entre as ideias intuitivas e os conceitos científicos: o que

ENTRE AS IDEIAS INTUITIVAS E OS CONCEITOS CIENTÍFICOS:
O QUE OS ALUNOS LICENCIANDOS EM QUÍMICA PENSAM SOBRE
OS CONCEITOS RELATIVOS À TERMODINÂMICA?
Kíssila Gomes Barreto – [email protected]
Rodrigo Garrett da Costa – [email protected]
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense Campus Campos-Centro
Rua Dr. Siqueira, 273 - Parque Dom Bosco - Campos dos Goytacazes – RJ
Liliana Maria Passerino – [email protected]
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – PGIE
Av. Paulo Gama, 110 - prédio 12105 - 3º andar sala 332 - Porto Alegre – RS
Resumo: Este trabalho apresenta os resultados iniciais de uma pesquisa que tem como
objetivo investigar as dificuldades de estudantes licenciandos em química do Instituto
Federal Fluminense, no Rio de Janeiro, quanto a diversos conceitos da termodinâmica. O
estudo foi organizado sob a forma de uma pesquisa qualitativa e quantitativa do tipo estudo
de caso e ocorreu durante o segundo semestre de 2010. A partir da análise conjunta dos
elementos obtidos, constatou-se a existência de determinadas ideias equivocadas entre os
alunos, as quais precisam ser superadas por meio de estratégias de ensino efetivas, pautadas
na construção/reconstrução dos respectivos conceitos em sala de aula.
Palavras-chave: Calor, Conceitos, Ensino, Termodinâmica, Trabalho.
1
INTRODUÇÃO
A persistência de ideias intuitivas nos estudantes durante a escolarização formal vem, há
muito, sendo objeto de investigação da comunidade científica. Contrariamente aos
conhecimentos científicos, que são estruturados e organizados, exigindo certo grau de
amadurecimento conceitual por parte do aprendiz, as ideias intuitivas ou concepções
espontâneas compreendem os conhecimentos adquiridos pelos alunos de forma não
sistematizada ao longo de sua vida (BARKER, 2004). Apesar de serem pouco organizadas e
estarem voltadas quase que exclusivamente aos aspectos empíricos e observáveis dos objetos
e fenômenos, as ideias intuitivas ou concepções espontâneas são bastante estáveis e
resistentes à mudanças, mesmo após longos anos de escolarização. Nesse sentido, Lópes
(2009) enfatiza a necessidade de se considerar as concepções espontâneas dos estudantes,
tanto na organização do ensino, quanto na orientação das ações pedagógicas do professor.
Segundo o autor, muitas das dificuldades enfrentadas pelos alunos têm a ver com a maneira
pela qual os mesmos organizam os seus próprios conhecimentos, partindo das suas ideias
intuitivas.
Embora existam casos nos quais as concepções espontâneas sejam facilitadoras do
processo de aprendizagem, ao permitir que os alunos convertam seus conhecimentos
cotidianos em uma linguagem científica e generalizante, também podem ocorrer situações
contrárias, nas quais tais ideias tornem-se um fator limitante ao aprendizado (LÓPES, 2009).
Essas situações caracterizam-se pela completa incompatibilidade entre as ideias ou conceitos
que encontram-se arraigados numa determinada cultura e o pensamento aceito
cientificamente, nesse caso o conceito científico1.
Para enfrentar esse problema, é necessário que sejam criadas formas de intervenção em
sala de aula, ou estratégias didáticas, por meio das quais os estudantes possam expor suas
ideias intuitivas. A partir daí, é possível que se dê início o processo de desconstrução das
mesmas, visando a reconstrução dos saberes científicos.
Gasparin (2007) afirma que esse processo depende, em grande parte, do papel do
educador, pois sua função mediadora permite-lhe organizar o espaço de aprendizagem a partir
da proposição de situações, desafios e obstáculos que atendam ao potencial de cada aluno.
Sendo assim, esse espaço pode tornar-se, ao mesmo tempo, um espaço de negociação e de
interação, ao permitir que a aproximação entre os conhecimentos de senso comum e os
cientificamente estabelecidos conduzam o aluno a um novo patamar de compreensão sobre os
assuntos tratados em sala de aula.
Nesse sentido, o objetivo principal do presente estudo é identificar as concepções
espontâneas de alunos licenciandos em química do Instituto Federal Fluminense (IFF-RJ), no
estudo dos conceitos termodinâmicos de calor, trabalho, energia interna e entropia. A
importância no conhecimento dessas ideias reside na possibilidade de aperfeiçoamento das
estratégias didáticas voltadas à (des)construção/(re)construção desses conceitos em sala de
aula. Contudo, antes de discutirmos os aspectos metodológicos e os resultados da nossa
investigação, apresentaremos alguns relatos de pesquisas voltados à identificação das ideias
inicias de estudantes sobre diversos conceitos da termodinâmica.
1.1
Relatos das principais dificuldades apresentadas por alunos quanto ao estudo das
leis e conceitos da termodinâmica
Na década de 70, principalmente a partir dos trabalhos de Johnstone et al. (1977), Albert
(1978) e Erickson (1979), observa-se a ampliação das pesquisas na área de educação em
ciências que têm como foco de interesse as dificuldades e as ideias intuitivas dos estudantes.
