Expressão de modelos no ensino de Química: o que pensam os estudantes sobre átomos e moléculas?

Mateus José dos Santos

Professor da SEE-MG, pesquisador do GEPPFOR-UFV

Rita Márcia Andrade Vaz de Mello

Professora do Departamento de Educação da UFV, coordenadora do GEPPFOR-UFV

Vinícius Catão

Professor do Departamento de Química da UFV, doutor em Educação (UFMG)

A Química é uma Ciência na qual os estudantes apresentam inúmeras dificuldades, sobretudo quando os conceitos são abstratos ou trabalham com questões pautadas no nível submicroscópico. Nesse sentido, é importante que o professor planeje suas aulas de modo que elas possam atender às diversas demandas que os estudantes apresentam e, por meio de estratégias didáticas diferenciadas, propor atividades que instiguem o desenvolvimento do interesse e a curiosidade pelos conceitos científicos, especialmente quando tais conceitos se encontram articulados com situações que perpassam a vida cotidiana.

O ensino da Química utiliza diversos recursos, como analogias, metáforas, modelos e modelagens para facilitar o processo de ensino-aprendizagem (Coll; Taylor, 2002). Além disso, mapas conceituais e atividades investigativas e experimentais são também utilizados para entender como os estudantes estabelecem conexões lógicas para favorecer o aprendizado. Assim, ao se lançar mão de métodos e recursos diferenciados, deve-se fazê-lo com o adequado suporte teórico, fugindo da arcaica concepção que se pauta na memorização de informações e que não propicia a formação de um estudante com habilidades de realizar uma leitura crítica de mundo. Afinal, esse modelo “convencionado” ignora os conhecimentos prévios dos estudantes e não vê o ensino como algo em constante construção, que considera a aprendizagem como um intercâmbio de novas informações (Gibin; Ferreira, 2010).

Uma das estratégias para compreender como os estudantes aprendem é a investigação relativa ao uso dos modelos na ciência que, em alguma medida, permite externalizar conceitos construídos durante as aulas e durante o estudo individualizado. Borges (1998) apontou que a busca recorrente pela utilização dos modelos mentais está associada ao fato de que é preciso identificar as dificuldades que os estudantes carregam ao longo de sua trajetória escolar, sendo necessária, a partir desse diagnóstico, a utilização de instrumentos que superem as dificuldades apresentadas para aprender ciências e, de modo especial, a Química.

A importância dos modelos mentais no ensino de Química

No ensino de Química, os modelos mentais foram usados para analisar principalmente as concepções dos estudantes sobre conceitos considerados abstratos. Alguns desses trabalhos descrevem estratégias que podem minimizar as dificuldades nessa área do conhecimento (Greca; Santos, 2005; Errobidart et al., 2013; Santos; Melo; Andrade, 2015; Fidelis et al., 2016). Ferreira e Justi (2008, p. 33), ao realizar uma pesquisa sobre as articulações entre os modelos e o ensino de Química, salientaram que

a compreensão dos processos de produção de conhecimento e dos modelos elaborados nesses processos é necessária para a promoção de um aprendizado significativo, isto é, um aprendizado no qual o aluno estabeleça relações entre o que está aprendendo e o que já sabe e que favoreça a transposição de um dado conhecimento para outros problemas e situações. Nessa perspectiva, os alunos têm que ser capazes de pensar nos modelos, visualizar seu funcionamento em suas mentes e usá-los como ferramentas (como os cientistas fazem), indo além da simples declaração do conhecimento.

Além disso, Justi (2006) apontou que os modelos nos acompanham em diversas esferas de nossa vida cotidiana. Os modelos mentais são considerados representações internalizadas da realidade, nas quais os estudantes podem utilizar qualquer conjunto de códigos (símbolos, notações etc.) que traduzam o seu pensamento (Errobidart et al., 2013). É a partir dessa tradução que o professor pode compreender as principais estratégias de raciocínio utilizadas perante determinado conceito e quais associações mentais estão sendo construídas durante o processo de aprendizagem. O psicólogo Johnson-Laird, que possui um vasto trabalho sobre o uso de modelos mentais, salientou que o ser humano recombina esses modelos e estabelece inferências diante das novas informações que recebe (Johnson-Laird, 1983, apud Vieira Junior, 2012). Essa recombinação propicia ao estudante novas formulações conceituais que poderão ajudá-lo na interpretação do mundo à sua volta e, assim, desenvolver estratégias consistentes para a tomada de decisões críticas mediantes as situações-problema que lhe são apresentadas. Nesse sentido, Borges (1997) destaca que

não há respostas simples para tal questão, embora seja aceito que nossa habilidade em falar sobre um fenômeno ou sobre um objeto está intimamente relacionada com a nossa compreensão dele. O interesse em analogias, modelos e modelos mentais se deve à aceitação da ideia de que nós só podemos apreender o novo em termos daquilo que já conhecemos. Desse ponto de vista, explicações são tentativas de compreender um evento ou uma situação não familiar em termos de coisas com as quais estamos habituados, ou em termos de sistemas familiares de relações por meio de analogias (Borges, 1997, s/p, grifo nosso).

