Controlo de variáveis no 1º CEB: pobre de significado para os alunos e frustrante para os professores

Por Jorge Gouveia,
Professor de Físico-Química na Madeira

Actividade B (guião "Sombras e imagens") [ http://sitio.dgidc.min-edu.pt/experimentais/Paginas/Recursos_Didacticos.aspx ]

Voltamos à reflexão iniciada sobre a exploração em sala de aula do guião sobre «Sombras e Imagens», incidindo agora nas actividades B. Com estas actividades pretende-se investigar os factores de que depende a sombra de um objecto.

Questão-problema I: «O que acontece à sombra de um objecto se aumentar o comprimento deste?»

“Antes da experimentação”, como é sugerido, tentámos focar a atenção dos alunos na questão O que vamos mudar… (identificação da variável independente). Fizemos algumas tentativas inicias para induzir aquilo que queríamos que os alunos referissem – o tamanho do objecto. Tínhamos o material à sua frente e estabelecido um diálogo em torno das diferentes dimensões dos objectos. Após essas tentativas infrutíferas, fomos avançando, não ditando, mas quase…

Passámos à questão O que vamos medir… (identificação da variável dependente). Mediante a nossa insistência, os alunos lá iam dizendo que utilizariam a régua para medir.

Seguiu-se O que vamos manter e como… (identificação e modo de controlo das variáveis). Mais uma vez foi muito difícil para os alunos.

Quando se abordou O que e como vamos fazer… os alunos conseguiram expressar alguns procedimentos.

Quando chegámos à tabela Os nossos registos… os alunos mediram e registaram o comprimento de cada objecto. No entanto, a sombra não foi medida três vezes como o sugerido, pois isso não fazia sentido, dava o mesmo valor. Tanto os professores como alunos não percebiam para quê fazer várias medidas do mesmo comprimento, para em seguida se fazer uma média aritmética.

Quanto a O que pensamos que vai acontecer e porquê… foi necessário introduzir questões do género “qual é a tua opinião, a sombra irá ficar maior, menor ou igual?”. Só com este tipo de questões, que contém todas as possíveis respostas, os alunos são capazes seleccionar a opção correcta. Foi necessário proceder do mesmo modo quanto às razões da previsão seleccionada.

Na fase de Experimentação … os alunos alternaram os vários materiais de diferentes tamanhos e observaram e muitos esqueciam-se de medir o comprimento da sombra. A posição dos resultados da medida gerou alguma confusão devido ao formato da tabela: contempla espaços para comprimentos que não foram realizados por considerarmos desnecessário.

Quando chegou A resposta à questão-problema é … pretendíamos fazer um debate em grande grupo. Este é um momento com muito significado para os professores, pela possibilidade que oferece de ficarem a saber que aprendizagem foi realmente conseguida pelos alunos. No entanto, nesta altura os alunos já se apresentam cansados. Na realidade, todo aquele trabalho que supostamente iria convergir para uma clarificação da questão inicial, simplesmente não acontece para a maioria dos alunos. A questão inicial revelou-se, mais uma vez, uma situação nova, desligada do que se supunha ser um processo de investigação.

Um desabafo pessoal…
No fim das sessões, sentia-me com a consciência tranquila, pois tinha dado o meu melhor para aqueles alunos passarem momentos maravilhosos. Por outro, era uma frustração ao sentir que os alunos não conseguem acompanhar o processo. Depois, nas sessões seguintes tentava melhorar mas apareciam novas situações e mantinha-se sempre o mesmo padrão.

Questão-problema, previsão e resposta à questão-problema

Por Jorge Gouveia,
Professor de Físico-Química na Madeira

No ano lectivo 2006/2007 através do Despacho nº 2143/2007, DR, 2ª série, Nº29, 9-02-2007, o Ministério da Educação lançou o «Programa de Formação em Ensino Experimental das Ciências para Professores do 1º Ciclo do Ensino Básico». Este programa tem sido prorrogado e está previsto até o ano lectivo de 2009/2010. Em consequência deste programa, a comissão técnico-consultiva de acompanhamento concebeu e editou um conjunto de guiões didácticos para apoiar os professores e alunos envolvidos neste programa. Estes recursos didácticos estão à disposição do público interessado, em particular os professores do 1º Ciclo do Ensino Básico (1º CEB)

[http://sitio.dgidc.min-edu.pt/experimentais/Paginas/Recursos_Didacticos.aspx ]

No ano lectivo transacto, 2008/2009, tive a oportunidade de explorar na sala de aula, em parceria com os professores titulares de três turmas do 3º ano do 1º CEB, o tópico de experiências com a luz. Isto passou-se em São Martinho, na Ilha da Madeira.