Durante as décadas de 80 e 90, as pesquisas nessa área, sobretudo aquelas relacionadas ao
estudo das leis e conceitos da termodinâmica (APPLETON, 1985; DUIT & KESIDOU, 1988;
GALE, 1993; SOLOMON, 1982) voltaram-se quase que completamente para a compreensão
das concepções espontâneas apresentadas por crianças em idade escolar. Mas quanto às
pesquisas destinadas à análise das ideias existentes entre estudantes universitários, essas
costumavam ser encontradas com maior dificuldade.
Mais recentemente, Loverude, Kautz, e Heron (2002) realizaram uma ampla investigação a
respeito das concepções prévias de alunos universitários dos Estados Unidos (EUA), relativas
ao estudo da primeira lei da termodinâmica. Suas pesquisas, desenvolvidas com estudantes de
três grandes universidades americanas, apontaram para a existência de sérias dificuldades,
1
Trata-se de uma forma superior de pensamento, composta por signos historicamente estabelecidos e
socialmente construídos, que requer formas avançadas de categorização e generalização (VIGOTSKI, 2001).
principalmente na interpretação das leis e fenômenos associados a problemas simples
envolvendo situações do contexto real.
Em outra pesquisa semelhante, realizada na Iowa State University, Meltzer (2004)
avaliou os conhecimentos prévios de aproximadamente 650 alunos iniciantes do curso de
graduação em Física. Para tanto, foram utilizadas entrevistas individuais e exames escritos, os
quais permitiram-no detectar uma série de ideias distorcidas, principalmente envolvendo os
conceitos de calor e temperatura. Houve quem afirmasse que calor e trabalho representam a
mesma coisa, e também quem atribuísse ao conceito de calor, a falsa ideia de que equivale a
uma quantidade de energia que os corpos possuem. Além disso, alguns alunos manifestaramse a favor da ideia de que objetos feitos de materiais com boa condutividade térmica poderiam
ser mais quentes ou mais frios do que outros objetos, apesar de estarem ambos (há algum
tempo) numa sala à temperatura constante.
Em uma pesquisa complementar realizada pelo mesmo autor, na qual foram analisadas as
respostas fornecidas por alunos de um curso de introdutório de termodinâmica, pôde-se
verificar mais alguns aspectos importantes relacionados às suas concepções equivocadas
sobre esse assunto: (i) apesar de muitos estudantes apresentarem uma compreensão razoável
do que seja função de estado, um número considerável deles costuma atribuir características
de função de estado para os conceitos de trabalho e calor; (ii) acredita-se que é possível
aumentar a energia cinética média das moléculas de um gás em uma transformação
isotérmica; (ii) costuma-se pensar que, em uma transformação isotérmica, não pode ocorrer
troca de calor; (iii) associa-se normalmente uma maior absorção de calor às transformações
que ocorrem em altas pressões; (iv) utiliza-se o argumento de compensação do tipo “mais
trabalho implica menos calor”, ou vice-versa, com base na primeira lei da termodinâmica (∆U
= q + w); (v) emprega-se o sinal (positivo ou negativo) para trabalho e calor de forma
indevida, ou seja, em desacordo com a convenção adotada2; (vi) esbarra-se na dificuldade em
se esboçar diagramas, como o de pressão versus volume, para explicar as diversas
transformações ou fenômenos.
Caldeira e Martins (1990) também investigaram os conhecimentos que seus alunos
apresentavam sobre os conceitos de calor e temperatura. Para tanto, realizaram uma entrevista
com cerca de 200 estudantes dos cursos de Licenciatura em Física, Engenharia Química e
Engenharia Mecânica de uma universidade portuguesa. Sobre o primeiro conceito, foram
constatadas algumas ideias intuitivas como “calor...é uma forma de energia”; ou “algo que
flui, aumenta ou diminui”; ou ainda, “deve-se ao movimento molecular”. Já a respeito do
conceito de temperatura, foram verificadas ideias do tipo “... é a medida de calor de um
corpo”; “deve-se à percepção sensorial”; “é uma propriedade mensurável com um
termômetro”; “é uma função de estado”, ou ainda “corresponde à energia cinética média das
moléculas” (afirmação que só é verdadeira para sistemas envolvendo sistemas gasosos
idealizados).
As dificuldades enfrentadas por estudantes no entendimento das leis e conceitos da
termodinâmica, entretanto, não se restringem aos conceitos de calor e temperatura. Segundo
Meltzer (2008), costuma-se fazer uma grande confusão a respeito do papel da entropia no
contexto da segunda lei da termodinâmica, seja quanto à sua característica de função de
estado, ou mesmo em termos de interpretação das diversas transformações que ocorrem no
sistema e nas vizinhanças.
O autor esclarece que, apesar de grande parte dos alunos entenderem que a entropia total
precisa aumentar em uma transformação espontânea, ainda existe uma forte tendência a
afirmar que a entropia do sistema sempre deva aumentar, mesmo nos casos onde essa
2
No curso de Química costuma-se atribuir sinal negativo para trabalho de expansão (realizado pelo sistema),
enquanto o curso de Física utiliza sinal contrário, sem que haja prejuízo para o entendimento da lei
termodinâmica.
afirmação carece de informações para ser verdadeira. Esses resultados vão de encontro aos
trabalhos de Cochran & Heron (2006), que ao analisarem os conhecimentos dos seus alunos
relativos à segunda lei da termodinâmica aplicada ao estudo dos refrigeradores e motores à
combustão, constataram a existência de diversas ideias equivocadas.
