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PESQUISA NO E NSINO DE Q UÍMICA
É
de conhecimento dos profes- sores de ciências o fato de a experimentação despertar um forte interesse entre alunos de diversos níveis de escolarização. Em seus de- poimentos, os alunos tam- bém costumam atribuir à experimentação um caráter motivador, lúdico, essen- cialmente vinculado aos sentidos. Por outro lado, não é incomum ouvir de professores a afirmativa de que a experimentação aumenta a capacidade de aprendizado, pois funciona como meio de envolver o aluno nos temas em pauta. Nossa proposta aqui é discutir o pa- pel da experimentação nos processos de elaboração do pensamento cientí- fico, elevando-a à categoria de pro- cesso de natureza social, técnica e cognitiva. Queremos identificar as ca- racterísticas mais fundamentais do
no ensino de ciências
Marcelo Giordan
pensamento científico, apoiando-nos nos estudos de alguns filósofos da ciência, sem a pretensão de defender uma idéia de evolução para a experi- mentação e seu posicionamento den- tro das ciências naturais ou hu- manas, mas ape- nas apontar os principais apoios da teoria do co- nhecimento que sustentam essa discussão. Por fim, discutimos as implicações da teoria de modelos mentais para a experimentação e sua relevância para o ensino de ciências, utilizando o conceito de simulação.
Primórdios do racionalismo:
a observação natural
Há mais de 2 300 anos, Aristóteles defendia a experiência quando afirma- va que “quem possua a noção sem a
experiência, e conheça o universal ignorando o particular nele contido, enganar-se-á muitas vezes no trata- mento” (Aristóteles, 1979). Naquele tempo, já se reconhecia o caráter par- ticular da experiência, sua natureza fac- tual como elemento imprescindível pa- ra se atingir um conhecimento uni- versal. Ter a noção sem a experiência resgata, em certa medida, a temática de se discutir as causas sem se tomar contato com os fenômenos empíricos, o que significa ignorar o particular e correr o risco de formular explicações equivocadas. O pensamento aristotélico marcou presença por toda a Idade Média entre aqueles que se propunham exercitar o entendimento sobre os fenômenos da natureza. Esse exercício desenvolvia-se principalmente num plano além da concretude do mundo físico, estabe- lecido como estava na lógica, um poderoso instrumento de pensamento já conhecido dos gregos. O acesso ao plano dos fenômenos ocorria através dos sentidos elementares do ser huma- no, que orientavam seu pensamento por meio de uma relação natural com o fenômeno particular. Na ausência de instrumentos inanimados de medição, a observação — numa dimensão empírica — era o principal mediador entre o sujeito e o fenômeno. Aliada à lógica — numa dimensão teórica —, a observação natural sustentou na sua base empírica a metafísica no exercício de compreensão da natureza. Passados 23 séculos e guardadas as particularidades do contexto a que se aplica a fala de Aristóteles, notamos que muitas propostas de ensino de ciências ainda desafiam a contribuição dos empiristas para a elaboração do conhecimento, ignorando a experi- mentação ainda como uma espécie de
A presente seção inclui estudos e investigações sobre problemas no ensino de química, com explicitação dos fundamentos teóricos e procedimentos metodológicos adotados na análise de resultado. Este artigo discute o papel da experimentação na construção do conhecimento científico e sua relevância no processo de ensino- aprendizagem, pautando-se em contribuições filosóficas, epistemológicas e psicológicas.
conhecimento científico, ensino de ciências, experimentação, simulação
...entendo que nossa linguagem ordinária está repleta de teorias; que a observação sempre é observação à luz das teorias , e que é somente o prejuízo indutivista que leva as pessoas a pensar que poderia existir uma linguagem fenomênica, livre das teorias e diferente de uma ‘linguagem teórica’... (K.R. Popper, em Lógica da investigação científica , p. 61, nota adicionada em 1968.)