A minha experiência permite-me sustentar alguns dos aspectos apontadas pelo professor Joaquim Sá na sua reflexão sobre a manipulação e controlo de variáveis. As considerações que pretendo fazer dizem respeito ao guião sobre «Sombras e Imagens» incluindo o caderno de registos para crianças. Tendo em vista contribuir para a reflexão necessária, submeto à crítica de todos aqueles que trabalham no terreno. Apresento este primeiro texto a que se seguirá um outro.

Actividade A

Questão-problema I:«Porque não vemos os objectos no escuro?»

Esta actividade revelou-se muito útil e interessante para alunos e professores. O que significa este sucesso? Os trabalhos começaram do seguinte modo: observar um objecto dentro de uma caixa através do orifício. Os alunos foram confrontados com actividades altamente motivadoras, onde tiveram oportunidade de opinar, prever, observar e fizeram registos. As opiniões dos alunos foram de um modo geral no sentido correcto: ver o objecto luminoso ou iluminado e não ver o objecto não iluminado. Ficou claro ser necessário conduzir a actividade com grande atenção às ideias dos alunos, ouvindo e clarificando o significado das palavras "objecto iluminado" e "objecto luminoso". Se as palavras dos alunos não forem aproveitadas nos devidos momentos, origina-se uma confusão entre os dois termos. Foi isso que aconteceu nalgumas turmas. As crianças esquecem-se facilmente do significado de cada uma das palavras “iluminado" e "luminoso” e têm dificuldade em preencher o quadro de registos que é proposto. Por isso, fiquei com dúvidas se devia de insistir muito no termo sem repetir as experiências.

Para as crianças que erravam, demos oportunidade para repetir. Tentámos que o registo fosse efectuado com o material à sua frente e a experimentação acompanhada de algumas questões de modo a diagnosticar possíveis contradições. Resultou? Após a experimentação, foi patente que a maioria dos alunos já não se lembrava da questão-problema de partida. Aqui tinha sempre a mesma dúvida: será mesmo assim? Compreendi esta situação ao ler o que diz o professor Joaquim Sá sobre memória de trabalho: “Uma dimensão muito crítica na planificação de uma investigação (...) é a reduzida memória de trabalho dos alunos, nesta idade.».

Outra dificuldade que surgiu foi o facto de os alunos acharem desnecessário voltar a responder à questão-problema, depois das actividades experimentais. Como já tinham respondido à questão em forma de previsão, ao ser-lhes explicado que depois das actividades deviam voltar a dar uma resposta, ficavam admirados e diziam “já respondi”.

Nas duas sessões seguintes abordámos as questões-problema II e III: «Como se propaga a luz?» e «Será que todos os materiais se deixam atravessar pela luz?», respectivamente. Estas decorreram de uma forma muito semelhante à primeira sessão. Na previsão da questão-problema II, desenharam rectas a partir de uma fonte luminosa. A palavra «propagação» mereceu algumas considerações, pois os alunos não sabiam o seu significado. O discurso que utilizei passava pela exemplificação de um determinado percurso/caminho (isto é, a trajectória). Geralmente a trajectória desenhada pelos alunos contempla rectas. O registo na tabela - visibilidade da luz através de uma mangueira, em curva, em linha recta e com um nó (vejo a luz; não vejo a luz) - revelou-se relativamente fácil. Foi mais difícil estabelecer a relação entre os resultados da experimentação “vejo a luz” e o facto desta viajar em linha recta. Por último, mais uma vez, esqueceram-se da questão inicial. As suas respostas iam ao encontro das suas previsões pictóricas iniciais.

Relativamente à questão-problema III, decorreu de modo semelhante à II, despertando muito interesse. Os professores distribuíram vários materiais pelos alunos: cartão, papel, vegetal, acetato não colorido, acetato colorido, plástico, espelho e celofane colorido. De acordo com o que observavam ou não através do material, registaram na tabela (vejo o objecto: nítido, pouco nítido, não vejo o objecto). Alguns materiais geraram algumas contradições interessantes. Foi o caso do espelho. Alguns afirmavam que o espelho deixava passar a luz. Gerava um debate interessante e o(s) aluno(s) tentavam corrigir a contradição.

Foi moroso seleccionar os objectos/materiais tendo em conta os seguintes grupos: a) materiais através dos quais foi possível ver o objecto de forma nítida; b) materiais através dos quais não foi possível ver o objecto de forma nítida; e c)materiais através dos quais não foi possível ver o objecto. Após esta sistematização, os materiais ficavam classificados de acordo com as suas características: transparentes, translúcidos, opacos. Por último, a resposta à questão-problema surgiu como algo de novo e quando foram relembrados das previsões, não ficaram admirados como tinha acontecido na questão anterior. Pelo contrário, ao constatarem que tinham errado na previsão, mostravam interesse em responder correctamente, pois a maioria tinha previsto apenas uma possibilidade (deixa-se atravessar ou não se deixa atravessar pela luz).

