Uma proposta de uma estrutura didática para o ensino de física para as engenharias: análise do componente projeto integradorResumo
O trabalho apresenta um artefato materializado na forma de estrutura didática como um curso de Física Básica voltado para a formação de engenheiros a fim de atender às demandas formativas requeridas pelas Diretrizes Curriculares Nacionais do ensino de graduação para as engenharias (DCN) e pelo paradigma de formação por competências. Tal artefato possui uma heurística denominada tríade estruturante. Ambos foram desenvolvidos com base na metodologia Design Science Research (DSR). A avaliação do constructo foi realizada sobre a sua componente de maior complexidade, o Projeto Integrador (PI), via duas metodologias; a avaliação analítica que trata do alinhamento interno e da adequação de finalidade do artefato às DCNs; e a avaliação experimental que lidou com a adesão e qualidade da participação discente nessa componente (PI). A consistência interna do artefato se mostrou robusta, de modo que o mesmo atendeu a todos os requisitos de atualização didática exigidos pela pesquisa. Assim sendo, é factível externar a conclusão de que o produto educacional produzido por esta pesquisa se revela particularmente útil para a atualização do ensino de física no contexto das engenharias.
Palavras-chave:
Diretrizes Curriculares Nacionais; Formação por competências; Ensino de física para as engenharias; Design Science Research; Projeto Integrador
Abstract
This paper presents an artifact materialized in the form of a didactic structure as a Basic Physics course aimed at training engineers in order to meet the training demands required by the National Curricular Guidelines for undergraduate engineering education (DCNs) and by the competency-based training paradigm. This artifact is composed by a heuristic called structuring triad. Both ones were developed and based on the Design Science Research (DSR) methodology. The assessment of the construct was carried out on its most complex component, the Integrative Project, via two methods: the analytical assessment that deals with the internal alignment and suitability of the purpose of the artifact to the DCNs; and the experimental assessment that deals with the adherence and quality of student participation in this component. There are also presented the types of resources developed and the general characteristics of the teaching-learning activities of the artifact. The internal consistency of the artifact proved to be robust, so that it met all the didactic updating requirements demanded by the research. Therefore, it is feasible to conclude that the educational product produced by this research proves to be particularly useful for updating physics teaching in the context of engineering.
Keywords
National Curricular Guidelines; Competency-based training; Physics teaching for engineering; Design Science Research; Integrative Project
1. Introdução/Justificativa
A formação do engenheiro enfrenta desafios significativos relacionados ao ensino da física, que é pilar fundante em todas as áreas das engenharias. A problemática surge da alta taxa de reprovação, da percepção negativa dos alunos em relação à relevância das ciências básicas e das características usuais dos cursos, que muitas vezes não conseguem conectar teoria e prática de forma eficaz. A inadequação pedagógica, a falta de contextualização dos conteúdos e a metodologia tradicional expositiva são frequentemente citadas como causas da desmotivação e do baixo desempenho dos alunos [1,2,3,4].
A necessidade de inovação e de atualização didática no ensino de física para cursos de engenharia torna-se também evidente diante da necessidade de implementação das novas Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs). Essas diretrizes, entre outros requisitos, destacam uma série de competências a serem desenvolvidas pelos futuros engenheiros [5].
O conceito de inovação em educação assume papel importante na compreensão da problemática apresentada no parágrafo anterior. Em um trabalho de revisão sistemática Tavares [6] reúne evidências que permitem superar a quase-sinonímia existente entre inovação, modernização e atualização em educação ao extrair da própria literatura como este assunto vem sendo interpretado pelos pesquisadores dessa área. Segundo esse autor, no contexto educacional, o termo inovação vem sendo compreendido como: “algo positivo a priori; sinônimo de mudança e/ou de reforma educacional; modificação de propostas curriculares; alteração de práticas educacionais costumeiras em um grupo social.”
Para os interesses desta pesquisa, assumiu-se como foco o termo atualização, ao qual, no contexto educacional, admite-se carregar dois significados: Mudança ou reforma educacional, considerando a implementação das DCNs, portanto, como sendo algo de um contexto mais amplo; e, alterações de práticas usuais1 em um grupo social, que é exatamente o cenário desta pesquisa2.
De posse dessa definição, Costa e colaboradores [7] conseguiram delimitar melhor o problema expresso nos parágrafos anteriores por meio de outro trabalho de revisão sistemática, no qual investigaram propostas de atualização no Ensino de Física em Escolas de Engenharia do Brasil, publicadas nos principais fóruns da área3, desde 2019, ano de instituição das DCNs, até 2024. Nessa pesquisa os autores identificaram, entre outras descobertas, a falta de publicações que apresentassem estruturas didáticas completas, testadas e avaliadas, que pudessem apoiar processos de atualização em Cursos de Física Básica voltados para as engenharias.
O Laboratório de Inovação Didática em Física (LIDF), grupo que, desde 2017, se dedica a enfrentar os desafios no ensino de Física para engenharias [8], utilizou a metodologia denominada Design Science Research (DSR) [9, 10] como ferramenta de Pesquisa e de Desenvolvimento (P&D) para a criação e avaliação de um artefato com foco na resolução do problema apresentado. O artefato desenvolvido, descrito como uma estrutura didática, é composto por uma heurística de desenvolvimento e por diversos recursos de planejamento e de ensino-aprendizagem, é denominado Curso LIDF de Física Básica.
