de química.
E
m artigo recente (Bizzo e Kawasaki, 1999) defendemos a idéia de que não existem profes- sores de ciências hoje em nossas escolas, mas que, dentre os de sólida formação, há biólogos, geólogos, físicos, químicos e médicos que ensi- nam ciências. Na forma de uma pará- frase de Alberto Caeiro, procuramos chamar a atenção para a discussão atual sobre a formação de professores, remetendo-nos a uma reflexão sobre a especificidade dos professores de ciências. A escolha deste tema insere- se neste contexto, apresentando parte dos resultados obtidos em uma pes- quisa 1 feita com estudantes, sobre as suas concepções de nutrição vegetal. O debate entre Joseph Priestley e Lavoisier revela a natureza da investi- gação de mais de 200 anos atrás, em uma época em que as academias de ciências reuniam experimentadores que se moviam em largo espectro do conhecimento. Hoje em dia as acade- mias reúnem cientistas altamente especializados, que guardam muito pouca semelhança com seus colegas de dois séculos atrás, envolvidos com
Clarice Sumi Kawasaki e Nelio Marco Vincenzo Bizzo
Que temas eleger para o ensino de ciências? Esta tem sido uma preocupação para o professor de ciências que, a despeito de sua formação inicial, precisa ensinar (e dominar), ao mesmo tempo, biologia, química e física. Propõe-se aqui um desafio para o professor de ciências: que ele eleja o tema da “fotossíntese” para o exercício do ensino. A fotossíntese, em conjunto com outros processos fisiológicos, cumpre uma importante função vital nos vegetais: a nutrição autotrófica. Esta requer o conhecimento integrado de diferentes áreas do conhecimento científico, como fisiologia, bioquímica, ecologia, além das áreas da física e química, dadas as diversas conversões de energia envolvidas nos processos respiratórios e fotossintéticos.
fotossíntese, concepções dos estudantes, ensino de ciências
a geração de conhecimento básico, alvo dos cursos de ciências de hoje em dia, pelo menos em seus fundamentos. Além disso, cabe apontar a espe- cialização das próprias disciplinas es- colares, que fazem com que muitas vezes os estudantes se perguntem se o átomo da química é o mesmo átomo da física. É nesse sentido que o tema “fotossíntese” demonstra ser especial- mente apropriado para abordar funda- mentos científicos na escola básica. Exigindo conhecimentos de diferentes áreas, permite uma exploração criativa que integre diferentes conhecimentos, de diferentes disciplinas.
O que os estudantes pensam sobre
nutrição vegetal?
O presente artigo analisa e discute os resultados de uma pesquisa (Kawasaki,
- que investigou a compreensão dos estudantes, de 5a^ a 8a séries do ensino funda- mental, sobre o tópico da nutrição ve- getal. Esta foi conduzida em três escolas
do ensino fundamental do Município de Ribeirão Preto (SP), duas delas perten- cendo à rede estadual pública de SP e a outra à rede particular. Dezessete estu- dantes destas escolas, escolhidos aleatoriamente, foram entrevistados com uma média de 200 perguntas por aluno. As entrevistas foram norteadas por um roteiro semi-estruturado, bus- cando responder basicamente às se- guintes questões: “Em que medida os estudantes compreendem que plantas realizam nutrição autotrófica?” e “Em que medida os estudantes compre- endem a nutrição vegetal, enquanto um tópico complexo e integrado, no qual aspectos fisiológicos, bioquímicos, ecológicos e de conversões de energia estão envolvidos?”. A análise do conteúdo foi o método de tratamen- to e análise dos dados obtidos nas entrevistas (Bardin, 1991). O pla- nejamento desta inves- tigação e a análise dos dados foram feitas dentro de uma abordagem qualitativa de pesquisa (Bogdan e Biklen, 1992; Kude, 1997; Lüdke e Andre, 1986). A presente pesquisa constatou a existência de concepções de nutrição
Exigindo conhecimentos de diferentes áreas, o estudo da fotossíntese permite uma exploração criativa que integra diferentes conhecimentos, de diferentes disciplinas
um Tema para o Ensino de Ciênncciasias??
