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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 and Literacy, 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 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
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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) ?
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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?
-- é um dos pilares fundamentais do é um dos pilares fundamentais do desenvolvimento científicodesenvolvimento científico
-- Física: teórica, experimental e computacional Física: teórica, experimental e computacional
- - noção de que é possível predizer, além de noção de que é possível predizer, além 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 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.
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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 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
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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 microcomputador R. 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. 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
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Surpreendentemente Surpreendentemente para nossa intuição a para nossa intuição a extremidade inferior extremidade inferior da mola permanece da mola permanece estática enquanto a estática enquanto a
extremidade superior extremidade superior desce com grande desce com grande
aceleração. aceleração.
Enquanto isto, o Enquanto isto, o centro de massa da centro de massa da mola desce com a mola desce com a
aceleração aceleração 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
Aquisição automática e tratamento de dados
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
Objetivos Desempenho
alunos com espírito crítico
capacidade para enfrentar situações novas
interesse pelo mundo natural
e como “complemento”
buscam a resposta corretamajoritariamente só decoram fórmulas e resolvem problemas padrão
marcante desinteresse pela ciência
elevadas 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 já conhece”.
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
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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 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
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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 de trabalho
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!
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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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