Aliada à lógica — numa dimensão teórica —, a observação natural sustentou na sua base empírica a metafísica no exercício de compreensão da natureza
O papel da
observação natural, como um dos eixos estruturadores das práticas esco- lares. A elaboração do conhecimento científico apresenta-se dependente de uma abordagem experimental, não tanto pelos temas de seu objeto de estudo, os fenômenos naturais, mas fundamentalmente porque a orga- nização desse conhecimento ocorre preferencialmente nos entremeios da investigação. Tomar a experimentação como parte de um processo pleno de investigacão é uma necessidade, re- conhecida entre aqueles que pensam e fazem o ensino de ciências, pois a formação do pensamento e das atitu- des do sujeito deve se dar preferen- cialmente nos entremeios de ativida- des investigativas.
Contribuições positivistas: a
experimentação como um fim
em si mesma
A experimentação ocupou um pa- pel essencial na consolidação das ciências naturais a partir do século XVII, na medida em que as leis formuladas deveriam passar pelo crivo das situa- ções empíricas propostas, dentro de uma lógica seqüencial de formulação de hipóteses e verificação de consistência. Ocorreu naquele período uma ruptura com as práticas de inves- tigação vigentes, que consideravam ainda uma estreita relação da natureza e do homem com o divino, e que esta- vam fortemente impregnadas pelo senso comum. A experimentação ocu- pou um lugar privilegiado na pro- posição de uma metodologia científica, que se pautava pela racionalização de procedimentos, tendo assimilado formas de pensamento características, como a indução e a dedução. Estabelecido um problema, o cientista ocupa-se em efetuar alguns experimentos que o levem a fazer observações cuida- dosas, coletar dados, registrá-los e divulgá- los entre outros mem- bros de sua comuni- dade, numa tentativa de refinar as explicações para os fenômenos subja- centes ao problema em estudo. O
acúmulo de observações e dados, am- bos derivados do estágio de experi- mentação, permite a formulação de enunciados mais genéricos que po- dem adquirir a força de leis ou teorias, dependendo do grau de abrangência do problema em estudo e do número de experimentos concordantes. Esse processo de formular enunciados ge- rais à custa de observações e coleta de dados sobre o particular, contextua- lizado no experimento, é conhecido como indução. O método descrito por Francis Bacon fundamenta a chamada ciência indutivista, que em suas pala- vras se resume a: Só há e só pode haver duas vias para a investigação e para a descoberta da verdade. Uma que consiste em saltar das sen- sações e das coisas particulares aos axiomas mais gerais e, a seguir, em se descobrirem os axiomas intermediários a partir desses princípios e de sua ina- movível verdade. E outra, que recolhe os axiomas dos dados dos sentidos e particulares, ascendendo contínua e gradual- mente até alcançar, em último lugar, os princípios de máxima generalidade. Esse é o verdadei- ro caminho, porém ainda não instaurado. (BACON, 1989, p. 16.) Um exemplo simples de aplicação do método indutivo em situações de ensino pode ser analisado numa atividade de laboratório na qual se pede para vários alunos registrarem independentemente a temperatura de ebulição da água. Supondo que esses alunos façam seus experimentos numa cidade litorânea e que todos eles tenham registrado a tempera- tura de ebulição em 100 °C, pode-se levá- los à conclusão, pelo método indutivo ba- seado no acúmulo de evidências experimen- tais, que a tempera- tura de ebulição da água é 100 °C. No pensamento indutivista, não há lugar para a contradição, ou seja, as evidên- cias empíricas devem todas concordar
