Artigo Científico para publicação no XXV Encontro de Físicos do Norte- Nordeste

Análise crítica sobre a utilização de analogias no processo de ensino-aprendizagem do modelo atômico de Bohr a alunos do ensino médio no Brasil a partir de uma concepção construtivista

Resumo
Considerando a importância dos problemas relacionados ao processo de ensino- aprendizagem dos modelos atômicos em geral, e mais especificamente, o modelo atômico proposto em 1913 pelo físico dinamarquês Niels Bohr, abordaremos neste trabalho vários aspectos apresentados por Bohr, analisando as dificuldades do seu respectivo ensino aos alunos do Ensino Médio em escolas públicas e particulares, procurando verificar como esses estudantes compreendem os modelos atômicos a partir das metodologias hoje utilizadas para apresentá-los e explicá-los. Assim, este trabalho visa enfocar as contribuições e as limitações na utilização desses métodos. A partir da análise feita dentro de uma concepção construtivista, são discutidas algumas implicações para o ensino e levantadas novas questões de pesquisa que podem contribuir para fomentar a discussão e para a melhoria do ensino desse tema.
Palavras-chave: ensino-aprendizagem, modelos atômicos, átomo de Bohr, concepção construtivista


Introdução
Modelos em Ciências e o Ensino de Ciências
Em Ciências, um modelo pode ser definido como uma representação parcial de um objeto, evento, processo ou idéia que é produzida com propósitos específicos como, por exemplo, facilitar a visualização, fundamentar a elaboração e teste de novas idéias, possibilitar a elaboração de explicações e previsões sobre comportamentos e propriedades do sistema modelado (Gilbert, Boulter & Elmer, 2000; Justi & Gilbert, 2002a). A importância de modelos em Ciências é amplamente reconhecida entre os cientistas e filósofos da ciência (Giere, 1988; Magnani, Nersessian, & Thagard, 1999; Morgan & Morrison, 1999). Todos reconhecem que é através do processo dinâmico de elaboração e reformulação de modelos que o conhecimento científico é desenvolvido, apresentado e validado pela comunidade de cientistas (SOUZA et al., 2006).
No ensino de ciências, os modelos e os processos de criação e teste desempenham um papel fundamental (Duit & Treagust, 2003). Sobre os modelos científicos, (Justi & Gilbert, 2002a) propõem alguns aspectos relevantes a serem desenvolvidos pelos alunos:
Conhecer e entender os principais modelos científicos relativos aos tópicos que estão estudando, assim como a abrangência e as limitações dos mesmos;
Desenvolver uma visão adequada sobre a natureza de modelos e serem capazes de avaliar o papel de modelos científicos específicos no desenvolvimento do conhecimento científico;
Ser capazes de criar, expressar e testar seus próprios modelos.
Além disso, o envolvimento de alunos em atividades de criação de modelos pode se transformar em excelentes oportunidades para que os professores acompanhem o processo de expressão de suas idéias originais e de compreensão dos modelos científicos estabelecidos (Hodson, 2003).
Ainda em relação ao ensino de Ciências, os modelos podem ser utilizados pelos professores com o objetivo de ajudar os alunos a entenderem algum aspecto do que se deseja ensinar. Nesse caso, eles são chamados de modelos de ensino (Gilbert & Boulter, 1995). Em decorrência de seu objetivo, um modelo de ensino deve preservar a estrutura conceitual do modelo científico ao qual ele se relaciona, assim como demonstrar a interação dinâmica entre pensamentos e ações na ciência. Ao mesmo tempo, ele deve ser elaborado levando-se em conta as idéias prévias dos alunos e as habilidades que eles possuem para relacionar as entidades concretas e/ou abstratas envolvidas na análise do referido modelo (Justi & Gilbert, 2002b).
Em termos gerais, a visão construtivista de ensino-aprendizagem tem exercido uma grande influência na área de ensino das Ciências e Matemática (Mathews, 1992). Apesar da grande variedade de abordagens e visões que aparecem na literatura sob o mesmo rótulo, há pelo menos duas características principais que parecem ser compartilhadas pelos seguidores do construtivismo (SOUZA et al., 2006):
A aprendizagem se dá através do ativo envolvimento do aprendiz na construção do conhecimento;
As idéias prévias dos estudantes desempenham um papel fundamental no processo de aprendizagem, uma vez que essa ocorre a partir do que o aluno já conhece.
