A programação como ferramenta para o ensino de Física: aprendizagem sobre força por meio do Scratch.

Abstract

Essa tese apresenta uma investigação sobre a transição do conhecimento intuitivo para o científico do conceito físico de força. Aplicada a estudantes da 1ª série do ensino médio de um colégio da rede federal de ensino do Rio de Janeiro, a investigação compreende uma estratégia de ensino inovadora desenvolvida pelo autor em parceria com sua orientadora. Esta estratégia consiste na execução de desafios de construção de simulações de física através da utilização de uma linguagem de programação em blocos: o Scratch. Nesse contexto, a aprendizagem dos conceitos abordados é concebida como um processo que implica na evolução de um traço latente, fundamentado em Teorias de Complexidade Hierárquica de Desenvolvimento Cognitivo e na transição do conhecimento intuitivo para o formal, alicerçada na Teoria do Conhecimento em Pedaços de diSessa. Baseada na metodologia mista de análise, a pesquisa compreendeu três etapas: (1) construção e validação dos instrumentos utilizados na pesquisa, (2) aplicação da intervenção educacional para os estudantes, (3) análise qualitativa e quantitativa dos dados coletados. Na validação dos desafios de simulação e dos testes em três camadas, realizadas na primeira etapa, participaram 41 professores, licenciados ou bacharéis, de física e pesquisadores da área de ensino de ciências, além de 493 estudantes das Redes Federal e Estadual do Rio de Janeiro e Salvador. A aplicação da intervenção contou com a participação de 87 estudantes. Durante esse processo foram coletados dados através da execução de tarefas de construção de simulação, testes em três camadas, questionários de engajamento, de auto avaliação e diário de bordo. Embora tenha sido feito gravações de tela e vídeos, esses dados não foram analisados nessa tese. Por fim foi utilizado o método misto de análise que envolveu, além da análise qualitativa do diário de bordo, questionários de engajamento e auto avaliação, uma robusta análise quantitativa baseada em modelos probabilísticos e na modelagem Rasch. Como primeira contribuição deste trabalho, temos o desenvolvimento de um estudo realizado a partir de rigorosos critérios metodológicos, tanto em relação à construção e validação dos testes e da sequência didática, quanto das técnicas de análise, favorecendo o aprofundamento do conhecimento sobre as potencialidades e limitações da construção de simulações para a aprendizagem do conceito de força. Os resultados obtidos a partir dos dados coletados nos testes em três camadas nos permitiram inferir que as atividades de construção de simulações de física propiciam um ganho de aprendizagem do conceito de força expressivamente maior do que o obtido através das aulas expositivas-dialogadas sobre conceito. Nesta análise, ainda constatamos a limitação da sequência didática para o desenvolvimento da aprendizagem do caráter explicativo fenomenológico de força. A análise qualitativa dos mapas de episódios, das tarefas de simulação e dos questionários nos deram indícios da contribuição da sequência didática para o desenvolvimento do raciocínio lógico computacional dos estudantes, da percepção da aprendizagem dos conceitos de forma mais lúdica e prazerosa, do favorecimento do letramento digital desses alunos, da influência do engajamento escolar nesse processo e das limitações e dificuldades que permeiam as atividades desenvolvidas. Por fim, esse trabalho disponibiliza para docentes de física materiais instrucionais e de avaliação rigorosamente validados através de pesquisa empírica.

ABSTRACT This thesis presents an investigation on the transition from intuitive to scientific knowledge of the physical concept of force. Applied to students in the 1st grade of high school at a college in the federal education school in Rio de Janeiro, the investigation comprises an innovative teaching strategy developed by the author in partnership with his supervisor. This strategy consists of executing challenges in building physics simulations through the use of a block programming language: Scratch. In this context, the learning of the concepts addressed is conceived as a process that implies the evolution of a latent trait, based on Hierarchical Complexity Theories of Cognitive Development and on the transition from intuitive to formal knowledge, based on the Theory of Knowledge in Pieces of diSessa. Based on the mixed analysis methodology, the research comprised three stages: (1) construction and validation of the instruments used in the research, (2) application of educational intervention for students, (3) qualitative and quantitative analysis of the data collected. In the validation of simulation challenges and tests in three layers, carried out in the first stage, 41 licensed teachers or bachelor's in physics and researchers in the area of science teaching participated, in addition to 493 students from the Federal and State Schools of Rio de Janeiro and Salvador. The application of the intervention was attended by 87 students. During this process, data were collected through the execution of simulation construction tasks, tests in three layers, engagement questionnaires, self-assessment and logbook. Although screen recordings and videos were made, these data were not analyzed in this thesis. For the third stage of this work, the mixed method of analysis was used, which involved, in addition to the qualitative analysis of the logbook, engagement questionnaires and self-assessment, a robust quantitative analysis based on probabilistic models and Rasch modeling. As the first contribution of this work, we have the development of a study carried out based on strict methodological criteria, both in relation to the construction and validation of the tests and the didactic sequence, as well as the analysis techniques, favoring the deepening of knowledge about the potential and limitations the construction of simulations for learning the concept of strength. The results obtained from the data collected in the tests in three layers allowed us to infer that the activities of construction of physics simulations provide a gain of learning of the concept of force significantly greater than that obtained through the expository-dialogued classes on the concept. In this analysis, we still find the limitation of the didactic sequence for the development of the learning of the phenomenological explanatory character of force. The qualitative analysis of the episode maps, the simulation tasks and the questionnaires gave us evidence of the contribution of the didactic sequence to the development of the students' computational logical reasoning, of the perception of learning the concepts in a more playful and pleasurable way, of favoring digital literacy of these students, the influence of school engagement in this process and the limitations and difficulties that permeate the activities developed. Finally, this work provides instructional and evaluation materials to physics teachers that are rigorously validated through empirical research.