UTILIZAÇÃO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO
FERRAMENTA PARA O ENSINO DE GEOMETRIA
MOLECULAR NO ENSINO MÉDIO
Sthefen F. Andrade Da Ronch – [email protected]
Universidade de Passo Fundo, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e
Matemática
Passo Fundo – Rio Grande do Sul
Elisena C. Battistela Maidana – [email protected]
Universidade de Passo Fundo, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e
Matemática
Passo Fundo – Rio Grande do Sul
Alana Neto Zoch – [email protected]
Universidade de Passo Fundo, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e
Matemática
Passo Fundo – Rio Grande do Sul
Resumo: O ensino de Química é tradicionalmente guiado pelos livros didáticos, onde o
professor utiliza práticas pedagógicas baseadas em métodos de transmissão de
conteúdos superficiais, fragmentados e descontextualizados. Ao atuar desta maneira,
não possibilita aos alunos a significação de cada tema, por isto é necessário que o
docente reveja os objetivos relacionados aos conteúdos de química, assim como,
ressignifique sua prática. A abordagem dos conceitos que envolvem as estruturas
químicas dependem da capacidade de abstração do estudante. Como metodologia para
a retomada de conceitos sobre Geometria Molecular, os quais são necessários para
uma posterior abordagem sobre Propriedades Físicas em uma turma do 3º ano do
Ensino Médio, composta por 23 alunos de uma escola pública localizada em Passo
Fundo, região norte do Rio Grande do Sul. Foi realizada uma sequência didática
utilizando um simulador computacional, com o objetivo de tornar o trabalho com esses
conceitos menos abstrato e mais interativo para o estudante. Através de uma avaliação
diagnóstica inicial, observou-se a dificuldade de abstração dos estudantes, o que foi
superado em grande parte dos alunos após a utilização do simulador. Em atividade
realizada em período posterior, os alunos conseguiram transpor os conceitos
abordados para resolver os problemas propostos sobre geometria molecular. A
simulação computacional demonstrou ser um recurso didático com muitas
possibilidades para o Ensino de Química, principalmente na abordagem de conceitos
mais abstratos.
Palavras-chave: TICs, estratégias de ensinagem, estruturas químicas.
1
INTRODUÇÃO
O ensino de Química é tradicionalmente guiado pelos livros didáticos, onde o
professor utiliza práticas pedagógicas instituídas nas décadas de 60, 70 e 80, espelhadas
em métodos de transmissão de conteúdos superficiais, fragmentados e
descontextualizados, não realizando vinculação com a realidade dos seus estudantes,
objetivando a reprodução de saberes estabelecidos (JELVEZ, 2013). Ao conduzir o
processo de aprendizagem deste modo desconexo, não possibilita aos alunos a
significação de cada tema, e de como a Química pode interagir com o meio e lhes
proporcionar uma melhor qualidade de vida. Com isto, o professor coloca o aluno à
margem do processo em que ele deveria ter participação ativa.
Com os avanços científicos e tecnológicos que a sociedade vem experimentando, não é
admissível que o ensino de ciências esteja desvinculado deste cenário tanto no que tange
ao aspecto de sua contextualização, quanto na questão do uso de recursos didáticos
inovadores. Bonilla defende que “em mundo submetido ao impacto dos meios de
comunicação e da alta tecnologia, a escola se vê desafiada a redefinir seus objetivos e
suas práticas pedagógicas” (Bonilla, apud Neto 2007, pg. 27). Ainda na mesma linha, o
autor complementa:
“...que a escola proponha dinâmicas pedagógicas que não se limitem a
transmissão, inserindo nessas dinâmicas as tecnologias de informação
e comunicação, de forma a reestruturar a organização curricular
fechada e as perspectivas conteudistas que vêm caracterizando-a.”
(Bonilla, apud Neto 2008, pg. 262).
