sexta-feira, 29 de maio de 2015

INVENTÁRIO DO CONCEITO DE FORÇA



Tradução: Ednilson Souza[4]
            Especificamente, estabeleceu-se que (Ref. 01) (1) as crenças comuns sobre movimento e força são incompatíveis com conceitos newtonianos em vários aspectos, (2) o ensino de física convencional produz poucas mudanças nessas crenças, e (3) este resultado é independente do conteúdo e da maneira de ensinar. As implicações não poderiam ser mais graves. Evidentemente, os estudantes não aprendem a maioria dos conceitos básicos. Eles não compreendem boa parte dos assuntos dados nos cursos. Eles são forçados a lidar com o conteúdo por memorização de fragmentos isolados e pela realização de tarefas sem significado. Não admira que muitos repitam de ano! Os poucos que tem sucesso é divido seus próprios esforços. O curso e o professor fornecem somente a oportunidade e talvez a inspiração.
Tabela 1. Conceitos newtonianos no Inventário.
Item do Inventário
0. Cinemática

Velocidade discriminada pela posição
20E
Aceleração discriminada pela velocidade
21D
Aceleração constante implica trajetória parabólica
23D, 24E
Mudança de velocidade
25B
Adição vetorial de velocidade
(7E)
I. Primeira Lei

Sem força
4B, (6B), 10B
Velocidade de direção constante
26B
Velocidade de módulo constante
8A, 27A
Com cancelamento de forças
18B, 28C
2. Segunda Lei

Força impulsiva
(6B), (7E)
Força constante implica aceleração constante
24E, 25B
3. Terceira Lei

Para força impulsiva
2E, 11E
Para força constante
13A, 14A
4. Princípio da Superposição

Soma vetorial
19B
Cancelamento de forças
(9D), 18B, 28C
5. Tipos ou Força

5S. Contato sólido

Passivo
(9D), (12, B, D)
Impulsivo
15C
Atrito oposto ao movimento
29C
5F. Contato fluido

Resistência do ar
22D
Flutuante (pressão atmosférica)
12D
5G. Gravitação
5D, 9D, (12 B, D), 17C, 18B, 22D
Aceleração independente do peso
1C, 3A
Trajetória parabólica
16B, 23D

            A observação no parágrafo anterior não é direcionada aos muitos professores dedicados e competentes. Ela serve para refletir que uma instrução efetiva requer mais que dedicação e conhecimento do conteúdo. Requer conhecimentos de técnicas de como os estudantes pensam e aprendem. O objetivo desse artigo é fornecer um conhecimento técnico e instrumento para ajudar os professores a identificar e avaliar as crenças comuns de seus alunos. A boa notícia é que isso pode fazer a diferença! A má notícia é que não são de correções rápidas!
            O conceito central da mecânica newtoniana é o de força, em vista disso planejamos um instrumento para avaliar as crenças dos estudantes sobre esse assunto e como tais crenças comparam-se aos conceitos newtonianos. Uma cópia do instrumento, o Inventário do Conceito de Força, é incluído aqui para que os professores possam ver como é aplicado. No corpo do artigo discutimos o planejamento e o instrumento, como usá-lo e resultados obtidos até agora. O instrumento tem se provado valioso em qualquer nível de ensino de física introdutória na Universidade de Harvard. Apresentamos dados abrangentes da linha base que pode ser usada para conferir a efetividade do ensino de física em quaisquer desses níveis.
            Os dados do inventário promovem uma clara e detalhada imagem do problema das misconceptions comuns em física básica. Confirma-se a conclusão unânime de pesquisadores em educação que o problema é muito grave. Concluímos com a discussão do que pode ser feito sobre isso.
I. Estrutura e interpretação do Inventário
            O Inventário para o Conceito de Força (ver apêndice) requer uma escolha forçada entre conceitos newtonianos e alternativas de senso comum. A tabela 1 classifica os conceitos no Inventário, juntamente com os correspondentes itens. Esses itens são as respostas “corretas” para as questões do Inventário. Com exceção da questão 12 (explicada abaixo), há somente uma resposta para cada pergunta.
            Todos os conceitos na Tabela 01 são essenciais para aprender o conceito de força. A tabela é melhor interpretada como uma decomposição do conceito de força em seis dimensões conceituais. Todas as seis são necessárias para uma conceitualização completa. A dimensão cinemática, por exemplo, é necessária porque s segunda lei de Newton pressupõe o conceito de aceleração. Professores de Física não precisam de explicação para o resto da tabela. Note, contudo, que cada dimensão comporta questões de diferentes tipos.
            A primeira impressão para a maioria dos professores de Física é que as questões do inventário são muito banais. Isso causa um choque quando eles descobrem que seus próprios estudantes não conseguem responde-las. É verdade que as questões do inventário evitam a complexidade real da Mecânica. Mais tais “questões triviais” tornam-se relevante quando não são resolvidas adequadamente. As questões do inventário abordam somente conceitos newtonianos, assim não devemos dar grande peso aos itens individualmente. Há um falso positivo ocasional nas respostas não newtonianas e um falso negativo nas newtonianas. Mas somente a resposta verdadeira gera um padrão consistente de escolhas newtonianas com um lapso ocasional na maioria delas. Então o Inventário como um todo é um ótimo instrumento para detecção de pensamento newtoniano.
            Como uma regra, “erros” no Inventário são mais informativos que escolhas “corretas”. Alternativas de senso comum para conceitos newtonianos são comumente rotulados como misconceptions. No entanto, deveríamos dar a eles o mesmo respeito que damos aos conceitos científicos. As crenças comuns mais significativas foram firmemente defendidas pelos maiores intelectuais do passado (Ref. 02), incluindo Galileu e Newton. Consequentemente, essas crenças comuns são reconhecidas como hipóteses razoáveis fundamentais nas experiências do cotidiano. Acontece que elas são falsas, mas isso nem sempre é fácil de provar, especialmente se elas são disseminadas sem qualquer investigação mais séria durante o ensino tradicional. O Inventário, entretanto, não é um teste de inteligência, é uma avaliação do sistema de crenças.
            A tabela II apresenta uma taxionomia das misconceptions avaliadas pelo Inventário, uma taxionomia mais detalha foi descrita em outro artigo (Ref. 02), então podemos ser breve, sem tentativa de completude.
Tabela 2. Uma taxionomia das misconceptions avaliadas pelo inventário. A presença das misconceptions são sugeridas pelo corresponde item no Inventário.
Item do Inventário
0. Cinemática