Comentário:

A memória de trabalho pode ser treinada e desenvolvida. Ela é tanto mais crítica quanto maior for a "distância" entre a questão-problema e o retorno final à questão-problema.

Construção de novos significados: o processo da Linguagem e da Comunicação excelentes

Quando a criança constrói significados novos, recorre à sua própria linguagem, porém, esta já não é suficiente para exprimir o que é “novo” para ela. Carece então de novos vocábulos, bem como novas formas de articulação verbal para exprimir tais significados, passando a evidenciar um discurso renovado com surpreendente facilidade. O significado construído pela criança evolui para um nível mais elaborado mediante a apresentação de um enunciado formal que vai ancorar-se no significado previamente construído.

Se, pelo contrário, se fornece uma palavra cujo significado pretendemos transmitir por via de um enunciado, dificilmente a criança vai incorporar o novo vocábulo na sua linguagem, se não dispõe da capacidade de abstracção para o compreender e se não teve a oportunidade de construir o significado por via de uma abordagem concreta.

A título ilustrativo apresentamos um ciclo de aprendizagem ocorrido em duas turmas do 1º ano de escolaridade no âmbito do Projecto ENEXP (Sá e Varela, 2000). Aquando do estudo da germinação do feijão, as crianças começaram por observar diferentes sementes e só depois a sua atenção foi orientada para o feijão. Após abrirem, observarem e desenharem o interior do feijão, as atenções focalizam-se no embrião e os alunos comentam e descrevem o que observam na sua linguagem informal.

- O feijão tem umas coisas que parecem umas asas (André).
- Que te faz lembrar? (Investigador)
- (…) folhas.
O Rui acrescenta:
- É uma planta.
- Pois, não é bem uma planta. Chama-se ‘embrião’. Porque é que o feijão tem um embrião? (Investigador)

Seguem-se algumas interacções verbais e um aluno acaba por exprimir com muita clareza o conhecimento adquirido:

- O embrião cresce e vai dar um feijoeiro.

Noutra turma desenvolve-se um processo muito semelhante:

- As duas partes são diferentes, uma tem uma coisinha. (João Carlos)
- Que te parece essa coisinha? (Investigador)
- Parece uma pele. (Fábio)
- (…)
- Parecem folhas de planta. (Elisabete)

O investigador introduz o termo “embrião”. O momento é propício para os alunos compreenderem que o embrião é a parte da semente que vai dar origem a uma nova planta. Após alguma troca de ideias o João conclui:

- Do embrião vai nascer uma planta nova.

Manipulação e Controlo de Variáveis no Ensino Experimental das Ciências no 1º Ciclo: algumas reflexões fundadas na investigação.

Por diferentes meios, vem ganhando terreno a ideia de que as actividades experimentais de eleição, no ensino das ciências no 1º ciclo do ensino básico, devem ser os “ensaios controlados, ou seja, actividades que envolvem manipulação e controlo de variáveis”. Por exemplo, no guião sobre Dissolução em Líquidos, para professores do Programa de Formação Contínua de Professores do 1º Ciclo em Ensino Experimental das Ciências, promovido pelo Ministério da Educação, são formuladas 7 questões-problema. Em cada questão pretende-se que os alunos investiguem, sob orientação do professor, a influência de diferentes factores no tempo de dissolução de um rebuçado. Sendo o tempo de dissolução a variável dependente, nas diferentes investigações as variáveis independentes são, sucessivamente: o tamanho do rebuçado, o tipo de rebuçado, o estado de divisão do rebuçado, a quantidade de líquido, a forma de agitação da mistura, a temperatura e o tipo de líquido. Lê-se na pág. 19:

Cada questão diz respeito ao estudo da influência de uma variável independente na dissolução de rebuçados (solutos) através do tempo necessário para a sua dissolução completa (…). Por isso é fundamental que as crianças reconheçam que a resposta a cada uma das questões só será válida se a experiência for conduzida controlando as restantes variáveis – ensaio controlado.

1. Análise do ponto de vista do desenvolvimento cognitivo dos alunos

Para a condução da actividade em sala de aula são sugeridas as seguintes questões a formular pelo professor: a) o que vamos mudar? (VI); b) o que vamos medir? (VD); c) o que vamos manter e como? (VC); d) como vamos registar?; e) o que pensamos que vai acontecer e porquê?; f) o que e como vamos fazer?

Significa isto que os alunos do 1º ciclo (não é feita nenhuma indicação específica quanto ao ano de escolaridade em que tais actividades são mais recomendáveis), deverão antecipar mentalmente um conjunto de acções e procedimentos que envolvem a identificação de uma variável dependente, escolher em cada caso qual das variáveis será tratada como independente, e reconhecer que haverá necessidade de controlar 5 variáveis, devendo indicar ou pelo menos compreender o procedimento de controlo. E são 7 os problemas a investigar seguindo este padrão.