Logo, é possível constatar que o indivíduo, ao traduzir seus pensamentos por meio de modelos mentais, pode fazer associações com outros conhecimentos já construídos em momentos distintos. Nessa lógica, Johnson-Laird propõe que, ao lançar mão de “modelos interiores”, as pessoas constroem constantemente blocos cognitivos (Moreira, 1996). Tais blocos podem ser (re)combinados com outros blocos preexistentes, possibilitando a geração de conexões mentais que permitem explorar conceitos científicos e dar significados a eles com base em associações realizadas com a realidade em que esse indivíduo está inserido.

Na Química, o uso de modelos mentais é, portanto, importante para a compreensão de diferentes fenômenos durante a aprendizagem no que tange à aquisição ou ao amadurecimento de conhecimentos científicos. Gibin (2015) reforça que um cientista elabora modelos mais rigorosos e consistentes que um leigo para explicar uma situação de interesse. Assim, surge também a ideia do desenvolvimento cognitivo e dos diferentes níveis que um modelo mental pode assumir, especialmente em ambientes formais de aprendizagem. É no processo de mediação desse conhecimento que o professor assume papel primordial na condução das atividades que permitem o aprimoramento dos modelos individuais, conforme ressaltaram Drive et al. (1999):

Quem aprende precisa ter acesso não apenas às experiências físicas, mas também aos conceitos e modelos da ciência convencional. O desafio está em ajudar os aprendizes a se apropriarem desses modelos, a reconhecerem seus domínios de aplicabilidade e, dentro desses domínios, a serem capazes de usá-los. Se ensinar é levar os estudantes às ideias convencionais da ciência, então a intervenção do professor é essencial, tanto para fornecer evidências experimentais apropriadas como para disponibilizar para os alunos as ferramentas e convenções culturais da comunidade científica. O desafio é como alcançar com êxito esse processo de enculturação na rotina da sala de aula comum (Drive et al., 1999, p. 31, grifo nosso).

Assim, cabe ao professor propor em suas aulas situações de aprendizagem que estimulem a construção de significados reais para os estudantes, permitindo-os correlacionar tal conhecimento à realidade em que o estudante se encontra. Essa correlação conhecimento-realidade pode favorecer a formação de um indivíduo mais crítico, que seja capaz de tomar decisões conscientes e de se tornar protagonista do espaço em que vive. Partindo desses pressupostos, o trabalho visa explorar os modelos mentais que os estudantes apresentam para átomos e moléculas e discutir questões sobre as associações que são (re)estabelecidas por eles durante a proposição desses modelos.

Desenvolvimento do trabalho na escola

Para o desenvolvimento desta proposta, foram aplicadas duas atividades a treze estudantes do 9º Ano do Ensino Fundamental de uma escola privada na cidade de Ervália/MG. A experiência solicitava aos estudantes explanações sobre os seus conhecimentos a respeito de átomos e moléculas. Em aulas anteriores, antes da pesquisa, o professor debateu alguns conceitos importantes a respeito do átomo com a turma. Naquela ocasião, quando questionados sobre a constituição da matéria, os estudantes, em geral, não sabiam estabelecer relações com a questão proposta e não conseguiam propor modelos para o assunto em questão. Assim, o professor trabalhou tais conceitos fazendo uma análise histórica da importância do átomo e da evolução atômica desde os gregos, como Leucipo e Demócrito, até o modelo proposto pelo físico Ernest Rutherford. O modelo de Bohr não foi considerado na análise, pois os estudantes não o haviam estudado. Ainda foram feitas atividades correlacionando átomos e moléculas e a constituição da matéria.

No tocante à investigação propriamente dos modelos mentais, existem na literatura diversos protocolos de pesquisa; os principais deles indicam o uso de entrevistas ou a análise da resolução de problemas e o seu confronto com mapas conceituais ou outras construções pictóricas (Carvalho; Justi, 2005; Melo; Neto, 2012; Fidelis et al., 2016). Após as aulas expositivas, foi proposta aos estudantes uma questão aberta sobre quais possíveis relações entre o conceito de átomos e moléculas deveriam ser estabelecidas. Fez-se o seguinte questionamento aos estudantes: “Para você, qual é a relação entre átomo e molécula? Faça uma representação dessa relação”.