com os enunciados genéricos. Ainda preocupado em formular uma metodologia científica precisa, René Descartes impôs à experimen- tação um novo papel, diverso do pro- posto por seu contemporâneo Bacon. Descartes considerava que o processo dedutivo —reconhecer a influência causal de pelo menos um enunciado geral sobre um evento particular — ganharia mais força na medida em que o percurso entre o enunciado geral e o evento particular fosse preenchido por eventos experimentais: Percebi (...), no que concerne às experiências, que estas são tanto mais necessárias quanto mais adiantado se está em co- nhecimentos. (...) Primeiramen- te, tentei descobrir, em geral, os princípios ou causas primitivas de tudo o que é ou que pode ser no mundo .(...) Depois, exa- minei quais eram os primeiros e mais comuns efeitos que po- diam ser deduzidos de tais cau- sas. (...) Após isso, quis descer às mais particulares. Desse trecho retirado da sexta parte — “Que coisas são requeridas para avançar na pesquisa da natureza” — do livro Discurso do método , percebe- se que há uma inversão na proposta de Descartes (1980) para o fazer ciên- cia, comparando-se com aquela feita por Bacon, pois não é mais o acúmulo de evidências particulares que forta- lece o enunciado geral, a lei, a teoria. Partindo-se de um enunciado geral, como “a temperatura de ebulição dos líquidos é função da pressão ambien- te” e tendo como fato que ao nível do mar a água ferve a 100 °C e numa certa cidade serrana a 96,5 °C, podemos for- mular a hipótese de que a temperatura de ebulição da água em uma panela de pressão será maior que 100 °C. Co- mo o enunciado apela para a variação da temperatura em função da pressão e os dados revelam que essa taxa é positiva (maior pressão, maior tempe- ratura), deduzimos que em um sistema semi-aberto como a panela de pressão a pressão ambiente será maior e, portanto, também será maior a tem- peratura de ebulição. Qual é o papel da experimentação aqui? Confirmar
O acúmulo de observações e dados, ambos derivados do estágio de experimentação, permite a formulação de enunciados mais genéricos que podem adquirir a força de leis ou teorias
obstáculos que se apresentam ao sujeito (o autor fala do espírito) quando em contato com o conhecimento cien- tífico, seja por meio de fenômenos, seja no exercício da compreensão. Ao pro- por que a primeira experiência exigente é a experiência que ‘falha’ (itálico e aspas do autor), Bachelard destaca o papel do erro no progresso da ciência, tanto por se exigir um processo de freagem do estímulo, o que acalmaria os impul- sos do sensível, como também por impulsio- nar o cientista à pre- cisão discursiva e so- cial, subsidiando o desenvolvimento de técnicas e teorias (Bachelard, 1996, p. 295-297). Uma experiência imune a falhas mimetiza a adesão do pensamento do sujeito sensibilizado ao que supõe ser a causa explicativa do fenômeno, em lugar de promover uma reflexão racio- nalizada. O erro em um experimento planta o inesperado em vista de uma trama explicativa fortemente arraigada no bem-estar assentado na previsibili- dade, abrindo oportunidades para o desequilíbrio afetivo frente ao novo. Rompe-se com a linearidade da suces- são “fenômeno corretamente observa- do/medido ⇒ interpretação inequí- voca”, verdadeiro obstrutor do pensa- mento reflexivo e incentivador das explicações imediatas. A chamada psicanálise do erro visa dosar o grau de satisfação íntima do sujeito, subs- trato indispensável para manter o aluno engajado em processos investigativos. Numa dimensão psicológica, a expe- rimentação, quando aberta às possi- bilidades de erro e acerto, mantém o aluno comprometido com sua apren- dizagem, pois ele a reconhece como estratégia para resolução de uma pro- blemática da qual ele toma parte dire- tamente, formulando-a inclusive. O segundo argumento de Bache- lard em favor do ‘experimento exigente’ é igualmente aplicável às situações de aprendizagem: a busca de uma preci- são discursiva e social. Poderíamos nos ater às questões dos instrumentos de observação/medição do fenômeno,
