METÁFORAS MECÂNICAS: UMA PROPOSTA STEAM PARA O ENSINO DE

CIÊNCIAS

Autor 1: Mariana Peão Lorenzin

Autor 2: Cristiana Mattos Assumpção

Autor 3: Marta Rabello

Modalidade: RELATO DE EXPERIÊNCIA

Resumo

O desafio do ensino de ciências é trazer para a prática um olhar interdisciplinar e investigativo, como proposto pelos Parâmetros Curriculares, BNCC e pesquisas na área. Este trabalho relata um trecho do planejamento e implementação de uma nova proposta curricular no Ensino Médio do Colégio Bandeirantes, o STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts & Design and Mathematics). Para tanto, foi escolhido o período de um bimestre da primeira série do Ensino Médio para ilustrar como a proposta foi trabalhada, em que se abordou o conceito de energia e suas transformações do ponto de vista das ciências, das tecnologias, das engenharias e das artes. A partir de conceitos trabalhados em oficinas experimentais, em um espaço para a realização dos projetos (Open Studio), os alunos foram desafiados a construir uma máquina mecânica que ao demonstrar, ao menos, duas transformações de energia diferentes, representasse uma metáfora de um processo físico, químico, biológico ou artístico. Os produtos e os conceitos construídos pelos alunos concretizaram a possibilidade da abordagem interdisciplinar e por projetos do STEAM para o ensino dos conceitos de energia e suas transformações.

Palavras chave: STEAM, currículo, ensino de ciências, energia, metáfora

Problema

Tradicionalmente estruturado pela relação entre os processos científicos e a produção da ciência, com ênfase nos produtos e resultados que apenas descrevem a realidade em caminhos previamente estabelecidos (CAMILLO, 2014), o Ensino de ciências tem sido considerado como reduzido à apresentação de conteúdos e ao uso de termos, esquemas e conceitos, conduzindo a uma visão das ciências de forma linear, fragmentada, descontextualizada, socialmente neutra e acumulativa (CACHAPUZ, 2011).

Embora tal fragmentação possibilite a organização da realidade, esta não a define e tampouco a explica as suas interações. Para YAKMAN (2008), o ensino organizado em fragmentos conduz a uma análise de conceitos sem conexão com elementos de diferentes contextos.

Nesse sentido, ensino de ciências passa por um momento de transformação. Quando se fala em habilidades do século 21, fica claro que há uma necessidade de se aprender a fazer ciências, e não apenas de observar ciências, como ocorre na maioria dos currículos tradicionais. A Base Nacional Comum Curricular de 2017 apresenta claramente a demanda por práticas da metodologia científica, lançando mão da experimentação e da investigação para a descoberta de como a ciência funciona.

Não se pode mais trabalhar com uma ciência descontextualizada, fragmentada e demonstrativa. Quando se estuda um conceito como “transformações energéticas” que é bastante abstrato, o desafio é trazê-lo para a realidade do aluno de forma a construir uma aprendizagem significativa.

Apesar da importância e aplicação cotidiana, esse tema é tratado, no Ensino

Médio, de forma descontextualizada, sem estabelecer conexões interdisciplinares entre os aspectos físicos, químicos, biológicos e outros, bem como entre estes e a realidade.

A essa forma de abordar os conceitos envolvidos no tema, pode-se atribuir o desenvolvimento de conflitos no uso do raciocínio científico e as dificuldades dos estudantes na argumentação e na elaboração de justificativas, bem como na tomada de decisões, em situações que dependem de uma análise ampla e recontextualizada (BASTOS, 2011); enfim, na compreensão dos conceitos relacionados à Energia e suas transformações.

Objetivos

Apresentar o planejamento e a implementação um projeto curricular para o Ensino Médio sobre Energia e suas transformações nas áreas das Ciências e Tecnologia, utilizando métodos de Engenharia e inspirado pelas Artes.

Metodologia

A transformação curricular significativa em larga escala exige um envolvimento de todos os setores da comunidade escolar. Os gestores devem fornecer a visão e as condições necessárias para tornar esta inovação uma realidade. Isto exige apoio financeiro, de recursos materiais e tempo de reunião para o planejamento.