Confrontaram-se as argumentações dos estudantes com uma análise qualitativa dos desenhos e estruturas livremente construídas. Utilizou-se, também, a análise de conteúdos de Bardin (2013), que está centrada em três pilares essenciais:

  1. análise do material,
  2. exploração do material e
  3. tratamento dos resultados.

A partir dessa análise, foi possível traçar interpretações aprofundadas do corpus inicial, considerando as categorias oriundas do material analisado. Tais análises possibilitaram aos pesquisadores uma interpretação pormenorizada dos resultados encontrados, trazendo à tona algumas das possíveis ideias dos sujeitos pesquisados.

Resultados e discussão

Após análise e confronto dos dados, categorizaram-se as respostas dos estudantes à luz de Bardin (2013) e da Teoria dos Modelos Mentais, conforme sistematizado no Quadro 1.

Quadro 1: Ideias para a representação de átomos e moléculas na percepção dos estudantes

Categorias (n = 4)

Características de raciocínio (n = 13)

Moléculas constituídas por átomos

Moléculas são formadas por átomos, mas ainda não associam átomos com partículas (9)

Relações evolutivas

Uma molécula é uma fase que vem antes dos átomos, interpretação semelhante às identificadas na divisão celular (2)

Átomo como estrutura viva

Átomo se divide em moléculas e é interpretado como uma célula, baseada em elementos biológicos (1)

Partículas divisíveis

Compreende o átomo e molécula como partículas divisíveis e não associações biológicas (1)

As categorias que emergiram das respostas analisadas representam os modelos mentais mais frequentes para o grupo em estudo. Esses, por sua vez, denotam as estratégias que os alunos utilizam para traduzir o seu conhecimento a respeito de diferentes conceitos, sejam eles considerados abstratos ou não. Conforme destaca a Base Nacional Comum Curricular (Brasil, 2018), as Ciências da Natureza, sobretudo a Química, devem possibilitar ao estudante uma compreensão – neste trabalho via uso de modelos mentais – para a explicação de fenômenos observados por eles. Assim, entendemos que é importante os modelos traduzirem a realidade observada e os conceitos envolvidos nela. Logo, com base no Quadro 1, verifica-se a heterogeneidade de ideias e evidências de aprendizagem (ou ausência dela) perante as quais o planejamento docente deve atuar. Cada categoria representa um modelo diferente, construído pelos estudantes a partir da compreensão individual, pautado nas discussões realizadas em sala.

Ainda por meio do Quatro 1, verificou-se que nove estudantes compreenderam que os átomos são partículas menores que as moléculas e que as constituem. Apenas um estudante associou o átomo a uma estrutura viva que sofre divisões celulares e outros dois estudantes relacionaram o átomo a uma sequência de estruturas, ressaltando que a molécula é uma etapa que antecede o átomo, algo que também foi estudado no conteúdo de Ciências dos anos anteriores. Tais estudantes ainda estão presos a concepções restritas a respeito do átomo e os compararam a processos semelhantes aos que ocorrem com as células. Apenas uma manifestação relaciona o átomo e a molécula como partículas divisíveis. Essa associação acaba sendo uma visão ainda em construção das partículas que constituem o átomo, previamente abordado pelo professor em suas explicações sobre a evolução atômica.

Com base nos desenhos dos estudantes (exemplos na Figura 1), verificam-se algumas relações que dialogam com as manifestações expostas no Quadro 1.

Figura 1: Representações elaboradas pelos estudantes 02 e 07

Fonte: Acervo do professor, 2022.

Todos os estudantes participantes fizeram um desenho/representação livre associando átomos e moléculas. No entanto, enquanto seis estudantes fizeram modelos associando átomos e moléculas a estruturas vivas, os demais sete estudantes representaram átomos como constituintes das moléculas. A Figura 1 apresenta a representação do estudante 02 relacionando células a átomos. Constata-se que as moléculas não estão representadas e, além disso, as partículas positivas e negativas estão incrustadas na célula. Verificou-se nesse desenho que o estudante 02 apresentou confusões a respeito do conteúdo. Ele fez associações dos modelos atômicos com conhecimentos prévios que possui sobre a célula e conteúdos biológicos discutidos em anos anteriores.

