A Utilização de um Sistema de Aquisição e Tratamento de Dados Computorizado na Optimização das Potencialidades do Trabalho Experimental
Teresa Bettencourt
CEMED - Universidade de Aveiro
Uma revolução igualmente profunda será de esperar no ensino das Ciências. Longe de se assistir ao fim do laboratório tradicional, ver-se-á proliferar a instrumentação assistida por computador. Nas aulas, será feito grande uso das possibilidades gráficas para estudar situações complexas e desenvolver novas intuições nos alunos.(Ponte 1990, p. 73).Hoje em dia é comumente aceite que o trabalho experimental faz parte integrante de qualquer curso de ciências, sejam elas biológicas, geológicas, físicas ou químicas. A nova reforma curricular, actualmente em curso no nosso País, traduziu a importância do trabalho experimental, incluindo, nos curricula do Ensino Secundário, as disciplinas de Técnicas Laboratoriais.
Contudo, nem sempre as actividades de trabalho experimental realizadas são as mais proveitosas para os alunos, do ponto de vista de ganho cognitivo. São vários os autores (por exemplo, Hodson, 1990, 1993; Tobin, 1986) que se têm debruçado sobre este assunto e os estudos que têm conduzido levam-os a tecer fortes críticas ao trabalho experimental.
Nesta comunicação iremos analisar essas críticas e apresentar a utilização de um sistema de aquisição e tratamento de dados (SATD) computorizado como uma possível forma para a superação de alguns dos problemas apontados.
Em muitas das actividades de trabalho experimental que habitualmente se levam a cabo, a maior parte do tempo disponível é dispendida na recolha de dados, tornando-se, esta tarefa, num fim em si mesma (Tobin, 1986). Não há tempo para os alunos se dedicarem às actividades de planificação da experiência ou de análise e interpretação de dados (Stein, 1987), resultando isso num contacto passageiro com o conteúdo em estudo.
Outras vezes o trabalho experimental apenas visa a aquisição de capacidades manipulativas de aparelhos ou a ilustração de conceitos e princípios, ocasionando poucas oportunidades para os alunos conduzirem investigações desafiadoras (Woolnough e Allsop, 1985; Byrne, 1990). O que os alunos fazem resume-se a um trabalho mecânico de tarefas de rotina, em tudo semelhante ao papel de um técnico, seguindo um protocolo experimental tipo "receita de culinária" (Hofstein, 1988; Tobin, 1986). Nestes casos, a aprendizagem proporcionada é limitada e pouco exigente do ponto de vista cognitivo (Hodson, 1990, 1993).
Outro factor que conduz à limitação da actividade intelectual dos alunos no decurso das aulas experimentais acontece quando estas têm como único objectivo tornar as aulas menos aborrecidas, prolongando a actividade dos alunos por experiências mais ou menos pitorescas, com um certo activismo. Os alunos são subornados por alguns momentos de diversão e lazer, inibindo-se o seu pensamento criativo (Hodson, 1992).
Também causa dessa inibição é a vasta quantidade de informação com que o aluno tem de lidar durante as aulas experimentais (Johnstone e Wham, 1982, in Hofstein, 1988) com possíveis consequências na sua aprendizagem. O aluno tem de recordar as teorias implícitas no trabalho que está a desenvolver; as instruções, tanto escritas, como orais que o professor vai dando; os nomes dos materiais e aparelhos que está a usar e identificá-los devidamente; as técnicas manipulativas. Tem também de reintegrar o conjunto de informação nova que lhe chegará, respeitante a cada um dos aspectos mencionados e organizar e tratar os dados recolhidos. Terá ainda de interagir com os colegas, com o professor e com o equipamento que utiliza. É todo um quadro de pressão que segundo Johnstone e Wham (1982, in Hofstein, 1988) cria uma "sobrecarga" na memória de trabalho, dificultando-se a aprendizagem.
Outro aspecto que também pode contribuir para o baixo rendimento cognitivo do trabalho experimental é o que vem das dificuldades organizacionais das aulas, a limitação de tempo, os custos envolvidos e a possível falta de segurança (Hodson, 1992, 1993; Sundberg e Armstrong, 1993). Perante este panorama, os professores optam por previamente executarem parte das actividades, acabando os alunos por, apenas, seguirem as instruções necessárias à conclusão.