As ideias que estudantes universitários brasileiros apresentavam a respeito dos conceitos
relativos à termodinâmica foi um dos temas de estudo de Silveira, Moreira e Axt (1990).
Numa primeira investigação, os autores propuseram o desenvolvimento de um teste, na
intenção de descobrir se os estudantes dominavam os conceitos de calor, temperatura e
energia interna. A validação desse teste ocorreu pouco mais tarde (SILVEIRA & MOREIRA,
1996), com sua aplicação e posterior análise das respostas apresentadas por 168 alunos de
Física Geral da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
O instrumento original foi composto de 25 questões, cada uma contendo 3 alternativas, as
quais poderiam estar corretas ou não, dando origem a uma combinação de sete respostas
possíveis: somente uma delas (I ou II ou III) poderia estar correta, duas alternativas poderiam
estar corretas (I e II; I e III; ou então II e III) ou as três poderiam estar corretas (I e II e III).
Atribui-se uma pontuação de 1 para a opção correta e a pontuação de zero para a incorreta.
Nos casos onde houve duas ou mais alternativas corretas, a pontuação foi realizada da
seguinte maneira: 1 ponto quando as alternativas II e III estiveram corretas; 0,5 para a
marcação das alternativas II ou III; e zero para qualquer outra alternativa.
A análise das respostas ao teste, realizada segundo o “método dos grupos múltiplos de
Thurstone” (WHERRY, 1984), indicou a existência de uma correlação moderada entre os três
grupos de conceito (calor, temperatura e energia interna). Dessa forma, acredita-se haver um
certo grau de interdependência entre os respectivos conceitos, no que diz respeito ao
funcionamento da estrutura cognitiva do aluno.
Diferentemente da pesquisa anterior, na qual os autores buscaram descobrir, por meio de
uma análise quantitativa, se os estudantes dominavam determinados conceitos (e qual a
relação entre eles), a nossa pesquisa apoia-se sobretudo numa abordagem qualitativa.
Acreditando na indissociabilidade dos fatores cognitivos e sócio culturais/afetivos, propomos
a inclusão de um instrumento intitulado de questionário sócio acadêmico, o qual tem por
objetivo revelar o perfil da turma, quando a alguns aspectos relacionados ao estudo dos
conceitos da termodinâmica e da disciplina “Físico-Química 1”.
2
METODOLOGIA
Para o estudo proposto, foi organizada uma pesquisa qualitativa e quantitativa estruturada
como estudo de caso, que envolveu um grupo de alunos regularmente matriculados no curso
de Licenciatura em Química do IFF-RJ durante o segundo semestre de 2010. As concepções
espontâneas dos estudantes sobre os conceitos de calor, trabalho, energia interna e entropia
foram obtidas logo no início das aulas, por meio da aplicação do teste de conhecimentos
(Quadro 1).
Esse instrumento consistiu de uma adaptação do trabalho inicialmente proposto por
Silveira e Moreira (1996), que teve como objetivo examinar as concepções espontâneas dos
estudantes quanto aos conceitos de calor, temperatura e energia interna. Do instrumento
original, composto de vinte e cinco questões, cinco foram eliminadas: duas pelos próprios
pesquisadores (questões 7 e 17), após a análise da sua consistência interna, e três por
iniciativa nossa (questões 22, 23 e 25), em função do tempo necessário para a realização do
teste. Complementarmente ao exame objetivo, solicitou-se que os alunos explicitassem sob a
forma escrita e com suas próprias palavras, suas concepções acerca dos conceitos de calor,
trabalho de expansão e entropia. Nossa intenção foi, além de ampliar a gama de conceitos,
criar mecanismos que permitisse-nos captar impressões que possivelmente pudessem passar
por despercebidas pela análise das respostas ao teste.
Quadro 1 – Teste de Conhecimentos (adaptado de Silveira & Moreira, 1996).
Prezado aluno,
Estas questões se relacionam com os conteúdos que você já deve ter estudado durante o seu curso
de graduação, na disciplina Energia e Matéria em Transformação, no quinto período. Por favor,
responda-as da melhor maneira possível, ainda que não se sinta seguro quanto à sua resposta. Elas não
terão absolutamente nenhum efeito sobre o conceito da disciplina Físico-química 1.
Abaixo você encontrará um teste com 20 perguntas de múltipla escolha, cada uma contendo três
alternativas de resposta identificadas pelas letras a, b e c. Pode haver uma, duas ou três respostas corretas
para cada questão. Marque na folha o item que você acredita ter a melhor combinação de respostas:
I. Se somente a letra “a” está correta.
V. Se as letras “a” e “c” estão corretas.
II. Se somente a letra “b” está correta.
VI. Se as letras “b” e “c” estão corretas.
III. Se somente a letra “c” está correta.
VII. Se todas as letras estão corretas.
IV. Se as letras “a” e “b” estão corretas.
1) Podemos associar a existência de calor:
a) a qualquer corpo, pois todo corpo possui calor;
b) somente aos corpos que estão "quentes";
c) às situações em que ocorre, necessariamente, a
transferência de energia.