Verificou-se também que na Figura 1 a célula está sendo associada ao modelo atômico de Thomson, conhecido como “pudim de passas”, no qual os elétrons encontram-se incrustados nele. Ao lado dessa representação, aparece ainda outra estrutura com pequenos átomos inclusos, átomos pequenos que se assemelham ao modelo atômico de Rutherford, que também é conhecido como modelo atômico planetário, ambos discutidos pelo professor de Química em aulas anteriores. O estudante 07, por sua vez, relacionou os átomos como elementos constituintes das moléculas, sem mencionar estruturas vivas, como as células. Nesse desenho, elementos químicos como o hidrogênio e o oxigênio foram representados dentro de uma estrutura denominada molécula. Tal molécula foi intitulada pelo estudante como sendo da água.

Como discutido por Rocha et al. (2015), a construção do conhecimento se dá por meio de articulações contínuas a partir da interação do estudante com aspectos reais do conhecimento científico. Tal interação pode resgatar conhecimentos anteriores, de modo que os estudantes façam novas associações e, a partir desse momento, novos conhecimentos são (re)construídos. Assim, observa-se a forte relação ainda existente com os conteúdos biológicos abordados em anos anteriores do Ensino Fundamental, o que exige que o professor analise previamente a concepção desses estudantes sobre tais conceitos e comece, por meio de aulas interativas/dialógicas, a propor discussões que os ajudem a compreender características importantes do átomo e sua importância para a compreensão de diversos conceitos químicos.

Considerações finais

Com base na atividade realizada, verificou-se a importância de propor situações de aprendizagem visando explorar os modelos mentais apresentados pelos estudantes sobre conceitos que permeiam as ciências. A construção desses modelos possibilita que os estudantes resgatem conhecimentos, proporcionando associações importantes e possibilitando ao professor avaliar como o estudante está aprendendo (e relacionando) novos conceitos.

Durante esta experiência, constatou-se a forte relação ainda existente entre átomos e moléculas com conceitos biológicos. Os estudantes acabam estabelecendo de forma ingênua estrapolações com informações já conhecidas e com a realidade para compreender o novo. Entretanto, pela falta de desenvolvimento e conexão dos conceitos químicos em anos anteriores, muitos estudantes acabam fazendo relações pouco conceituais, baseadas muitas vezes na “memória” isolada, com conceitos biológicos apreendidos anteriormente. Assim, novos conceitos podem ser interpretados de maneira errônea, cabendo ao professor propor novas estratégias que visam explorar mais o conteúdo de forma que ele se torne significativo para o estudante. Para isso, ter algum diagnóstico dos alunos (como proposto aqui via modelos mentais) torna-se uma ferramenta necessária para o melhor planejamento didático. Cabe destacar ainda que o professor, como elo entre os saberes da docência e a aprendizagem discente, precisa estar ciente da busca constante de conhecimentos e compreender a complexidade do processo de ensino-aprendizagem, que envolve não apenas os conhecimentos específicos de sua área de atuação.

Por fim, é importante ressaltar a importância de um trabalho interdisciplinar na área de Ciências de modo que o estudante perceba as diferentes conexões que esse componente curricular pode proporcionar. No Ensino Fundamental (do 1º ao 8º ano), a Ciência tem forte relação com a Biologia (e com conceitos físicos e químicos que não são explorados), o que dificulta a aprendizagem desses novos conceitos em anos posteriores. Quando o estudante começa a se inserir no mundo da Física e da Química, acaba fazendo associações com estruturas biológicas, o que requer do professor o desenvolvimento de novos recursos que possibilitem a análise desses conceitos sob uma nova perspectiva, de modo que não sejam discutidos erroneamente.

Referências

BRASIL. Base Nacional Comum Curricular. Brasília: MEC, 2018. Disponível em: http://basenacionalcomum.mec.gov.br/images/BNCC_EI_EF_110518_versaofinal_site.pdf. Acesso em: 06 out. 2021.

BARDIN; L. Análise de Conteúdo. Lisboa: Edições 70, 2013.

BORGES, A. T. Modelos mentais de eletromagnetismo. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 15, nº 1, p. 7-31, 1998.

______. Um estudo de modelos mentais. Investigações em Ensino de Ciências, v. 2, nº 3, p. 207-226, 1997.

CARVALHO, N. B.; JUSTI, R. Dificuldades dos alunos na construção de modelos mentais de ligação metálica baseado na teoria “mar de elétrons”. In: ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS, 5. Anais... Bauru: Abrapec, 2005.