No Colégio Bandeirantes a construção de uma nova matriz curricular, em nível de gestão, ocorreu de 2012 a 2014, com a participação do grupo de coordenadores das diferentes áreas e depois, mais especificamente com os coordenadores das áreas de laboratórios de Biologia, Química e Física, junto com o coordenador de Artes.

Deste processo, originou-se o novo currículo para o Ensino Médio que contemplou uma disciplina chamada STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts and Design, Math – ciência, tecnologia, engenharia, artes e matemática), contemplada na grade curricular da nova matriz, com 2 aulas por semana de 100 minutos cada uma.

Para o seu planejamento, em 2015 o grupo de professores de laboratórios e os professores de Artes participaram de reuniões semanais de três horas para elaborar as aulas do novo curso denominado STEAM. Participaram do processo 21 professores das diferentes áreas. O grupo foi dividido em 4 subgrupos representado por um professor de cada área, de forma a elaborar o curso de forma interdisciplinar. Professores de matemática foram convidados a se juntar aos grupos para incorporar conceitos importantes de matemática nos projetos onde fizesse sentido. Cada grupo ficou responsável por um bimestre do 1º ano do Ensino Médio.

Para formular o currículo, os grupos participaram de um processo de design thinking, onde responderam às perguntas:

1. O que você mais gosta de ensinar?

2. O que você acha mais importante o aluno aprender?

3. Como relacionar os dois anteriores?

Desta forma o grupo passou a se conhecer melhor, buscar suas paixões pelas suas disciplinas, pensar no aluno que queria formar e repensar o currículo de forma verdadeiramente integrada e não linear.

Os bimestres foram divididos em dois momentos - em um primeiro momento, chamado de aulas guiadas, os desafios eram mais dirigidos para o aluno explorar os conceitos que deveriam utilizar em seus projetos. Na segunda metade do bimestre, chamada de Open Studio (inspirada no modelo do Media Lab do MIT), os alunos trabalhavam na construção de seus projetos, orientados pelos temas bimestrais.

Uma vez definidos os temas bimestrais, os professores passaram a escrever um roteiro do professor e um roteiro do aluno para cada aula do bimestre.

Com as aulas e os roteiros escritos, os professores também participaram de vivências aos Sábados para ensaiar cada aula escrita. Estes ensaios tinham a finalidade de testar as propostas, modificá-las e de mostrar para todos do grupo quais aulas estariam orientando no próximo ano.

Esse teste também foi feito no final de 2015 por um grupo de alunos testar o roteiro, sendo eles os professores e os professores participaram no papel de aluno. Foi uma excelente oportunidade de obter feedback e percepções daqueles que participariam desta nova abordagem.

O ano de 2016 foi o primeiro ano de implementação deste currículo junto aos alunos. Participaram 21 professores e aproximadamente 580 alunos divididos em 12 turmas, que por sua vez foram divididos em 2 subturmas cada.

Este relato mostra o que foi feito para um bimestre, que abordou o tema energia e suas transformações.

Fundamentação teórica

Em um contexto pautado pelas rápidas mudanças da realidade, em que é possível buscar múltiplas soluções para problemas complexos e, diante das demandas da Educação em que cada disciplina acadêmica apresenta muitos conteúdos e habilidades a desenvolver, uma nova forma de organizar o ensino, por meio do estabelecimento de relações entre as áreas do conhecimento torna-se vital, a fim de atender às necessidades atuais para a formação dos estudantes.

A velocidade das mudanças do contexto requer novas habilidades e o desenvolvimento de competências não somente associados à especificidade de uma disciplina, mas inclui a compreensão sobre como o conhecimento é conectado entre as diversas disciplinas (CONNOR, 2015).

Yakman (2008) defende que não se trata de modificar toda a estrutura do ensino básico, mas promover as conexões entre os conteúdos das disciplinas, o que tem sido feito individualmente.