mas estaríamos nesse caso fadados a permanecer em discussões tecnicis- tas sobre a medida experimental. Importa, neste momento, desvelar a noção de representação do conheci- mento para os processos de aprendi- zagem. Em primeiro plano, sendo a ciência uma construção humana, de- ve-se reconhecer que no fazer ciência se desenvolve um pro- cesso de represen- tação da realidade em que predominam acor- dos simbólicos e lin- güísticos num exercí- cio continuado de dis- cursos mentais, ínti- mos ao sujeito, e discursos sociais, propriedade do coleti- vo. A falha do experi- mento alimenta esse exercício, por mobilizar os esforços do grupo no sentido de corrigir as obser- vações/medições; por desencadear uma sucessão de diálogos de natureza conflituosa entre o sujeito e o outro e com seus modelos mentais, e por colo- car em dúvida a veracidade do modelo representativo da realidade. A decor- rência possível desse movimento é um novo acordo para se ter acesso e para representar o fenômeno, que altera o quadro dialógico do sujeito com a realidade. O que se busca com o ‘experimento exigente’, e aqui o professor ocupa lugar estratégico, é um acordo na direção do que é cientificamente aceito e portanto dia- logável com a comu- nidade científica. Es- se exercício social de precisão discursiva não foi priorizado pe- las propostas de ensino de ciências quando se tentou aplicar o método da redescoberta, acreditando-se que o acesso ao fenômeno e a seus instru- mentos de observação/medição cum- priria os objetivos do ensino, meramen- te reprodutórios da ‘realidade positiva’. Ao se incentivar os alunos a expor suas idéias acerca do fenômeno, que estão no plano da subjetividade, desenca-
deia-se um processo pautado na inter- subjetividade do coletivo, cujo aprimo- ramento fundamenta o conhecimento objetivo. O processo de objetivação do conhecimento, por ser uma necessi- dade social, deve ser um eixo central da prática educativa e aqui a experi- mentação desempenha um papel de fórum para o desenvolvimento dessa prática. Mais recentemente, o tema apren- dizagem colaborativa vem sendo amplamente debatido na literatura de ensino de ciências (Nurrenbern e Robinson, 1997), a partir do que pode- mos depreender que é necessário criar oportunidades não somente para a realização de experimentos em equipe, mas também para a colaboração en- tre equipes. A formação de um espírito colaborativo de equipe pressupõe uma contextualização socialmente signi- ficativa para a aprendizagem, do ponto de vista tanto da problematização (te- mas socialmente relevantes) como da organização do conhecimento cientí- fico (temas epistemologicamente signi- ficativos). Novamente, ao professor é atribuído o papel de líder e organizador do coletivo, arbitrando os conflitos naturalmente decorrentes da aproxi- mação entre as problematizações socialmente relevantes e os conteúdos do currículo de ciências. Estratégias negociadas em torno de temáticas ambientais podem vir a contentar ambas as colunas reivindicató- rias, que atuam tanto em sala de aula, como nos bancos acadêmi- cos. Apresentamos co- mo exemplo o estudo da energética das transformações quími- cas. Ao se desenca- dear a problematiza- ção dos combustíveis como fonte importante de energia para a huma- nidade, tem-se a oportunidade de examinar experimentalmente desde os derivados do petróleo até os combus- tíveis obtidos da biomassa, passando por aqueles reciclados, como o biodie- sel , obtido pela transesterificação de óleos usados em cozinhas industriais. Para que substâncias tão diversas
O que se busca com o ‘experimento exigente’, e aqui o professor ocupa lugar estratégico, é um acordo na direção do que é cientificamente aceito e portanto dialogável com a comunidade científica
Uma experiência imune a falhas mimetiza a adesão do pensamento do sujeito sensibilizado ao que supõe ser a causa explicativa do fenômeno, em lugar de promover uma reflexão racionalizada
sejam objetivamente comparadas, tor- na-se necessário estabelecer um pro- tocolo básico de comunicação entre os grupos e mesmo entre dados/obser- vações extraídos dos experimentos. O próprio planejamento dos experimen- tos deve guardar relações de similari- dade, e desse acordo em torno da resolução de uma problemática soci- almente relevante pode-se arquitetar o conceito de entalpia, que emerge em um contexto epistemologicamente significativo, pois a organização do conhecimento decorre de uma atitude cientificamente construída.