Dessa forma, práticas educativas relacionadas ao ensino de Ciências baseadas na utilização de um processo analógico implicam em processos de aprendizagem segundo os princípios da teoria construtivista. Isto porque, ao favorecerem a existência de um "trânsito" entre os conceitos prévios e os conceitos desconhecidos, as analogias podem levar o indivíduo a reestruturar suas informações e, em certos casos, formar um novo esquema ou acrescentar novas informações àquelas já formadas.
A aprendizagem contribui para o desenvolvimento na medida em que aprender não á copiar ou reproduzir a realidade. Para a concepção construtivista , aprendemos quando somos capazes de elaborar uma representação pessoal sobre um objeto da realidade ou conteúdo que pretendemos aprender. De acordo com essa concepção, o processo de aprendizagem significativa não é um processo que conduz à acumulação de novos conhecimentos, mas à integração, modificação, estabelecimento de relações e coordenação entre esquemas de conhecimento que já possuíamos, dotados de uma certa estrutura e organização que varia, em vínculos e relações, a cada aprendizagem que realizamos (COLL et al., 2003).

O modelo atômico de Niels Bohr
A importância do Ensino de Física Quântica e o modelo atômico de Niels Bohr
O tema abordado nesse artigo tem se tornado cada vez mais atual e necessário, pois, nos últimos anos, o ensino de Física Moderna, incluindo aí conceitos, princípios e fundamentos de Física Quântica, vem sendo exigido em diversas atividades e eventos ligados à educação no país. Atualmente tem sido incluso em exames vestibulares em vários Estados, inclusive em Pernambuco (PEREIRA, 2006).
Desde os tempos de Leucipo e Demócrito, os filósofos gregos que, pela primeira vez, imaginaram a matéria constituída por partículas indivisíveis, até os nossos dias, o modelo do átomo tem mudado de maneira extraordinária e ainda parece distante à criação de um modelo perfeito, se é que isso vai chegar a acontecer (RAMALHO JR et al, 2004).
O modelo aceito hoje em dia como o que melhor explica os fenômenos que ocorrem no mundo subatômico foi proposto em 1913 pelo físico dinamarquês Niels Bohr.
Podemos considerar o átomo de Bohr um aperfeiçoamento do modelo apresentado em 1911 pelo físico neozelandês Ernest Rutherford. O modelo atômico planetário proposto por Rutherford era constituído de uma região central de carga positiva, relativamente pequena, o núcleo, em volta do qual os elétrons (de carga negativa) giravam, ocupando uma grande região conhecida como eletrosfera. O termo planetário deve-se à semelhança desse modelo com o sistema solar, em que os planetas descrevem órbitas em volta do Sol (ibidem, 2004).
Embora o modelo de Rutherford explicasse satisfatoriamente a maior parte dos fenômenos físicos e químicos, havia um problema que não podia ser explicado. Como se sabe, corpos em órbitas apresentam aceleração centrípeta. Entretanto, conforme preconiza a teoria de Maxwell, cargas aceleradas irradiam energia. Então, os elétrons estariam continuamente emitindo radiações e, em conseqüência dessa perda energética, deveriam "cair" no núcleo, acarretando um colapso da matéria (ibidem, 2004).
Ao criar o seu modelo atômico, Bohr utilizou a idéia de Planck, segundo a qual a energia não seria emitida continuamente, mas em pequenos "pacotes" cada um dos quais denominado quantum. Existiriam, de acordo com Bohr, níveis estáveis de energia, que denominou estados estacionários, nos quais os elétrons não emitiriam radiação. A passagem de um certo nível de energia para outro nível superior seria possível desde que o elétron absorvesse energia do meio externo, numa quantidade bem definida para isso. Quando retornasse ao nível inicial, o elétron devolveria, na forma de radiação, exatamente a quantidade de energia antes absorvida (ibidem, 2004).
