Active Learnig in Optics and Photonics (training manual)



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Active Learnig in Optics and Photonics (training manual)

Foi realizado em São Paulo, na Faculdade de Educação da USP (FEUSP)., uma oficina sobre aprendizagem ativa, promovida pela UNESCO e organizada pelo Prof. M. Pietrocola. A seguir, apresentamos uma tradução da introdução do manual de treinamento do manual desta oficina.



INTRODUÇÃO

Em todo o mundo sente-se a necessidade de melhora no ensino de ciências tem recebido considerável atenção. Os desafios, embora grandes no mundo desenvolvido, são até maiores no mundo em desenvolvimento onde há maior carência de professores bem treinados, materiais didáticos efetivos e até os mais básicos equipamentos científicos e suprimentos são freqüentemente. Em seus esforços para promover a criatividade e inovações no modo como a física introdutória é ensinada no nível universitário, a UNESCO1 tem patrocinado atividades em diferentes países em desenvolvimento para tratar a necessidade de elevar a qualidade dos professores e introduzir uma abordagem inovadora de aprendizagem.1-3 Em anos recentes, o foco das oficinas (workshops) para treinar professores tem sido em abordagens de aprendizagem ativa (active learning). Isto tem incluído o desenvolvimento de materiais de ensino e aprendizagem que incorporem esta abordagem. A UNESCO tem encorajado a introdução de aprendizagem ativa em física nos países em desenvolvimento pois ela favorece o trabalho mão-na-massa (“hands-on”) de laboratório, promove a aprendizagem conceitual e encoraja os instrutores a fazerem pesquisa em ensino de física, que pode levar a uma melhoria significativa na aprendizagem de seus estudantes. O objetivo destes projetos da UNESCO de aprendizagem ativa é promover a implementação da aprendizagem centrada no estudante, em seu raciocínio (“minds-on”) e mão na massa (“hands-on”) tanto quanto possível nos cursos de física introdutória.



Por que Aprendizagem Ativa?


Aprendizagem ativa em física, desenvolvida nas últimas décadas, tem demonstrado nos Estados Unidos e em outros países desenvolvidos o aumento da compreensão dos estudantes dos conceitos básicos de Física. Nesta estratégia de aprendizagem, os estudantes são levados a construir seu conhecimento dos conceitos de Física por observação direta do mundo físico. É feito o uso de um ciclo de aprendizagem incluindo previsões (predição ou prognóstico) discussões em pequenos grupos, observações e comparações de resultados observados com as previsões. Este ciclo de aprendizagem também pode ser representado como PODSPrevisão, Observação, Discussão e Síntese (Prediction, Observation, Discussion and Synthesis). Deste modo, os estudantes tornam-se atentos às diferenças entre suas crenças (ou conhecimentos prévios) que eles trazem para a sala de aula, e as leis físicas atuais que governam o mundo físico. Após muitos anos de pesquisa de Ensino de Física, o método da aprendizagem ativa tem demonstrado, de modo mensurável, a melhoria do entendimento conceitual.4-10 Ele reproduz o processo científico na sala de aula e ajuda no desenvolvimento de habilidades de raciocínio físico. A Tabela I-1 compara as características dos ambientes de aprendizagem ativa e da tradicional (passiva). A mudança no papel do professor assume importância crítica quando os materiais de aprendizagem ativa são introduzidos na sala de aula. Tanto no mundo desenvolvido quanto em desenvolvimento, pode ser desafiante para o professor recuar de seu papel tradicional de explicar tudo como uma autoridade, para um papel como guia através de materiais de aprendizagem ativa. Para esta transição ter o sucesso é necessária aceitar a evidência de que os estudantes iniciantes freqüentemente não aprendem efetivamente até mesmo com as mais lógicas explicações dadas por seus professores, e crer na efetividade dos materiais de aprendizagem ativa em ensinar conceitos. A facilidade desta transição depende não somente da boa vontade do professor de desistir de seu papel de autoridade, mas também de diversos fatores culturais que diferem de país para país. Este é o último desafio na presente oficina de treinamento em aprendizagem ativa em diferentes partes do mundo em desenvolvimento, e é uma razão importante pela qual tem sido incorporado neste projeto o recrutamento e o treinamento de instrutores locais.