3) Para que se possa admitir a existência de
calor deve haver:
a) uma diferença de temperatura;
b) uma diferença de massa;
c) uma diferença de energia.
5) Dentro de uma sala que não tenha sido
aquecida ou refrigerada durante vários dias:
a) a temperatura dos objetos de metal é inferior à
temperatura dos objetos em madeira;
b) a temperatura dos objetos de metal, tapetes, e
de outros objetos é a mesma;
c) nenhum objeto apresenta temperatura.
7) Dois cubos metálicos A e B são colocados
em contato. O cubo A está mais "quente" que o
cubo B. Por sua vez, ambos estão mais
"quentes" que o ambiente. Depois de passado
algum tempo, a temperatura final de A e B
será:
a) igual à temperatura ambiente;
b) igual à temperatura inicial de B;
c) a média entre as temperaturas iniciais de A e
B.
9) Considere duas esferas idênticas, uma em
um forno quente e a outra em um congelador.
Basicamente, que diferença há entre elas
imediatamente após a retirada do forno e da
geladeira, respectivamente?
a) a quantidade de calor contida em cada um
delas;
b) a temperatura de cada um delas;
c) uma delas contém calor e a outra não.
2) Para que se possa falar em calor:
a) é suficiente a existência de um único sistema
(corpo);
b) são necessários, pelo menos, dois sistemas;
c) é suficiente a existência de um único sistema,
porém ele deve estar "quente".
4) O calor é:
a) a energia cinética das moléculas;
b) a energia transmitida através de uma diferença
de temperatura;
c) a energia contida em um corpo.
6) A água (a 0ºC) obtida pela fusão de um cubo
de gelo (a 0ºC), contém, em comparação ao
gelo:
a) mais energia;
b) menos energia;
c) a mesma quantidade de energia.
8) Duas pequenas placas A e B do mesmo
metal e mesma espessura são colocados dentro
de um forno, que logo em seguida é fechado e
acionado. A massa de A é o dobro da massa de
B (mA = 2mB). Inicialmente as placas e o forno
estão todos na mesma temperatura, mas algum
tempo depois a temperatura de A será:
a) o dobro da de B;
b) metade da de B;
c) igual à de B.
10) Em dois vasos idênticos contendo a mesma
quantidade de água (250 cm3), na temperatura
ambiente, são colocados num cubo de gelo em
0ºC e três cubos de gelo a 0ºC, respectivamente
(cada cubo com cerca de 1 cm3). Em qual vaso a
água fica mais fria?
a) no vaso em que são colocados três cubos de
gelo;
b) no vaso em que é colocado um cubo de gelo;
c) os dois vasos esfriam igualmente.
11) Duas esferas do mesmo material, mas
cujas massas são diferentes, são deixadas
durante um longo período de tempo em um
forno.
Quando
removidas
do forno, são imediatamente colocadas em
contato. Nesta situação:
a) o calor flui da esfera de maior massa para a de
menor massa;
b) o calor flui da esfera de menor massa para a
de maior massa;
c) nenhuma das esferas cede calor para a outra.
13) O que muda quando uma quantidade de
água entra em ebulição e passa para a fase de
vapor?
a) sua energia interna;
b) o calor contido nela;
c) a sua temperatura.
15) A energia interna de um corpo pode estar
associada:
a) ao calor;
b) a energia cinética dos átomos ou moléculas;
c) a energia potencial dos átomos ou moléculas.
12) As mesmas esferas da pergunta anterior
são agora deixadas por um longo tempo dentro
de um congelador. Nesta situação, quando
removidas e imediatamente postas em contato:
a) nenhuma das esferas possui calor devido à sua
baixa temperatura;
b) o calor flui da esfera de maior massa para a de
menor massa;
c) nenhuma das esferas cede calor para a outra.
14) Quando as extremidades de uma barra de
metal estão em temperaturas diferentes:
a) a extremidade de maior temperatura possui
mais calor que a outra;
b) o calor flui de uma extremidade que contém
mais calor para a que contém menos calor;
c) há transferência de energia pelo movimento
desordenado dos átomos ou moléculas.
16) Observando a figura a seguir sem dispor de
nenhuma outra informação adicional, pode-se
dizer que o cubo A possui, respectivamente ao
ambiente
que o rodeia:
calor
A
17) Quando se encontra na pressão
atmosférica, o nitrogênio líquido entra em
ebulição a -196 °C. Um grama de nitrogênio
líquido nessa temperatura, comparado com um
grama de vapor de nitrogênio também a -196
ºC possui:
a) mais energia;
b) menos energia;
c) a mesma quantidade de energia.
19) O que acontece quando colocamos um
termômetro, em um dia no qual a temperatura
está em 21ºC, em água a uma temperatura mais
elevada?
a) a temperatura e a energia interna do
termômetro aumentam;
b) a temperatura do termômetro aumenta, porém
sua energia interna permanece constante;
c) nem a temperatura nem a energia interna do
termômetro se modificam, somente a coluna do
líquido termométrico se dilata.
a) temperatura mais elevada;
b) mais energia;
c) mais calor.