K1. Posição-velocidade indiscriminada.
28C,D
K2. Velocidade aceleração indiscriminada
20A, 21B,C
K3. Composição de velocidade não vetorial.
7C
1. Impetus

I1. Impetus fornecido por um “empurrão”.
9B,C; 22B,C,E; 29D
I2. Perda/recuperação de um impetus inicial.
4D; 6C,E; 24A; 26A,D,E
I3. Dissipação do impetus
5A,8,C; 8C; 16C,D; 23E; 27C,E; 29B
I4. Acúmulo gradual/atrasado do impetus.
6D; 8B,D; 24D; 29E
I5. impetus circular.
4A,D; 10A
2. Força Ativa

AF1. Somente agente ativo produz força.
11B; 12B; 13D; 14D; 15A,B; l8D; 22A
AF2. Movimento implica atuação de força.
29A
AF3. Sem movimento implica sem força.
12E
AF4. Velocidade proporcional à aplicação da força.
25A; 28A
AF5. Aceleração implica incremento de força.
17B
AF6. Força causa aceleração na velocidade terminal.
17A; 25D
AF7. Força ativa se desgasta.
25C,E
3. Par ação/reação

AR1. Massa grande implica maior força.
2A,D; 11D; 13B; 14B
AR2. Agente mais ativo produz maior força.
13C; 11D; 14C
4. Concatenação de influências

CI1. Maior força determina o movimento.
l8A,E; 19A
CI2. Compromisso de força determina o movimento.
4C, 10D; 16A; 19C,D; 23C; 24C
CI3. Última força atuante determina o movimento.
6A; 7B; 24B; 26C
5. Outras influências sobre o movimento

CF. Força centrífuga.
4C,D,E; l0C,D,E
Ob. Obstáculos não exercem força.
Resistência
2C; 9A,B; 12A; 13E; 14E
R1. Massa faz o objeto parar
29A,8; 23A,B?
R2. Movimento quando a força supera a resistência.
28B,D
R3. Movimento opõem-se à força/ impetus.
28E
Gravidade

G1. Gravidade assistida pela pressão do ar.
9A; 12C; 17E; 18E
G2. Gravidade intrínseca à massa.
5E; 9E; 17D
G3. Objetos mais pesados caem mais rápido.
1A; 3B,D
G4. Gravidade aumenta à medida que objetos caem.
5B; 17B
G5. Gravidade atua depois que desgasta um impetus.
5B; 16D; 23E