COLL, R. K.; TAYLOR, N. Mental models in Chemistry: senior chemistry students’ mental models of chemical bonding. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, v. 3, nº 2, p. 175-184, 2002.

DRIVER, R.; ASOKO, H.; LEACH, J.; MORTIMER, E.; SCOTT, P. Construindo conhecimento científico na sala de aula. Química Nova na Escola, nº 9, 1999.

ERROBIDART, N. C. G.; GOBARA, S. T.; JARDIM, M. I. A.; ERROBIDART, H. A.; MARQUES, S. M. Modelos mentais e representações utilizadas por estudantes do Ensino Médio para explicar ondas. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, v. 12, nº 3, p. 440-457, 2013.

FERREIRA, P. F. M.; JUSTI, R. S. Modelagem e o “fazer ciência”. Química Nova na Escola, v. 28, p. 32-36, 2008.

FIDELIS, J. P. S.; SANTOS, A.; SILVA, S. R.; GIBIN, G. B. Investigação sobre modelos mentais de alunos do Ensino Médio sobre o efeito estufa: uso de simulações computacionais com o auxílio no desenvolvimento. In: ENCONTRO NACIONAL DE ENSINO DE QUÍMICA, 18. Anais...Florianópolis: Universidade de Santa Catarina, 2016.

GIBIN, G. B. As dificuldades de compreensão sobre o conceito de solução representado em nível submicroscópico por estudantes latino-americanos. Redequim, v. 1, nº 1, p. 72-81, 2015.

______; FERREIRA, L. H. A formação inicial em Química baseada em conceitos representados por meio de modelos mentais. Química Nova, v. 33, nº 8, p. 1.809-1.814, 2010.

______; ______. Avaliação dos estudantes sobre o uso de imagens como recurso auxiliar no ensino de conceitos químicos. Química Nova na Escola, v. 35, nº 1, p. 19-26, 2013.

GRECA, I. M.; SANTOS, F. M. T. Dificuldades da generalização das estratégias de modelação em Ciências: o caso da Física e da Química. Investigações em Ensino de Ciências, v. 10, nº 1, p. 31-46, 2005.

JOHNSON-LAIRD, P. Mental models. Cambridge: Harvard University Press, 1983.

JUSTI, R. La enseñanza de ciencias basada en la elaboración de modelos. Enseñanza de las Ciencias, v. 24, nº 2, p. 173-184, 2006.

MELO, M. R.; NETO, E. C. L. Dificuldades do ensino e aprendizagem dos modelos atômicos em Química. Química Nova na Escola, v. 35, nº 2, p. 112-122, 2013.

MOREIRA, M. A. Modelos mentais. Investigações em Ensino de Ciências, v. 1, nº 3, p. 193-232, 1996.

ROCHA, T. A. S.; MARQUES, N. P.; OLIVEIRA, A. C.; EPOGLOU, A. Elaboração e aplicação de uma sequência didática referente ao conteúdo de modelo atômico para alunos do 1º Ano do Ensino Médio. In: CONGRESSO NACIONAL DE EDUCAÇÃO, 12. Anais... Curitiba: PUC-PR, 2015.

SANTOS, A. C. O.; MELO, M. R.; ANDRADE, T. S. Identificando modelos mentais de equilíbrio químico: uma alternativa para a melhoria do processo de ensino e aprendizagem. Revista Fórum Identidades, ano 9, v. 18, p. 35-56, 2015.

VIEIRA JUNIOR, N. Planejamento de um ambiente virtual de aprendizagem baseado em interfaces dinâmicas e uma aplicação ao estudo de potência elétrica. 2012. 233f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual de São Paulo Júlio Mesquita Filho, Ilha Solteira, 2012.

Publicado em 24 de janeiro de 2023

Como citar este artigo (ABNT)

SANTOS, Mateus José dos; MELLO, Rita Márcia Andrade Vaz de; CATÃO, Vinícius. Expressão de modelos no ensino de Química: o que pensam os estudantes sobre átomos e moléculas? Revista Educação Pública, Rio de Janeiro, v. 23, nº 3, 24 de janeiro de 2023. Disponível em: https://educacaopublica.cecierj.edu.br/artigos/23/2/expressao-de-modelos-no-ensino-de-quimica-o-que-pensam-os-estudantes-sobre-atomos-e-moleculas

Novidades por e-mail

Para receber nossas atualizações semanais, basta você se inscrever em nosso mailing

Este artigo ainda não recebeu nenhum comentário

Deixe seu comentário

Este artigo e os seus comentários não refletem necessariamente a opinião da revista Educação Pública ou da Fundação Cecierj.