18) O ponto de congelamento de mercúrio na
pressão atmosférica é de -39ºC. O que acontece
imediatamente depois que certa quantidade de
mercúrio líquido (a -39 ºC) é colocada em
contato com nitrogênio líquido, no seu ponto de
ebulição, a -196 ºC?
a) a temperatura do nitrogênio aumenta e a do
mercúrio diminui;
b) a temperatura do mercúrio diminui, mas o
nitrogênio não se altera;
c) o mercúrio começa a se solidificar e o
nitrogênio entra em ebulição, sem mudança de
temperatura.
20) Quando um bom condutor é colocado em
contato com outro corpo cuja temperatura é
mais alta, o condutor transfere energia:
a) sem alterar sua temperatura;
b) alterando a sua temperatura;
c) modificando sua energia interna.
Como apontado na seção anterior, uma das lacunas percebidas em muitas pesquisas
existentes é a dissociação entre fatores cognitivos e sócio-culturais. Por esse motivo, optamos
na nossa pesquisa por uma abordagem dialética que levassem em conta outros fatores que não
apenas os de caráter puramente cognitivos. Nesse sentido, propôs-se o preenchimento de um
questionário sócio acadêmico, envolvendo questões como: formação acadêmica e
profissional, experiências anteriores, familiarização com determinados assuntos e conceitos da
Físico-Química, principais dificuldades atribuídas ao estudo dessa disciplina, dentre outras.
O instrumento de coleta de dados foi aplicado em dois momentos distintos e sequenciais:
no primeiro dia, solicitou-se que os alunos preenchessem o questionário sócio acadêmico; no
segundo, aplicou-se o teste de conhecimentos. Desta forma, procurou-se evitar que as ideias
observadas no teste objetivo influenciassem as respostas posteriores.
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Por meio da aplicação do teste de conhecimentos, que teve por objetivo verificar se os
estudantes dominavam os conceitos de calor, temperatura e energia interna, pode-se fazer a
seguinte afirmação: a julgar pelo número de respostas corretas (o desempenho médio
observado ficou abaixo dos 50%), existe entre os alunos uma grande confusão no
entendimento desses três conceitos. Os dados constantes na Tabela 1 revelam que, de um
universo de 12 estudantes, apenas 4 alcançaram pelo menos 10 pontos, ou seja, 50% do total.
Tabela 1 – Desempenho dos alunos no teste de conhecimentos.
Id. Aluno/
nº questão
Calor
1
Equilíbrio Térmico
2 3 4 5 6
Energia
7 8 9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20
Total
A
0 1 0 0 0
0 1 1 1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0,5
9,5
B
1 0 0 0 1
1 1 1 0
1
1
1
0
1
0,5
0
1
0
0
1
11,5
C
1 1 0 0 0
0 0 0 0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0,5
7,5
D
1 1 0 1 1
0 1 0 0
0
0
1
1
0
0,5
0
1
0
0
0,5
9,0
I
1 1 1 1 1
1 0 1 0
1
1
1
1
0
0,5
0
0
1
1
0,5
14,0
J
1 1 1 0 1
0 1 0 0
1
0
0
0
0
0,5
0
0
1
0
0
7,5
L
1 1 0 1 0
0 0 0 0
1
0
0
0
0
0,5
0
0
0
0
0
4,5
ML
0 0 1 0 0
1 1 1 0
0
1
1
1
0
0,5
0
0
0
1
0,5
9,0
M
1 0 1 0 0
0 1 1 0
1
1
1
1
1
0,5
1
0
0
0
0,5
11,0
T
0 1 0 0 1
1 1 0 0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
10,0
TH
0 1 0 0 1
1 1 0 0
1
1
1
0
0
0,5
0
0
0
0
0
7,5
TO
1 1 0 0 0
1 1 1 0
0
1
1
0
0
0,5
0
0
1
0
1
9,5
As questões que suscitaram uma maior quantidade de respostas incorretas foram aquelas
correspondentes aos números 3, 4, 9, 14 e 16, com 66,7%, 75,0%, 91,7%, 83,3% e 91,7%,
respectivamente. Comparando os nossos resultados com aqueles obtidos por Silveira e
Moreira (1996), ou seja, 67,9%, 58,3%, 47,6%, 58,9% e 72,6% respectivamente, constata-se
que, mesmo os maiores rendimentos observados encontram-se muito aquém do esperado.
Nas questões 3 e 4, referindo-se à definição de calor, constatou-se que grande parte dos
alunos (aproximadamente 70%) adotou uma visão substancialista3, na qual o calor seria
3
Na visão substancialista, o calor é compreendido como sendo uma substância, uma espécie de fluido que os
corpos possuem.
equivalente à energia. Nessa concepção, amplamente difundida na comunidade científica do
século XVIII, determinado corpo com “mais calor” tenderia a transmiti-lo ao corpo com
“menos calor”.
De fato, ao serem solicitados a apresentar uma definição para o conceito de calor,
surgiram respostas do tipo: “é uma forma de energia. O corpo com mais calor tende a passar
para o corpo com menos calor”, ou “ é a energia liberada quando as moléculas estão maios
agitadas... o calor pode ser transferido de um corpo (mais quente) para outro (mais frio)”, ou
ainda “é o grau de agitação das moléculas”.