A tabela lista 28 misconceptions distintas juntamente com os correspondentes itens do Inventário que sugerem sua presença quando detectado. Elas foram agrupadas em seis categorias de senso comum, que correspondem tão estreitamente quanto possível aos seis principais conceitos newtonianos (ou dimensões conceituais) na tabela 01. Cada categoria de senso comum contém um conjunto de misconceptions sobre o conceito newtoniano correspondente. Será instrutivo discutir cada categoria por sua vez.
0. Cinemática
            Em Cinemática não é apropriado falar de misconceptions. Isso porque o senso comum típico de movimento é vago e indiferenciado. Nesse sentido, conforme indicado na categoria Cinemática nas tabelas 1 e 2, o Inventário avalia a habilidade de distinguir entre posição, velocidade e aceleração, bem como reconhecer a natureza vetorial da velocidade e aceleração. O conceito mais rudimentar de aceleração é “conhecer quando se vê”.
1. Impetus
            As crenças comuns tendem a ser metafóricas e vagas com significado dependente das situações. Isso reflete o uso da linguagem. Então termos como “força”, “energia” e “potência” são normalmente usadas de forma alternada, assim como os termos “velocidade” e “aceleração”. Assim, para a maioria das pessoas existem dois tipos de forças, as quais nos referimos de impetus e força ativa. O termo “impetus" data desde períodos pré-Galileanos antes deste conceito ser discriminado cientificamente. Claro que os estudantes nunca usam o termo “impetus”; eles podem usar uma porção de termos, mas “força” é talvez o mais comum. Impetus é concebido como um “poder motivador” ou “força intrínseca” que mantém as coisas em movimento. Isto, lógico, contradiz a segunda lei de Newton, é por isso que o impetus na tabela 2 é atribuído o mesmo número da primeira lei na tabela 1. É evidente que se o estudante acredita em algum tipo de impetus ele não compreende a primeira lei.
Para que um objeto entre em movimento a ele deve ser fornecido um impetus, como expressado pelo senso comum I1 na tabela 2. Como expressado pelo senso comum I2, I3 e I4, o impetus pode ser ganhado ou perdido em uma variedade de maneiras que varia de estudante para estudante. Observe o “conteúdo metafórico” subjacente ao conceito de impetus: cada objeto é (como) um recipiente que pode armazenar uma quantidade de impetus, como um carro armazena gasolina, um tipo de “poder ir” para mantê-lo em movimento. Poucos estudantes acreditam em impetus circular (senso comum I5), que tende a mover objetos em círculo; eles justificam como uma “metáfora de treinamento”, que considera que os objetos tendem a fazer aquilo que foram treinados a fazer no passado (Ref. 02).
2. Força ativa
            O senso comum de força ativa é mais que impetus para o conceito newtoniano de força exceto, como expressado em AF1 na tabela 2, são atribuídos somente alguns “agentes ativos” (normalmente coisas vivas) e atua somente pelo contato direto. Agentes ativos são agentes causais – eles têm o poder de causar movimento – criar impetus e transferir a outros objetos, tal como um rapaz arremessa uma bola. Como indicado pela categoria 2 nas tabelas 1 e 2, força ativa é o conceito de senso comum que corresponde mais próximo à segunda lei de Newton. A noção de seno comum aproxima-se de uma “lei causal” expressa pelo seguinte silogismo:
                                              Todo efeito tem uma causa.
Movimento é um efeito.
Portanto, movimento tem uma causa.
Isso leva ao senso comum AF2 (movimento implica força ativa).
            Uma vaga analogia de senso comum com a segunda lei de Newton é que força ativa produz movimento. Quando velocidade e aceleração não são discriminadas como descritores do movimento, espera-se que “velocidade é proporcional à força” (senso comum AF4) não seja distinto de “aceleração é proporcional à força”. Agentes ativos têm seus limites: uma capacidade limitada para produzir movimento e uma tendência para o desgaste, como expresso por AF6 e AF7. Observe a metáfora de “pessoa agindo” para força ativa.
            Como um ponto técnico, observa-se que a crença comum AF1 (somente agente ativo produz força) não é evidente nas respostas A e B da questão 15, contudo são listadas na tabela 2, porque para justificar suas escolhas em entrevistas, os estudantes apelaram para AF1.
3. Par ação/reação
            Frequentemente, os estudantes interpretam o termo “interação pela metáfora conflito”. Eles veem uma interação como uma “luta entre forças opostas”. Segue-se da metáfora que “a vitória pertence ao mais forte”. Portanto, os estudantes consideram a terceira lei de Newton irracional, e eles preferem uma versão do princípio da dominância: em um conflito, o “mais forte” exerce maior força. Onde “mais forte” significa “maior”, “massa grande”, ou “mais ativo”, como expresso no senso comum AR1 (maior massa implica maior força), e AR2 (agente mais ativo produz maior força).
            Por causa de sua forte base metafórica, o princípio da dominância (embora raramente articulado de forma clara) é tão natural ao estudante que se torna uma das últimas misconceptions a ser superada na transição para o pensamento newtoniano. Na verdade, ela ainda pode ser encontrada em alguns estudantes da graduação, como veremos na seção III.
4. Concatenação de influencias
            O senso comum oferece diversas alternativas, como mostrei na categoria 4 da tabela 2, para o princípio newtoniano de superposição de forças. Frequentemente, os alunos aplicam o princípio da dominância na decomposição de duas forças atuando sobre um mesmo objeto, com uma das forças vencedora sobre a outra. Realmente, eles normalmente confundem o par ação/reação com a superposição de forças opostas sobre um objeto. Isso é outro exemplo de conceitos mal diferenciados típicos do pensamento de senso comum.
5. Outras influências sobre o movimento
            Ao contrário do mundo newtoniano, o mundo do senso comum não tem uma única concepção de força. Ao lado da força ativa, há outras influências sobre o movimento, como listado na categoria 5 da tabela 2. Atualmente, o Inventário não contém nenhum item projetado para investigar as misconceptions de força centrífuga listada na tabela. Essas misconceptions somente são sugeridas pela maneira que os itens são listados nas questões do Inventário. A investigação exigiria entrevista ou explicação do estudante. Temos encontrado professores do ensino médio que pensam que a força centrífuga é um tipo distinto de força. Tal é o poder de um nome!
            No mundo do senso comum, obstáculos como cadeiras e paredes, não exercem força “eles só ficam no caminho”. Massa é reconhecida como um tipo de resistência, porque ela “resiste” ao esforço de um agente ativo. O movimento ocorre somente quando a força ativa “supera” a resistência (observe a metáfora) e cessa quando a força se torna “muito fraca’.
            No mundo do senso comum “gravidade” não é necessariamente o mesmo que “força gravitacional”. Quando eles são os mesmos, o senso comum G3 (objetos mais pesados caem mais rápido) pode ser reconhecido como um caso especial de AF5 (aceleração implica incremento de força). O conceito G3 pode parecer verdadeiro, mas a misconceptions subjacente é uma questão de escala, tanto que o senso comum é frequentemente esquecido. Acredita-se que a gravidade varia significativamente em poucos metros, no entanto a variação é, na verdade, uma parte em .
II. Resultados e implicações
O Inventário do Conceito de Força já foi aplicado para mais de 1500 alunos do ensino médio e mais de 500 estudantes universitários. Os resultados são mostrados na Tabela 3 juntamente com o resultado pós-teste para a Linha Base em Mecânica descrita em outro artigo (Ref. 04). Com o objetivo de fazer uma comparação, o teste da Linha Base pode ser considerado como um teste de resolução de problema sobre conceitos newtonianos. Exceto para dois dos autores (Wells e Swackhamer) todos os professores que testaram os resultados da Tabela 03 não conheciam o teste previamente. Ambos, Wells e Swackhamer, foram bastante cuidadosos ao não ensinar o teste em suas aulas.

Tabela 3.  Pontuação do Inventário e Linha Base
Classe
Inventário
Pré-teste
%
Inventário
Pós-teste
%
(Desv. Pad)
Linha Base
Pós-teste
%
(Desv. Pad)
Pós-teste
Número de Alunos
N
Ensino Médio




Arizona Reg.
27 (11)
48(16)
32 (11)
612
Wells Reg.
28 (14)
64 (20)
42 (16)
18
Chicago Reg.
27
42

56
Arizona Hon.
33 (13)
56 (19)
37 (15)
118
Wells Hon.
42 (18)
78 (15)
62 (17)
30
Swackhamer Hon.
28
66
47
63
Arizona AP
41 (16)
57 (18)
39 (15)
33
Swackhamer AP
73
85

11
Graduação




Van Heuvelen 105
34 (14)
63 (18)
61 (18)
116
Wells 105
36
68
43
44
Arizona Reg.
52 (19)
63 (18)
48 (15)
139
Harvard Reg

77 (15)
66 (14)
186
Harvard Hon.


73 (11)
75

Observações: Os escores médios e desvios padrões em todos os testes são dados em porcentagem (%). N é o número de estudantes que realizaram o pós-teste; variações no número de estudantes que fizeram o pré e o pós testes são considerados insignificantes, ou pelo menos não informativos. Arizona Reg. combina dados de 15 professores. Chicago Reg. são turmas do ensino médio regular da área de Chicago. Nem Wells, nem A. Van Heuvelen empregaram métodos de ensino por modelagem como professores do Chicago Regular.
Resultado no ensino médio
Além de Wells and Swackhamer, dezoito professores de física do ensino médio do estado do Arizona participaram do estudo. Os escores médios para todos os estudantes são dados na Tabela 3, agrupados de acordo com o nível: Arizona Reg. e Arizona Hon. significa primeiro ano regular e primeiro ano de honra respectivamente. Arizona AP significa “colocação avançada” no segundo ano, que geralmente fazem cálculos baseados em livros textos da Universidade. Sobre o teste de matemática elementar (principalmente álgebra), os três níveis são distinguidos por escores médios percentuais (desvio padrão) de 40(19), 53(22) e 63(20), respectivamente. Portanto, de acordo com conclusões anteriores (Ref. 01), isso não tem correlação significativa com os dados da tabela 3, exceto a pontuação ligeiramente um pouco maior do Arizona AP na Linha Base. Uma vez que os escores iniciais de matemática para o Wells Reg. e Wells Hon. são praticamente os mesmos averiguados para as escolas do Arizona, mas a pontuação dos pós-testes em física são muito maiores, concluímos que a matemática não foi um fator determinante nos resultados da tabela 3.
Tabela 4.. Pontuação do Inventário do Arizona vs competência do professor
Competência do professor
Regular Pré %
Regular Pós %
Honra Pré %
Honra Pós %
AP Pré %
AP Pós %
Nível socioeconômico da escola
Número de estudantes
1
28
48