Em seu artigo publicado em 1913, intitulado "Sobre a constituição dos átomos e moléculas", Bohr fundamentou sua teoria em dois postulados básicos:
Que o equilíbrio dinâmico dos sistemas nos estados estacionários pode ser discutido com o auxílio da mecânica clássica; enquanto a passagem do sistema entre estados estacionários diferentes não pode ser tratada da mesma forma.
Que o segundo processo é seguido pela emissão de uma radiação homogênea, para a qual a relação entre a freqüência e o total da energia emitida é dado pela teoria de Planck.
Em outras palavras, para determinar os raios das órbitas ou da energia do elétron em cada órbita, Bohr se fundamentou na Física Clássica. Mas, postulava a descontinuidade dos valores desses raios e dessas energias, rejeitando a Física Clássica. Bohr tinha consciência dessa contradição e a assumiu, procurando uma forma de conciliar novas e antigas concepções.
Essa postura de Bohr, embora compreensível, pois não havia recursos ou ferramentas teóricas disponíveis para expressar suas idéias, causou, na comunidade científica da época, um misto de reprovação e admiração. Poincaré, notável matemático francês, observou que, quando se parte de postulados contraditórios, pode-se provar qualquer coisa. Einstein, muitos anos depois, comentou: "Que esse fundamento inseguro e contraditório tenha sido suficiente para permitir, a um homem dotado de instinto e de capacidade de percepção singulares como os de Bohr, a descoberta das grandes leis das linhas espectrais e das camadas de elétrons do átomo, bem como, o seu significado para a química, pareceu-me um milagre, e ainda hoje me parece um milagre" (apud GASPAR, 2001, p. 345).
Embora todas as teorias tenham as suas limitações, geralmente não perdem a validade abruptamente, mas sim de uma maneira contínua, dando resultados que concordam cada vez menos com a experiência. É assim que as previsões da Mecânica Newtoniana se vão tornando menos precisas, à medida que a velocidade tende para a da luz. Uma correlação semelhante deve existir entre as Físicas Quântica e Clássica; resta achar as circunstâncias sob as quais a última passa a constituir um caso especial da primeira (HALLIDAY & RESNICK, 1984).
O fato da Física Quântica se reduzir à Física Clássica, para números quânticos muito grandes, é denominado Princípio da Correspondência. É da autoria de Niels Bohr, aliás, baseou a sua teoria do átomo de hidrogênio em argumentos relacionados com o Princípio da Correspondência (ibidem, 1984).
A teoria de Bohr aplicou-se com sucesso ao átomo de hidrogênio, mas falhou na descrição de átomos mais complexos. Entretanto, essa teoria foi um elo importante entre a velha teoria quântica (1900-1925) e a nova, a Mecânica Quântica (PARANÁ, 2003).
Análise das vantagens e desvantagens do uso de analogia no ensino do modelo atômico de Bohr em sala de aula
Os aspectos relevantes relacionados ao uso de analogias no ensino dos modelos atômicos
A literatura da área de Ciências contém várias referências sobre a importância das analogias para o desenvolvimento dos modelos e de outras idéias científicas – o que fornece um suporte adicional para o uso de analogias no ensino (SOUZA et al., 2006).
Além de favorecer o estabelecimento de relações entre um domínio que é familiar aos alunos e outro que lhes é desconhecido, a utilização de analogias tende a favorecer o envolvimento do aluno no processo de construção de seu conhecimento e, conseqüentemente, pode contribuir para aumentar a motivação deles em relação ao ensino de ciências (Glynn, 1989). Pesquisas indicam que as analogias podem também ajudar os estudantes nos processos de produzir modelos e de expressá-los em diferentes formas de representação. Como destacado anteriormente, embora seja incompleto e não represente diretamente a realidade, um modelo capacita o sujeito que o possui a fazer previsões ou dar explicações, quando trabalha com ele em sua imaginação. Por isso, o envolvimento de alunos em processos de elaboração e revisão de modelos tende a favorecer a ocorrência de aprendizagem significativa (JUSTI e GILBERT, 2006).
