TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO FACILITANDO A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE CIÊNCIAS E MATEMÁTICA

Eliane A. VeitInstituto de Física

UFRGSOutubro 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

. . .

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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

O computador como ferramenta da mente

ou seja, ampliando a capacidade da mente humana na solução de problemas

DiSessa; Jonassen

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Quem é capaz de responder?

Se um trem viaja em linha reta durante

2 horas, a 40 km/h, que distância percorre?

80 km

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Pois para Galileu não foi tão simples assim:

• Em Diálogos relativos a duas novas ciências (1636)

Galileu demonstra

6 teoremas sobre movimento

uniforme !

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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).

* Andrea diSessa, Changing Minds Computers. Learning andLiteracy, M.I.T. 1999.

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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.

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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)

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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)

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Computador é:

uma ferramenta cognitiva em potencial

oferecendo novas perspectivas à capacidade humana de resolução de problemas

se vai ou não revolucionar o ensino?

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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)

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Quem sabe...:

• a capacidade humana de falar e compreender a linguagem oral, que é determinante na alfabetização tradicional, combinada àcapacidade 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

x1

Slide 13

x1 base material só faz sentido em conjunção com o que se elabora na mente na presença da inscrição na base materiala inteligência material não está isoladamente nem na mente nem na base material, mas em um complicado e crítico acoplamento entre ambas x, 10/5/2006

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Mas...tudo está condicionado ao socialEx: 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) ?

x3

Slide 14

x3 cal_der.mdlcal_int.mdl

juros com excelx, 10/6/2006

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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 .“

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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

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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.

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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!

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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.

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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

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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.

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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.

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

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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

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Física?

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

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Modelagem computacional em Ciências

• Por quê?

-- éé um dos pilares fundamentais do um dos pilares fundamentais do desenvolvimento cientdesenvolvimento cientííficofico

-- FFíísica: tesica: teóórica, experimental e computacionalrica, experimental e computacional-- nonoçção de que ão de que éé posspossíível predizer, alvel predizer, aléém de m de

observar fatos observar fatos

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O que é modelagem em Ciências?

Modelagem de um sistema físico (químico, biológico) é o processo de construção de umaversão 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.

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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.

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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

Simulação x modelagem

Simulação: aluno não tem

Modelagem: aluno tem

acesso aos primitivos do modelo matemático ou icônico subjacente àimplementação da modelagem

Tipos de atividades de simulação e modelagem computacionais

•• exploratexploratóóriasrias

observação, análise e interação do sujeito com modelos jáconstruídos

o sujeito passa por todo o processo de construção do modelo desde sua estrutura matemática ou icônica até a análise dos resultados

•• expressivas de modelagemexpressivas de modelagem

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Powersim (Stella)

init Q = 0flow Q = - dt*ralo

+ dt*torneiraaux ralo = Q*kconst torneira = 100const k = 1

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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

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Exemplos de softwares:

Spectrogram (fig)

Aq_dados (fig)

Osciloscope (fig)

MBL

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Velhos temas com novas tecnlogias

• Medida da velocidade do som no ar com microcomputadorR. M. Grala e E. S. Oliveira, Física na Escola, v. 6, n. 2, p. 26

• Mola em quedaPodem 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. 26http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num2/a03.pdf

http://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/slinky.htmlhttp://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring.htmlhttp://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring2.htmlhttp://tp.lc.ehu.es/jma/mekanika/jarraitua/spring3.htmlhttp://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

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Surpreendentemente Surpreendentemente para nossa intuipara nossa intuiçção a ão a extremidade inferior extremidade inferior da mola permanece da mola permanece estestáática enquanto a tica enquanto a

extremidade superior extremidade superior desce com grande desce com grande

aceleraaceleraçção. ão.

Enquanto isto, o Enquanto isto, o centro de massa da centro de massa da mola desce com a mola desce com a

aceleraaceleraçção ão gravitacionalgravitacional..