vegetal em estudantes que pouco se aproximam do modelo admitido pela ciência atual, apesar destes estudantes terem estudado formalmente este tema em sua escolaridade anterior. Eles não compreendem que plantas realizam nutrição autotrófica e possuem idéias genéricas de aspectos isolados de seus processos, que não permitem uma com- preensão do funcionamento desta fun- ção vital em plantas. Verificou-se ainda que esses erros não estão circunscritos ao contexto escolar, mas encontram-se difusos na sociedade e que a escola, ao invés de recolocá-los, os veicula, como também os estimula e os perpe- tua_._ Vários equívocos podem ser encon- trados neste contexto. Um deles, bas- tante freqüente, refere-se à idéia de que devemos preservar as matas, pois estas garantem e suprem a maioria do oxigênio que respiramos. Ou- tra, bastante relacio- nada à anterior, é a crença generalizada de que plantas são importantes agentes despoluidores, já que nos livrariam de toda espécie de poluição. Tais abordagens não permitem compreender a discussão atual sobre o possível aumento de biomassa em grandes áreas verdes, como a Floresta Amazônica, e que sua preservação é importante por razões ligadas à manutenção da biodiversidade e das condições climáticas. Por meio de equívocos como estes prejudica-se a atuação social dos cidadãos escola- rizados, que não podem compreender as razões mais profundas da importân- cia da preservação de matas e florestas. Qual tem sido o papel da escola neste cenário? Apesar de todo conheci- mento anterior que o estudante traz para a escola, tal fato é desconsiderado no processo de ensino de ciências. Via de regra, o tema da “fotossíntese” é intro- duzido, a partir da clássica definição “fotossíntese é o processo pelo qual plantas produzem seu alimento”, que vem totalmente “descolada” daquilo que o aluno já sabe do assunto. Este enun-
ciado aparentemente simples não faz sentido para o estudante, que não con- segue ter uma compreensão global e coesa de “como as plantas se alimen- tam e qual o papel da alimentação em seu crescimento e desenvolvimento”. Para esta questão, ele tem suas próprias explicações.
As concepções de nutrição dos estudantes
Algumas afirmações correntes dos estudantes foram destacadas, em uma tentativa de síntese de suas principais concepções sobre o tema.
“Fotossíntese é o processo pelo qual
plantas produzem seu alimento; a folha
é o local onde a planta produz esse
alimento”
Esta é a definição que introduz o alu- no ao termo científico “fotossíntese” no ensino de ciências, em- bora, anteriormente, em séries iniciais, o aluno já tenha sido apresentado ao tema da nutrição em vege- tais. A abordagem tra- dicional do tema no ensino fundamental re- serva para as séries iniciais tópicos denomi- nados “nutrição das plantas” ou “como as plantas se ali- mentam”, cuja ênfase recai no papel nutricional das raízes. Nas séries poste- riores, normalmente este tema é abor- dado através de tópicos isolados, como fotossíntese, respiração, desenvolvi- mento e crescimento nas plantas, cuja ênfase passa a ser o papel das folhas na fotossíntese e na res- piração celular. Parale- lamente, introduz-se a versão bioquímica da fotossíntese e da res- piração. Somente no ensino médio há uma ênfase nos aspectos fisiológicos e bioquí- micos destes proces- sos, que passam a se realizar no inte- rior das células. Estes tópicos são trata- dos isoladamente no ensino de ciências. Nesta definição de fotossíntese, as
folhas verdes são consideradas as “fá- bricas” da planta, pois são os locais onde se produz o alimento, ou seja, se realiza a fotossíntese. Há aqui uma ênfase exagerada no papel das folhas na realização da fotossíntese. Esta de- corre da abordagem presente no ensi- no de ciências, que parte de uma visão compartimentada do funcionamento dos vegetais. Há um modelo de uma planta-padrão, na qual cada estrutura cumpre uma determinada função. Em suma, trata-se de uma definição eminentemente escolar, cujo enunciado o aluno memoriza, mas não compreen- de, pois não consegue relacioná-lo a outros conhecimentos que lhe permiti- riam ter uma visão global dos processos envolvidos na nutrição vegetal.