Tendo em conta cada um dos aspectos mencionados, vários autores consideram que a forma como as actividades de trabalho experimental são conduzidas não leva a que os alunos se envolvam nos processos de ciência (Hodson, 1990, 1993), nem adquiram as capacidades de pensamento dos cientistas (Friedler, 1984, in Friedler; Nachmias e Linn, 1990), nem se dediquem à resolução de problemas (Lunetta, 1991), como deveria acontecer.
A constatação de todos os pontos anteriormente expostos, levou os educadores de ciências a reverem as abordagens tradicionais ao trabalho experimental e a proporem novas estratégias assentes no desenvolvimento das Novas Tecnologias da Informação e na respectiva integração no sistema educacional (Linn, 1986, in Friedler et al, 1990; Stein, 1987; Hodson, 1992, 1993).
Figura 1 - Esquema de um sistema de aquisição e tratamento de dados
A sua utilização no ensino é designada, entre alguns autores americanos (Brasell, 1987), por "microcomputer-based laboratory exercises" - MBL; ou, entre alguns investigadores australianos (Russell, 1990), por "computer aided science experiments" - CASE; ou, ainda, entre alguns autores franceses (Faure, 1990), por "expérimentation assistée par ordinateur" - ExAO.
Um SATD apresenta um conjunto de potencialidades oferecidas por algumas das suas características principais:
Além disso, as medições efectuadas por um SATD também se revelam mais seguras, precisas e de qualidade melhorada.
Os sistemas permitem ainda que se efectuem registos simultâneos, provenientes de origens diversas. Esta característica dá a possibilidade, aos alunos, de serem eles próprios a decidir quais as medições a efectuar e em que intervalos de tempo.
A rentabilização do tempo dos alunos é um dos efeitos mais visíveis da utilização de um sistema de aquisição e tratamento de dados. Contribuindo para tal, não só conta a automação da recolha de dados que neste momento se foca, como também as restantes potencialidades que os sistemas oferecem. Os alunos são libertados tanto das tarefas de recolha de dados, como da elaboração dos gráficos ou de outros cálculos que eventualmente se possam efectuar sobre os dados experimentais.
Tal efeito, proveniente da utilização de qualquer SATD, anula, à partida, uma das críticas anteriormente mencionadas. Se até aqui, a maior parte do tempo era dispendida com a recolha de dados, agora, pela utilização de um SATD, essa tarefa foi transferida para o sistema, dando a possibilidade ao aluno de se ocupar com outras actividades. É todo um ganho de tempo para, duma forma generalizada, se dedicar à reflexão dos resultados experimentais, passando, esta, a ser a componente principal da realização de qualquer experiência.
Inclusivamente, é aconselhável que os professores que desejem planificar experiências com um sistema de aquisição e tratamento de dados, preparem com cuidado as actividades a realizar pelos alunos no intervalo de tempo em que o computador executa a recolha de dados, por forma a que estes concentrem a sua atenção ou na previsão do que vai acontecer, ou na observação da montagem laboratorial ou noutras questões de resolução de problemas.
Uma vez os dados adquiridos, estes podem ser submetidos a tratamento, pois, duma forma generalizada, o "software" que acompanha estes sistemas apresenta um conjunto de ferramentas apropriado para tal. Assim, é possível efectuarem-se cálculos sobre os dados experimentais, ou escreverem-se comentários sobre eles, em pequenos processadores de texto incorporados. Estas possibilidades representam uma extensão do que se pode fazer com os dados experimentais, enriquecendo toda a discussão que sobre eles se pode tecer.
O "software" que acompanha estes sistemas ainda oferece as possibilidades de, por um lado, salvaguardar o trabalho efectuado e, por outro, imprimir os resultados obtidos. Estas duas características levam a que seja possível o acesso ao registo de experiências prévias, para nova análise e interpretação dos dados, por exemplo, à luz de conhecimentos adquiridos posteriormente, ou que se prolongue a discussão sobre a informação recolhida e imprimida.
De facto, repare-se que um determinado sistema de aquisição e tratamento de dados é independente das experiências, podendo servir as mais variadas e dando, ao professor criativo, total liberdade na escolha das actividades, consoante os objectivos que pretender alcançar.
