1. Introdução

Hoje em dia sabemos que as crianças trazem consigo ideias prévias com as quais interpretam o mundo, que se podem revelar altamente resistentes à mudança e que influenciam fortemente as novas aprendizagens. Estas ideias, genericamente designadas por conceções alternativas, são construídas pelos próprios alunos através de experiências diárias do foro informal – sensorial, linguístico, ou cultural – ou formal, e divergem erroneamente dos conceitos aceites pela comunidade científica (Driver, Guesne, & Tiberghien, 1985; Gravina & Buchweitz, 1994; Menino & Correia, 2001).

Driver, Guesne e Tiberghien (1985) defendem que o desenvolvimento de ideias sobre os fenómenos naturais ocorre muito antes de estes serem abordados em contexto formal. Algumas dessas conceções alternativas acabam por se alinhar com as explicações proporcionadas durante a formação académica, enquanto outras são significativamente diferentes da ciência aprendida na escola. Assim, as conceções alternativas são originadas, por um lado, a partir de um conjunto diversificado de experiências pessoais, incluindo a perceção e a observação direta, cultura e língua, e, por outro, nas explicações dos professores – que apresentam muitas vezes as suas próprias conceções alternativas. Muitas das fontes de conceções alternativas são, na melhor das hipóteses, especulativas, mas variadas pesquisas sugerem que a visão do mundo do aluno é fortemente influenciada pelo seu ambiente social. Resultam, muitas vezes, da interpretação de novas experiências à luz de experiências anteriores, sendo novos conceitos enxertados em noções prévias. Os conhecimentos anteriores do aluno interagem ativamente com os conhecimentos estudados formalmente na escola criando um leque de resultados de aprendizagem não intencionais (Duit, 1993; Duit & Treagust, 2003).

Para que ocorra a mudança conceptual por parte do aluno, é fundamental que a nova conceção seja inteligível e que faça sentido, conduzindo o estudante a fazer uma representação coerente dessa conceção e não a tentar uma memorização mecânica, ou seja, o estudante tem de acreditar que ela é verdadeira e que tenha a capacidade de resolver os problemas que as conceções existentes foram incapazes de resolver. Por norma é encontrada alguma forma de relaciona-la com o conhecimento existente na sua estrutura cognitiva. Portanto, para existir incorporação de uma nova conceção na estrutura cognitiva do estudante, esta deve apresentar vantagens em relação às existentes, ser inteligível, clara, evidenciar plausibilidade, facilitar uma melhor compreensão, e mostrar a sua utilidade na explicação e solução de questões e novos problemas ou não resolvidos pelas conceções existentes na estrutura cognitiva do aluno (Duit, 1993; Duit & Treagust, 2003; Gravina & Buchweitz, 1994).

Para o professor é de extrema importância saber identificar e diagnosticar as conceções alternativas, tomando em conta a sua origem, uma vez que, como referem Clement, Brown e Zeitsmann (1989) ( citados por Leite, 1993), nem todas as ideias trazidas pelos alunos são conceções alternativas. Uma resposta menos correta por parte de um aluno, pode aduzir a um sem número de possibilidades quanto à origem da mesma. Pode inclusive, evidenciar que o aluno não chegou a desencadear o raciocínio correspondente aos dados que lhe são apresentados. Desta forma, é importante diagnosticar e aferir as conceções alternativas que os alunos já possuem, antes de abordar novos assuntos, de forma a que possam ser tomadas medidas facilitadoras da aceitação dos conteúdos científicos.