4
30
2
24
45
30
52
56
64
5
7/26/8
3
29
53




3
36
4
25
44




1
93
5
34
59




3
18
6


39
67


2
46
7
25
52




3
67
8
29
46




3
73
9
28
40
25
40
39
47
4
32/36/9
10




35
60
2
16
11
30
51




2
42
12
28
64




3
15
13
25
49




13
12
14


37
73


2
10
15
27
50




2
75
16
31
47




1
45
17
24
44




1
12
18
23
33




5
16

Observações: A posição da competência do professor =1 corresponde à maior competência docente. Nível socioeconômico =1 corresponde à escola com estudantes de nível socioeconômico mais alto.
O ganho geral de 20% para o Arizona Reg. e 23% para o Arizona Hon. certamente são significantes, mas tivemos razões para esperar mais. Todos os professores estavam envolvidos em um projeto de ensino de física pela NSF conduzidos por Wells e Hestenes. No primeiro ano do projeto, os dados dos pré e pós testes foram colhidos na classe de cada professor. Durante o verão seguinte, os professores participaram de uma oficina intensiva de seis semanas onde foi introduzido um novo método de ensino de física para o ensino médio desenvolvido por Wells, e todos os professores concordaram em colocá-lo em prática no ano seguinte. Quando os dados dos pré e pós testes referentes ao segundo ano foram comparados com os dados do primeiro ano, uma melhora significativa foi evidente em somente dois casos. Os dados gerais do pós-teste para os dois anos diferiram por um leve percentual, somente um pouco acima dos dados dos pré-testes. Concluímos de forma relutante que nenhuma melhora geral foi conseguida, então organizamos os dados combinados para ambos os anos na Tabela 3 para formar um bom banco de dados. A tabela 3 também inclui dados de ensino convencional de uma turma “regular de física” realizado por Swackhamer em sua própria classe, em Chicago, para mostrar que os resultados não foram melhores que os resultados do Arizona. Não temos nenhuma razão para acreditar que resultados melhores podem ser encontrados em qualquer ensino de física tradicional dos Estados Unidos.
Os dados dos pré e pós testes para as turmas individuais dos professores são mostrados na Tabela 4, juntamente com uma classificação socioeconômica de suas escolas sob cinco escalas de pontuação: (1) alta, (2) média alta, (3) média, (4) média baixa e (5) baixa. Algumas escolas em um nível muito baixo têm número substancial de americanos nativos e hispânicos, mas poucos desses estudantes fazem física. Os professores são organizados por uma classificação de competência com o número 1 como o mais alto. A classificação de competência é formada a partir de uma combinação subjetiva de conhecimento acadêmico, pontuação no Diagnóstico de Mecânica e experiência de ensino. Oito professores têm B.A em física ou são mestres em ensino de ciências com ênfase em física. Quatorze possuem escore no diagnóstico de mecânica abaixo de 80%, grosseiramente comparado ao mesmo escore do Inventário (ver seção 3). Em outro artigo (Ref. 04), damos razões para reconhecer 80% do Inventário como um limiar de classificação para o pensamento newtoniano. Consequentemente, concluímos que pelo menos 80% dos professores do Arizona são bem qualificados para o ensino de física no nível médio. Na verdade, estamos impressionados com a performance de um professor classificado como baixo em conhecimento de física, quem (e achamos que isso é importante) teve o privilégio de trabalhar em estreita colaboração com outro professor altamente classificado.
Analisando a Tabela 04, não vemos correlação de resultados com o nível socioeconômico e a computação para averiguar os escores para cada nível confirma isso. Uma razão para esse resultado é que o subconjunto de estudantes que fazem física é atípico considerando toda a população de estudantes. Contudo, há grande variação de escola para escola. Por exemplo, os alunos do professor 12 foram brilhantes e motivados, alguns deles filhos de engenheiros e professores de uma comunidade de mineração. Dos alunos do professor 01, 60% são do gênero feminino e somente 20% são americanos nativos. Na escola do professor 09 a população de estudantes é igualmente dividida entre pretos, hispânicos e brancos, mas 90% dos que acharam a disciplina difícil eram brancos. Nesta luz, a independência dos resultados dos pós-testes com o nível socioeconômico é a observação mais notável. Os resultados da Tabela 04 também não mostram correlação do escore do pós-teste com o nível de competência, com exceção do professor 18 (que teve pontuação no Diagnóstico de somente 39%). Isto sugere que os resultados dos estudantes são improváveis de ultrapassar os escores dos professores! No entanto, tal conclusão é confusa pelo fato que a escola do professor 18 está na parte inferior da escala socioeconômica, com muitos filhos de trabalhadores migrantes, que possuem baixo escore em todo tipo de teste acadêmico.
Os escores do Arizona na Tabela 3 devem ser comparados com os melhores restultados conseguidos pelas classes de honra de Wells e também Swackhamer AP. O contraste é tão grande que temos razão de duvidar da validade das altas pontuações dos pós-testes das turmas de honra do Arizona (67 e 73) na Tabela 4. Observe que o resultado do Arizona AP na tabela 3 não é maior que o resultado do Arizona Honra apesar dos anos extras no estudo da física e o ganho médio do Inventário AP é um mero 5%. Por outro lado, para a turma de hora de Wells, o ganho do Inventário é um impressionante 36% e os resultados os pós-testes combinados são comparáveis aos da turma regular da Universidade de Havard, um curso de física introdutória baseada em cálculo para cientistas (principalmente biólogos e médicos). Os resultados de Wells prosseguiram similares durante vários anos.
O grande resultado da turma de honra de Wells comparado com sua turma regular é digno de nota. A percepção da ambos, Wells e Swackhamer, é que as duas turmas não diferem muito em termos de competência em matemática e ciências. A principal diferença foi a atitude. Estudantes em turmas de física de honra são altamente motivados e ansiosos para prosseguir a atividade por eles próprios. Por outro lado, estudantes de turmas regulares requerem contínua supervisão do professor. O nível socioeconômico para ambas as turmas de Wells e Swackhamer é média alta, a maioria das famílias dos profissionais são incluídas nesse nível e é provavelmente a maior fonte de motivação dos estudantes de honra em física.