Eu investiguei aturadamente este problema de educação científica, em duas turmas do 4º ano de escolaridade, entre 1992 e 1994; é pois meu dever cívico e de consciência, tornar público o meu pensamento sobre esta matéria, com toda a seriedade.

Uma dimensão muito crítica na planificação de uma investigação desta natureza é a reduzida memória de trabalho dos alunos, nesta idade. A memória de trabalho é o conjunto de informações, ideias, imagens que o aluno precisa ter activados na sua mente, de forma simultânea e durante um certo período de tempo, para os manipular e relacionar adequadamente em construções cognitivas de nível elevado, como é por exemplo a (estratégia de) solução para um problema. Em termos mais práticos, a memória de trabalho corresponde à necessidade de o aluno manter uma consciência clara do problema em investigação, ao longo de todos os passos da elaboração do plano, bem como durante a sua execução, tendo sempre a noção do sentido de cada tarefa no contexto global da investigação, por forma a utilizar os dados recolhidos, interpretá-los e com essa interpretação dar a resposta consciente à questão de partida.

Sobre este tipo de exigência intelectual, ainda antes de falarmos dos alunos do 1º ciclo, posso desde já afirmar que a clareza mental de um fio condutor, que não se perde no caminho de atalhos por que passa o processo, mantendo-se viva desde o princípio até ao fim para voltar ao princípio, é algo que a grande maioria dos meus alunos da formação inicial (educadores e professores) não consegue adquirir. E não conseguem porque não estão treinados a pensar e isso coloca-lhes uma exigência de esforço intelectual que não são capazes ou não estão dispostos a fazer. Portanto, a primeira dificuldade neste tipo de abordagem estará nos próprios professores.

Voltando aos alunos, eles poderão dar respostas às questões sugeridas, acertando umas e errando outras, corrigirão com a ajuda de outras questões (por adivinhação ou por compreensão), mas o sentido global do conjunto das suas respostas parciais vai-se perdendo e no final, dificilmente se lembram do problema inicial. É ilusório esperar-se que o aluno tenha um plano de investigação em mente e o execute, porque o sentido pessoal e a compreensão perderam-se pelo caminho, apesar da muita ajuda do adulto. A transição do pensamento directamente ligado à acção e objectos para um estádio de pensamento abstracto em forma de antecipação mental da acção para a sua posterior execução, é complexa e processa-se de forma lenta e gradual.

É preciso dizer com clareza que tal padrão de raciocínio requer estruturas cognitivas do domínio das operações formais, do ponto de vista da teoria de desenvolvimento cognitivo de Piaget, cujo início se prevê pelos 12 anos. As actividades investigação que envolvem manipulação e controle de variáveis equivalem ao raciocínio hipotético-dedutivo, que requer a capacidade de dissociar os factores que fazem parte de um todo, imaginar o efeito possível de um factor sobre outro (hipótese), quando são verificadas certas condições, que devem ser estabelecidas (saber quais as variáveis a controlar e como o fazer). E só se passa à acção depois deste raciocínio baseado em enunciados abstractos, que continuam a fazer parte integrante da acção.

Embora tenhamos resultados de investigação que antecipam os estádios de desenvolvimento conceptual piagetianos em vários domínios (à semelhança de outros autores), consideramos que este tipo de proposta didáctica coloca um patamar de exigência cognitiva de partida que não está ao alcance dos alunos do 1º ciclo. Numa pespectiva vygotskiana, dir-se-á que a tarefa colocada à criança situa-se acima do limite superior da zona de desenvolvimento proximal, o que equivale a dizer que cai claramente fora do alcance cognitivo do aluno. Em vez do envolvimento intelectual e sócio-afectivo desejável gera-se a indiferença e a desmotivação.

Da minha experiência de trabalho directo com as crianças, posso dizer que alunos do 4º ano reconhecem com facilidade que há algo de errado numa investigação sobre o crescimento das plantas, em que uma planta seja colocada ao sol e não regada, e outra seja colocada num armário e regada. Elas sabem que a luz solar e a água são ambas importantes para o desenvolvimento de uma planta e, reflectindo, compreendem que se está a comparar algo que não é comparável: efeito do sol sem água e efeito da ausência do sol com água . A partir de exemplos de não controlo podem chegar à compreensão da necessidade de controlo. Todavia, se pretendermos que sejam capazes de planificar e executar investigações controladas, crianças de 10 anos só o poderão fazer depois de um intenso treino cognitivo.

2. Análise do ponto de vista da natureza da abordagem das ciências experimentais no 1º ciclo

Temos que nos interrogar sobre o sentido que faz para as crianças uma investigação exaustiva da influência das diversas variáveis sobre um determinado fenómeno, sem se chegar a fazer o enfoque do estudo no próprio fenómeno.