Por intermédio dos procedimentos de avaliação Analítica e Experimental4 sobre o artefato, os autores buscaram responder a seguinte pergunta de pesquisa:
O Curso LIDF de Física Básica para as engenharias é uma estrutura didática adequada para fins de promover atualização didática alinhada ao desenvolvimento das competências previstas nas DCNs?
Para esse intento serão apresentados os resultados de consistência interna do constructo, bem como a análise sobre a participação discente na componente de maior complexidade do mesmo, o Projeto Integrador (PI).
2. Referencial Teórico do Artefato
As Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs) da engenharia, publicadas em 2019, são um conjunto de normas estabelecidas pelo Conselho Nacional de Educação (CNE) do Brasil, que definem os princípios, fundamentos, condições e finalidades para a organização, desenvolvimento e avaliação dos cursos de graduação em Engenharia. Essas diretrizes servem como fundamento para a reformulação de todos os Projetos Pedagógicos dos Cursos (PPCs) e visam garantir que os egressos dos cursos de Engenharia possuam um perfil completo, composto por competências técnicas e humanísticas, a fim de formar engenheiros capazes de atuar de forma ética e responsável na sociedade.
Ao estabelecer comparações entre as Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs) de 2002 [11] e a versão mais recente, de 2019 [5], é possível identificar tanto semelhanças quanto diferenças significativas entre os dois documentos. Ambas as versões apresentam como foco comum a formação generalista, humanista, crítica e reflexiva dos futuros engenheiros. Também compartilham a preocupação em potencializar nos estudantes a capacidade de absorver e desenvolver novas tecnologias, promovendo, assim, uma formação capaz de acompanhar os avanços científicos e tecnológicos.
Tais semelhanças, no entanto, não se esgotam nesses aspectos. Para fins desta análise, opta-se por aprofundar o exame da principal diferença entre os documentos: o paradigma formativo proposto em cada uma das edições.
Nesse sentido, mesmo já adotando o paradigma da formação por competências, as DCNs de 2002 ainda apresentam um modelo fortemente centrado em conteúdos técnicos e específicos da engenharia, apoiado em uma abordagem tradicional de ensino, baseada na transmissão de conhecimentos de forma fragmentada e sequencial.
Em contraste, as DCNs de 2019 representam uma mudança de perspectiva significativa, ao trazer o foco para o desenvolvimento de competências e habilidades amplas, indo além do domínio técnico. A nova diretriz valoriza uma aprendizagem centrada no estudante, incentivando o uso de metodologias ativas e promovendo uma formação integral que contempla, além dos conhecimentos técnicos, aspectos éticos, sociais e ambientais. Essa atualização alinha a formação dos engenheiros às exigências contemporâneas da sociedade e do mercado de trabalho, incorporando práticas pedagógicas inovadoras que favorecem a autonomia, o pensamento crítico e a capacidade de adaptação a cenários em constante transformação.
Entre os vários papeis de relevo desempenhados pelas DCNs mais recentes, destaca-se a elaboração do conjunto de competências gerais a serem garantidas na formação do engenheiro [5].
Desta forma, o desenvolvimento de competências, como explicitado a nível “macro” nas DCNs e adaptadas ao nível “meso” nos PPCs, assume papel central na formação dos engenheiros [12, 13]. É importante ressaltar que essas diretrizes nacionais documentam fortemente a necessidade de sólida formação em ciências básicas. De posse dos objetivos formativos mais gerais requeridos para o artefato (ver final da seção 2.2), cabe investigar quais abordagens metodológicas subsidiam a construção dos recursos que compõem o mesmo. Apresenta-se, em seguida, as metodologias de maior relevância para o design do componente de maior complexidade do artefato: o Projeto Integrador (PI).
A Instrução por Modelagem IM, proposta pelo Físico e americano David Hestenes, é segundo a American Modeling Teachers Association [14], uma estrutura metodológica projetada para envolver os alunos em todas as etapas da modelagem: construção, teste, análise e aplicação de modelos científicos. Complementar ao trabalho de Hestenes, desenvolveu-se no Transformative Learning Technologies Lab TLTL, a Modelagem Bifocal MB, a qual complementa os ciclos de modelagem de Hestenes com uma nova dimensão, na qual o aluno é desafiado a desenvolver paralelamente um modelo físico e outro computacional. Na Figura 1 expressa-se de maneira sintética os princípios dessa abordagem metodológica [15].
Propostas metodológicas que se utilizam de modelos são consolidadas no ensino de engenharia. A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo USP há mais de duas décadas desenvolve modelos de estruturas e experimentos para complementar os ensinamentos em sala de aula [16]. Na Faculdade de Engenharia Civil da Universidade Federal do Pará UFPA também foi feito uso de modelos didáticos nos trabalhos desenvolvidos no âmbito do então Laboratório Didático (LABDID) por [17]. Atualmente, esta linha metodológica segue em desenvolvimento em diversos trabalhos desenvolvidos pelo LIDF [18,19,20].