Aprendizagem Ativa em Laboratório e Aulas de Demonstração Interativa


Exemplos de materiais de aprendizagem ativa nos mundo desenvolvido incluem materiais do Physics Suíte.11 Estes incluem materiais de laboratório mão na massa como o RealTime Physics12 (do qual parte do Módulo 1 deste Manual de treinamento foi adaptado). Em suas formas originais, estes materiais têm um pesado uso de tecnologia, especialmente ferramentas baseadas em computadores e modelagem com “softwares”.

Com tais ferramentas e currículo, tem sido possível realizar mudanças significativas no ambiente de aprendizagem de laboratório em um grande número de universidades, faculdades e escolas secundárias no mundo desenvolvido, sem mudar a estrutura de aulas expositivas/laboratório e a natureza tradicional de instrução de aulas expositivas.4-5 Além disso, materiais de workshop, como Workshop Physics10-13 tem sido desenvolvido. Embora o Workshop Physics tem-se demonstrado muito efetivo, sua implementação requer uma reestruturação completa do curso de Física introdutória (incluindo a eliminação de aulas expositivas). Por isso, seu uso tem sido um tanto limitado, tanto no mundo desenvolvido quanto em desenvolvimento.





Ambiente de Aprendizagem Passiva

Ambiente de Aprendizagem Ativa

Instrutor (e livro texto) é a autoridade – fonte de todo o conhecimento.

Os estudantes constroem seus conhecimentos de observações mão na massa. As observações reais do mundo físico são as autoridades.

As crenças dos estudantes são raramente abertamente provocadas.

Usa um ciclo de aprendizagem no qual os estudantes são provocados a comparar predições (baseadas em suas crenças) com observações dos experimentos reais.

Os estudantes nunca podem reconhecer diferenças entre suas crenças e o que lhes é falado na sala.

As crenças dos estudantes mudam quando eles são confrontados pelas diferenças entre suas observações e suas crenças.

O papel do instrutor é de autoridade

O papel do instrutor é como um guia no processo de aprendizagem.

A colaboração com seus pares é freqüentemente desencorajada.

Colaboração com os pares é encorajada.

As aulas expositivas freqüentemente apresentam “fatos” de física com pouca referência ao experimento.

Os resultados dos experimentos reais são observados de modo compreensível.

Trabalho de laboratório, se algum, é usado para confirmar teorias “aprendidas” nas aulas expositivas.

Trabalho de laboratório é usado para aprender conceitos básicos.

Tabela I-1: Ambiente de aprendizagem ativa versus passiva

O envolvimento dos estudantes no entendimento destas demonstrações conceituais simples é obviamente constatado das observações em sala de aula. Muitos estudantes são atentos às predições individuais mencionadas no passo 2, e o pequeno grupo de discussão (passo 3) numa sala de aula grande são inicialmente completamente animados e atarefados (“on task”). Neste tempo, porém, a predição será feita e a discussão pode começar a perder-se em assuntos estranhos ao trabalho. O instrutor deve observar os estudantes cuidadosamente, e escolher um tempo apropriado para ir para o próximo passo.

O passo 4 é facilitado pelo uso de uma transparência feita da Folha de Previsão, com os estudantes esboçando as predições com uso de diferentes canetas coloridas. Isto é uma atividade de tempestade de idéias (“brainstorming”), e nenhum comentário deve ser feito até mesmo se a previsão está correta ou incorreta. Se nenhum estudante voluntário predisser aquela que representa a concepção errônea (“misconception”) para uma demonstração, o instrutor pode querer mencioná-la, assim deve dizer que “um estudante em minha última aula fez esta previsão“ O propósito deste passo é ajudar a validar todas as predições feitas pelos estudantes na sala de aula. Pode também ser suplementado fazendo uma votação após todas as predições serem registradas. Quando o tempo é curto, o instrutor pode pular este passo.