A investigação sobre em que medida o tempo de dissolução de um rebuçado é influenciado pelas variáveis (tipo de rebuçado, estado de divisão, quantidade de solvente, temperatura do solvente, agitação da mistura, tipo de solvente), não se preocupa com o fenómeno de dissolução.

Que significado, que modelo mental é o aluno capaz de construir para tornar inteligível na sua mente o facto de o solvente se ter transformado ou ter mesmo deixado de se ver (caso das soluções transparentes)? Com esse modelo mental (logo no 1º ano os alunos constróem modelos de grande valor epistemológico no processo de evolução conceptual) poderá o aluno fazer conjecturas explicativas para a influência de uma determinada variável no processo de dissolução? Que definição é o aluno capaz de dar/comprender para o fenómeno de dissolução? Do meu ponto de vista é por aí que se deve começar.

Importa ainda ter-se na devida consideração o facto de as crianças, depois de eventualmente terem estudado a influência de um factor sobre um fenómeno, sentirem-se entediadas com o sentimento de repetição, ao passarem ao estudo de um outro factor, sobre o mesmo fenómeno, e depois outro e outro....

Na conjugação das objecções apontadas, do meu ponto de vista esta abordagem tende a fazer da ciência para crianças num engenharia mecanicista de exercícios repetitivos em volta das variáveis a manipular e controlar. Por isso não a recomendo.

Essa perspectiva, que se pretende agora introduzir de forma generalizada, por via das recomendações das Comissões de Certificação dos manuais escolares, nomeadas pelo Ministério da Educação (tive oportunidade de ler alguns relatórios de apreciação de manuais escolares), carece de uma melhor ponderação, sob o ponto de vista da sua adequação ao desenvolvimento cognitivo dos alunos, bem como da natureza da abordagem do ensino experimental das ciências no 1º ciclo. Pretende-se que o ensino experimental das ciências no 1º ciclo proporcine actividades de aprendizagem pessoalmente significativas, relevantes, motivadoras e intelectualmente estimulante para as crianças. Essa matéria deveria pois ser objecto de um debate e reflexão imbuídos de cultura científica, livre de quaisquer condicionamentos das lógicas de poder. É urgente encarar-se a Educação com uma cultura científica.

Faço notar que no livro Renovar as Práticas no 1º Ciclo pela Via das Ciências da Natureza (Sá, 1994, 2002), estão apresentadas várias actividades de investigação do tipo “ensaio controlado”, todavia é necessário atender ao que está escrito no prefácio:

(…) o conjunto de actividades do IV capítulo deve ser visto como um programa de desenvolvimento de competências de pensamento. Com efeito essas actividades foram implementadas em duas turmas de alunos do 4º ano, na sequência em que estão apresentadas e, consequentemente, a crescente complexidade das questões e problemas a serem investigados acompanha o amadurecimento inerente ao efeito cumulativo do treino a que os alunos foram submetidos. Quer isto dizer que aí estão contempladas algumas actividades que não são susceptíveis de serem apresentadas a uma turma como acto isolado, em particular as actividades de investigação que envolvem uma planificação prévia, por parte dos alunos, em que têm que manipular uma variável independente, uma variável dependente e variáveis de controlo. Tais actividades de investigação requerem operações mentais ao nível do pensamento formal e, por isso, não estariam ao alcance das crianças desta idade (Sá, 2002:11)

Acresce dizer-se que este tipo de treino dos alunos só está ao alcance de alguém especializado, sendo certo que a cultura profissional dos professores não lhes permite a recepção de tais propostas didácticas, sob a forma de orientações normativas que seriam obrigados a seguir. Só de uma forma bastante mitigada e em situações familiares, deverão as propostas de ensaio controlado ser recomendadas nos manuais escolares.

3. Análise do ponto de vista da autonomia do aluno na investigação experimental

Na crítica aos manuais escolares é frequente as Comissões de Certificação dizerem nos seus pareceres: “…não promovem a planificação da actividade pelo próprio alunos..” Concordo com a crítica. Porém, a “planificação das actividades pelos próprios alunos” comporta o risco de uma interpretação simplista, que perde de vista todo o complexo trabalho de orientação, questionamento e estímulo sustentados, da parte do professor, na promoção dessa autonomia. É preciso conhecer a cultura profissional dos professores, as suas práticas e a natureza da formação que se faz, para se ponderar devidamente a natureza da recepção de que uma dada orientação vai ser alvo. A construção de um certo grau de autonomia na aprendizagem é um desafio de grande complexidade para os professores. Não é difícil conseguir esse resultado nos alunos, mas é muito difícil a aquisição das competências para esse efeito, nos professores. Mas a escolástica nebulosa desfoca o olhar do essencial, fecha caminhos e torna "impossível" o que é transformador.