Propostas que integram as disciplinas em diferentes níveis e o trabalho por projetos emergem como possibilidades para superar a fragmentação do ensino e possibilitar atribuição de sentido à aprendizagem pela compreensão da informação e construção de conceitos. Ao defenderem o trabalho por projetos, Hernandez e Ventura (1998) compreendem que a aprendizagem se concretiza no momento em que transborda em ressignificações, sendo imbuída de sentidos e permite a aplicação dos conceitos às situações sociais reais.

Para tanto, os projetos, como experiências de aprendizagem, devem criar a necessidade de aprender conceitos a partir da identificação de um problema e a busca e o planejamento de soluções criativas, engajando no contexto e nas questões sociais (CONNOR, 2015).

Assim, definida a partir de um problema, a aprendizagem baseada em projetos (Project Based Learning) é uma abordagem que, valorizando a diversidade de temas e caminhos para a sua realização, foca no desenvolvimento de um produto ou a criação de um artefato.

Apesar desta se referir a uma definição formal, de acordo com Connor (2015), essa forma de aprendizagem engloba os princípios da aprendizagem realizada por meio da prática, centrada no aluno que apresenta diferentes graus de autonomia e baseado em um problema que merece investigação e, por isso, considera os erros como parte do aprender.

Partindo dos princípios da integração entre disciplinas e da aprendizagem baseada em projetos e, em resposta à necessidade de melhorias no ensino de Ciências e Matemática, como forma de inclusão social e no mercado de trabalho, às demandas de fortalecer a economia, com foco na competitividade, e de aumentar o interesse dos alunos em carreiras nas áreas de Tecnologia e Engenharia, a Academia Nacional de Ciências, Engenharia e Medicina dos Estados Unidos, apresentou o STEM, sigla para Ciências, Tecnologia, Engenharia e Matemática (do inglês, Science, Technology, Engineering and Mathematics), como uma proposta de ensino integrado para a educação básica.

Representando uma mudança na abordagem tradicional do Ensino de Ciências, a apresentação da proposta STEM, no momento inicial, causou sensação de medo e perda de espaço das disciplinas, ao não tratar de terminologias e conceitos específicos. No entanto, quando aprendidas de forma integrada, as diferentes perspectivas das disciplinas constituem um conhecimento que possibilita a compreensão ampla dos conceitos e a inovação (YAKMAN, 2008).

Nesse sentido, o STEM, apesar de enfatizar, as Ciências e a Matemática, por seu reconhecimento como disciplinas acadêmicas, encontra suporte na Tecnologia e na Engenharia como meio para envolver os temas em processos de ensino por investigação, aproximando-se do contexto real em que as Ciências, as Tecnologias, as Engenharias e a Matemática estão integradas e são empregadas, rotineiramente, em conjunto para a solução de problemas reais.

Assim, o estudo das Ciências não pode excluir a Tecnologia, o que se constitui a partir da criação dos processos de Engenharia e cujo desenvolvimento e efeitos são compreendidos pela Matemática.

Embora o STEM proporcione a exploração de modo integrado de quatro áreas do conhecimento com oportunidades do ensino realizado por meio de dinâmicas e experimentos práticos, investigação e trabalho em equipe, processos de inovação e criatividade, essenciais no século 21, não são contemplados nessa proposta (RILEY, 2012).

Para Sousa e Pilecki (2013), conceitos e princípios científicos, técnicos e matemáticos como a objetividade, a lógica e a aplicação prática, localizados em propostas de atividades do STEM, demandam, também, habilidades como a criatividade e a inovação nem sempre desenvolvidas.

Em uma nova abordagem para o Ensino de Ciências, espera-se desenvolver a criatividade e a inovação na análise de situações e na resolução de problemas. Nesse caso, estando relacionada às necessidades humanas, são exigidas a ruptura de modelos estabelecidos e formas criativas e inovadoras de pensar (BOY, 2013).

Impulsionados por essas exigências e embasados por argumentos de pesquisas das neurociências, que discutem a criação de novos caminhos neurais e o aumento da retenção de conhecimento por meio do ensino das Artes, sobre cognição e aspectos sociais, Sousa e Pilecki (2013) e Land (2013) defendem a importância da integração das Artes e do Design, em suas múltiplas dimensões, com a abordagem STEM.