Os escores altos de Swackhamer na Tabela 3 são explicados, pelo menos parcialmente, pelo fato que ele teve muito mais treinamento no “método de Wells” que os professores do Arizona. Além de ter maior familiaridade com as ideias chaves do método, Swackhamer passou a maior parte dos anos acadêmicos trabalhando ao lado de Wells em sua sala de aula. O escores de Swackhamer AP são comparados com os escores da turma regular da Universidade de Havard, visto que 94% dessa turma há havia feito um ano de física no ensino médio.
Os dados de Wells e Swackhamer foram conclusivos para mostrar que houve superação das misconceptions e que foi possível a compreensão de conceitos da mecânica newtoniana. Comparando com os dados do Arizona podemos concluir que tal ganho não é possível com o ensino convencional. A questão que fica é: por que foram tão poucas as melhoras nos resultados do Arizona após as oficinas sobre o método de Wells?
Uma resposta para tal questão é sugerida pelo exame do que aconteceu na oficina. Todos os professores do Arizona foram motivados sobre a oficina e o método de Wells, eles testificaram uma grande melhora no interesse dos alunos e também na qualidade de suas instruções. O método foi baseado em computador e laboratório orientado sem nenhuma leitura, mas com muita discussão em classe e alguma técnica especial para estimula-los. O uso dos computadores foi vantajoso para reduzir o trabalho na coleta e análise de dados, maior tempo foi disponível para compreender os significados. Das discussões com os professores após o segundo ano de oficina, ficou claro que eles foram se envolvendo com a mecânica usando os computadores, atividades de laboratório, técnicas de discussão que eles não se importaram em apreciar o ponto pedagógico crucial para a efetividade do método. O resultado líquido é que ficou demonstrado que tecnologia por ela mesma não melhora o ensino. O melhor que a tecnologia pode fazer é aumentar a efetividade de uma boa pedagogia.
Resultados dos universitários
Como parte de um experimento pedagógico, o professor Alan Van Heuvelen da Universidade do Novo México, convidado do professor Hestenes por dois outonos consecutivos para testar a efetividade da nova técnica pedagógica junto a 105 físicos do Arizona. Aqui não é o lugar para discutir tal técnica, basta dizer que ela teve muito em comum com a que foi aplicada por Wells. 105 físicos de um “curso de interface” com a intenção de preparar estudantes que não haviam estudado física no ensino médio ou possuíam alguma deficiência acadêmica, para fazer o curso universitário de física baseado em cálculo (chamado aqui de Arizona Regular).
A efetividade da abordagem de Van Heuvelen fica evidente na Tabela 3 quando comparamos seu curso, Van Heuvelen 105, com o Arizona Regular e Universidade de Havard Regular, ambos ensinados por método convencional. Observe que o resultado do pré-teste do Inventário não é muito melhor que o das escolas do ensino médio. Por esses e por outros índices, tal como o conhecimento matemático deficiente, os 105 estudantes certamente cairiam no conjunto da terça parte de menor pontuação, juntamente com o Arizona Reg. Já a pontuação do pós-teste foi claramente superior. Aqui novamente tivemos a evidência clara que a pedagogia pode fazer a diferença!
Para expandir a experiência pedagógica com a física 105, Wells tentou ensinar seu curso em um semestre. Deve ser dito que o método de Wells não era compatível com a grande leitura requerida pelo formato do curso da física 105, e isso é refletido no baixo resultado da Linha Base mostrado na Tabela 3. Contudo, melhora na parte laboratorial do curso foi considerável, e isso é refletido no resultado do pós-teste do Inventário.
Os dados de Harvard na Tabela 3 fornece um índice valioso do melhor que pode ser alcançado com o ensino universitário convencional. Estudantes de honra da Universidade de Harvard são muito bons em física, mas o curso é essencialmente o mesmo da Harvard Reg.
O tempo usado para fazer os testes foi uma variável importante. Para os estudantes de Harvard os testes foram realizados com a ajuda do computador, e eles puderam pensar um pouco mais sobre a resolução do problema. Contudo, o computador não permitia o back-tracking. Alguns estudantes relataram que eles haviam percebido um erro no problema anterior e que não poderiam voltar atrás para corrigir. Por essa razão os resultados de Harvard foram um pouco mais baixos.
Os computadores de Harvard mediam com precisão o tempo gasto por cada aluno para resolver cada questão. Então pudemos medir um tempo de 23 minutos para o Inventário e 40 minutos para a Linha Base. Todas as turmas do ensino médio na Tabela 3 tiveram um tempo suficiente para ambos os testes, até toda a classe terminar (50 minutos). As três classes do Arizona tiveram um tempo médio de 40 minutos para o Inventário, e a Linha Base foi incluída como um exame final, para o qual tiveram tempo suficiente para responder.
III. Teste de validade e análise de itens
            O Inventário para o Conceito de Força foi elaborado para aprimorar o teste de Diagnóstico de Mecânica descrito em detalhes em outro lugar (Ref. 01). Os resultados originais obtidos com o Diagnóstico tem sido desde então replicados por outros pesquisadores, assim temos grande confiança da fiabilidade do teste e as conclusões extraídas dos dados. A confirmação maior vem dos resultados do Inventário na tabela III. De fato, as pontuações máximas em ambos os testes podem indicar comparações de compreensões em mecânica newtoniana. Os escores nos pré/pós teste para o Inventário de 52/63 o Estado do Arizona Reg. são quase idênticos aos 51/64 obtidos com o Diagnóstico para o mesmo curso. Ademais, além dos dados da Tabela III, encontramos pós-teste de 60 e 63 para dois outros professore que ensinam no mesmo curso. Dessa forma, temos o incrível resultado quase idênticos para escores do pós-teste entre sete diferentes professores (com mais de mil alunos). É difícil imaginar uma evidência estatística para a conclusão de que os resultados do Diagnóstico para um ensino convencional são independentes do professor. Podemos inferir que o modesto 11% alcançado pelo Arizona Reg. na Tabela III foi devido ao esforço dos próprios estudantes.