“Plantas alimentam-se através das
raízes, absorvendo substâncias do
solo”
Muito antes de ser apresentado à definição escolar de “fotossíntese”, o aluno traz para dentro da escola idéias a respeito de “nutrição”, “alimento”, “energia” e “respiração”, mesmo que estas estejam restritas a seus signifi- cados cotidianos. Outras pesquisas^2 realizadas em diferentes contextos culturais confirmam esta tendência. Parte-se também da premissa de que “plantas são seres vivos e por isso se alimentam”. Tal afirmação foi feita por todos os entrevistados, sem exceção. Todavia, diferentemente do con- ceito científico de que plantas realizam nutrição autotrófica, o modelo que pre- valece nos estudantes é o de que plan- tas obtêm seu alimen- to pronto diretamente do ambiente. Neste modelo, os vegetais absorvem os nutrientes do solo, através de suas raízes (Kawasaki e Bizzo, 1999). Há uma ênfase no papel nutricional das raízes e na idéia do solo como o principal “meio nutritivo” para as plantas, que lhes forneceria toda sorte de nutrientes, esquecendo-se que existem plantas que não vivem no solo, mas mesmo
Os alunos não compreendem que plantas realizam nutrição autotrófica e possuem idéias genéricas de aspectos isolados de seus processos, que não permitem uma compreensão do funcionamento desta função vital em plantas
Equívocos freqüentes referem-se à idéia de que devemos preservar as matas, pois estas garantem e suprem a maioria do oxigênio que respiramos. Outro, é a crença generalizada de que plantas são importantes agentes despoluidores
zagem dos diferentes fenômenos asso- ciados em diferentes escalas de grande- za, existindo diversas interpretações para os mesmos fenômenos estudados.
“Fotossíntese é: gás carbônico + água
+ energia → glicose + oxigênio”
Por meio de tópicos como “reações químicas nos organismos vivos ou nos ecossistemas”, textos didáticos de ciên- cias apresentam a versão bioquímica da fotossíntese e da respiração. A fotossíntese e a respiração são apresentadas na forma de equações químicas, que podem ser expressas de uma forma semelhante àquelas da matemática:
6CO 2 + 6H 2 O + energia (luz) → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Não se chama a atenção para o fato de que tal representação pode conduzir o aluno a pensar (equivocadamente) que parte do oxigênio sai do gás carbô- nico, quando sabe-se que todo o oxi- gênio produzido vem da água e em pro- cessos bem distintos, pois para produzir 6 O 2 são necessárias 12 H 2 O. Além disso, nesta versão reforça-se a oposi- ção entre esses dois processos, que estequiometricamente são inversos, mas biologicamente são complemen- tares. Tais reações químicas, que se realizam no interior das células, neces- sitam de uma energia de ativação, cap- tada do Sol, através da clorofila e outros compostos fotorreceptores. Nesta abordagem, surge a necessi- dade de incorporar novos conheci- mentos, que expliquem como ocorrem estas transformações químicas e qual o papel da energia nesses processos, que nem sempre o professor de ciências consegue responder. Na ausência des- tas explicações, mais uma vez, os estudan- tes remetem-se a ou- tros modelos, nem sempre apropriados. Há uma visão entre eles de que na fotos- síntese há uma “mistura” de gás carbô- nico, água, clorofila e Sol, que, magi- camente, transformam-se em glicose e
oxigênio. Neste modelo, há uma com- preensão de que algumas substâncias aparecem ou desaparecem, sem que se compreenda que os átomos que fazem parte das subs- tâncias iniciais, e isso pode ser o caso de substâncias gasosas, podem apenas se combinar de maneira diferente. De fato, as substâncias molecu- lares envolvidas nas transformações quí- micas devem ser ressaltadas. Há, ainda neste modelo, uma concepção vitalista de energia, específica para os proces- sos biológicos, que diferentemente da energia envolvida nos processos físicos, realiza esta “mágica” transformação. “Por que existe uma concepção de energia própria para os processos físi- cos e outra própria para os processos biológicos?” Talvez esta questão possa se configurar em um interessante tema para o professor de ciências, já que ele terá a oportunidade de desenvolver con- ceitos de química e física para a com- preensão de processos biológicos.