Note que nos passos 7 e 8 é tarefa do instrutor levar os estudantes a darem as respostas desejadas. O instrutor deve ter uma “agenda” definida, e deve freqüentemente guiar a discussão para pontos importantes levantados pelas ILDs individuais. O instrutor deve evitar dar aulas aos estudantes. A discussão usaria os resultados experimentais como uma fonte de conhecimento sobre o experimento. Se os estudantes não discutirem nada que seja importante, então o instrutor pode preencher as lacunas.

Este manual inclui alguns materiais que são destinados a serem usados como atividades de laboratório para aprendizagem ativa, alguns que são destinados como ILDs, e alguns que podem ser usados de outra forma. Mais detalhes serão encontrados na seção Conteúdos e Usos deste Manual, abaixo.

O Manual de Treinamento todo também está disponível na forma eletrônica de CD. Este pode ser útil para os usuários que desejam imprimir as folhas do estudante diretamente dos arquivos eletrônicos. Estes arquivos também possuem a vantagem que estão em cores. Cópias do CD são permitidas pelo coordenador do projeto, Minella Alarcon, na UNESCO, Paris (m.alarcon@unesco.org).


Exemplos de ILDs em Óptica e Avaliação dos Ganhos de Aprendizagem

Como um exemplo, descreveremos uma seqüência de ILDs planejadas para ensinar conceitos de formação de imagens com lentes. (Este conjunto está incluído no Módulo 1 deste manual). As pesquisas em ensino de Física sugerem que os estudantes possuem dificuldades com o modo pelo qual formação de imagens é ensinada. Por exemplo, os estudantes têm dificuldades conceituais com o belo diagrama de raios que desenhamos somente mostrando os raios principais, especiais.16 Os estudantes não entendem que afim de se formar uma imagem nítida, todos os raios que saem de um ponto sobre o objeto e incidem na lente devem ser focalizados em um único ponto, correspondendo a um ponto sobre a imagem. Nestas ILDs, a fim de se reforçar esta idéia, fontes pontuais de luz são colocadas no topo e na base da seta objeto, e uma lente cilíndrica é usada para focalizar estes pontos imagens.

Figura I-1 mostra a primeira página da Folha de Previsão para a Formação de Imagens com ILDs de Lentes. Figura I-2 mostra o conjunto experimental. Em adição às três demonstrações ilustradas aqui, existem quatro outras demonstrações solicitando que se façam predições do que acontecerá (a) se a lente é removida, (b) se o objeto é movido para bem distante da lente, (c) se o objeto é movido para próximo à lente, e (4) se o objeto é movido para mais próximo à lente além do ponto focal. Assim como todas as ILDs, os oito passos na Tabela I-2 são realizados para cada uma destas demonstrações. (Mais detalhes sobre este conjunto de ILDs serão encontrados no Módulo 1).

A Figura I-3 mostra a introdução às questões da formação de imagem sobre Avaliação Conceitual sobre Luz e Óptica (LOCE). Seis das questões foram incluídas num estudo de pesquisa do entendimento do estudantes do conceito de formação de imagem na Universidade de Oregon (USA) no curso de Física Geral em 1997-1998. Estas questões respondem o que aconteceria à imagem se (a) a figura fosse duas vezes maior, (b) a lente fosse substituída com uma com metade do diâmetro mas com mesma distância focal, (c) se a metade superior da lente fosse coberta, (d) se o centro da lente fosse coberto, (e) se a metade da figura fosse coberta, e (f) se a lente fosse removida. (O teste total é incluído na Pesquisa Ação deste manual, e é descrita em mais detalhes aqui. As questões usadas neste estudo foram os números 25, 26, 28, 29, 30 e 34). Figura I-4 mostra os resultados destas questões antes da instrução da aula tradicional, após a instrução da aula tradicional e então após uma aula adicional que incluiu estas ILDs. Como pode ser visto, o ganho de aprendizagem normalizado de todas as instruções de aula é somente de 20%, enquanto que com as ILDs é de 80%! (Ganho Normalizado é definido como a melhoria atual dividida pela melhoria possível máxima.)11

Figura I-5 mostra os resultados de uma pequena questão adicional sobre o LOCE. Aqui os estudantes são solicitados a continuarem dois raios do topo do objeto e dois raios da base do objeto para mostrar como a imagem real é formada. Somente 33% dos estudantes foram capazes de desenhar este diagrama de raios corretamente após instrução tradicional, enquanto 76% desenhou corretamente após experienciar as ILDs – um ganho normalizado de 64%.