Buscando superar a oposição cultural entre Artes e Ciências e, como uma forma de ampliar as formas de percepção do mundo, Sousa e Pilecki (2013) enfatizam que a incorporação das Artes favorece o desenvolvimento de novas formas de pensar e de aprender, além de fomentar a inovação, a conexão entre as questões sócio emocionais e as Ciências, permitindo transformar o currículo para promover o engajamento de alunos e professores, bem como aprimorar o desenvolvimento cognitivo, emocional e psicomotor, em um ambiente de aprendizagem estimulante e prazeroso.

A partir de uma autêntica conexão com clareza em seus objetivos, a integração entre as áreas do STEM e as Artes e o Design, por meio dos conhecimentos artísticos, é colocada como forma de estimular a criatividade, maior capacidade de aprendizagem e compreensão do mundo (RILEY, 2014).

É importante ressaltar que não se trata de resolver os problemas do Ensino de Ciências por meio da incorporação das Artes e do Design, mas, sim, de aplicar e estudar as habilidades e princípios dessa área nas demais disciplinas

Nessa perspectiva, o STEAM é apresentado como uma abordagem de ensino em que as disciplinas tradicionais das áreas de Ciências, Tecnologias, Engenharias, Artes e Matemática são estruturadas em uma proposta de currículo integrado, focando na resolução de problemas e no desenvolvimento de habilidades, do pensamento crítico e da criatividade para a tomada de decisão e os futuros desafios (YAKMAN, 2008).

Por essa abordagem, os temas são explorados de forma investigativa por meio

de propostas inter e transdisciplinares, partindo da proposição de um problema, que pode se expandir para a realização de projetos, explorando conceitos e materiais na aplicação do conhecimento e, pautados na aprendizagem ativa.

Sob essa perspectiva, no STEAM as cinco áreas envolvem processos criativos e não usam somente um método para o questionamento e a investigação, de modo que após passar por uma curadoria, a informação é compartilhada e explorada em novos caminhos de perceber e pensar a criatividade.

Considerando que, segundo Feynman (2013) “Energia é uma coisa abstrata no sentido de que ela não nos diz qual é o mecanismo ou razões para a existência das suas várias formas.” e que, por seu caráter transversal, este tema apresenta relações entre as áreas das ciências, é fundamental buscar novas formas de explorar múltiplas possibilidades de trabalho para aproximar os conceitos da realidade dos alunos.

Em busca dessa aproximação, nesse mesmo texto, o autor explora diversas faces da energia descrevendo-as metaforicamente em uma situação concreta, contando bloquinhos de brinquedo de uma criança. Desta forma, a figura de linguagem da metáfora permite expressar em uma forma concreta, o conceito abstrato como é, comumente, trabalhado na sala de aula tradicional, pelo formalismo matemático.

Assim, as transformações de energia e as suas aplicações encontram no STEAM sua contrapartida: demonstrações, experimentos e produtos resultantes de projetos em um contexto concreto e prático para aprender seus conceitos.

Resultados obtidos

O projeto sobre Energia e suas transformações, com duração de um bimestre, foi planejado com base na abordagem STEAM, sendo inspirado pelas Artes, integrando a compreensão sobre energia em contextos das Ciências físicas, químicas e biológicas em uma abordagem interdisciplinar e relacionada às Tecnologias, Matemática e Engenharias para a construção de um produto final.

A partir da leitura de obras de arte, em cujo exercício de análise foram observados símbolos que revelaram o conceito de metáfora, os alunos participaram de oficinas experimentais orientadas para a compreensão de formas variadas de transformações de energia e suas aplicações.

Assim, após a apropriação dos conceitos citados, as turmas, com cerca de 24 alunos, foram desafiadas a construir, nas aulas chamadas Open Studio, uma máquina mecânica, como os modelos de Rube Goldberg, que envolvesse, ao menos duas transformações de energia diferentes e representasse uma metáfora de um processo químico, físico, biológico ou artístico.

Os quadros (1 e 2) a seguir apresentam um breve planejamento das aulas do bimestre e os temas abordados nos experimentos das oficinas.