Para uma melhor compreensão e aprofundamento destas questões recomendo a consulta da Tese de Doutoramento (Sá, 1996) disponível on line em http://hdl.handle.net/1822/8165 - seleccionar capítulo 4 e procurar as secções seguintes:

3.4.2. Conclusões acerca do desenvolvimento de competências de investigação na turma 92/93
3.4.3. Perspectiva evolutiva do desenvolvimento de competências de investigação na turma 93/94
3.4.4. Conclusões acerca do desenvolvimento de competências de investigação na turma 93/94
3.4.5. A turma 93/94 versus turma 92/93 quanto ao desenvolvimento de competências de investigação
3.5. Papel do investigador e/ou professora

Trata-se de um trabalho de investigação conduzido em duas turmas do 4º ano, com 64 horas de ensino das ciências em cada uma. Neste trabalho designamos por “investigação” a actividade do tipo “ensaios controlados, ou seja, manipulação e controlo de variáveis”.

Joaquim Sá (jgsa@iec.uminho.pt)

Director do Mestrado em Ensino Experimental das Ciências no Ensino Básico - Universidade do Minho

Flutuação: Peso e Impulsão ou densidade do corpo e densidade do líquido?

Até aqui ainda não falámos da flutuação em termos da densidade do corpo e da densidade do fluido (líquido ou gás). Pela minha experiência, depois de actividades de ensino experimental adequadas, crianças do 4º ano são capazes de prever que dados dois corpos com o mesmo peso (e massa), com volumes diferentes, se um dos corpos flutua esse será o maior deles. Todavia o conceito de densidade é complexo para as crianças do 1º ciclo, não sendo recomendável, do meu ponto de vista, enveredar por explicações que passem po aí. Mas é importante que os professores conheçam bem o princípio de Arquimedes que envolve a densidade e poderão então explorar até onde podem as crianças ir. É frequente em situações práticas o afloramento na mente das crianças de um noção qualitativa e intuitiva de densidade, como já relatei num dos meus livros.

A densidade é uma medida da concentração da matéria num corpo ou material, sendo dada pela divisão entre a massa e o volume (m/v). A densidade da água, por exemplo, é de 1g/cm3. Quando comprimimos uma certa quantidade de ar dentro de uma seringa, estamos a diminiuir-lhe o volume, mantendo-se igual a massa. Isso significa que a densidade do ar é maior quando empurramos o êmbolo para baixo do que quando puxamos o êmbolo para cima.

É frequente a ocorrência de explicações sobre a flutuação, ora com recurso ao peso e impulsão, ora com recurso à densidade do corpo e à densidade do líquido, como se de duas explicações diferentes se tratasse. É importante sublinhar que se trata da mesma explicação, ou, melhor dizendo, a relação de grandeza entre as densidades é uma consequência matemática da relação de grandeza entre o peso e a impulsão.

Com efeito, se considerarmos o corpo inteiramente mergulhado no fluido (volume do corpo imerso igual ao volume do próprio corpo: Vci=Vc), a relação de grandeza entre o peso do corpo e a impulsão é equivalente à relação de grandeza entre a densidade do corpo e a densidade do fluido.

Vejamos.

De acordo com o princípio de Arquimedes, o valor da impulsão (I) é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. Tratando-se de um líquido, calcula-se o peso do volume de líquido deslocado pelo corpo. Teremos então:

I = dl .Vc . g

E quanto ao peso (P) teremos

P = dc .Vc . g

dl - densidade do líquido
dc – densidade do corpo
Vc – volume do corpo
g – aceleração da gravidade

Conjugando I e P assim definidas matematicamente,

P > I → dc .Vc . g > dl .Vc. g → dc > dl → corpo afunda-se
e
P <>

Se teve dificuldade em compreender estas deduções matemáticas, atente fundamentalmente no seguinte: quando o peso do corpo é superior à impulsão verifica-se também que a densidade do corpo é superior à densidade do fluido: o corpo afunda-se; quando o peso do corpo é inferior à impulsão verifica-se também que a densidade do corpo é inferior à densidade do fluido: o corpo sobe até à superfície e fica a flutuar. Quando ocorre a flutuação o peso e a impulsão tornam-se iguais (a impulsão, que era superior ao peso, diminui quanto o corpo fica parcialmente fora da água).

Rolhas, esferovite, bolas para evidenciar a força de Impulsão

Jorge Gouveia, seguidor deste blog, é Professor de Física e Química na ilha da Madeira. Desde 2005 dedica parte do seu tempo livre a promover actividades experimentais de ciências com crianças do Pré-Escolar e do 1º Ciclo. Escreveu no post anterior o comentário que aqui reproduzo e comento de seguida.