            Embora os percentuais dos escores do Inventário e do Diagnóstico sejam parecidos, o Inventário teve a vantagem de uma maior sistematicidade quanto ao perfil de várias misconceptions, como delineado na Tabela II. Cerca da metade das questões do Inventário são essencialmente as mesmas questões do Diagnóstico, pois não encontramos outras melhores para substituir. Cuidados consideráveis foram tomados para estabelecer a validade e confiança no Diagnóstico (Ref. 01). Os mesmos procedimentos formais foram desnecessários na elaboração do Inventário, dada a similaridade no planejamento das questões com as do Diagnóstico e os dados divergentes serão apresentados aqui. Contudo, temos tomado precauções no sentido de entrevistar os estudantes sobre suas respostas. Um de nós, Swackhamer, entrevistou 20 estudantes da sala de aula de Wells. Ele ficou impressionado com a previsibilidade das respostas, como se os estudantes estivessem recitando os resultados de entrevistas anteriores (Ref. 02). Ele encontrou que os estudantes tinham sólidas razões para a maioria de suas escolhas, embora ele tenha detectado equívocos em algumas alternativas. Escolhas não newtonianas raramente foram feitas pelos estudantes usando conceitos newtonianos relevantes, mas escolhas newtonianas para razões não newtonianas foram bastante comuns. Então, exceto possivelmente para altos escores (digamos, acima de 80), os resultados do Inventário devem ser reconhecidos como um limite superior da compreensão newtoniana dos estudantes. Tudo isso está completamente de acordo com as conclusões do Diagnóstico (Ref. 01, 02).
            Um de nós (Hestenes) entrevistou 16 estudantes iniciantes da graduação no curso de mecânica na Universidade do Estado do Arizona. As entrevistas enfocaram as questões que eles erraram no Inventário (mais de meia hora para a maioria dos alunos). Metade dos alunos eram americanos e outra metade estrangeiros (principalmente chineses). Somente dois estudantes (ambos chineses) exibiram uma compreensão perfeita de todos os conceitos físicos do Inventário, embora um deles tenha errado diversas questões devido deficiências graves no Inglês. Esses dois também foram considerados os melhores estudantes nas aulas de mecânica, com pontuações próximas em todos os testes e resoluções de problema. Todos os outros estudantes exibiram compreensão deficiente sobre flutuabilidade, como mencionado anteriormente. As maiores misconceptions graves foram encontradas em três americanos que claramente não haviam compreendido a terceira lei de Newton (detectado pelo exame da questão 13) e apresentavam grandes problemas de leitura. Dois deles ainda retinham o conceito de impetus, enquanto as outras misconceptions eram sobre atrito. Não sem surpresa, o estudante com as misconceptions mais severas não obteve êxito nos problemas de mecânica, enquanto os outros dois conseguiram passar do primeiro ano no probatório.
            Em entrevistas com estudantes da graduação que tiveram dificuldades com a terceira lei de Newton foi pedido que desenhassem um diagrama de corpo livre para cada veículo da questão 13, assim como para os dois sistemas de veículos como um todo. Isso revelou um conjunto de deficiências. Todos os três estudantes foram incapazes de desenhar um diagrama correto; eles tiveram dificuldade em isolar o sistema de interesse, separar agentes externos do objeto e determinar o ponto de atuação da força. Eles falharam ao realizar a universalização da terceira lei de Newton ou reconhecer as circunstâncias para aplica-la. Como os estudantes iniciantes, eles ficaram confusos no balanceamento de forças sobre o objeto isolado (superposição) com forças iguais e opostas sobre diferentes objetos interagindo aos pares. Eles claramente aplicaram o “princípio da dominância” para o par ação/reação na questão 13. As entrevistas induziram cada estudante a reconhecer que a interação equivocada entre os veículos para obedecer à terceira lei de Newton resultava em um sistema de auto aceleração. O encorajamento resultante das entrevistas foi que todos os três estudantes foram levados a reconhecer, articular e corrigir cada engano quando a atenção foi direcionada a eles de forma socrática. Finalmente, talvez eles tenham chagado a uma compreensão segura da terceira lei de Newton.
            Uma observação perturbadora nas entrevistas foi que cinco dos oito americanos, bem como cinco dos outros estudantes não americanos, exibiram severas dificuldades na compreensão de textos em inglês. Na maioria dos casos, a dificuldade poderia ser traçada para ter um panorama do papel crítico de “poucas palavras” tais como preposição em determinados significados. Como uma consequência, descartamos dois problemas interessantes de nossa versão original do Inventário por que frequentemente eles eram traduzidos de forma equivocada. A Tabela V dá a classificação para todos os itens na escala do Inventário e suas interpretações correspondentes na Tabela I. Ela também mostra a porcentagem dos itens dos pré e pós testes para os grupos de maiores interesses na Tabela III. Esses dados contém uma riqueza de informações, embora você tenha que conhecer alguma coisa sobre o ensino para extrair mais deles. Há algumas conclusões dos dados. Particularmente são dicas de como os professores do Arizona se tornarem mais efetivos.
(1)  Wells e Van Heuvelen encaminharam com sucesso a terceira lei de Newton. Os professores do Arizona não (questões 2, 11, 13 e 14). A chave para a terceira lei de Newton foi a questão 13; note como difere da 14 para a maioria dos estudantes. Também note o “progresso” dos estudantes do Arizona na questão 11, da confusão de B para D.
(2)  As questões que possibilitam a análise por diagrama de forças são: 5, 9, 12, 22 para identificação de forças, e 18, 28 para encontrar a força líquida. Em geral, Wells e Van Heuvelen foram bem melhores que os professores do Arizona.
(3)  Por que Wells e Van Heuvelen foram bem melhores que os professores do Arizona em uma questão trivial de cinemática (questão 21)? Talvez porque eles foram mais sistemáticos e cuidadosos no ensino de técnicas de gráficos e “mapas de movimento” para representar movimentos.
(4)  As questões 19 e 29 são fracos discriminadores, então eles poderiam ser descartados do teste. A questão 19 visou avaliar a compreensão sobre o princípio da superposição. Mas uma alta porcentagem selecionou a resposta correta como se fosse falsa. Pensando bem, é claro que a resposta newtoniana poderia ser facilmente justificada pelo princípio da dominância não-newtoniano. O item 9D é melhor discriminado, embora ele envolvesse outros conceitos. Similarmente, a seleção da resposta correta 9C foi baseada em uma crença errônea sobre o decaimento do impulso.