Por outro lado, também se discute o fato que analogias podem apresentar algumas desvantagens, as quais estão segundo Glynn (1989) relacionadas com o seu uso:
O fato do aluno, recebendo uma analogia pronta, poder enfrentar dificuldades de aceitabilidade;
A possibilidade das analogias estarem fora do contexto sócio-histórico dos alunos, podendo gerar grandes dificuldades de compreensão das mesmas;
A existência de possíveis más interpretações ou não discernimento dos aspectos que são semelhantes (partes positivas) e dos que são diferentes (partes negativas) (Hesse, 1966) entre os domínios da analogia e do alvo;
O caso em que não haja um bom direcionamento, onde aspectos irrelevantes podem sobressair em detrimento do principal ou, em outras palavras, quando as partes negativas forem mais enfatizadas do que as positivas;
A realização de analogias muito parecidas com seus domínios do alvo podem levar a generalizações e, conseqüentemente, a formas de raciocínios equivocadas.
Portanto, tais aspectos devem ser considerados pelo professor ao utilizar analogias em suas aulas.
A natureza essencialmente abstrata de Ciências como a Química e a Física as tornam áreas em potencial para o uso de analogias como modelos de ensino. Apesar disso, existem poucos estudos que enfocam como elas são usadas por professores de Química e Física ou como analogias apresentadas por materiais instrucionais, tais como livros-texto, são entendidas por professores e alunos. Em geral, os autores de livro-texto fazem uso pouco expressivo de analogias. Isso parece evidenciar que eles desconhecem o potencial das analogias como modelos de ensino para ciências tão abstratas. Além disso, a presença de analogias que induzem a erros conceituais e/ou reforçam concepções alternativas que os alunos possuem em relação a vários conceitos físicos e químicos evidencia que os autores desconhecem e/ou não atribuem a devida importância às dificuldades que os alunos apresentam durante a aprendizagem dessa área do conhecimento e/ou às suas idéias prévias. Finalmente, em muitas das analogias apresentadas em livros didáticos brasileiros, os autores não fornecem nenhuma explicação do domínio análogo e não discutem suas limitações. Tais aspectos parecem indicar que os autores não consideram a possibilidade de os alunos terem dificuldades em estabelecer relações analógicas e que as analogias são perfeitamente entendidas por eles. É possível também que os autores deixem a cargo do professor a discussão de tais aspectos das analogias.
O modelo atômico de Bohr e o "sistema solar"
Analogia entre o modelo atômico de Bohr e o sistema solar
O desenvolvimento do conceito de átomo em sala de aula demanda um processo de ensino-aprendizagem que envolve noções abstratas. O processo de apropriação do conceito pode adquirir características muito complexas em vista do reconhecimento de que esse conceito é um modelo científico e, como tal, transitório, que contribui para a interpretação da constituição e das propriedades das substâncias.
Como destacado anteriormente, analogias podem ser usadas no ensino de ciências com o objetivo de prover aos alunos um modelo daquilo que não pode ser entendido com facilidade. No ensino dos modelos atômicos, as comparações entre o modelo atômico proposto por Thomson e o pudim de passas e entre o modelo atômico proposto por Bohr e o sistema solar são bastante freqüentes em todo o mundo.
Segundo Taber (2001), as justificativas do uso da analogia do sistema solar para explicar o modelo atômico proposto por Bohr se relacionam:
ao conceito do átomo ser abstrato e à sua estrutura ser relativamente complexa para que os alunos a compreendam;
ao sistema solar ser algo familiar para os alunos;
a uma fácil associação do sistema solar ao átomo, conduzindo os alunos a assumirem um ponto de referência mais inteligível para a compreensão da estrutura atômica.
È perfeitamente compreensível à utilização didática desse modelo em larga escala, considerando que o sistema solar é um domínio familiar para os alunos, pelo menos em termos de ele ser constituído do sol e de planetas que giram em órbitas definidas ao seu redor. O Sol representa o núcleo (do átomo), enquanto os planetas representam os elétrons dispostos nas camadas ou órbitas.