3. Apresentação do Artefato Desenvolvido
Em 1969, Herbert Simon lança sua obra seminal “The Sciences of the Artificial” [21], na qual propõe um novo paradigma metodológico e científico para trabalhar de forma mais eficaz, aquilo que é desenvolvido por projeto, ou seja, por constructo humano, sendo, portanto, voltado para algo de natureza artificial. Simon argumenta que um artefato pode ser discutido em termos descritivos (referindo-se à comunicação detalhada de seus principais componentes e informações) e imperativos (no sentido de definir questões normativas de seu desenvolvimento, ou seja, os princípios de design que guiaram sua concepção) [9].
O artefato desta pesquisa é uma proposta de atualização didático-metodológica para atender a um curso de Física Básica (Física I – Mecânica) voltado para a formação de engenheiros. Mais especificamente, pode ser definido como uma estrutura didática composta por uma concatenação estratégica de recursos instrucionais específicos que foram desenvolvidos com a finalidade para fazer frente às necessidades de uma atualização didático-metodológica que esteja alinhada aos princípios de desenvolvimento das competências previstas nas DCNs [5].
Tal artefato pode, também, ser qualificado como um Produto Educacional (PE), pois neste contexto Rizzatti e colaboradores [22, p. 4] definem PE como: “[…] o resultado tangível oriundo de um processo gerado a partir de uma atividade de pesquisa, […] que deve ser elaborado com o intuito de responder a uma pergunta/problema oriunda do campo de prática profissional, podendo ser um artefato real ou virtual, ou ainda, um processo”.
Os elementos que o compõem se dividem em dois grupos: Recursos de Planejamento e Gestão (recursos voltados para uso docente, com os quais os alunos não têm interação direta) e o Recursos de Ensino e Aprendizagem. Para o presente trabalho é apresentado e avaliado apenas os recursos referidos como sendo de ensino-aprendizagem.
3.1. Apresentação dos componentes do artefato em termos descritivos
Neste trabalho os recursos de ensino-aprendizagem são definidos como toda e qualquer composição de uma ou mais ações envolvendo interação do tipo professor-aluno, monitor-aluno ou aluno-aluno voltadas para consecução de objetivos de aprendizagem ou para formação de habilidades/competências.
-
a)
que integram teoria e prática: Tais recursos proporcionam uma vivência mais profunda dos conceitos estudados no curso. São esses: Projeto Integrador e Atividades Mão na Massa. (itens 1 e 2 do Quadro 1);
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b)
com ênfase na metacognição: Esses recursos possuem como característica o incentivo aos alunos para que reflitam sobre seu próprio processo de aprendizado. São esses: Aprendizagem Crítica de Rodrigues [23]; O Que Está em Jogo; Perguntas Instigantes; Objetivos de Aprendizagem; O Que Está em Jogo; Portfólios. (respectivamente: itens 3, 4, 5, 6 e 11 do Quadro 1);
-
c)
de preparação para as atividades: Recurso que permite ao aluno ter tempo para mobilizar saberes e lacunas educacionais, tornando o momento presencial mais rico e intenso (item 7 do Quadro 1). Recurso: Teste de Leitura;
-
d)
voltados para a avaliação/aprendizagem dos estudantes: Esses recursos incluem modalidades avaliativas como listas e provas. No entanto, diferem significativamente em sua concepção e nas abordagens metodológicas utilizadas em sala de aula, quando comparados a recursos com o mesmo “rótulo” desenvolvidos em cursos de graduação de abordagem mais tradicional. São esses: Listas conceituais e seus processos de resolução; Listas e resoluções dialogadas de exercícios e problemas; Avaliação escrita individual (respectivamente: itens 8, 9 e 10 do Quadro 1).
A apresentação dos principais recursos de ensino-aprendizagem do artefato não visa esgotar as múltiplas possibilidades de composição de usos didáticos entre tais recursos. Todavia, a partir da explicação e da exemplificação, admitimos ser possível fornecer subsídios para a defesa de que os mesmos possuem potencialidade de promover o desenvolvimento de competências destacadas nas DCNs.
3.2. Apresentação do artefato em termosimperativos
Apresentamos o delineamento do artefato por intermédio da chamada tríade estruturante, composta pelos seguintes elementos: Questionamentos Estruturantes; Requisitos Fundamentais; Objetivos Formativos.
A Figura 2, apresenta a tríade e seus elementos em um fluxograma que representa a heurística de desenvolvimento do artefato. De acordo com esse fluxograma, da relação entre o problema a ser resolvido e a concepção de educação defendida pelo pesquisador, emergem três elementos que, quando inter-relacionados e coerentemente alinhados, fornecem aos designers subsídios para a concepção e construção de atividades com potencial para enfrentar o referido problema de pesquisa.
Fluxograma explicitando a concepção da Tríade Estruturante na heurística de desenvolvimento do artefato (explícita no balão na cor azul).
Os Questionamentos Estruturantes (QE) contribuem para nortear e sintetizar alguns aspectos essenciais para o planejamento do artefato em forma de indagações de natureza didática e/ou epistemológica que permitem levantar possibilidades de escolha docente de diversas ordens. Esses questionamentos estão expostos no Quadro 2.