As respostas fornecidas às questão 9,14 e 16 vêm a confirmar essa suspeita. Na questão 9,
ao serem questionados sobre a diferença entre as propriedades de duas esferas, uma retirada
da geladeira e outra do forno, 75,0% dos alunos mencionaram “a quantidade de calor contida
nelas”. Já na questão 14, perguntados sobre o que ocorre com uma barra de metal, quando
suas extremidades estão em temperaturas diferentes, 66,7% afirmaram que “o calor flui de
uma extremidade que contém mais calor para a que contém menos calor”. Da mesma forma,
83,3% das respostas à questão 16 nos induzem a pensar que um corpo com mais calor pode
“ceder sua energia” para o ambiente.
Dificuldades semelhantes quanto ao entendimento do conceito de calor haviam sido
relatadas por Caldeira e Martins (1990). Dos 200 estudantes entrevistados, apenas cerca de
10% souberam descrever corretamente esse conceito. Na maior parte das respostas, ou se
afirmara que calor é “uma forma de energia” (30,3%), ou então que trata-se de “algo que flui,
aumenta, diminui, etc.” (26,4%).
Outros dois conceitos que costumam suscitar muitas dúvidas entre os alunos são os de
trabalho e entropia. Ao realizarmos uma breve análise das concepções dos estudantes quanto a
esses dois conceitos, constatamos a superficialidade das respostas. De modo geral, as ideias
de trabalho de expansão se restringiram aos aspectos macroscópicos, como por exemplo: “é o
trabalho que o gás exerce para aumentar o seu volume” ou ainda “é a energia gasta em um
sistema para que o gás possa expandir o seu volume”. Quanto ao conceito de entropia,
aproximadamente 90% dos alunos se limitaram a reproduzir o texto existente nos livros
didáticos: “é o grau de desordem de um sistema”.
Uma análise complementar (mas não menos importante), pode ser extraída a partir das
respostas dos alunos ao questionário sócio acadêmico, permitindo-nos perceber determinados
aspectos relevantes sobre a situação acadêmica e profissional dos alunos, em especial àquelas
que que se relacionam ao estudo da disciplina de Físico-química. O enunciado das perguntas
contidas no questionário, bem como as respostas apresentadas, encontram-se na Tabela 2:
Tabela 2 – Consolidação das respostas dos alunos ao questionário sócio acadêmico.
Enunciado da questão:
Classificação das respostas com suas respectivas
frequências observadas:
1) A que rede de ensino pertence a escola na Federal = 6 (50,1%)
qual você concluiu o ensino médio?
Estadual = 4 (33,3%)
Particular = 2 (16,6%)
2) Cursou ensino técnico profissionalizante? Sim, em Química = 9 (75,0%)
Caso positivo, em qual área?
Sim, em outra área = 2 (16,7%)
Não = 1(8,3%)
3) Possui alguma experiência profissional? Sim, na área de magistério4 = 5 (41,7%)
Caso positivo, de quantos anos? (especificar)
Sim, na área de indústria = 3 (36,0%)
Não = 4 (33,3%)
4
Incluída aqui a experiência em monitoria.
4) Possui afinidade pelos assuntos ou temas
discutidos nas aulas de Físico-química?
Sim = 5 (41,7%)
Sim, alguns = 4 (33,3%)
Não = 3 (25,0%)
5) Quais as principais dificuldades percebidas Dedução de fórmulas = 4 (22,2%)
por você no estudo dessa disciplina?5
Tratamento matemático = 4 (22,2%)
Aplicações de fórmulas = 3 (16,6%)
Conversão de unidades = 2 (11,1%)
Abstração de fenômenos = 2 (11,1%)
Construção/interpretação de gráficos = 1 (5,6%)
Compreensão de conceitos = 1 (5,6%)
Falta de conhecimentos prévios = 1 (5,6%)
6) Gostaria de sugerir alguma forma de Uso de recursos computacionais = 3 (23,1%)
abordagem que possa ser utilizada pelo Elaboração de problemas aplicados = 3 (23,1%)
professor para minimizar essas dificuldades?
Realização de experimentos = 3 (23,1%)
Uso de artigos científicos = 1 (7,7%)
Abordagem histórica = 1 (7,7%)
Abordagem lúdica = 1 (7,7%)
Abordagem contextualizada = 1 (7,7%)
Um dado interessante obtido por meio do questionário e que merece ser considerado, diz
respeito à formação acadêmica dos alunos. Conforme se pode observar, 75,0% dos
entrevistados declararam ter concluído o curso técnico em química. Esperava-se pois, um
melhor rendimento da turma em relação ao teste de conhecimentos - o que definitivamente
não ocorreu. Apesar disso, pode-se afirmar com segurança, que a maioria dos estudantes
(senão todos), já havia estudado os conceitos ora analisados.