Atualmente os educandos vivem em um mundo tecnológico e conectado, de
acesso universal à internet (a qual chamaremos nesse artigo de rede) e de utilização de
equipamentos de mídia. Portanto, a utilização de elementos tecnológicos como
ferramentas de aprendizagem no ambiente escolar pode facilitar este processo, uma vez
que estes já fazem parte da realidade do educando em diversas outras atividades.
Isto posto, faz-se necessário ao docente rever os objetivos relacionados aos
conteúdos de química, assim como, resignificar sua prática, ancorando-se em diferentes
estratégias de ensino, de modo que o educando, percebendo o sentido dos temas
abordados e com os recursos adequados, sinta-se motivado e interessado pelo
conhecimento químico. Para Souza “a utilização de recursos computacionais nas aulas
de Química representa uma alternativa viável, pois pode contribuir no processo
educacional e na tentativa de contextualizar a teoria e a prática” (Souza, apud Silveira,
2013, pg. 134).
Segundo Silveira (2013) alguns dos motivos do uso da informática no ensino de
química são a melhoria da capacidade de compreensão, a intensificação da
aprendizagem visual, o desenvolvimento autodidático, o auxílio na visualização de
conteúdos mais abstratos e de experimentos potencialmente perigosos para serem feitos
no laboratório.
Neste sentido, propõe-se a utilização da informática, através da simulação
computacional como recurso didático para se trabalhar tópicos de Geometria Molecular
com alunos do 3º ano do Ensino Médio (EM). Torna-se fundamental nesta etapa a
compreensão dos conceitos sobre Geometria Molecular, tendo em vista a importância
do entendimento das propriedades físicas dos compostos orgânicos. A construção da
aprendizagem destes conceitos depende do conhecimento químico sobre polaridade da
ligação covalente, polaridade da molécula, interações intermoleculares e, por
consequência, Geometria Molecular.
A abordagem dos conceitos que envolvem as estruturas químicas depende da
capacidade de abstração do estudante, onde se observa, muitas vezes, a dificuldade que
os mesmos possuem de realizar representação do modelo dos conceitos que estão sendo
trabalhados. Moura cita que:
Vários professores relatam que a capacidade de visualização tridimensional
não é natural para muitos alunos. Tal fato cria um obstáculo considerável no
processo de aprendizagem de estudantes que se apresentam limitados diante
dessa necessária habilidade. (Moura, 2010)
2
METODOLOGIA
A proposta de trabalho consistiu na aplicação de uma sequência didática sobre
Geometria Molecular, através da utilização de um simulador computacional chamado de
Forma da Molécula, disponibilizado pelo Departamento de Simulações da Universidade
do Colorado (https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/molecule-shapes), um
material de apoio e uma apresentação multimídia. Abaixo, a imagem da apresentação
multimídia utilizada:
Figura 1 - Imagem da Apresentação Multimídia, detalhe para que os alunos utilizem o Simulador
Computacional, simulando condições para que se observe a Geometria Molecular.
O trabalho foi realizado em uma turma do 3º Ano do EM com o objetivo de
revisitar os fundamentos de Estrutura Molecular, os quais foram trabalhados no 1º Ano
do EM.
Inicialmente, realizou-se uma revisão de conceitos sobre Modelo de Ligações
Químicas buscando abordar, principalmente, os Modelos de Ligação Covalente e
Iônica.
A segunda etapa do trabalho consistiu em realizar uma avaliação diagnóstica
para verificar as concepções prévias dos estudantes sobre o assunto, principalmente
tendo em vista que esses conceitos já haviam sido abordados previamente. Na atividade
realizada, foram indicadas as fórmulas moleculares de algumas substâncias, bem como
a representação pela notação de Lewis dos átomos ligantes na molécula. Os alunos
deveriam prever, com base nas informações fornecidas, a geometria molecular para
cada substância.
Na terceira etapa, o professor apresentou aos alunos as possibilidades das formas
nas quais os átomos ligantes se combinam com o átomo central, construindo cada
molécula através das estruturas de Lewis, em conjunto com o simulador e o material de
apoio.