Os Requisitos Fundamentais (RF), expressos no Quadro 3 a seguir, levam em consideração as demandas indiretamente apontadas pelos questionamentos citados anteriormente. Em acordo com tais requisitos, o artefato deve.
Além dos dois elementos de design explicados anteriormente, foi necessário produzir também Objetivos Formativos (OF) que, além de alinharem-se com os Requisitos Fundamentais (RFs), devem ser sinérgicos às DCNs e aos Projetos Pedagógicos dos Cursos (PPCs) de engenharia, de forma a alinhar e refinar a finalidade do artefato. Esses objetivos estão dispostos no Quadro 4.
O conjunto OF apresentado representa uma das “saídas” previstas no DSR, definida como a “formalização das faces do problema”6 [8, 2021, p. 134]. Para esta pesquisa, trata-se da síntese dos objetivos formativos almejados para o artefato que tem como função delimitar o que pode ser atendido por uma disciplina de Física Básica, considerando as competências gerais previstas no artigo 4° da DCN.
Vale ressaltar que, diferentemente dos outros elementos da tríade, os OFs, são apresentados aos alunos no primeiro dia de aula como parte da atividade de apresentação do plano de curso da disciplina.
3.3. O Projeto Integrador: principal elemento do artefato
O componente desenvolvido que mais fortemente mobiliza competências, e que, consequentemente, é o de maior complexidade na estrutura didática é o Projeto Integrador (PI). Para o PI foco de interesse deste trabalho, os alunos foram desafiados a construir um modelo físico de uma ponte treliçada fazendo uso de hastes de madeira (palitos de picolé) e concomitante a isso, um modelo matemático-computacional da mesma estrutura. Os modelos físico e virtual deveriam ser comparados em um ensaio destrutivo de carga, permitindo ao aluno comparar o desempenho previsto no modelo matemático-computacional com o desempenho real.
Uma série de ferramentas, apresentadas sinteticamente no Quadro 5, foram desenvolvidas ou adaptadas para servirem de suporte aos alunos no enfrentamento do desafio proposto no PI. A partir desse quadro tem-se uma visão de composição e da finalidade de cada recurso utilizado.
Para clarificar o entendimento do leitor em relação à aplicação do PI são apresentadas as etapas de desenvolvimento que constam no Guia PI – LIDF, o qual foi disponibilizado em formato digital na plataforma virtual Google for Education que hospedou a sala de aula virtual da disciplina.
3.3.1. Primeira etapa: engajamento
Neste projeto as seguintes questões instigantes foram estabelecidas: Como a física pode ajudar um engenheiro a projetar com segurança uma ponte? Como a física pode ajudar um engenheiro a prever a resistência de uma ponte? Qual a importância das pontes para a vida das pessoas? Como a engenharia civil consegue vencer grandes vãos compondo e juntando elementos menores e de menor resistência? O que a física tem com isso?
Dado esse conjunto de perguntas-instigantes é então apresentado o desafio aos alunos: Como é possível vencer um vão livre de 80 cm utilizando palitos de picolé?
Esse formato de apresentação satisfaz um dos critérios de design previstos pela equipe LIDF, o qual estabelece que os projetos propostos devem possuir um alto grau de autenticidade, no sentido de colocar o estudante em condições de experimentar práticas análogas às de um profissional da sua área, mas de forma compatível e coerente com o ferramental conceitual, matemático e computacional ao seu momento no curso.
3.3.2. Segunda etapa: construção do modelofísico
Cada equipe escolheu seu projeto de ponte e construiu dois exemplares de modelos físicos (o modelo escolhido e a réplica deste) de uma ponte treliçada utilizando hastes de madeira (palitos de picolé) ligando-os com cola, como pode ser observado na Figura 3.
As equipes que solicitaram, receberam suporte e orientação da equipe LIDF quanto à construção e às escolhas de materiais.
3.3.3. Terceira etapa: construção do modelocomputacional
Os alunos construíram um modelo matemático-computacional, o qual foi executado com auxílio do software FTOOL7 (Figura 4).
Foi elaborado e disponibilizado aos alunos um tutorial de uso do software FTOOL. Os discentes desenvolveram seus modelos e assim fizeram a previsão das forças atuantes em cada barra da treliça. Com as informações de tensão máxima suportada foi possível prever a carga teórica de ruptura do modelo de ponte construído.
3.3.4. Quarta etapa: ensaio destrutivo
As equipes foram orientadas a construir dois modelos idênticos. O primeiro modelo foi ensaiado previamente, a fim de permitir às equipes a comparação entre o desempenho previsto e o observado e refletir sobre as discrepâncias encontradas. O segundo modelo foi submetido uma carga crescente e pontual a meia-distância dos
pontos de apoio no momento da apresentação pública de seus trabalhos (ver Figura 5).
A carga de colapso encontrada foi comparada com a memória de cálculo do modelo computacional, e, como tal, permitiu aos alunos fazer considerações e comparações quanto à resistência máxima entregue pelos modelos físico e computacional.