A diagnosticação de conceções alternativas é um processo de auto-regulação, quer para o ensino, quer para o aluno, que implica o desenvolvimento de estratégias específicas que ajudam o professor a identificar conceções alternativas. A identificação de conceções alternativas, conduz os alunos a refletir sobre a sua aprendizagem, de forma a que se tornem conscientes das suas próprias crenças e estratégias de validação de conhecimentos (Duit, 1993; Leite, 1993). Existem várias formas de obter informações sobre o conhecimento prévio dos alunos que foram desenvolvidas por vários investigadores da educação em ciência, que apesar da sua diversidade se relacionam com a disponibilidade dos alunos para falar ou escrever sobre ciência. As metodologias mais utilizadas passam por entrevistas individuais, perguntas abertas ou fechadas e questinários de escolha múltipla sobre temas especificos (Duit, 1993). Não existe um método único para a aferição destas conceções, sendo que cada método utilizado é adaptado ao público alvo da investigação em causa. Contudo, o uso de um único método, não é por norma, suficiente para a determinação de um diagnóstico fidedigno (Duit, 1993; Leite, 1993). O conhecimento das conceções alternativas dos estudantes pode servir de base para preparar material educativo potencialmente significativo para a ocorrência de aprendizagem dos conceitos científicos (Gravina & Buchweitz, 1994).

Muitas são as razões apontadas para realizar pesquisa educacional relacionada com conceitos ou conceções científicas ou conceções alternativas, mas certamente a mais importante é a de que conceitos e as suas relações exercem um papel essencial em Física.

 2. Problema de investigação

 A eletricidade é um assunto em que os alunos apresentam muitas dificuldades ao nível da compreensão de conceitos, por existirem muitas conceções alternativas resistentes à mudança. Neste sentido, este estudo tem como objetivo perceber como o uso de tarefas de investigação que envolvem trabalho laboratorial facilita a mudança das conceções alternativas dos alunos acerca da temática Corrente elétrica e Circuitos elétricos.

3. Metodologia

A metodologia de investigação seguida neste trabalho é interpretativa. A recolha de dados foi efetuada através da observação participante (registo vídeo e áudio), pré e pós teste, registos escritos dos alunos nas tarefas e entrevista em grupo focado. Com o fim de atingir o objetivo proposto, construiu-se uma proposta didática que se desenvolveu ao longo de seis aulas de 90 minutos e três aulas de 45 minutos. Esta procurou ir ao encontro do preconizado nas Orientações Curriculares para as Ciências Físicas e Naturais para o 3.º ciclo do ensino básico (Galvão, et al., 2001) e nas Metas Curriculares para o 9.º ano de escolaridade (Fiolhais, et al., 2013). Foram construídas cinco tarefas de investigação, todas elas envolvendo o trabalho de grupo e trabalho laboratorial, em que os alunos foram confrontados com uma situação problemática, tendo que levantar hipóteses, planificar uma estratégia para a resolução do problema, analisar os dados recolhidos e concluir acerca do problema proposto. As tarefas de investigação desenvolvidas seguiram o modelo dos cinco E’s (Bybee, et al., 2006). De modo a detetar se existiu ou não mudança conceptual foi construído um questionário composto por três questões que abordavam os conceitos: circuito elétrico, corrente elétrica, tensão elétrica e condutibilidade elétrica. A questão 1 foi adaptada de Hayson e Bowen (2010), a questão 2 adaptada de Keeley e Harrington (2014) e a terceira questão adaptada de Lutkus, Lauko e Brockway (2006). Este questionário foi aplicado antes da intervenção (pré teste) e no final da intervenção (pós teste). Participou uma turma de 9.º ano de escolaridade, de uma escola da região de Lisboa, constituída por 30 alunos, sendo treze raparigas e dezassete rapazes. Da análise dos dados recolhidos procedeu-se à sua categorização, de forma a dar resposta ao problema de investigação, tendo emergido as categorias: (1) Circuitos elétricos; (2) Corrente elétrica; (3) Tensão elétrica e (4) Condutibilidade elétrica. Para cada questão do pré e pós teste foi calculada a percentagem de respostas dos alunos adequadas do ponto de vista científico.

Proposta didática:

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 4.    Resultados

4.1.  Circuitos elétricos

O conceito circuito elétrico é muito abrangente e está presente em todas as tarefas desenvolvidas. A primeira questão do pré e pós teste relaciona-se com a distinção entre circuito elétrico fechado e aberto, tendo os alunos que identificar quais os esquemas em que o circuito se encontra fechado e explicar a sua resposta. Verifica-se que existiu uma evolução nas conceções dos alunos em relação a este conceito, entre os resultados do pré teste (82,8%) e do pós teste (100%), sendo que no final da intervenção todos os alunos reconhecem a necessidade da existência de um circuito fechado para que a lâmpada acenda. No excerto seguinte, referente às respostas do pré teste, o aluno reconhece a necessidade da existência de um circuito elétrico fechado para que a lâmpada acenda, contudo não consegue explicar cientificamente a sua escolha.