O próprio site que disponibiliza o simulador computacional destaca os conteúdos
que podem ser abordados a partir da utilização do produto: Moléculas, Modelo de
Ligação Covalente, Pares de Elétrons Isolados, Teoria de Repulsão dos Pares Elétrons
de Valência (T.R.P.E.V.) e Geometria Molecular.
Após a abordagem das possibilidades de Geometria Molecular (Linear, Trigonal,
Piramidal e Tetraédrica), os alunos deveriam realizar uma atividade de sistematização,
com o intuito de fazer a previsão da Geometria Molecular de algumas moléculas.
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Dificuldades dos estudantes na compreensão dos conceitos de Geometria
Molecular
O trabalho com alguns conteúdos de Química no EM possui um limitador, além
do comum desinteresse dos estudantes, a dificuldade de abstração. Como ciência focada
no estudo do mundo microscópico, torna-se necessário para seu estudo um mínimo
nível de abstração e de representação.
As ferramentas comumente utilizadas no trabalho dos conteúdos de Química não
auxiliam na superação dessa limitação. O quadro e o livro didático – já utilizados há
tantos anos – não conseguem descrever e demonstrar de forma efetiva a orientação
espacial das moléculas e, de forma genérica, os modelos da ciência química como um
todo. Estas moléculas estas são instrumentos de trabalho e de representação da Química,
onde reside a necessidade da familiarização de sua representação pelos estudantes para
que possam compreender a linguagem química.
3.2 A utilização de softwares simuladores no Ensino de Química
Muitos autores têm discutido sobre o potencial da utilização de simuladores no
ensino de Química, principalmente por se caracterizarem como alternativas interativas
e lúdicas no processo de ensino aprendizagem conforme defende Moura(2010). As
vantagens da utilização dos simuladores vão além. Eles tornam possível a representação
dos modelos da ciência em um ambiente virtual ao alcance dos estudantes, tornando o
mundo microscópico passível de ser manipulado por ele. Lévy destaca que “através de
programas de simulação, os conhecimentos podem ser separados de quem os detém e
depois ‘recompostos’, modularizados, multiplicados, difundidos, modificados e
mobilizados à vontade” (Lévy, apud Martins, 2013). Os ambientes virtuais
possibilitados pelos simuladores podem combinar uma infinita quantidade de variáveis
e de possibilidades, as quais não seriam possíveis de serem feitas com a utilização de
modelos concretos. Essas possibilidades e, principalmente, essa proximidade e
interatividade do estudante e do professor com o modelo aproximam o momento de
estudo de uma real aprendizagem em ciências.
Além destas vantagens, as tecnologias e as mídias fazem parte da vida e da
realidade dos estudantes. Contudo, o que se percebe é que os alunos utilizam os
recursos tecnológicos apenas para acesso a redes sociais. Neste sentido, reside uma
alternativa para o ensino de Química onde, através do uso das Tecnologias de
Informação e Comunicação (TICs) relacionadas ao conteúdo químico, o professor
demonstra aos estudantes que a educação em ciências tem um sentido de cidadania e
vivência como acredita Silveira (2013). No mesmo sentido, Neto exemplifica que “a
integração das diferentes tecnologias possibilitou aos alunos o contato com outras
linguagens e códigos, motivando-os nas aprendizagens, pois embora o conteúdo
explorado nas situações de ensino fossem o mesmo, este adquiriu uma outra dimensão,
visto que permitiu diferentes percursos de aprendizagem” (NETO,2008).
3.3 Avaliação
A proposta de trabalho iniciou com a avaliação diagnóstica, buscando aferir se
os alunos possuíam a competência de representação e compreensão em relação aos
conceitos, leis e modelos do tema elencado. De modo geral, conceitos de Estrutura e
Geometria Molecular são abordados no 1º ano do EM, por se tratarem de noções básicas
necessárias à construção do conhecimento químico e também da linguagem química,
porém os estudantes têm evidenciado que uma das dificuldades no aprendizado de
Química, está no caráter altamente abstrato de seu estudo. Desta forma, objetivando
uma proposta centrada na participação ativa do aluno, adequada ao seu ritmo de
aprendizagem, buscou-se, através da avaliação prévia, reconhecer a intensidade de
conhecimento e as dificuldades apontadas em relação ao tema abordado. Para isso, levase em consideração o pensamento de Hoffmann ao afirmar que o processo avaliativo “é
um método investigativo que prescinde da correção tradicional, impositiva e coercitiva.