3.3.5. Quinta etapa: apresentação públicada pesquisa
Organizou-se um evento para apresentação dos trabalhos8. Foram convidados avaliadores externos para apreciar as apresentações utilizando ferramentas construídas para esse propósito (disponíveis no link). Nessa etapa foi destacado aos alunos a importância da pesquisa realizada, no sentido da mesma ser uma oportunidade de desenvolver competências fundamentais para a vida acadêmica e profissional.
Vale ressaltar que por decisão da professora do quadro da FEM que atuou como consultora do LIDF, o evento serviu para a seleção de alunos para representar a faculdade na etapa nacional do concurso de pontes da SAMPE9 Brasil, uma versão nacional de uma competição conhecida internacionalmente como “Student Bridge Contest”, que envolve escolas de engenharia de todo o mundo.
4. Método
Em linhas gerais, a pesquisa cujo percurso está ilustrado na Figura 6, encarrega-se com o desenvolvimento, a aplicação e a avaliação de um produto educacional. Trata-se, portanto, de uma pesquisa aplicada [28, p. 8]. Ademais especificamente, utiliza-se a metodologia Design Science Research (DSR), a qual possui foco no projeto de artefatos e na produção de conhecimentos relevantes para a solução de um problema real [9].
4.1. DSR: método de desenvolvimentodo artefato
O fluxograma de desenvolvimento ilustrado na Figura 7 apresenta um processo estruturado para conduzir a pesquisa. O processo começa com a identificação e classificação do problema, seguida pela revisão de literatura e definição dos objetivos. Em seguida, passa-se para o planejamento da pesquisa, em que se desenvolve e avalia um artefato específico para resolver o problema identificado. Finalmente, a qualificação dos pesquisadores envolve: a melhoria contínua do artefato; a aplicação prática dos resultados; a revisão crítica da pesquisa e a comunicação dos resultados.
Pesquisas baseadas em design devem passar por mais de um ciclo de aplicação, nos quais os recursos que compõem o artefato podem ser avaliados e ajustados em outros contextos, com outros atores e recursos, a fim de construir uma generalização dos resultados [9, p. 133]. O artefato em questão foi aplicado e avaliado em diferentes situações. Foi aplicado para diferentes níveis de ensino: Ensino Médio Integrado ao Profissionalizante e Ensino de engenharia; em distintos cursos de engenharia: Civil, Elétrica e Mecânica; e em espaços educacionais diversos: Sala de Aula Convencional, Laboratório Didático da Faculdade de Engenharia Civil LABDID, Laboratório Multidisciplinar do Instituto Federal de Bragança-PA, Laboratório de Inovação Didática em Física – LIDF; e em conteúdos curriculares diferentes: Física I (Mecânica), Física II (Física Térmica, Fluídos e Ondulatória) e Física III (Eletricidade e Magnetismo). O artefato rodou em diversos contextos e configurações em um total de 12 turmas com número médio de 30 alunos em cada.
A investigação desta pesquisa foi desenvolvida na disciplina de Física Fundamental I, no segundo semestre letivo do ano de 2023, junto aos alunos da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), turno matutino, da UFPA. Para essa aplicação, como previsto na heurística de desenvolvimento, a estrutura didática sofreu os ajustes necessários (redesign) a fim de alcançar o melhor desempenho para a solução do problema.
4.2. Metodologia de avaliação do artefato
-
a)
Avaliação Analítica: Busca avaliar o artefato em sua coerência interna, sem considerar, necessariamente, a situação de aplicação do artefato.
-
i)
Investiga a correlação entre os objetivos do artefato e os requisitos previstos nas DCNs em termos das competências estabelecidas no artigo quarto desta normativa federal [5].
-
ii)
Avalia a consistência interna da ferramenta construída para auxiliar o delineamento geral do artefato, chamada tríade estruturante, a qual serviu como um princípio de design do mesmo.
-
i)
O artefato foi concebido com a finalidade de tornar possível o desenvolvimento de competências previstas no Art. 4° da DCN [5]. A fim de investigar esse intento foi realizada uma análise envolvendo tais competências e o conjunto de requisitos e de tarefas envolvidas no Projeto Integrador. De posse dessa análise foi elaborada uma matriz de correlação justificando a possibilidade ou não de desenvolvimento de cada conjunto de competências expressas na normativa federal. Tal ferramenta está apresentada no Quadro 6, seção 5.
-
a)
Avaliação Experimental: Busca estudar o artefato, em uso, na função ao qual foi projetado e construído, estabelecendo assim a aplicação em um ambiente controlado (ambiente de pesquisa10), a fim de verificar suas qualidades.
Neste contexto, buscou-se compreender como os principais usuários do artefato (alunos de engenharia) interagiram com o Projeto Integrador, pelo ponto de vista das seguintes dimensões:
-
i)
Adesão discente às etapas previstas no PI (por critério de entrega);
-
ii)
Qualidade da participação discente na atividade.
-
i)
Tais dimensões fazem parte da investigação da exequibilidade da proposta do PI. Consideramos que uma proposta de intervenção didática não é exequível se não for suficientemente atrativa para produzir adesão discente às atividades e se não fornecer o suporte necessário e os critérios avaliativos para permitir uma participação de qualidade por parte dos alunos11.