A experimentação por
simulação
Tendo exposto as dimensões psico- lógica e sociológica da experimen- tação, sugerimos agora uma terceira dimensão, a cognitiva 3 , baseada na concepção de modelos mentais, conforme apresentada por Moreira (1996). Os modelos mentais são como análogos estruturais da ‘realidade’ (o autor fala do mundo) que operam no plano mental do sujeito, portanto inter- no, e tentam estabelecer uma conexão entre o fenômeno com que se tem con- tato e sua representação. Na elabora- ção de um modelo mental, destacam- se dois componentes, os elementos e as relações , que representam um esta- do de coisas específico. Os modelos mentais servem de sistemas interme- diários entre o mundo e sua represen- tação, uma espécie de filme interno cujas cenas são formadas por imagens animadas e signos, cuja concatenação expressa o estado de coisas e dialoga com a representação que o sujeito confere à realidade. A experimentação deve também cumprir a função de alimentadora des- se processo de significação do mundo, quando se permite operá-la no plano da simulação da realidade. Nas situa- ções de simulação, desencadeia-se um jogo entre os elementos e as rela- ções, que devem manter correspon- dência com seus análogos no plano do fenômeno. É nesse palco de simu- lações que podem se formar ambien- tes estimuladores para a criação de modelos mentais pelo sujeito, que pas- sa a reconhecer nos modelos ora simu-
lados a primeira instância de represen- tação analógica da realidade. Nessas situações, o sujeito se percebe diante de uma representação da realidade, obrigando-se a formular a sua própria, que venha a se ajustar àquela em simulação. Trata-se portanto de deter- minar à experimen- tação o novo papel de estruturadora de uma realidade simulada, etapa intermediária entre o fenômeno, que também é acessado pelo prisma da expe- rimentação, e a repre- sentação que o sujeito lhe confere. Um exemplo práti- co pode traduzir com mais propriedade es- sas idéias. Em estudo sobre as concepções atomísticas de alunos, realizaram-se experimentos envolven- do o aquecimento de um tubo de ensaio fechado por uma bexiga de bor- racha, conforme descrito no primeiro número de Química Nova na Escola (Mortimer, 1995). Solicitou-se aos alu- nos que formulassem explicações so- bre o comportamento do sistema, quando o tubo de ensaio era aquecido. O modelo explicativo de um grupo de alunos levava em conta uma relação direta entre a expansão do volume das partículas constituintes do ar e a expan-
são do volume da bexiga de borracha, sem que se aventasse o aumento da velocidade dessas partículas (Figura 1). É de se ressaltar a capacidade dos alunos de criar modelos explicativos para o fenômeno em estudo, o que é sem dúvida uma competência impor- tante a ser cultivada em situações de en- sino envolvendo expe- rimentação. Numa proposta de continuação para esta atividade, pode-se sugerir a observação e manipulação de uma sistema fechado, no qual pequenas es- feras rígidas (miçan- gas de plástico) possam se movimen- tar dentro de um cilin- dro cujo volume varie em função da posição de um êmbolo móvel. Para promover o movimento das miçangas, utiliza-se uma membrana vibratória, cuja intensi- dade de vibração seja função da ener- gia elétrica fornecida por diferentes quantidades de pilhas (Figura 2). Simula-se assim o sistema tubo de ensaio-bexiga sob aquecimento. O modelo simulado estabelece uma série de correspondências com o sistema empírico original. No plano dos elementos formuladores do mode- lo destacam-se: as fontes de energia, as pilhas e a chama do bico de Bun- sen; os volumes, os conjuntos tubo de ensaio/bexiga e cilindro/êmbolo móvel; as partículas, moléculas do ar e miçan- gas rígidas. No plano das relações intrínsecas ao modelo, a principal cor- respondência ocorre entre o aumento do volume do sistema cilindro/êmbolo móvel em função do aumento do nú- mero de pilhas com o aumento do vol- ume da bexiga em função do tempo de aquecimento do sistema experi- mental original. De maneira mais apro- fundada, simula-se a velocidade média das moléculas do ar, conceito central para o entendimento do fenômeno. Um segundo exemplo bastante mais freqüente é a utilização de mo- delos de estrutura molecular do tipo bola–varetas, quando se propõe ensi- nar química orgânica por meio de um
Figura 1: Representação feita por alunos do sistema tubo de ensaio/bexiga plástica, na ausência de e sob aquecimento. Fonte: Mortimer, 1995.