A justificativa para essa grande dificuldade de conceitualização, a qual refletiu no baixo
rendimento dos alunos no teste de conhecimento, pode envolver muitos aspectos. Talvez a
maior barreira ao entendimento dos conceitos físico-químicos esteja na inabilidade de se
compreender e interpretar as ideias e os fenômenos abstratos. No entanto, um dado curioso é
que, quando questionados sobre suas maiores dificuldades no estudo da físico-química, os
estudantes levantaram principalmente questões como dedução de fórmulas (22,2%),
tratamento matemático (22,2%), aplicações de fórmulas (16,6%) e conversão de unidades
(11,1%). O fato é que, além das dificuldades advindas da falta de domínio das relações
matemáticas, existem também problemas associados à natureza abstrata e essencialmente
simbólica dessa área do conhecimento. Todos esses fatores contribuem para a falta de
interesse de muitos estudantes, que por estarem desmotivados, limitam-se à buscar apenas
uma compreensão superficial sobre as diversas leis e conceitos subjacentes. Tal afirmação
pode ser traduzida pela fala de determinado aluno que, ao ser questionado sobre a afinidade
com a disciplina, respondeu que sim, mas ponderou: “... quando estão relacionados ao
cotidiano. Assuntos muito abstratos não me interessam muito”.
A respeito da proposta de uso das ferramentas computacionais no ensino de físicoquímica, praticamente todos alunos mostraram-se favoráveis em algum nível. Enquanto que
55,0% dos estudantes atribuíram grande importância ao uso desses recursos, 18,0% julgaramnos simplesmente importantes. Já os 27,0% restantes acreditam que eles sejam apenas
recursos auxiliares, conferindo pouca importância aos mesmos. Os principais aspectos
positivos relacionados ao uso das ferramentas computacionais em sala de aula foram: I)
possibilidade de visualização dos fenômenos abstratos (50,0%); II) caráter motivador das
atividades computacionais (25,0%); III) interatividade com as representações dos fenômenos
abstratos (17,0%); e IV) possibilidade de construção e análise gráfica (8,0%).
5
Nesse caso, admitiu-se mais de uma resposta possível.
4
CONCLUSÕES
Os conceitos de calor, trabalho, energia interna e entropia estão entre os mais importantes
de toda a termodinâmica, e por isso necessitam de um cuidado especial ao serem ensinados.
Apesar disso, observa-se que dificilmente os estudantes, ao ingressarem na universidade,
possuem os conhecimentos necessários à sua satisfatória compreensão. A justificativa para as
dificuldades na aprendizagem desses conceitos deve-se, segundo os próprios alunos, a
diversos fatores: falta de domínio das relações matemáticas e, consequentemente, de suas
aplicações na dedução de fórmulas e interpretação gráfica; limitação da capacidade de
abstração acerca dos fenômenos envolvidos, o que dificultaria a interpretação das diversas
transformações físico-químicas; carência de abordagens que contemplem situações reais do
contexto do aluno; falta de conhecimentos prévios; concepções equivocadas a respeito de
determinados conceitos; linguagem simbólica observada tanto na química quanto na física,
etc. Dentre estes fatores, um merece atenção especial: são as ideias incorretas ou incompletas
apresentadas por estudantes, aqui caracterizadas como ideias intuitivas ou concepções
espontâneas. Uma vez observada a incompatibilidade entre os conhecimentos cientificamente
aceitos e as ideias intuitivas dos alunos, surge a necessidade de transposição dessas últimas, o
que deve ocorrer por meio da utilização de estratégias didáticas voltadas à
(des)construção/(re)construção dos conceitos constituídos.
Nessa conjuntura, interessa-nos analisar as ideias obtidas pelos alunos entrevistados, a
respeito do conceito de calor. Por meio das respostas ao teste de conhecimentos e também ao
exame escrito, percebe-se que anos de escolarização formal não foram suficientes para
provocar nos estudantes uma mudança de paradigma acerca desse conceito. Ou seja, a
predominância de uma concepção essencialmente substancialista, incompatível com as ideias
cientificamente aceitas, nos remete à necessidade de repensarmos as formas atuais de
abordagem sobre esse assunto nos mais diversos níveis de ensino.
Quanto aos conceitos de trabalho e entropia, nosso estudo mostra que existe entre os
alunos uma visão estritamente superficial, caracterizada pela fragilidade das relações entre as
ideias e seus respectivos fenômenos de interesse. Limitando suas respostas aos aspectos
macroscópicos e observáveis, os estudantes deixaram de lado conhecimentos bem mais
significativos. Por exemplo, ao associarem entropia simplesmente ao “grau de desordem”,
não foram consideradas as ideias diretamente associadas à segunda lei da termodinâmica, aos
processos cíclicos reversíveis e tampouco à física estatística.
A respeito do conceito de energia interna, as respostas ao teste de conhecimentos
sugerem a existência, em muitos casos, de uma ideia equivalente à calor. Essa constatação
emerge das respostas às questões de número 13 e 15: embora na segunda questão, 75% das
respostas tenham indicado (corretamente) que a energia interna seja igual à soma das parcelas
de energia cinética e potencial dos átomos e moléculas, na primeira, 67% dos alunos
confundiram o conceito de energia interna com o de calor.
Além dos aspectos cognitivos, outros igualmente importantes puderam ser revelados por
meio das respostas dos alunos ao questionário sócio acadêmico: em primeiro lugar, a
formação acadêmica inicial pouco influenciou o desempenho nos testes; em segundo, ficou
evidente a falta de afinidade por determinados conteúdos da termodinâmica, em geral os que
envolvem cálculos matemáticos e os que possuem pouca aplicação prática.