(Documentos escritos, pré teste, A8)

Ao longo das tarefas é possível verificar a evolução da mobilização do conceito circuito elétrico, como é percetível nos excertos seguintes referentes à primeira tarefa:

(Documentos escritos, grupo 7, tarefa 1)

O excerto diz respeito à primeira questão da parte dois da tarefa 1, em que se pedia aos alunos que descrevessem os dispositivos necessários para a construção de um circuito elétrico que permitisse acender e apagar uma lâmpada. Neste excerto, exemplificativo das respostas dadas pelos vários grupos, fica evidente que os alunos conseguem identificar os dispositivos elétricos necessários à construção do circuito elétrico, bem como a sua respetiva função no circuito elétrico. A tarefa 3 tinha como grande objetivo a distinção entre os dois tipos de associações de recetores, série e paralelo, em circuitos elétricos. A análise às conclusões dos vários grupos no final desta tarefa é reveladora de que estes percebem a distinção entre os dois tipos de associação e conseguem distinguir circuito elétrico aberto de circuito elétrico fechado.

(Documentos escritos, grupo 1, tarefa 3)

No excerto anterior, é possível constatar que os alunos conseguem distinguir os dois tipos de associações de recetores, explicando o que acontece em cada um quando se desenrosca uma lâmpada ou se abre ou fecha um interruptor, mostrando desta forma que compreendem o conceito de circuito elétrico aberto e fechado e de que quando o circuito está fechado este permite a passagem de corrente elétrica.

No final da intervenção, os alunos realizaram o pós teste. Pela análise das respostas dadas à questão um é possível confirmar a evolução dos alunos na conceção que tinham acerca de circuito elétrico. Os alunos compreendem o conceito científico circuito elétrico, bem como tentam explicar cientificamente o mesmo.

(Documentos escritos, pós teste, A1)

No excerto, o aluno identifica que ambos os esquemas b e c permitem acender a lâmpada pois o “esquema está fechado”. Deste modo, o aluno refere que o circuito está fechado, assim permite a existência de corrente elétrica e a lâmpada acende. Torna-se evidente a evolução dos alunos em termos da mobilização do conceito científico circuito elétrico.

4.2.  Corrente elétrica

A questão dois do pré e pós teste pretendia avaliar as conceções que os alunos tinham acerca do conceito científico corrente elétrica. Nesta questão é notória a evolução entre os resultados obtidos no pré teste (30,7%) e os resultados obtidos no pós teste (69,2%). Nesta questão os alunos eram confrontados com uma imagem de um circuito elétrico com uma associação de duas lâmpadas em série e a opinião de dois alunos acerca do brilho das lâmpadas.

(Documentos escritos, pré teste, A28)

Neste excerto de resposta dada no pré teste, verifica-se que o aluno considera que o brilho das duas lâmpadas no circuito em série é o mesmo. No entanto, não consegue explicar cientificamente a sua opção, é ainda notória a confusão que muitos alunos apresentam na utilização do termo eletricidade como sinónimo de corrente elétrica.

O conceito corrente elétrica foi abordado na tarefa 4, em que se pretendia que os alunos compreendessem como varia o valor da corrente elétrica nos circuitos elétricos com associações de recetores em série e em paralelo. Após análise das conclusões, referentes a esta tarefa, parece evidente que os alunos assimilaram este conceito científico e conseguem relaciona-lo com os diferentes tipos de associações de recetores.