Em parceria com os professores do 1º ciclo tenho explorado com alunos do 1º ano a flutuabilidade dos objectos utilizando diversos materiais. Tenho seguido algumas das suas sugestões de exploração, tais como as que refere para explorar o conceito de impulsão. As rolhas são muito boas para fazer isso, mas como as crianças têm revelado conhecer a esferovite, consegue-se pedaços deste material ainda maior, o que se revela mais eficiente, porque muitas vezes ao pressionar a rolha, esta tem tendência a se desviar ou rodar e a criança tem dificuldade em sentir a força de impulsão. As crianças gostam deste tipo de experiências, deste modo cria-se um ambiente para questioná-las sobre o que estão a sentir assim como confrontar com outros objectos. Acho que não tenho conseguido explorar o facto de outros objectos sofrerem uma impulsão. É preciso estar concentrado na linguagem das crianças, e no 1º ano é um desafio. Continuarei a tentar.

Visto que de um modo geral os professores do primeiro ciclo utilizam a palavra peso em vez de densidade, mesmo sabendo que são conceitos distintos, gosto muito de utilizar a folha de alumínio para abordar o conceito de densidade. Encorajo as crianças a amachucar o papel com o pé, até que este fique espremido e afunda na água. Nesta actividade a questão do peso surge sempre, tanto por parte dos professores como dos alunos, mas é aí que conseguimos evidenciar a contradição. Numa sessão do 1º ano uma das crianças ao ser questionada sobre as razões da flutuabilidade de um determinado objecto, referiu que esse objecto afundava porque “era mais denso”. Quis saber onde é que tinha aprendido essa palavra, e constatei que tinha sido no canal televisivo O PANDA. Penso eu, que foi num programa em que o PANDA visitou o museu da marinha e o oficial explicou como é que funciona um submarino utilizando um tubo de ensaio e uma rolha. A partir daí comecei a olhar com outros olhos para o canal PANDA.

O meu comentário

Meu caro Jorge Gouveia, muito obrigado pelo seu comentário. Tomo a liberdade de aqui o trazer para ilustrar a natureza do debate que é necessário fazer sobre a Educação nas nossas escolas, a a saber: trazer para o primeiro plano a discussão e reflexão sobre a qualidade das aprendizagens dos alunos, sobre o como se processam e sobre o papel que nelas devem assumir os professores. Isso implica deslocar o enfoque da retórica generalista e macrossistémica para o ser e o saber-fazer na sala de aula, na acção de ensinar. O grande desafio da formação é o de ser capaz de promover no futuro professor a construção do ser e do saber fazer de uma relação pedagógica fecunda para levar o aluno a aprender algo (matemática, ciências, língua materna, ...etc.).

Sobre o conteúdo do seu comentário tenho a dizer o seguinte. Concordo com as suas objecções acerca da funcionalidade das rolhas para evidenciar a impulsão; na verdade eu não explicitei que o modo como as costumo usar consiste em espetar-lhe uma agulha no centro de uma das bases e depois, com a ajuda de uma palhinha de refresco comprida, pode-se empurrá-la para o fundo, mantendo-se a agulha introduzida na palhinha. Se se utilizar um recipiente alto transparente, pode-se observar o movimento ascendente no seio do líquido, ao abandonar a rolha no fundo.

Concordo igualmente com a sua ideia de utilizar pedaços grandes de esferovite para fazer as crianças "sentirem o força de impulsão", como diz - gostei muito desta sua expressão pela forma como transpõe o conceito para o plano da experiência directa da criança. Sugiro igualmente a utilização de bolas grandes que fazem as crianças tomar consciência de como é difícil levá-las ao fundo de um balde com água. As crianças fazem força para baixo e a água não "deixa", faz força para cima.

Acho muito pertinente a sua observação sobre a necessidade de se "estar concentrado na linguagem das crianças". É fundamental captar a linguagem das crianças, descortinar-lhes os significados subjacentes para, questionando-as, as engajar num processo reflexivo gerador de significados mais enriquecidos, expressos em novas linguagens, que são afinal as aprendizagens. É na linguagem das crianças que se pode ancorar uma interacção pedagógico-didáctica inteligente.

No seu comentário faz referência à confusão entre peso e densidade nos professores. Esse é um outro problema da formação: o défice de conhecimentos dos professores nas áreas curriculares de docência.

Finalmente, em relação ao caso da criança que refere a densidade para explicar o afundamento de um corpo, que terá aprendido no canal PANDA, eu seria cauteloso em relação à ideia de que a criança esteja a usar o conceito de densidade. É mais provável uma mera correspondência linguística sem que haja o conceito. A criança pode memorizar uma correspondencia do tipo "mais denso" vai com "afundar" e "menos denso" vai com "flutuar", o que não deixa de ser uma aquisição relevante. As crianças gostam de usar palavras novas, sentem-se "importantes" na medida em que isso as distinga das demais. Temos que que ir mais fundo na pesquisa dos significados para sabermos quando é que há conceito ou apenas correspondência de termos.