Pressupõe isso sim, que o professor esteja cada vez mais alerta e se debruce
compreensivamente sobre todas as manifestações do educando” (HOFFMANN, 1991).
Durante este procedimento observou-se que a maioria dos alunos teve
dificuldade, mesmo utilizando o livro didático como apoio, na construção dos modelos
propostos. Evidenciou-se, na análise das respostas, que não há compreensão da ideia de
repulsão entre os átomos ligantes e os pares de elétrons livres, conforme figura 2 e 3.
Figura 2 - Representação da estrutura da molécula de água
Figura 3 - Representação da Estrutura da Molécula de metano
Como resposta à interpretação das atividades avaliativas dos alunos às questões
propostas, se justifica que o docente faça uma retomada dos conceitos de geometria
molecular, ampliando e aprofundando os conteúdos propostos para o 1º ano, numa
perspectiva de organização curricular estruturada por uma sequência que vai do
macroscópico para o microscópico, o qual é representado por modelos. O objetivo é
estabelecer uma conexão entre as propriedades das substâncias e seus modelos
explicativos. A ideia está presente nos Parâmetros Curriculares Nacionais:
Tratados dessa forma, os conteúdos ganham flexibilidade e interatividade,
deslocando-se do tratamento usual que procura esgotar um a um os diversos
“tópicos” da Química, para o tratamento de uma situação-problema, em que
os aspectos pertinentes do conhecimento químico, necessários para a
compreensão e a tentativa de solução, são evidenciados (Brasil, PCN, p. 34).
Comumente, na abordagem dos conceitos de Geometria Molecular, o professor
tem a sua disposição, além do quadro, a possibilidade da montagem de modelos físicos
através da utilização de material alternativo. Esta tem seu valor, contudo, muitas vezes
pode levar a uma não representação da ideia do modelo e, por consequência, acabam
criando obstáculos epistemológicos, atrapalhando ao invés de ajudar (Bachelard, 1971),
sendo então interessante a utilização de outras ferramentas, como um simulador, na
sequência didática.
O simulador computacional utilizado permitiu ao professor alterar o número de
ligações covalentes que os átomos ligantes fazem com o átomo central, alterar a
quantidade de átomos ligantes e a inclusão ou retirada do par de elétrons livres (não
ligante) que o átomo central possa possuir. O ambiente virtual simulou ainda os ângulos
de ligação e demonstrou os efeitos de repulsão entre os átomos ligantes e pelos pares de
elétrons livres, conforme imagem abaixo.
Figura 4 - Imagem do Simulador Computacional: no canto superior direito a possibilidade de se
alterar o número de ligações covalentes, bem como, a inclusão ou retirada do par de elétrons livres.
O simulador foi avaliado tomando como referência algumas premissas descritas
por Moura (2010) no desenvolvimento de um simulador computacional: Interface com
os Alunos e Identificação da Geometria Molecular. A eles adicionamos como critério de
avaliação a Interatividade com o usuário, baseando-se no fato da necessidade que os
estudantes possuem de interagirem e manipularem os modelos como forma de auxiliar
na compreensão.
A interface do simulador é de fácil compreensão, uso e manipulação, sendo
possível montar os modelos propostos e visualizar as estruturas em 3D. Ele possibilita
manipular, girar e tentar aproximar os átomos ligantes e os pares de elétrons livres,
observando assim os efeitos de repulsão que atuam e acabam por estabilizar uma
determinada estrutura. Moura (2010) também descreve como ponto importante no
simulador a possibilidade de identificação da estrutura molecular, nomeando-a. Na
sequência didática proposta, o objetivo era de que os alunos revisitassem esses
conceitos para melhor compreensão da ideia de polaridade a ser trabalhada
posteriormente. Sendo assim, nesse momento, não era o objetivo fazer com que os
estudantes assimilassem os nomes das geometrias assumidas pelas estruturas, mas que
compreendessem a orientação espacial que assumem devido aos efeitos que estabilizam.