De posse dos pareceres emitidos pela banca de avaliação do projeto integrador e de um conjunto de indicadores de desempenho desenvolvidos especificamente para essa análise, foi possível explicitar o grau de adesão dos alunos a atividades em cinco graus (excepcional, autônomo, básico, inicial e insuficiente) conforme expostos nos Quadros 7 e 8 na seção 5.2.
A qualidade da participação discente foi avaliada a partir da produção escrita dos alunos nos relatórios de pesquisa produzidos por cada equipe, tendo por critério a conformidade, item a item, do documento https://drive.google.com/file/d/1q8wBty-ilQiiHvbHAh_DBI7EGDrL2IMb/view?usp=sharingModelo de Relatório de PI, o qual foi oferecido aos estudantes, via AVA, como material de orientação para a elaboração do relatório.
O modelo de relatório é composto por sete tópicos: Introdução; Identificação da Equipe; Diagrama de Gantt; Diário de Bordo; Procedimento Experimental; Síntese de Aprendizado; Conclusões.
O modelo do relatório consta ainda com sugestão de quatro tipos distintos de apêndice: Esboço do Modelo Físico; Imagem do Modelo Computacional; Tabela de Conceitos e/ou Mapa Conceitual; Questões Desafiadoras.
Os dois primeiros são itens obrigatórios, pois fazem parte das entregas parciais do PI. Os dois últimos são parte integrante apenas do relatório final. São importantes, pois permitem ter uma medida do que foi mobilizado pelos estudantes em termos conceituais. O apêndice apresenta o tópico Questões Desafiadoras que possibilitam complementar a investigação sobre o que os próprios estudantes consideraram como instigante e/ou desafiador no contexto da pesquisa.
Investigação de significado atribuído por parte dos alunos/equipes em relação ao desafio proposto.
Síntese de aprendizado em acordo com os próprios alunos.
Qualidade da modelagem e respectiva comparação entre os modelos.
Qualidade da produção como um todo.
A análise realizada no modelo de relatório com essas características permite aos pesquisadores ir além da mera análise técnica da produção discente. Permite investigar também a atribuição de significados produzidos pelos alunos ao final do processo de aprendizagem na componente de maior complexidade do artefato.
5. Resultados
5.1. Avaliação analítica
Em conformidade com o que foi apresentado na seção 4.2a do trabalho (item i), a fim de responder sobre a potencialidade do artefato para desenvolver as competências previstas nas DCNs foi produzida uma matriz de correlação (Quadro 6) estruturada da seguinte forma: a coluna da esquerda, com os rótulos numéricos (algarismos romanos), refere-se às “https://drive.google.com/file/d/167qq1zyRVFUCLs6ZmdYwE0iqWln4TTiN/view?usp=sharingCompetências gerais previstas nas DCNs”. A segunda coluna sinaliza se o PI possui ou não potencialidade (Sim/Não) para o desenvolvimento da competência em questão. Por sua vez, a coluna mais à direita apresenta argumento em favor do potencial de desenvolvimento da referida competência na consecução do PI, ou, explica limitações ou impossibilidades de tal desenvolvimento, se for este o caso.
O Quadro 6 constitui uma síntese fundamental dos principais achados deste trabalho, dado que a questão central da pesquisa articula-se em torno da adequação do artefato desenvolvido em promover as competências descritas nas DCNs. Esse quadro é uma peça-chave ao reunir argumentos que evidenciam a capacidade do artefato de fomentar o desenvolvimento de competências em seis dos oito conjuntos estabelecidos no seu artigo 4°.
De forma mais específica, o artefato, por meio de sua atividade de maior complexidade, o Projeto Integrador, demonstra um impacto significativo ao potencializar o desenvolvimento de 19 das 24 componentes de competências listadas no documento oficial. Tais resultados asseguram, portanto, atualização do processo pedagógico da estrutura didática ao estar alinhado às exigências das DCNs.
Quanto à defesa sobre o alinhamento interno da tríade estruturante, conforme apresentado na seção 4.2a do trabalho (item ii), pode-se constatar que o alinhamento entre Objetivos Formativos (OF), Requisitos Fundamentais (RF) e Questionamentos Estruturantes (QE) é existente e substancial. Para ilustrar essa justaposição será lançado mão de alguns exemplos.
O primeiro exemplo pode ser descrito através da coerência existente entre o Questionamento Estruturante QE.1 (ver Quadro 2, seção 2), que indaga como transmitir aos alunos que eles próprios devem ser os principais responsáveis pela qualidade de sua formação, e o Objetivo Formativo OF.5 (ver Quadro 4, seção 2), que propõe que a atividade oferecida aos alunos os leve a aprender de forma autônoma e a desenvolver a habilidade de lidar com situações complexas.
O vínculo entre as partes (QE.1 e OF.5) é então promovido pelo Requisito Fundamental RF.3 (ver Quadro 3, seção 2) que inclui a promoção de atividade que emule a prática usual do engenheiro.
Outro exemplo é observado quando analisado o Questionamento Estruturante QE.3 que indaga sobre quais saberes, habilidades e competências devem ser levados em conta na formação de engenheiros, especialmente na disciplina de física básica. Tal indagação mostra-se perfeitamente alinhada a todos (OFs) e se cumpre de forma coerente ao requisito (RF 4), o qual impõe a necessidade de atender a um conjunto de habilidades e competências previamente estabelecidas, que, neste caso, são as previstas nas DCNs.