Sugestões para os professores sobre flutuação-afundamento

Nos 1º/2º anos de escolaridade é importante que os alunos comecem por observar e descrever os fenómenos de flutuação e afundamento, que façam previsões sobre o comportamento de determinados objectos, que registem as suas observações e que confrontem as suas observações com as previsões. É igualmente importante aceder às suas teorias e, na medida do possível, dar aos alunos as primeiras oportunidades de testarem as suas ideias.

Prosseguindo, sugerimos uma abordagem experimental e de questionamento orientada para a compreensão de que a água exerce uma acção sobre os objectos. Alunos do 1º/2º ano de escolaridade, ao observarem e serem questionados sobre a ascensão de uma rolha de cortiça no seio da água, são capazes de explicar o fenómeno nestes termos: “a água empurra a rolha para cima”. Daí poder-se-á evoluir para a formulação de que a “água faz força na rolha para cima”. A partir do momento em que os alunos compreendem que a água exerce uma força sobre os objectos, podemos introduzir o termo impulsão para designar essa força.

As crianças começam por admitir uma força sobre os objectos que sobem e ficam a flutuar, mas têm mais dificuldade em reconhecer que essa força se exerce igualmente sobre os objectos que afundam; falta o efeito observável da força – subir e ficar a flutuar. Deverá então explorar-se a possibilidade de as crianças generalizarem a ideia de que a água exerce uma força sobre todo e qualquer objecto nela introduzido, independentemente de flutuar ou não. Esta generalização é uma aprendizagem de valor cognitivo claramente superior à de que a água exerce uma força sobre os objectos que flutuam. O questionamento reflexivo é uma competência fundamental do professor no sentido de estimular o pensamento dos alunos.

– Vejamos o prego. Será que a água também empurra o prego para cima?

– Na mesma água há um prego e uma rolha. Por que razão a água “escolheu” empurrar a rolha e se “esqueceu” do prego?

Será de explorar até que ponto faz sentido para as crianças que “a água também empurra o prego, mas não tem força que chegue para o fazer subir”.

Também ao nível dos 3º e 4º anos é desejável que se faça esta abordagem, no caso de os alunos estarem pela primeira vez a estudar estes fenómenos. Depois, recomenda-se uma orientação para o desenvolvimento da compreensão de que o comportamento do objecto na água é o resultado do balanço entre duas forças. Numa experiência imaginária, em que subitamente a água fosse retirada do recipiente, é claro para os alunos que o objecto a flutuar cairia no fundo do recipiente. Porquê? Os alunos compreenderão que é o peso dos corpos que os faz cair (“o peso puxa para baixo”). E poderão então compreender que os objectos introduzidos na água ficam sujeitos a duas forças se sentidos contrários: o peso a impulsão. Uma figura, em que as duas forças são representadas através de segmentos de recta orientados (vectores), tornará mais claro o modelo do objecto sujeito à acção de duas forças.

Recorrendo a situações experimentais de afundamento e de ascensão, no seio da água, seguida de flutuação, poderemos então fazer os alunos reflectir sobre a relação de grandeza entre o peso e a impulsão, em cada uma das situações. Podem ocorrer as seguintes possibilidades:

a) Peso menor do que a Impulsão [ P< I]

O corpo sobe no seio do líquido, até á superfície, ocorrendo a situação b)

b) Peso igual à Impulsão [ P = I ]

O corpo flutua.

Ao chegar à superfície, parte do volume do corpo fica fora do líquido, o que origina a diminuição do valor da impulsão que iguala então o valor do peso. Os alunos deverão reflectir sobre o facto de um corpo estar todo mergulhado enquanto sobe e ficar parcialmente de fora do líquido, quando flutua.

c) Peso superior à Impulsão [ P > I ]

O corpo afunda-se.

Finalmente poderão ser objecto de investigação situações em que os objectos se afundam ou flutuam, consoante modificações neles introduzidas (folha de papel de alumínio comprimida afunda; plasticina em forma de barco flutua). Estas investigações poderão levar à construção de relações entre as modificações efectuadas e o aumento/diminuição da “força da água”, a impulsão.

Nota final

Tendo em vista a compreensão científica dos fenómenos aqui tratados, condição necessária para uma adequada reflexão e compreensão das questões didácticas suscitadas, recomenda-se o estudo dos seguintes tópicos científicos:
- fluido;
- massa, volume e densidade;
- força, peso e impulsão;
- a relação do valor da impulsão com a parte do corpo submersa no fluido;
- condições de flutuação, considerando:
i) a relação de grandeza entre o peso do corpo e o valor da impulsão;
ii) a relação de grandeza entre a densidade média do corpo e a densidade do fluido.

Indo um pouco mais além, poderá ainda estudar-se como é que os fluidos geram forças verticais, dirigidas para cima, sobre os corpos. A impulsão é a resultante das forças de pressão exercidas pelo fluido sobre os corpos nele imersos.