Certamente, ao lançar mão da utilização desse sistema de analogia na sua prática educativa, o professor vivenciará algumas dificuldades relacionadas à compreensão obtida pelos seus alunos, principalmente, no tocante ao aparecimento de possíveis distorções entre o modelo analógico proposto em sala de aula e o modelo científico realmente como ele o é.
A complexidade relacionada à compreensão por parte dos alunos de conceitos abstratos
A formação do conceito de átomo
O atomismo é, essencialmente, um modelo de explicação causal, no sentido de ser uma estrutura de conceitos que é isomórfica em relação à realidade. Assim, as transformações que ocorrem na realidade podem ser representadas por transformações no modelo que, como tal, não é uma cópia do real, mas uma representação parcial do mesmo. Uma realidade inacessível aos sentidos é explicada por meio de idéias e objetos similares àqueles existentes no mundo real. Neste sentido, o modelo, apesar de fazer uso de uma analogia com objetos mecânicos reais, ultrapassa essa simples analogia, pois implica a criação de uma estrutura que não é idêntica ao real (SOUZA et al., 2006).
Romanelli (1996), em trabalho desenvolvido com a temática centrada no professor como mediador no processo de ensino-aprendizagem do conceito do átomo, demonstrou a complexidade dessa relação através das dificuldades inerentes aos alunos em representar a abstrata idéia do átomo. Ele pode constatar, em seu trabalho que, muitas vezes, surge uma confusão nos conceitos que envolvem o átomo. Alguns exemplos que ilustram tal confusão são as seguintes afirmativas "o átomo é a menor partícula do núcleo"; "os elétrons estão entre as camadas"; "há um limite entre o núcleo e a eletrosfera". Exemplos como esses, demonstram que o ensino e a aprendizagem do conceito do átomo devem continuar sendo alvo de pesquisas.
Conclusões e Considerações Finais
Reflexões sobre o uso de analogias e o papel do professor a partir de uma concepção construtivista em sala de aula
Segundo (SOUZA et al., 2006), no que se refere à utilização de analogias no contexto de sua prática educativa, é essencial que o professor:
estabeleça analogias com domínios que sejam realmente familiares para todos os alunos;
defina com clareza, para si mesmo, quais relações analógicas podem ser estabelecidas ou não, isto é, tenha consciência de quais são as partes positivas e negativas das analogias utilizadas;
planeje uma forma de discutir as analogias que conte com a participação efetiva dos alunos;
favoreça a discussão tanto das partes positivas quanto das negativas das analogias, certificando-se de que os alunos as compreendem adequadamente e percebam as limitações existentes.
Os elementos centrais do modelo fundamentante de uma aprendizagem sobre as ações de ensinar alicerçam-se na importância do professor construir-se como um investigador de sua própria prática. Esse posicionamento, presente em numerosos estudos é colocado dentro de uma perspectiva construtivista; nele remete-se o papel do professor ao de elaborador dos conhecimentos necessários à sua prática de sala de aula (ROSA & DALVA (orgs.) et al., 2002).
Ainda considerando a atuação do professor, é essencial que ele estimule os alunos a desenvolver a habilidade de questionar criticamente o conteúdo que lhes é apresentado na escola, tanto em termos curriculares quanto de modelos de ensino (ibidem, 2006).
Por fim, acreditamos, sobremaneira, que a reflexão crítica de cada professor (a) sobre a sua prática pedagógica em sala de aula pode contribuir significativamente para que ele/ela amplie seus conhecimentos necessários para o ensino dos modelos atômicos e, mais especificamente o modelo do sistema solar, relacionado com o modelo atômico proposto em 1913 pelo físico dinamarquês Niels Bohr A partir daí, novas abordagens que possam contribuir para que os alunos não apresentem as idéias e dificuldades relatadas neste trabalho poderão ser propostas e testadas. Numa etapa posterior, a divulgação e discussão dessas abordagens e dos resultados obtidos com a utilização das mesmas poderão alimentar a discussão, contribuindo para a melhoria do ensino de um tema tão importante quanto os modelos atômicos.


Referências
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