Com um tal equipamento, onde diversos sensores funcionam com a mesma interface e "software", os alunos podem, facilmente e com segurança, medir, guardar e transformar na representação desejada, uma variedade de quantidades físicas, tais como temperatura, posição, velocidade, aceleração, som, luz, força e indicadores fisiológicos, como pressão arterial ou ritmos cardíacos.
Analisando-se esta flexibilidade de utilização, é possível delinear três contextos diferentes da aplicação de um SATD, fazendo-se realçar, em cada um deles, diferentes características.
Assim, um SATD pode ser utilizado para efectuar:
A possibilidade que o sistema oferece de proceder à aquisição remota dos dados permite cobrir uma variedade de experiências até aqui impensáveis.
É agora possível efectuar experiências cujos fenómenos em estudo decorrem lentamente, não sendo, para isso, necessária a presença do utilizador. Esta facilidade permite levar a cabo investigações, por exemplo, durante um fim-de-semana ou de noite, ou ainda experiências nas quais a presença de uma pessoa poderia interferir com os dados a recolher (por exemplo, o estudo do comportamento de alguns animais).
O terceiro contexto da utilização de um SATD acima referido, a aquisição de dados em tempo real, permite a realização de experiências cujos fenómenos ocorrem rapidamente, colocando os acontecimentos experimentais em simultâneo com as suas representações simbólicas. Assim, ao mesmo tempo que a experiência progride, os alunos podem observar os gráficos a serem construídos e procederem a uma série de análises e discussões sobre os resultados.
A visualização dos dados em paralelo e em simultâneo com a experiência, permitindo a testagem imediata das ideias, é uma das razões por que o SATD pode ser um veículo poderoso para desenvolver a capacidade de interpretação de gráficos (Mokros e Tinker, 1987; Adams e Shrum, 1990) e para induzir a mudança conceptual (Reiner e Finegold, 1987), levando os alunos à aprendizagem efectiva dos conceitos científicos.
Os alunos guardam em memória visual o traçado do gráfico à medida que a experiência decorre. O SATD actua como um sistema de suporte à memória. Sabem exactamente o que provocou uma alteração no gráfico, pois foram eles que introduziram na experiência as condições para que tal acontecesse. Assim, há uma correspondência directa entre o que fazem e o que vêem, facilitando-se a interpretação do gráfico e, consequentemente, a compreensão dos fenómenos em estudo.
O facto de os alunos terem sido libertos das tarefas de recolha de dados e da respectiva elaboração de gráficos, leva a que se possam concentrar mais e com maiores disponibilidades afectiva e cognitiva na descoberta e compreensão dos conceitos científicos, chamando a si o controlo da sua aprendizagem.
Este controlo manifesta-se em diferentes facetas. As experiências podem decorrer ao ritmo que os alunos entenderem, podem efectuar todas as repetições dos fenómenos em estudo que desejarem, as medidas a recolher podem ser decididas pelos alunos, assim como a forma como o sistema deve apresentar os dados.
Com este controlo sobre as experiências, nasce no aluno um sentimento de pertença pelo que efectuou que o leva a desejar compreender os fenómenos ocorridos. Freitas (1992, p.58), sobre esta situação, escreveu, "os dados obtidos são entendidos pelos alunos como os seus dados com uma valorização e desejo associado de deles se retirar um significado que não se encontra par nas tabelas obtidas em livros".
Algumas das críticas apontadas ao trabalho experimental, como o são o facto de os alunos apenas seguirem receitas não compreendendo o que estão a executar, ou apenas se deterem em actividades de mais baixo nível cognitivo, deixam de ter sentido quando se utilizar o SATD. Este providencia um ganho de tempo que pode ser dispendido em actividades cognitivas mais exigentes: enquanto a aquisição de dados se efectua, alunos e professor, podem discutir o que vêem, lançar novas hipóteses explicativas, relacionar os novos conhecimentos com outros já adquiridos, na tentativa de explicar os fenómenos acontecidos.
Utilizar este equipamento e "software" pode contribuir, não só, para a modernização do ensino das escolas portuguesas, como também, para uma nova abordagem ao trabalho experimental, mais próxima das tendências actuais da investigação no ensino das Ciências.
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