Conforme já pontuado, ainda que, o conjunto completo das competências do artigo quarto da DCN seja algo almejável, o artefato, em termos de metas educacionais, tomou como ponto de partida o conjunto de Objetivos Formativos OF (Quadro 4), o qual é um subconjunto importante da totalidade de competências da normativa federal. A integralidade dos conjuntos de competências potencializados pelo artefato (itens I, II, III, V, VI, VIII do Quadro 6) é coincidente com o conjunto de Objetivos Formativos, disposto no Quadro 4, sendo portanto um elemento cabal para atestar a consistência interna da chamada tríade estruturante.
Quando analisa-se particularmente o Requisito Fundamental (RF. 5) (Estar alinhado às práticas ditas inovadoras), a coerência da heurística fica evidenciada tanto pelo seu atendimento às Questões Estruturantes quanto aos Objetivos Formativos (ver Figura 8).
Relembramos que, em conformidade com o que foi estabelecido na introdução do trabalho, o artefato foi planejado não apenas para ser inovador por si só, mas também para ser um elo de ligação, sendo portanto consonante, com outra atualização educacional de maior monta: as próprias DCNs.
O vínculo formativo com as DCNs, em acordo com a pergunta de pesquisa, foi estabelecido pelo Quadro 6. Por sua vez, as atividades de ensino-aprendizagem do artefato, incluindo as do PI, foram desenvolvidas seguindo rigorosamente o estabelecido pela tríade estruturante, incluindo, portanto, o requisito fundamental RF.5. Claramente, o artefato incorpora metodologias inovadoras e pouco usuais nas tradicionais aulas de física nas escolas de engenharia. Portanto, cumpre as duas dimensões de atualização requeridas ao mesmo, conforme destacado desde a introdução do artigo.
5.2. Avaliação experimental com foco no Projeto Integrador
5.2.1. Grau de adesão às etapas do PI
Em acordo com o apresentado na seção 5.2b do trabalho (item i) investigou-se o grau de adesão dos alunos às atividades propostas no Projeto Integrador. O PI foi composto por várias etapas e entregas parciais por parte dos alunos. São essas: entrega do modelo físico (duas pontes); entrega do modelo computacional; entrega do relatório; apresentação da pesquisa/arguição.
Com a finalidade de refinar a análise da pesquisa, foram construídos indicadores de desempenho conforme expresso no Quadro 7. Tratam das entregas previstas para o PI em cinco graus de qualidade: excepcional; autônomo; básico; inicial; insuficiente, em conformidade com os descritores caracterizados abaixo.
O extrato do desempenho das equipes quando analisadas as entregas do PI (ver Quadro 8) demonstra que, em geral, todas as equipes tiveram êxito no desafio proposto, uma vez que nenhuma equipe deixou de apresentar os componentes obrigatórios, nem mesmo teve desempenho insatisfatório, ou próximo disso, em qualquer das entregas do projeto.
5.2.2. Qualidade da participação dos alunos na realização do PI
Em complemento às investigações anteriores buscou-se aferir a qualidade da participação dos discentes em quatro dimensões detalhadas na seção 4.2b do trabalho (item ii).
Na primeira dimensão, investigou-se os significados atribuídos pelos alunos/equipes em relação ao desafio proposto no PI, a fim de compreender como os alunos percebem e interpretam os objetivos e as demandas do desafio, bem como a relevância e a aplicabilidade dos conceitos abordados. Alguns desses significados estão expostos e exemplificados com excertos a seguir. Os alunos demonstraram encarar o desafio proposto no Projeto Integrador como uma oportunidade valiosa para aplicar os conceitos teóricos de engenharia em um contexto prático. Vejamos como exemplos, os seguintes trechos:
“as competições de construção de pontes permitem certa iniciação no complexo mundo da engenharia” (Relatório Equipe D)
“… permitindo que os participantes apliquem conceitos básicos de engenharia estrutural na prática” (Relatório Equipe B)
Os discentes também atribuem valor à prática de projetar pela possibilidade de vislumbrar uma iniciação pragmática ao mundo da engenharia pela aplicação de conceitos teóricos. Além disso, reconhecem que a criação de modelos fornece uma experiência prática enriquecedora, rica em desafios e com potencial de prepará-los para situações reais de projeto e construção. Isso é evidenciado pelos trechos:
“os estudantes desenvolvem habilidades importantes, como trabalho em equipe, resolução de problemas e aplicação efetiva do conhecimento adquirido em sala de aula” (Relatório Equipe B)
“a competição fornece ao aluno condições de trabalho que requerem adaptações minuciosas focadas na geometria e estática do projeto, a partir da fixação de normas para o projeto via regulamentação” (Relatório Equipe D)
A segunda dimensão investigou os ganhos de aprendizado segundo os próprios alunos. Tais ganhos vão muito além dos conteúdos técnicos dos cursos de física e compreendem aprendizados considerados essenciais para a formação de futuros engenheiros. É importante destacar que todos os grupos reconheceram as competições de ponte como uma oportunidade prática inicial no campo da engenharia, que permite aos estudantes aplicar conceitos teóricos em um contexto diretamente relacionado à construção de pontes. Tal reconhecimento está evidenciado em diferentes trechos dos relatórios, tais como exemplificado no extrato a seguir:
“as competições representam uma valiosa ferramenta didática nas engenharias, proporcionando aos estudantes universitários uma experiência prática enriquecedora” (Relatório Equipe B).