Sendo assim, torna-se necessário que o aprendizado desses conceitos seja realizado a
partir de uma ampla discussão durante as aulas, nas quais os alunos percebam situações
contraditórias e reconstruam seus conhecimentos com auxílio do professor. Apesar de
reconhecermos que a utilização de abordagens construtivistas não seja tarefa fácil, pois exige
atitude, recursos disponíveis e tempo por parte do docente, vislumbramos a necessidade de
mudanças profundas nesse sentido, sob o risco de vermos esse panorama se perpetuar.
Por fim, foi constatada a grande importância à construção de propostas efetivas de
intervenção em sala de aula que visem a minimização das dificuldades dos alunos no estudo
da termodinâmica, levando em conta aspectos teóricos (como utilização cientificamente
correta dos conceitos), práticos (exemplificação, contextualização), atitudinais (mudança de
postura, problematização, análise crítica), e tecnológicos (como utilização de recursos
computacionais na visualização e interpretação de fenômenos).
5
REFERÊNCIAS
ALBERT, E. Development of the concept of heat in children. Science Education, 62, p. 389399, 1978.
APPLETON, K. Children's ideas about temperature. Research in Science Education, 15,
1985, p. 122-126.
BARKER, V. Beyond appearances: students’ misconceptions about basic chemical ideas. A
Report Prepared for the Royal Society of Chemistry. London: Education Division, Royal
Society of Chemistry, 2004.
CALDEIRA, M. H.; MARTINS, D. R. Calor e Temperatura: que noção têm os alunos
universitários destes conceitos? Gazeta de Física, v. 13, Fasc. 2, 1990.
COCHRAN, M. J. & HERON, P. R. L. Development and assessment of research-based
tutorials on heat engines and the second law of thermodynamics. Am. J. Phys. 74 (8), p.734741, 2006.
DUIT, R., KESIDOU, S. Students' understanding of basic ideas of the second law of
thermodynamics. Research in Science Education, 18, p.186-195, 1988.
ERICKSON, G.L. Children's Conceptions of Heat and Temperature. Science Education, 63,
p. 221-230, 1979.
GASPARIN, J. L. A construção dos conceitos científicos em sala de aula. In: NARDI, Nádia
Lúcia (Org.). Educação: Visão Crítica e Perspectivas de Mudanças. 1º ed. Concórdia - SC:
Editora da Universidade do Contestado , v.1, p. 1-25, 2007.
GALE, C.I. The influence of microcomputer-based labs on children's conceptions of
temperature and temperature change. In: NOVAK, J. Proceedings of the Third
International Seminar on Misconceptions and Educational Strategies in Science and
Mathematics. New York: Cornell University, 1993.
JOHNSTONE, A. H., MACDONALD, J. J., WEBB, G. Misconceptions in school
thermodynamics. Physics Education, 12, p. 248-251, 1977.
LÓPEZ, Z. C. Las concepciones alternativas de los estudiantes sobre la naturaleza de la
materia. Revista Iberoamericana de Educación, v. 50/2, 2009.
LOVERUDE, M. E.; KAUTZ, C. H. and HERON, P. R. L. Student understanding of the first
law of thermodynamics: Relating work to the adiabatic compression of an ideal gas.
American Journal of Physics, v. 70, 2, p. 137-148, 2002.
MELTZER, D. E. Investigation of students’ reasoning regarding heat, work, and the first law
of thermodynamics in an introductory calculus-based general physics course. American
Journal of Physics, 72 (11), p. 1432-1446, 2004.
MELTZER, D. E. Investigating and addressing learning difficulties in thermodynamics,
ASEE Annual Conference and Exposition, Pittsburg, PA, United states, American Society
for Engineering Education, 2008.
SILVEIRA, F.L.; MOREIRA, M.A. Validación de un test para verificar si el alumno posee
concepciones científicas sobre Calor, Temperatura Y Energía Interna. Enseñanza De Las
Ciencias, v. 14, n. 1, p. 75-86, 1996.
SILVEIRA, F. L., MOREIRA, M. A. e AXT, R. Um teste para detectar as concepções
alternativas sobre calor e temperatura. Atas… Encontro de Pesquisa em Ensino de Física, 3,
Porto Alegre, Instituto de Física da UFRGS, 1990.
SOLOMON, J. How children learn about energy – or does the first law come first? School
Science Review, 63(224), p. 415-422, 1982.
VIGOTSKI, L. S. A Construção do Pensamento e da Linguagem. Tradução Paulo Bezerra,
1° ed. São Paulo. Martins Fontes, 2001.
WHERRY, R. J. Contributions to correlational analysis. Londres: Academic Press, 1984.
AMONG THE INTUITIVE IDEAS AND SCIENTIFIC CONCEPTS:
WHAT UNDERGRADUATE STUDENTS IN CHEMISTRY THINK
ABOUT THE CONCEPTS OF THERMODYNAMICS?
Abstract: This paper presents the results of a case study that aims to investigate the
difficulties of undergraduates students in chemistry from the Instituto Federal Fluminense,
Rio de Janeiro, regarding concepts of heat, work, internal energy and entropy. The research
was organized as a qualitative/quantitative study and its occurred during the 2010. From the
analysis of the data obtained, were detected several misconceptions among students, which
must be overcome through effective teaching strategies, based in construction/reconstruction
of these concepts in the classroom.
Key-words: Concepts, Misconceptions, Teaching, Thermodynamics.