Planejamento do bimestre

Aula 1

Discussão sobre a avaliação do bimestre anterior

Descoberta do tema do bimestre a partir de situações que envolvem as transformações de energia: movimento de um pêndulo, uma vela acesa, uma planta iluminada e uma produção artística com luz.

Aula 2

O conceito de metáfora a partir de leitura de obras de artes com realidade aumentada (app Aurasma) e de trecho do filme “O carteiro e o poeta”.

Construção de uma metáfora para energia com material reciclado.

Aula 3

Apresentação da proposta do Open Studio

Início do planejamento do projeto final

Transformações de Energia: Oficina de experimentos 1

Aula 4

Transformações de Energia: Oficina de experimentos 2

Compartilhamento de conteúdo e discussão dos resultados dos experimentos registrados em tabela consensual da classe que servirá de referência para reconhecimento das transformações de energia e aplicação no produto final.

Aula 5

Discussão sobre a Conservação de Energia, a partir do texto “O que é Energia?”, de Richard Feymann.

Análise de movimento de um pêndulo simples gigante

Avaliação de conteúdo individual em Quiz

Aula 6

Dia do Compartilhamento – apresentação do desenvolvimento do projeto para contribuições dos pares

Aulas 7 a 12

Open Studio

Aula 13 Apresentação final das máquinas e suas metáforas

Autoavaliação e avaliação por pares

Quadro 1. Planejamento das aulas de um bimestre que, apoiado na abordagem STEAM, trabalhou o tema Energia e suas transformações.

Lista de temas explorados nas oficinas experimentais

Cianotipia

Fotossíntese

Fermentação alcóolica

Plano inclinado

Painéis solares

Quimioluminescência

Deformação de fluido não newtoniano

Usinas hidreléticas

Combustão

Pêndulo simples

Quadro 2. Temas de Ciências e Artes explorados nas oficinas experimentais.

As imagens que seguem apresentam trechos relevantes da implementação do planejamento descrito acima.

Figura 1. Imagens de obras de Arte que introduziram o tema metáfora.

Figura 2. Oficina experimental: Pêndulo. Demonstração e análise de movimento de pêndulo simples gigante.

Figura 3. Oficina de experimentos: exemplos de experimentos sobre transformações de Energia.

Figura 4. Planejamento de máquina mecânica com transformações de energia realizado por alunos em aulas do Open Studio.

Figura 5. Exemplos de máquinas construídas pelos alunos.

Conclusão

O planejamento e a implementação do projeto sobre energia e as suas transformações, pautado na abordagem STEAM, demonstrou as possibilidades de trabalho com os conceitos de forma interdisciplinar. Não havia fronteiras para o uso do conhecimento das diferentes áreas das ciências da natureza (Física, Química e Biologia) e se expandiu para além das ciências naturais, trazendo a poética das Artes.

Os produtos gerados pelos alunos concretizaram a possibilidade de haver harmonia entre ciências e artes, ao usar as metáforas, trazendo o olhar poético para a ciência. Esta multiplicidade de olhares trouxe uma experiência muito mais ampla do que normalmente é ensinado nos cursos de ciências, mesmo os práticos.

Ao transformar o conhecimento em um objeto concreto usando linguagem metafórica, houve uma significação mais profunda dos conceitos abordados, pois os alunos tiveram que internalizar e transformar os conceitos abstratos à forma concreta de construção do conhecimento. Não era uma tarefa de reprodução simples de um conceito, que infelizmente é muito comum nas escolas. Houve um aprofundamento e uma exploração das transformações de energia, levando a uma aprendizagem significativa onde aluno se apropriou do conhecimento.

Ficamos ainda mais convictos da importância da co criação do curso por professores de áreas diversas. Uma transformação deste porte não pode ocorrer sem o envolvimento dos professores e a riqueza das múltiplas perspectivas e áreas de especialidade.

No mundo do século 21, este é um caminho sem volta. Quanto mais pudermos compartilhar nossas experiências e promover estas trocas, mais vamos avançando nas fronteiras do conhecimento e da educação de qualidade.

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