Um breve histórico das idéias de
nutrição vegetal
Na história das idéias científicas, três momentos representaram mudanças significativas nas teorias de nutrição veg- etal. O primeiro momento foi a passagem de uma botânica, predominantemente morfológica, anatômica e exaustiva- mente descritiva das estruturas externas dos vegetais, para ou- tra em que se buscava compreender a função de cada órgão para o organismo, para em seguida compreender como cada um de seus aspectos, fenômenos ou partes contribui para essa função (Martins, 1990). Este é o pensa- mento que traduz a concepção teleológica da natureza orgânica presente na metodologia fisiológica de Aristóteles. Os estudos teleológicos e comparados
de Aristóteles representaram um verda- deiro avanço na época, pois trouxeram as primeiras preocupações sobre o funcionamento dos vegetais: “tudo que cresce deve necessa- riamente se alimen- tar”^3. Aristóteles acredi- tava que a chave para a compreensão de plantas estava para ser encontrada no estudo de animais, afirmando que “a planta é compa- rável a um animal da cabeça para baixo” (Barker, 1995). Para ele, as funções da nutrição vegetal deveriam se realizar passivamente na planta, sendo que o solo ofereceria às plantas os princípios nutritivos já preparados e a obra do crescimento poderia ser comparada a uma espécie de cristalização, sem trans- formação química. Acreditava que os sucos nutritivos sofriam na terra as transformações análogas àquelas que sofreriam no estômago dos animais. Este modelo, denominado “terra-raízes” por Barker (1995), predominou por muito tempo, pois, ainda no século 17, Jethro Tull igualava intestinos a raízes e com- parava a ação de absorção de vasos lenhosos no interior e exterior das res- pectivas estruturas. É interessante observar que o modelo predominante entre os estudantes entrevistados é aquele que situa a nutrição na interação “solo-planta”, bastante semelhante ao modelo “terra-raízes” aqui referido. Segundo Martins (1990), diferente- mente do que ocorreu na física e na as- tronomia, o Renascimento não produ- ziu uma revolução biológica, pois ape- sar dos avanços, estes foram e devem ser vistos como o aperfeiçoamento e não como uma derrubada da biologia aristotélica. Assim, o pensamento aris- totélico fez escola e perdurou durante séculos, até o surgimento dos fisiolo- gistas experimentalistas, na segunda metade do século 17. Este período representou para Sachs (1892) o momento de virada en- tre aquilo que chamou de “observação teleológica da natureza” para uma “observação dos fatos certos”, que por meio da experimentação foi possível
O pensamento aristotélico fez escola e perdurou durante séculos, até o surgimento dos fisiologistas experimentalistas, na segunda metade do século 17
Para Aristóteles, as funções da nutrição vegetal deveriam se realizar passivamente na planta, sendo que o solo ofereceria às plantas os princípios nutritivos já preparados e a obra do crescimento poderia ser comparada a uma espécie de cristalização
conduzir aos conhecimentos científi- cos. Surge aqui a geração de fisiolo- gistas experimentalistas que introduz uma mudança de paradigma nas idéias de nutrição vegetal, introduzindo o modelo “ar-folhas” (Barker, 1995). Malpighi (em 1671), Hales (em 1727) e Mariotte (em 1679) são os precursores da visão moderna de nutrição vegetal, bus- cando as explica- ções nas relações da planta com a atmosfera. No século 18, Priestley (em 1774) é um dos maiores representantes desta geração, sendo o autor da idéia (mais tarde, derrubada) de que a vegetação tem um importante papel na purificação do ar e da água. Contudo, para os fisiologistas do fi- nal do século 17 e início do século 18, havia uma interação entre plantas e atmosfera, cuja natureza permanecia obscura. Havia ainda pouca coisa escla- recida a respeito da transformação no interior das plantas de substâncias reti- radas do meio externo e do papel do calor e da luz como agentes da nutrição e do desenvolvimento de plantas. Era necessário saber que sob a ação com- binada da luz solar, captada pela cloro- fila, as matérias tiradas do solo e os prin- cípios nutritivos gasosos contidos na atmosfera transformam-se em substân- cias vegetais. Da mesma forma era necessário conhecer a relação existente entre a nutrição, o desenvolvimento e o deslocamento das matérias, assim co- mo a ação da luz sobre a vegetação e a maior parte das funções das raízes. De fato, estas eram questões difíceis para uma época em que a química ainda não havia se desenvolvido e os expe- rimentos ocorriam ainda no contexto da teoria do flogístico^4 (Sachs, 1892). Foi a partir dos princípios funda- mentais da Química Nova de Lavoisier (em 1789) que os fisiologistas da época puderam estabelecer uma nova teoria da nutrição vegetal. A partir dos experimentos de Priestley (em 1774), que demonstravam que as partes vegetais exalam uma certa quantidade de oxigênio, Lavoisier constatou (em