(Documentos escritos, grupo 4, tarefa 4)

Neste excerto, os alunos identificam como varia a corrente elétrica nos dois tipos de associações, afirmando que no circuito em série “ambas as lâmpadas têm o mesmo valor de corrente elétrica”. Os alunos explicam que as medições efetuadas de corrente elétrica no circuito antes da primeira lâmpada e depois da segunda lâmpada traduziram-se em valores de corrente elétrica iguais. Desta forma, demonstram compreender o conceito de corrente elétrica e qual o seu comportamento num circuito de elétrico com associação de recetores em série. Em relação à associação de recetores em paralelo, estes respondem que “lâmpadas têm valores diferentes de corrente elétrica”. Nesta afirmação querem referir que, quando são efetuadas as medidas de corrente elétrica nas diferentes ramificações, os valores de corrente elétrica obtidos são diferentes. Esta resposta demonstra que os alunos compreenderam que a corrente elétrica neste tipo de circuito percorre vários caminhos, distribuindo-se desta forma os eletrões pelas várias ramificações, o que induz a diferentes valores de corrente elétrica nas diferentes ramificações.

Nas respostas dadas ao pós teste verifica-se uma evolução das respostas dadas com uma justificação científica, fundamentada no conceito científico corrente elétrica.

(Documentos escritos, pós teste, A25)

No excerto anterior, é também evidente que o aluno assimilou o conceito de corrente elétrica, relacionando-o com o movimento orientado de eletrões, justificando que “os eletrões após passarem pela primeira lâmpada são os mesmos”. A utilização desta expressão demonstra que o aluno compreende que a corrente elétrica é um movimento orientado de cargas elétricas e que se relaciona com o número de eletrões que passa numa dada seção reta por unidade de tempo, e ainda que não existe consumo de corrente elétrica quando esta passa pelas lâmpadas, ou seja, a corrente elétrica conserva-se.

Nesta questão do pós teste era possível avaliar a conceção que muitos alunos têm de que a corrente elétrica é consumida quando atravessa o circuito elétrico. Após a intervenção e analisando as respostas dadas ao pós teste, verifica-se que embora a maioria dos alunos consiga explicar o conceito corrente elétrica, alguns alunos ainda mantém a conceção de que a corrente elétrica vai sendo consumida no circuito elétrico.

(Documentos escritos, pós teste, A15)

Neste excerto é evidente que o aluno tem a ideia de que a corrente elétrica vai sendo consumida pelos recetores, ou seja, a corrente elétrica que deixa um terminal da pilha é “gasta” ao passar na primeira lâmpada e assim a corrente elétrica que passa na segunda lâmpada é menor, logo o seu brilho será menor. Ainda assim, pode-se afirmar que a maioria dos alunos que participaram neste trabalho assimilou o conceito corrente elétrica e conseguem explicá-lo, utilizando a linguagem científica referente a esta temática.

4.3.  Tensão elétrica

Na questão 2, do pré e pós testes, os alunos também poderiam justificar a sua opção recorrendo ao conceito científico tensão elétrica. No pré teste 31,3 % dos alunos justificam a sua escolha recorrendo ao conceito tensão elétrica e no pós teste 68,8 % dos alunos conseguem justificar a sua escolha, recorrendo ao conceito tensão elétrica, com uma explicação científica adequada. Após a análise às respostas do pré teste, verifica-se que os alunos que utilizam o conceito científico tensão elétrica, para fundamentar a sua resposta, mas não conseguem explicar cientificamente as suas respostas.

(Documentos escritos, pré teste, A4)

Este excerto é demonstrativo de que o aluno utiliza o termo energia como sinónimo de corrente elétrica, facto muito recorrente nas respostas dos alunos, referindo que “o fio condutor (…) transporta a mesma energia para as duas lâmpadas”.

No desenvolvimento das aulas, o conceito tensão elétrica foi abordado na tarefa 4. Após a análise das respostas dadas pelos alunos, às questões desta tarefa e às reflexões por estes efetuada, é possível constar que estes compreenderam o conceito científico tensão elétrica, como se mostra nos excertos que se seguem:

(Documentos escritos, tarefa 4, A29)

(Documentos escritos, tarefa 4, A20)