Este conjunto de ILDs é uma boa demonstração do fato que ganho de aprendizagem significativa pode ser adquirida com materiais de baixo custo. As lentes cilíndricas podem ser fabricadas com uma vasilha de plástico transparente cheia de água. Além disso, são necessárias somente duas lâmpadas de lanterna nos soquetes e uma bateria de 9V. O custo é menor que $10(USD) para apresentar estas ILDs para uma sala de aula grande.

Porque trabalhar com ILDs? Os oito passos do procedimento das ILDs são planejados para atrair os estudantes para o processo de aprendizagem. Os estudantes são solicitados fazer predições baseadas em suas crenças sobre uma folha que é recolhida. Eles são forçados a contemplar cada demonstração em termos dos modelos que eles comumente utilizam. Os estudantes são então solicitados a defender suas predições para seus pares. Após estes dois passos, muitos estudantes se interessam com o que acontece na demonstração. Eles são atraídos por estes passos. Visto que os resultados que eles freqüentemente observam discordam com suas predições ingênuas – freqüentemente baseadas em modelos incorretos – existe uma chance de seus modelos serem mudados pela discussão que segue.

Usamos três linhas mestras no projeto de experimentos curtos e simples que compõem as ILDs para estes módulos. Primeiro, a ordem e o conteúdo das seqüências são baseadas nos resultados das pesquisas em aprendizagem de física. Se a seqüência tem sucesso, eles devem começar com o que os estudantes sabem e preparar uma base para o entendimento adicional. Segundo, as ILDs devem ser apresentadas de modo tal que os estudantes entendam os experimentos e “acreditem” nos aparelhos e dispositivos de medidas utilizados. Muitas demonstrações tradicionais deslumbrantes e excitantes também são complexas para serem experiências de aprendizagem efetiva para estudantes na classe introdutória. Finalmente, as ILDs devem usar materiais que são de fácil acesso nos países em desenvolvimento, ou bastante baratos que eles possam ser comprados ou fornecidos pelo grupo do workshop. Como parte do workshop, tem sido vantajosa uma breve sessão sobre proposição conjunta de materiais simples de ensino para serem utilizados no workshop, incluindo a instrução e a prática de como soldar circuitos simples.

Como as ILDs se ajustam ao curso de física introdutória? As áreas dos tópicos da seqüência das ILDs neste manual são distribuídas sobre os conceitos de óptica coberta em muitos cursos de física introdutória, com a adição de aplicações simples de fotônica. Porém, empregadas juntas, elas não constituem um currículo de óptica introdutória. Ao invés disso, elas são planejadas para suplementar os outros componentes do curso com um meio eficiente para os estudantes aprenderem os conceitos de física nas aulas teóricas. Elas têm sido utilizadas de diferentes maneiras, por exemplo: 1) como introdução para conceitos importantes no momento apropriado do planejamento do curso, 2) como atividades de reforço para conceitos já ensinados, 3) como sessões semanais de aprendizagem ativa planejadas no mesmo dia de cada semana das aulas e 4) como resumo e ponte entre atividades de laboratório de aprendizagem ativa. O instrutor deve decidir como elas melhor se ajustam ao se plano global do curso.

Uma última questão crucial: porque devemos estar atentos se os estudantes entendem os conceitos de física? Nós acreditamos que isto é fundamental para um real entendimento de nossa disciplina. Não se pode esperar que os estudantes sejam capazes de fazer mais que soluções algorítmicas para problemas de física simples sem uma sólida compreensão dos conceitos fundamentais.