Os modelos mentais servem de sistemas intermediários entre o mundo e sua represen- tação, uma espécie de filme interno cujas cenas são formadas por imagens animadas e signos, cuja concatenação expressa o estado de coisas e dialoga com a representação que o sujeito confere à realidade
experimento com o sistema da Figura 1, depois o experimento de simulação (Figura 2). A simulação não pode tolher a necessária tarefa de criação de mo- delos mentais, já verificada na interven- ção decorrente da experimentação ‘por via úmida’; deve, sim, sustentar essa prática salutar com novas regras, mais próximas do pro- cesso de significação, inserindo um novo plano de mediação entre o sujeito e o objeto, o plano da rea- lidade simulada ou o plano da representa- ção dos modelos mentais. Numa concepção idealista, a experimentação por simu- lação deve permitir ao sujeito cultivar sua imaginação em consonância com um conjunto de signos socialmente legitimados, transitando entre a crueza da realidade objetiva e as sombras da compreensão subjetivada. Nesse sentido, a experimentação por simula- ção deve permitir ao sujeito uma nova oportunidade para representação do mundo e de seus modelos mentais representativos, expondo-os ao olhar
do outro. A simulação deve ser incor- porada às práticas educacionais como uma estratégia de sugerir realizações racionais (Bachelard, 1934), fazendo parte de um projeto em que as con- dições experimentais sejam condições de experimentação nas quais o embri- camento empiria–teo- ria seja permanente- mente atendido.
Considerações
finais
Este artigo visou traçar um quadro ge- ral sobre a experi- mentação e seu locus no ensino de ciências, aproveitando algumas contribuições bastan- te difundidas na área de filosofia da ciência. Procurou-se determinar as vá- rias fases do pensamento científico, ressaltando a contribuição da experi- mentação na forma de um dispositivo sociotécnico inerente a esse pensa- mento. Parece-nos que a experimen- tação por simulação recupera uma im- portante discussão sobre a demar- cação entre o empírico e o teórico, o que se torna essencial num momento em que as realidades passam a ser
reconhecidas como virtuais. Acreditamos que as simulações computacionais podem ser orquestra- damente articuladas com atividades de ensino, sendo portanto mais um instru- mento de mediação entre o sujeito, seu mundo e o conhecimento científico. Para tanto, há que se experimentar e teorizar muito sobre a educação cien- tífica, com um olho no passado e outro no futuro, mas sobretudo com a cons- ciência viva no presente.
Marcelo Giordan, bacharel em química e doutor em ciências pela Unicamp, é professor da Faculdade de Educação da USP. E-mail: [email protected].
Notas
- Para um aprofundamento nesse tema, ver Losee (1979), que discute a influência dos três pensadores na crítica ao aristotelismo.
- Referimo-nos aqui à extensa pes- quisa sobre concepções alternativas dos alunos acerca do conhecimento científico. Para uma discussão mais aprofundada desse tema ver Garnett e Hackling (1995).
- Estamos nos referindo à área do conhecimento chamada de ciência cognitiva, cujos alicerces se fundam na lógica simbólica, na inteligência artifical e na neurociência.
A simulação deve ser incorporada às práticas educacionais como uma estratégia de sugerir realizações racionais, tomando parte de um projeto em que as condições experimentais são condições de experimentação
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