Os excertos anteriores correspondem a respostas dadas pelos alunos à questão “Indica o que aprendeste com a realização da tarefa”. No primeiro excerto, o aluno explica o que entende por tensão elétrica, relacionando-o com “a energia que é transferida para o circuito por eletrão”. O aluno mostra reconhecer que a tensão elétrica é definida como a quantidade de energia que um gerador fornece ao circuito, por unidade de carga elétrica, bem como ter compreendido como se podem efetuar as medições de tensão elétrica nos vários dispositivos do circuito utilizando a expressão “é medida nos terminais da pilha e da lâmpada, com o voltímetro em paralelo”. Na resposta deste aluno é evidente o esforço em utilizar a terminologia científica correta para explicar o conceito tensão elétrica. No segundo excerto, o aluno relaciona o conceito corrente elétrica com a tensão elétrica, referindo explicitamente “para existir corrente elétrica num circuito tem de haver tensão elétrica”. Esta frase evidência o facto de o aluno ter, por um lado, compreendido o significado de tensão elétrica e, por outro, ter estabelecido uma relação entre tensão elétrica e corrente elétrica. Fica também evidente que o aluno compreende que a tensão elétrica a que o circuito elétrico é sujeito tem origem na pilha.

O excerto seguinte diz respeito à conclusão a que os alunos chegaram depois de realizarem a parte três da tarefa quatro, onde tinham que efetuar as medidas de tensão elétrica em circuitos com associações de lâmpadas em série e em paralelo.

(Documentos escritos, grupo 8, tarefa 4)

Constata-se que os alunos compreendem como varia a tensão elétrica na associação de lâmpadas em paralelo, pois os alunos referem que “a tensão no circuito em paralelo é igual”. Esta afirmação demonstra que estes compreendem que a tensão elétrica entre os terminais de uma associação de lâmpadas em paralelo é igual à tensão entre os terminais de qualquer uma das lâmpadas, sejam elas iguais ou diferentes. Também em relação à variação da tensão elétrica no circuito com associação de lâmpadas em série, os alunos mostram compreender como varia a tensão elétrica neste tipo de associações, referindo “U = U₁ + U₂”, a utilização desta expressão por parte destes mostra, que compreenderam que a tensão entre os terminais de uma associação de lâmpadas em série é igual à soma das tensões entre os terminais de cada uma das lâmpadas.

A análise as respostas dadas ao pós teste vem reforçar que os alunos compreendem o conceito tensão elétrica e conseguem explica-lo de forma adequada. Nos excertos seguintes, os alunos relacionam o mesmo brilho das lâmpadas explicando que este se deve à divisão da energia ou tensão elétrica por ambas as lâmpadas.

(Documentos escritos, pós teste, A17)

Neste excerto, o aluno explica que a tensão elétrica fornecida ao circuito é divida por ambas as lâmpadas e que adição de mais lâmpadas ao circuito fará com que a luminosidade destas diminua, mas o brilho entre elas seja o mesmo. É notório de que este aluno compreendeu o conceito de tensão elétrica e consegue explicar a luminosidade das lâmpadas associadas em série adequadamente com o recurso a este conceito.

4.4.  Condutibilidade elétrica

Na questão três pretendia-se perceber quais as conceções dos alunos acerca do conceito condutibilidade elétrica. Os alunos tinham de planear uma experiência que permitisse distinguir a água destilada da água salgada através da sua condutibilidade elétrica. No início das aulas apenas uma pequena percentagem (31%) dos alunos associou a questão à condutibilidade elétrica, no entanto no final da realização das tarefas esta percentagem aumentou significativamente, revelando que 89,7% dos alunos conseguiram mobilizar este conceito científico. Nos excertos seguintes, referentes a respostas dadas ao pré teste, verifica-se que os alunos de alguma forma tentam explicar a diferença de condutibilidade entre a água destilada e a água salgada.

(Documentos escritos, pré teste, A27)

(Documentos escritos, pré teste, A1)

Pela análise dos excertos anteriores, relativos às respostas do pré teste verifica-se que os alunos conseguem perceber que existe uma diferença de condutibilidade elétrica entre a água salgada e a água destilada, pois utilizam termos como “eletrificarmos”, “ver a condutividade de energia das águas”. No entanto, não conseguem explicar como fariam para provar essa diferença de condutibilidade.