O simulador Forma da molécula demonstrou grande potencial para a
interatividade. Através da manipulação e alteração dos modelos, os próprios estudantes
relataram não imaginar que o efeito de repulsão significasse “isso”, ao se referir à
orientação espacial assumida pela estrutura, conforme fala do aluno B6. O uso do
simulador computacional Forma da Molécula mostrou-se bastante atraente para os
alunos, onde puderam interagir e demonstraram maior participação e interesse acerca
dos temas apresentados. Destacamos a fala do aluno B7: “Me interessei pela aula
porque o simulador chamou minha atenção, gostei de ter esse tipo de aula”.
De acordo com Vasconcelos (2013), o processo de aprendizagem a partir da construção
de simulações utilizando o computador possibilita uma maior compreensão dos
conteúdos e contribui para o desenvolvimento cognitivo em geral, além de favorecer
uma aprendizagem significativa, conforme a fala do aluno A5: “gostei de todo o
conteúdo a molécula no espaço é mais fácil de aprender do que no quadro. E sobre a
força de repulsão também não imaginava que era assim” (Figura 5). Observa-se que o
uso de ferramentas auxiliares no ensino de química promove uma grande interação dos
alunos com os conteúdos e entre eles mesmos.
Figura 5 - Detalhe do comentário da aluna A5.
Após a aplicação da proposta de trabalho com o uso de simulador, realizou-se a
atividade de sistematização. Por meio dela, os alunos puderam evidenciar as
aprendizagens realizadas. Nesta atividade, além da construção de algumas estruturas
moleculares, os alunos puderam expressar suas impressões a respeito da metodologia
utilizada e de como ela foi importante para a construção das aprendizagens realizadas.
Verificou-se um aumento significativo na compreensão dos alunos em relação
ao desenho geométrico da molécula no espaço, bem como a compreensão de que pares
de elétrons livres na camada de valência atuam de forma determinante no arranjo
molecular (figura 5 e 6).
Figura 5 - Representação da molécula de amônia (NH3) levando em consideração os efeitos de
repulsão causados pelo par de elétrons livres.
Figura 6 - Representação da molécula de água, levando em consideração os efeitos de repulsão
causados pelos pares de elétrons livres.
No processo de discussão do trabalho proposto, os alunos evidenciaram a
possibilidade de utilizar outras estratégias metodológicas para o assunto tratado como,
por exemplo, o uso de bolas de isopor e palitos de churrasco para a construção de
modelos moleculares, demonstrando a necessidade que os estudantes têm de se
aproximarem da perspectiva microscópica de estudo através de alguma forma de
representação que seja tateável a eles.
Em período posterior realizou-se uma segunda atividade de sistematização, com
o objetivo de avaliar se a aula proposta produziu efetivamente aprendizagens. A
atividade foi realizada após seis aulas e os estudantes deveriam identificar e explicar
corretamente a estrutura e geometria molecular de algumas substâncias. Embora muitos
estudantes tenham utilizado as terminologias e explicações baseados nos trabalhos com
o simulador, não ficou evidente, para o professor, se houve a compreensão correta, para
outro grupo de alunos, dos efeitos de repulsão de elétrons livres e átomos ligantes na
determinação da geometria molecular.
Na discussão e mediação dos conceitos/conteúdos com os alunos durante a
atividade de sistematização, o docente buscou a problematização dos objetos de estudo,
promovendo discussões entre os estudantes, criando o que Praia et al (2002) chamam de
comunidade científica de alunos. Observou-se na sala de aula, no decorrer desta
atividade, um ambiente de discussão, refutação de ideias que não condiziam com o
modelo proposto, proposição de modelos e construção e desconstrução de conceitos dos
estudantes e entre os estudantes.