(Axt, R; Bonadim, H. & Silveira, F. L. da,

Rev. Bras. Fis. v. 27, n. 4, p. 593-597, 2005.)

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

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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

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Cuidados na construção de material com TICS

Inovações tecnológicas e a prática docente

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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

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Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional

• teoria da carga cognitiva

A C

B

D

http://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/cargacognitiva.pdf

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Desenvolvimento e (avaliação) de material instrucional

• elementos de webdesign

contraste

repetição alinhamentoproximidade

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Exemplo de dificuldades de aprendizagem

interpretação de gráficos da cinemáticahttp://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/cinematica/index.html

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Exemplo de dificuldades de aprendizagem

circuitos elétricos simples:http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/circuitos/index.html

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Às vezes a convicção supera a realidade!

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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

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Objetivos do ensino e desempenho do estudantes. Por que tão diferentes?

Dra. Zulma Gangoso, Córdoba, Argentina

e como “complemento”

interesse pelo mundo natural

capacidade para enfrentar situações novas

alunos com espírito críticoDesempenhoObjetivos

buscam a resposta corretamajoritariamente sódecoram fórmulas e resolvem problemas padrãomarcante desinteresse pela ciênciaelevadas taxas de reprovação

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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

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Aprendizagem significativa

“O fator isolado mais importante que influencia aprendizagem é aquilo que o aprendiz jáconhece”.

Motivação: Ninguém aprende se não quiser.

Material deve ser potencialmente significativo.

mecânica significativa

Aprendizagem

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É PRECISO LEVAR EM CONTA

• COMO OS ALUNOS APRENDEM!

• E COMO OS PROFESSORES ENSINAM!

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E como os professores ensinam?

Normalmente, do mesmo modo comoaprenderam!

novas tecnologias >novas metodologias

diversidade de estratégias no ensino

B1

Slide 52

B1 Pessoal

Conforme passei para vocês através da minha extensa aula: o importante mesmo é aprendermos a trabalhar com imagens. Som e vídeo é um extra que, é claro, poderá ser bastante útil.

E, aprendam um software bem que poderá, em geral fazer tudo o que precisam. Sejam pacientes e se permitam aprender uma coisa por vez (não se extressem com o excesso de informação, filtrem o que conseguirem compreender).

Eu, pessoalmente, adoro informática e já estudei muito acerca desta tecnologia e gosto muito de ensinar (acho que a maioria de vocêsjá pode perceber estas duas coisas, né). Por isso, não se acanhem, tendo dúvidas, perguntem, por e-mail, telefone ou pessoalmente. Sempre que me for possível, estiver disponível e souber como terei o maior prazer em ajudá-los.Bridge, 7/10/2004

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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

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O Diagrama AVM

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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.

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Papel do professor?

- coordena- orienta- observa- estimula- propõe atividades, desafios, ...- põe em prática a avaliação formativa e

somativa(método colaborativo presencial)

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Reflexão continuada sobre

• a adequação da tecnologia educacional aosobjetivos 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

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“As coisas mais importantes nunca devem ficar à mercê das menos importantes”.

Johann Wolfgang von Goethe

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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.pdfhttp://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/XXIIIEFNNE/

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Osciloscope (entrada de som)

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Spectrogram

canto de um pássaro

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Spectrogram

tubo de 30cm tubo 40cm

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Ad_dados

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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

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Informação

+

memória de longo prazo

memória detrabalho 7 2

Limitadamáximo:

elementos

órgãos sensorias

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A captura de informações depende também

do que já se sabe

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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!

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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

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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.brhttp://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/cargacognitiva.pdf

Liane Tarouco

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...e de alfabetização visual

http://penta2.ufrgs.br/edu/cargacognitiva/alfabvisualres.pdf

http://penta2.ufrgs.br/edu/alfabetizacaovisual/

Profa. Liane R. Tarouco, UFRGS

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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

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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

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Condições para ocorrência da aprendizagem significativa

1. Materialpotencialmentesignificativo

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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