(5)  A alta quantidade de estudantes que escolheram a resposta 23A é curiosa. A escolha pode estar ligada à experiência perceptiva de deixar cair um objeto pela janela de um carro em movimento.
(6)  Note que a maioria dos estudantes de Harvard escolheram a resposta errada, 24C. Isso pode ser o resultado de leitura superficial – incentivando a conclusão de que a força impulsiva atua como em 6B. Alguns estudantes perceberam o erro quando ao lerem a questão 25, mas não poderiam voltar atrás para corrigi-la.
(7)  Observe a persistência nas crenças 3B e 3D (o mais pesado cai mais rápido). Isso pode ser comparado com o melhor desempenho na questão 01. O que é sem dúvida o que é discutido em muitas salas de aula.
(8)  Finalmente, é interessante notar que o “ensino do teste” ou a quebra da segurança do teste pode ser revelado em uma frequência anômala na distribuição dos resultados, mais visivelmente quando todos os estudantes selecionam as mesmas respostas erradas.
IV. Usos para o Inventário
O Inventário do Conceito de Força não é “apenas outro teste de física”. Ele avalia o alcance global dos estudantes sobre o conceito de força. Sem esse conceito o resto da mecânica fica inútil, não tem significado. Deve, portanto, ser perturbador ao invés de confortar que estudantes com apenas escores moderados sobre o Inventário possam ter boas pontuações em testes convencionais e terem boas notas em física. No curso, professores experientes aprenderam a evitar problemas “muito difíceis” para os estudantes. Isso inclui a maioria dos problemas qualitativos vistos como simples até as respostas dos alunos são examinadas. Os estudantes são melhores em problemas qualitativos quando a resposta é um número obtido pela substituição em uma equação apropriada, e até mesmo em problemas mais difíceis que requerem alguma manipulação algébrica. Assim, não deveríamos ficar satisfeitos que eles desenvolveram habilidades quantitativas? Afinal, física é uma ciência quantitativa! Ou temos aqui um processo de seleção direciona professores a problemas que os estudantes podem resolver com um mínimo de compreensão?
Como seu predecessor, o Diagnóstico de Mecânica (Ref. 01), o Inventário do Conceito de Força pode usado no ensino e na pesquisa. A aplicação recai em três principais categorias:
(1)  Como ferramenta de diagnóstico, o Inventário pode ser usado para identificar e classificar misconceptions. Ele é especialmente valioso para professores, para aumentar suas consciências das misconceptions de seus próprios alunos. O maior insight é atingido quando a intervenção é feita baseada no Inventário, quando os estudantes são questionados a darem razões de suas escolhas. Técnicas de entrevista para descobrir misconceptions em mecânica foi discutido por McDermott (Ref. 05). Entrevistas consomem muito tempo, mas não é necessário repeti-las em cada classe, porque as misconceptions são universais. Desde que os professores tenham suficiente insight com as misconceptions, as entrevistas passam a ser desnecessárias para saber quais delas estão presentes e devem ser abordadas. A técnica de entrevista para estudantes individuais deve ser transformada em técnica de discussões em classe para sondar as misconceptions e estimular a interação entre os estudantes para induzir mudança conceitual. Quando habilmente feito, este é um dos mais efetivos meios de lidar com as misconceptions. Arnold Arons é talvez o mais experiente praticante, e ele tem um sábio conselho a oferecer (Ref. 06).
(2)  Para avaliar o ensino, temos evidências substanciais que o Inventário é um instrumento muito preciso e confiável. Temos coletado dados tanto no pré quanto no pós-teste para fins de investigação, mas os resultados dos pré-testes são poucos uniformes para estudantes iniciantes em física que mais testes preliminares são realmente desnecessários, exceto para convencer os incrédulos ou para conferir o nível conceitual de uma nova população. As evidências de ganho do Inventário são suficientes para nossa conclusão de que, para um ensino efetivo, somente o resultado do pós-teste é suficiente. O ganho do pré/pós-teste será grande se o escore do pré-teste for baixo, mas será pequeno se o escore do pré-teste for alto. O resultado final será quase o mesmo em qualquer caso – se o ensino for efetivo. Não é mais aceitável culpar o baixo resultado no pós-teste devido o pobre conhecimento dos alunos. A principal deficiência é provavelmente o ensino.
É possível, é claro, dar altos escores no Inventário pelo “ensino do teste”. Os estudantes podem memorizar as respostas do Inventário assim como qualquer outra coisa. Mas as respostas tem pouco significado para eles mesmos. É o raciocínio do estudante para dar estas respostas que realmente importa. As questões do Inventário são sondas para estimular o raciocínio, então o processo é um curto-circuito se as “respostas corretas” são fornecidas para serem repetidas sem raciocínio. As questões do Inventário podem ser um ponto de partida útil como foco para discussões em classe, mas que se opõem ao usar o Inventário como avaliação, por isso é aconselhável usar outras maneiras para estimular as discussões. Contudo, é o professor quem decide, é claro!
(3)  Como exame de colocação, o Inventário tem valor limitado no ensino médio. Ele não é um teste de habilidade, então ele não deve ser usado com estudantes iniciantes. Ele pode ser usado em faculdades e universidades para ajudar a determinar se a compreensão em física introdutória dos estudantes é suficiente para um curso mais avançado. Para este propósito, ele deve ser usado em conjunto com a Linha Base em Mecânica ou algum outro teste.
V. Superando Misconceptions
            O conhecimento sobre a natureza e extensão das misconceptions dos estudantes é insuficiente por si só para melhorar a efetividade do ensino. Simplesmente dizer aos aprendizes sobre suas misconceptions, como ensinar para o teste, tem muito pouco efeito. Para induzir mudança conceitual significativa, um bem conhecido e testado método de ensino é essencial. Como em qualquer outra competência intelectual complexa, um ensino eficaz requer sólidos conhecimentos técnicos.