O objetivo da sequência didática foi o de retomar conceitos necessários à
compreensão das propriedades físicas dos compostos orgânicos com foco na
solubilidade em água. Após finalizar a sequência didática e introduzir a abordagem das
propriedades físicas, verificou-se que os estudantes conseguiram transpor os
conhecimentos abordados na sequência didática com os conceitos de propriedades
físicas.
Torna-se necessário repensar práticas e ações nas quais o Ensino de Química
possa ser problematizado entre os estudantes, aproximando a educação escolar do
racionalismo científico, capaz de proporcionar a eles um ensino com fundo reflexivo e
crítico e com sentido de cidadania, como indicam Praia, Cachapuz e Gil-Pérez (2002):
A crítica, a argumentação e o consenso dos pares constituem elementos de
racionalidade científica que importa desenvolver conjuntamente – alunos e
professores – partilhando e vivendo dificuldades inerentes à própria prática
científica. Desta maneira, tal exercício escolar permite uma aprendizagem
efetiva, significativa e com sentido de cidadania. (pg.259)
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao término do trabalho foi possível concluir que o educador não pode limitar-se
a uma comunicação unilateral, caracterizada pela transmissão de conteúdos. Ele passa a
ser um orientador que apresenta modelos, faz mediações, dá explicações e oferece
opções aos alunos, utilizando, para isso, diferentes ferramentas e metodologias,
atendendo assim, às múltiplas formas de aprendizagem que cada estudante possui.
Observou-se que o uso de simulação virtual foi muito bem aceito pelos alunos,
mostrando que a utilização deste tipo de ferramenta didática como estratégia
metodológica possibilita maior interesse, maior interação, novas perspectivas de
compreensão e de construção do conhecimento no Ensino de Química.
5
REFERÊNCIAS / CITAÇÕES
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BACHELARD, G. A Epistemologia. O Saber da Filosofia. Edições 70. Rio de Janeiro.
1971.
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desafios da prática. São Paulo: Santiliana, 2013.
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Passo
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NETO, J. R. F.. Tecnologias no Ensino de Geometria Molecular. Uberlândia, 60 p.,
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PRAIA, J.; CACHAPUZ, A.; GIL-PÉREZ, D. A Hipótese e a Experiência em
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SILVEIRA, L. F.; NUNES, P.; SOARES, A. C. Simulações Virtuais em Química.
Revista de Educação, Ciência e Cultura. Canoas, v. 18, n. 2, jul./dez. 2013
VASCONCELOS, F. H. L.; SANTANA, J. R.; NETO, H. B. Aprendizagem mediada
por computador: uma experiência de ensino de física com a utilização da simulação
computacional. In: XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física. Disponível em:
http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/ Acesso em 11. Abr. 2013.
UTILIZATION OF COMPUTATIONAL SIMULATION AS A TOOL
FOR TEACHING MOLECULAR GEOMETRY IN HIGH SCHOOL
Abstract: Chemistry teaching is traditionally guided by didactic books, where the
teachers use pedagogical practices based on superficial, fragmented and not
contextualized methods of transmission the contents. Acting like this, they don’t
provide the students to find meaning in the learning process. In this way, it’s necessary
that the teachers evaluate their objectives concerning about the topics in chemistry and
re-defined the meaning of their practices. The aimed of this work was to apply a
didactical sequence using simulator program as a tool to revise the concepts of
molecular geometry, which are important for the development of physical properties
topics, and to become this concepts less abstract and more interactive for the students.
The application was developed with students in the third level of high school.
Previously, the students showed more difficulty in abstraction but, after the use of
simulator, it was overcome for the majority of them. In an activity realized later, the
students achieved to assess the knowledge acquired with the use of molecular modeling
simulator to solve proposed problems about molecular geometry. Then, the simulator
applied in this work showed to be an effective resource for teaching chemistry, mainly
in approaches that involves abstracts concepts.
Key-words: ICT, teaching strategies; chemical structures.