A tarefa 2 da intervenção aborda precisamente o conceito científico condutibilidade elétrica, tendo como objetivo o planeamento de uma experiência para testar a condutibilidade elétrica de diferentes materiais. Os excertos seguintes traduzem as conclusões que os alunos chegaram depois de realizarem a tarefa dois.

(Documentos escritos, grupo 6, tarefa 2)

Neste primeiro excerto, os alunos distinguem os materiais utilizados em bons e maus condutores e explicam o que entendem por bons condutores, afirmando que estes “tem eletrões de condução e por isso deixam passar a corrente elétrica e os maus condutores não”, apesar de a afirmação anterior não estar cientificamente correta, é demonstrativa de que os alunos compreenderam que os materiais bons condutores têm na sua constituição eletrões de condução com elevada mobilidade, permitindo que exista nestes materiais corrente elétrica quando sujeitos a uma tensão elétrica.

No entanto, apesar de os alunos terem na sua maioria conseguido mobilizar este conceito científico, apenas o justificam com existência de eletrões de condução, nunca se referem às soluções aquosas que contém iões com grande mobilidade na sua composição.

Pela na análise às respostas dadas no pós teste, verifica-se que os alunos mobilizaram o conceito de condutibilidade elétrica, como se pode constatar no excerto que se segue.

(Documentos escritos, pós teste, A25)

No excerto anterior, escrito com uma linguagem mais cuidada, verifica-se que o aluno consegue planear uma experiência para testar a condutibilidade elétrica.

5.    Discussão e Conclusão

Ao longo da realização das cinco tarefas de investigação os alunos tiveram oportunidade de formular hipóteses, planificar e executar experiências, registar e interpretar os dados obtidos, comunicar conclusões e refletir sobre o trabalho desenvolvido. Deste modo, desenvolveram um conjunto de aprendizagens em vários níveis. Relativamente a aprendizagens em termos de compreensão e utilização de conceitos e linguagem científica os resultados indicam que os alunos conseguiram ultrapassar algumas das conceções alternativas relativas à temática da corrente elétrica e circuitos elétricos. No que concerne ao conceito de circuito elétrico verifica-se que os alunos que indicavam que apenas era necessário o contato entre a pilha e lâmpada, para que a lâmpada acendesse, modelo designado unipolar por vários autores (e.g., Driver, 1994; Gravina & Buchweitz, 1994; Shipstone, 1985), conseguiram ultrapassar essa conceção, mobilizando o conceito de circuito elétrico. Analisados os resultados, relativos à questão dois do pós teste, constata-se que alguns alunos mantêm a conceção de que a corrente elétrica vai sendo consumida pelos recetores, representada pelo modelo de atenuação (Shipstone, 1985). Ainda que alguns alunos não tenham assimilado que a corrente elétrica se conserva, outros há que referem explicitamente nas suas respostas este facto. Relativamente ao conceito de tensão elétrica, denota-se que os alunos conseguiram mobilizar este conceito. Observando as respostas dadas pelos alunos nas tarefas e no pós teste, torna-se evidente que a maioria dos alunos conseguiu compreender a relação entre a tensão elétrica e corrente elétrica, não se verificando no final das aulas lecionadas a conceção alternativa identificada nos estudos efetuados por Driver, Squires, Rushworth e Wood-Robinson (1994) e Gravina e Buchweitz (1994), em que a tensão elétrica é tida como uma propriedade da corrente elétrica. No que concerne ao conceito de condutibilidade elétrica, dos resultados obtidos verifica-se que os alunos no início das aulas não tinham grandes conceções acerca deste conceito, visto que nas respostas dadas no pré teste, poucos foram os alunos que o mencionaram. Contudo, depois de terminada a intervenção, verifica-se que uma grande percentagem (89,7 %) dos alunos mobilizou este conceito.

Dado o exposto é possível afirmar que uso de tarefas de investigação além de promoverem um grande conjunto de competências, contribuíram para uma mudança das conceções alternativas dos alunos sobre corrente elétrica e circuitos elétricos simples, estes resultados estão em sintonia com os obtidos por Afra, Osta e Zoubeir (2009) e Korganci, Mirona, Dafineia e Antohea (2015).