            Aqui não é o lugar para discutir uma técnica instrucional específica, mas algumas observações gerais sobre nossa própria orientação instrucional podem ser de grande ajuda. Primeiramente, gostaríamos de alertar contra uma abordagem fragmentada direcionada a cada misconception separadamente. Misconceptions podem ser superadas com sucesso somente quando algo melhor (conceitos newtonianos) está disponível para substituí-las. Além disso, uma grande fortaleza da mecânica newtoniana é que ela é um sistema conceitual coerente, e isso pode ter tanto impacto na aprendizagem dos alunos como teve sobre os cientistas que adotaram o sistema em primeiro lugar. Nesse sentido, nosso objetivo principal no ensino é um conceito unitário de força com todos os seis de seus principais componentes listado na Tabela I. Dentro desse contexto, as misconceptions dos estudantes são eliciadas e tratadas quando entram em conflito com conceitos newtonianos. O professor deve antecipar as discussões de misconceptions específicas quando for provável de ser mais rentável, a atenção dos alunos deve focar sobre questões cruciais, e trazer as discussões para um fechamento satisfatório. Isto requer planejamento, preparação e prática. Isso não é fácil de fazer, mas pode ser gratificante tanto para o professor quanto para os estudantes.
            Embora o ensino deva levar em conta sistematicamente as misconceptions para ser efetivo, em nossa experiência percebemos que é desnecessário lidar com todas elas de forma explícita. Algumas delas, tais como “impetus circular”, tendem a desaparecer com o tratamento da maioria das misconceptions e o crescimento de conceitos newtonianos. Dentre as principais misconceptions aqui colocadas o conceito de impetus do movimento e o princípio da Dominância ou o conceito de conflito na interação são as mais difíceis e normalmente as últimas a serem superadas. A menos que sejam efetivamente tratadas, elas podem persistir na mente dos estudantes por muito tempo, mesmo na universidade, como temos notado muitas vezes. Para os estudantes com princípios em Física, todas as misconceptions tendem a desaparecer espontaneamente durante o processo de enculturação. Isso fica evidente a partir de um fato paradoxal que poucos físicos profissionais conseguem lembrar de nunca ter acreditado, muito menos ter superado, de alguma das misconceptions, embora a pesquisa tenha estabelecido inequivocamente que todas as pessoas os tem antes de aprender física. O ensino convencional funciona para alguns alunos, mas na melhor das hipóteses ele é lento e ineficiente. Agora temos fortes evidências que as misconceptions podem mudar, tendo em conta a melhoria do ensino de física.
            Mas isso não é suficiente por si só. No ensino tradicional, a resolução de problema é uma habilidade reconhecida como sine qua non na compreensão em física. Não somos contra, mas queremos enfatizar que certos conceitos e modelos de raciocínio devem ser desenvolvidos antes da resolução de problema para que o ensino seja efetivo. Isso inclui competências em representações diagramáticas e gráficas para movimento e força, criticamente discutido na Ref. 07 e enfatizado no sucesso dos cursos de Wells, Swackhamer, e Van Heuvelen (de acordo com os resultados da Tabela III). Nossos dados sugerem que existe um tipo de limiar conceitual próximo a 60% no Inventário. Abaixo desse limiar, a compreensão dos alunos sobre conceitos newtonianos é insuficiente para resolver problemas. Isso deve explicar o baixo escore dos cursos do Arizona Reg. sobre a “resolução de problema” do teste de Linha Base (Tabela III), pois nenhum deles se aproxima de 60% no Inventário.
            Para estudantes iniciantes abaixo do limiar de 60% é importante levar em conta as misconceptions. Arons (Ref. 06) apresenta uma extensa discussão sobre esse assunto, bem como muitos outros insights no ensino de física. Minstrell e Stimpson (Ref. 08) promovem uma abordagem sistemática para algumas das mais básicas misconceptions, especialmente sobre gravidade. Clement (Ref. 09) desenvolveram uma técnica de ensino chamada “bridging” que explora pontos fortes em intuições de estudantes para induzi-los a estabelecer “pontes” conceituais entre diferentes situações físicas, afinando, assim, seus reconhecimentos de diferenças e similaridades.
Agradecimentos
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation. David Marcus foi bastante prestativo em organizar e analisar os dados. Agradecemos aos muitos professores do ensino médio e universitários que cooperaram na coleta de dados em suas classes, especialmente Eric Mazur, que forneceu os dados em Harvard e sugeriu melhorias no Inventário.
Referências
1. I. Halloun and D. Hestenes, "The initial knowledge state of college physics students," Am. J. Phys. 53, 1043 (1985).
2. I. Halloun and D. Hestenes, "Common-sense concepts about motion," Am. J. Phys. 53, 1056 (1985). This article contains a fairly complete taxonomy of misconceptions about mechanics.
3. M. Steinberg, D.E. Brown, and J. Clement, "Genius is not immune to persistent misconceptions: Conceptual difficulties impeding Isaac Newton," lnt. J. Sci. Educ. 12, 265 (1990).
4. D. Hestenes and M. Wells, "A mechanics baseline test," Phys. Teach. 30, 159 (1992).
5. L. McDennott, "Research on conceptual understanding in mechanics," Phys. Today 37 (7), 24 (1984).
6. A. Arons, A Guide to Introductory Physics Teaching (Wiley, New York, 1990), p. 50ff.
7. D. Hestenes, "A modeling theory of physics instruction," Am. J Phys. 55,440 (1985).
8. J. Minstrell and V. Stimpson," A teaching system for diagnosing student conceptions and prescribing relevant instruction," Sci. Teach. (submitted). (Copies are available from J. Minstrell, Mercer Island High School, 9100 SE 42nd, Mercer Island, WA 98040.).
9. J. Clement, "Nonformal reasoning in experts and science students; the use of analogies, extreme cases and physical intuition," in J. Voss, D. Perkins, and J. Segal (eds.) Informal Reasoning in Science Instruction (Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale NJ, 1991), pp. 345-362. (Copies are available from J. Clement, Scientific Reasoning Research Institute/Hasbrouck, University of Massachusetts, Arnherst, MA 01003.).



[1] Publicado em The Physics Teacher, Vol. 30, March 1992, 141-158.
[2] Department of Physics and Astronomy, Box 871504, Arizona State University, Tempe,
Arizona 85287-1504.
[3] Glenbrook North High School, 2300 Shermer Rd., Northbrook, Illinois 60062.
[4] Docente do Instituto de Ciências da Educação, Universidade Federal do Oeste do Pará, Santarém, Pará, Brasil.

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