Workshops de Aprendizagem Ativa

Os treinamentos de workshops já apresentados têm gerado um alto nível de interesse na aprendizagem ativa pelos participantes. O consenso parece ser que a aprendizagem ativa pode ser uma estratégia de muito sucesso para melhorar os resultados de ensino de física nos países em desenvolvimento. Um objetivo da UNESCO e sua rede regional de ensino de física é desenvolver um grande grupo de aprendizagem ativa local de pessoas ou educadores para coordenar e fazer workshops de aprendizagem ativa local no mundo em desenvolvimento. A estratégia é recrutar estes educadores dentre os participantes na série de workshops de treinamento para ser apresentado no futuro. Pensa-se que os professores universitários que podem ser bons educadores de aprendizagem ativa devem ter as seguintes qualidades: alto grau de entusiasmo, rica experiência como professor de física, bom conhecimento de física, jovem de corpo e de mente (i.é., ser capaz de ter novas idéias e desenvolvê-las), ter boas habilidades manuais, desembaraçado ( capaz de montar equipamentos em meios estranhos e facilmente se adaptar quando as coisas estão erradas), muito interessado na prática e na pesquisa de ensino de física, com uma universidade que lhe dê suporte (isto é, que ajudará na construção de equipamentos para os workshops e que lhe dê licença para ir a diversos workshops por ano), também não sobrecarregado com administração e pesquisa básica, e genuinamente desejar ajudar os colegas em países em desenvolvimento (e em sua universidade). Em geral, os professores universitários com as seguintes características não seriam bons educadores para este programa: inflexíveis em suas idéias, muito ocupados para dedicar um tempo adequado a esta atividade, dando mais valor a sua pesquisa de física básica em relação ao desenvolvimento do seu ensino e sem um suporte da universidade.

Em geral, temos encontrado a seguinte estrutura para os cinco dias do Workshop do ALOP para se ter sucesso:

½ dia para um tour pelas instalações de ensino e pesquisa

½ dia para introduções – ambos participantes e pessoas da faculdade (Cada um viria bem preparado com um relatório sobre o ensino de física em sua instituição)

½ dia para introduzir os objetivos do workshop e aprendizagem ativa, pré-teste e uma breve sessão para preparar os materiais do workshop.

3 dias para um trabalho mão na massa com os módulos.

½ dia para uma discussão resumida do evento e pós-teste. Materiais para discussão do resumo do evento podem incluir as necessidades para melhorar o ensino de física em seus países, como podem ser encorajadas boas práticas de ensino, quais meios estão disponíveis em seus países e como estes podem ser utilizados mais efetivamente, e como pode os participantes ajudar a resolver a implementação do conteúdo em seus países.

Tabela I-2: Os Oito Passos do Procedimento das Aulas de Demonstração Interativa

1.

O instrutor descreve a demonstração e – se apropriado – faz para a classe sem mostrar medidas.

2.

É solicitado aos estudantes para registrarem suas predições individuais na Folha de Previsão, a qual será recolhida, e que pode ser identificada pelo número de cada estudante escrito na parte superior. (Os estudantes são assegurados que nestas predições não serão dadas notas, embora alguns créditos do curso são normalmente dados pela presença e participação nestas sessões de ILD.)

3.

Os estudantes se empenham nas discussões de pequenos grupos com um ou dois de seus vizinhos mais próximos.

4.

O instrutor extrai as predições comuns dos estudantes da classe toda.

5.

Os estudantes registram suas predições finais na Folha de Previsão.

6.

O instrutor realiza a demonstração sem mostrar claramente os resultados.

7.

Uns poucos estudantes descrevem os resultados e os discutem no contexto da demonstração. Os estudantes podem preencher uma Folha de Resultado, idêntica à Folha de Previsão, que pode ficar com eles para estudos posteriores.

8.

Os estudantes (ou instrutor) discutem situação(ões) física(s) análoga(s) com aspectos “aparentemente” diferentes. (isto é, situação(ões) física(s) diferente(s) baseada(s) no(s) mesmo(s) conceito(s).)


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