- que o gás carbônico é composto
de carbono e oxigênio. As descobertas e os fatos que deram nascimento a estas novas doutrinas determinaram a queda completa da teoria do flogístico (Sachs, 1892). Foram os estudos relacionados de fisiologia vegetal e a teoria de evolução de Darwin, no século 19, que fizeram entrever o momento em que a ci- ência poderia se desen- volver independente- mente da teleologia. A fisiologia teve que remontar às leis naturais que regem as funções dos ór- gãos vegetais e a anatomia passou a representar um papel preponderante, em que os botânicos se familiarizaram com a estrutura interna das plantas e puderam melhor determinar as relações entre as estruturas microscópicas dos órgãos e as funções reveladas pela experimentação. Se, na história da ciência, a introdu- ção de novos conhecimentos represen- tou um avanço nas idéias e mudança nos paradigmas, no ensino de ciências o mesmo não ocorreu. A pesquisa cons- tatou que o aluno jamais conseguiu abandonar a idéia de que plantas alimentam-se de substâncias nutritivas obtidas no solo, mesmo que tenha “na ponta da língua” uma definição correta de fotossíntese. Cabe ao professor de ciências buscar a superação destes equívocos e impasses presentes no ensino deste importante tema.
Implicações para o ensino da fotossíntese
A partir de concepções dos estu- dantes em relação a esses aspectos elementares, torna-se possível traçar um programa de estudos em que eles possam colocar à prova seus modelos e idéias. Os modelos dos estudan- tes devem ser desafia- dos a esclarecer três aspectos fundamen- tais: a) de onde provém a energia utilizada por animais e vegetais?; b) de onde provém o material necessário para a síntese de substâncias orgânicas
diversificadas em animais e vegetais? e c) qual o local onde a energia presente nos alimentos é liberada com o auxílio do oxigênio, em animais e vegetais? É evidente que não se espera a su- peração de todos os modelos e idéias errôneas em espaço curto de tempo, mesmo porque o contato com fontes de informações errôneas persistirá ao longo do processo de ensino e aprendizagem. Até mesmo do ponto de vista teórico tem sido questionada a idéia de que a aprendizagem conceitual possa ter caráter vicariante (Mortimer, 1995), onde novos conceitos devam necessa- riamente substituir modelos anteriores, que deveriam desaparecer sem deixar vestígios. É possível conceber um processo de aprendizagem que possa estruturar modelos corretos sobre nutri- ção vegetal, mesmo que ainda persis- tam antigas crenças e suposições. Mais do que a correção conceitual que se espera nos estudantes, deve-se pres- tar atenção às relações funcionais entre as estruturas envolvidas na nutrição veg- etal, a partir de uma abordagem integrada do organismo e deste com o ecossistema, envolvendo as transformações de matéria e energia que ocorrem nos processos biológicos. É importante também interre- lacionar aspectos macro e microscópicos em um mesmo organismo, desde o nível celular até as trocas gasosas com o meio ambiente. Significa dizer que, no ensino de ciências, a fotossíntese não deve ser abordada como um tópico isolado, mas no contexto dos processos que realizam a nutrição autotrófica. O tratamento conceitual deverá ser acompanhado de atenção à terminolo- gia, procurando evitar a sobreposição de significados cotidiano e científico. As dificuldades semânti- cas relativas a interpre- tações variadas dos termos “nutrição”, “ali- mento” e “energia”, que são bastante fre- qüentes, mesmo entre especialistas, devem ser explicitadas e con- textualizadas no pro- cesso de ensino e aprendizagem. Com essas diretrizes espera-se
Constatou-se que o aluno jamais conseguiu abandonar a idéia de que plantas alimentam-se de substâncias nutritivas obtidas no solo, mesmo que tenha “na ponta da língua” uma definição correta de fotossíntese
No ensino de ciências, a fotossíntese não deve ser abordada como um tópico isolado, mas no contexto dos processos que realizam a nutrição autotrófica