Os alunos também reconheceram que os projetos contribuem para sua familiarização com aspectos da análise estrutural, estática e mecânica dos sólidos, conforme destacado no relatório da Equipe G: “os projetos permitem que os discentes compreendam na prática conceitos como tração, compressão, distribuição de forças e resistência dos materiais”.
O desenvolvimento de projetos práticos, como a construção de pontes de palitos de picolé também incentiva a interação social e a comunicação entre os membros das equipes, conforme indicado no trecho:
“… é importante salientar que o Projeto Integrador, não só aprofunda os conhecimentos em física, mas como tem destaque a convivência social, pois é essencial a interação entre os integrantes das equipes” (Relatório Equipe A)
A terceira dimensão de investigação teve foco em identificar os ganhos mais significativos relacionados ao fato de os alunos terem tido a oportunidade de desenvolver modelos. Neste quesito todos os relatórios destacam que a modelagem computacional, aliada à construção física de modelos, trouxe diversos ganhos, como exemplificado no trecho extraído do relatório de grupo G em que os alunos demonstram atuação reflexiva:
“… na maioria dos casos, há uma diferença entre o que é simulado e o que ocorre de maneira experimental…”.
Esse modo de atuação também desperta no estudante o ímpeto pelo auto aprendizado, conforme implicitamente pontuado pelo trecho a seguir:
“… proporcionou aos membros um conhecimento maior dos softwares online, especialmente o Ftool, e como ainda há muito a ser explorado.”.
A última dimensão da pesquisa analisa a qualidade em si da produção dos alunos, que reflete o grau de envolvimento com a atividade e o aproveitamento das intenções do artefato. De uma forma geral, os relatórios atingiram nível técnico muito satisfatório, tanto pela fidedignidade às orientações do documento base, quanto pelo atendimento às normativas de elaboração de trabalhos acadêmicos. O resultado é ainda mais vistoso se levarmos em conta que o produto educacional foi aplicado junto a uma turma de calouros.
Para a análise documental foi dada prioridade à seção “Questões Desafiadoras” (apêndice D do modelo de relatório), na qual, no conjunto dos relatórios produzidos, foram criadas um total de https://drive.google.com/file/d/1YGNBaCZJK-JHIcdP_PZMzz42cvKyR7ml/view?usp=sharing56 perguntas, divididas em sete categorias. Essas categorias ajudaram os pesquisadores a inferir o que foi mobilizado pelos alunos durante a execução do PI.
Preocupações com organização e Gestão do Projeto e do trabalho em equipe. Trecho extraído do Relatório do grupo G: “Como podemos distribuir de forma mais ideal os trabalhos levando em consideração as aptidões de cada membro?”.
Preocupações com planejamento e logística de tra- balho. Tal categoria está presente em vários relatórios. Questão proposta pelo grupo B, a qual aborda o primeiro contato com softwares de engenharia já nos semestres iniciais “Qual a melhor abordagem para a modelagem computacional da ponte, considerando a falta de familiaridade da equipe com softwares como Ftool e Revit?”.
Preocupações relacionadas a projeto, engenharia, cálculo e física. Tal linha fica evidenciada em trechos que sugerem o valor atribuído pelos alunos aos conhecimentos técnicos, essenciais para uma atuação competente, conforme Zabala e Arnau [[35], p. 45]. Um desses trechos foi retirado do relatório do grupo A, como pode ser visto a seguir: “Quais conceitos da física precisamos investigar para aplicar na ponte?” e outro no relatório do grupo D: “Qual método de cálculo permite maior segurança e facilidade de Modelagem para previsão de carga máxima?”
6. Conclusões
Neste trabalho foi apresentada a concepção, o desenvolvimento e avaliação de um artefato (estrutura didática), o Curso LIDF de Física Básica para Engenharias, e de sua heurística, a tríade estruturante. Ambos desenvolvidos com base na metodologia Design Science Research (DSR). O objetivo desse processo foi criar uma proposta alinhada aos critérios estabelecidos por Tavares [6], às demandas formativas das Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs) e ao paradigma de formação por competências.
Para validar a adequação do artefato em relação à sua finalidade, a avaliação teve como foco o PI a partir do procedimento sugerido por Dresch [9], que contempla avaliações analítica e experimental. A avaliação analítica verificou a consistência interna do artefato, bem como o alinhamento deste aos requisitos de atualização metodológica e ao desenvolvimento de competências previstas nas DCNs.
Já a avaliação experimental examinou seu desempenho durante um ciclo de aplicação real no curso, por meio da análise da produção discente referente ao recurso de mais alta complexidade na estrutura didática, o projeto integrador PI. A atividade comporta diversas etapas, entregas e envolve entrega de relatório, apresentação oral em formato de seminário e arguição.
Constatou-se que o projeto integrador, em questão, tem elevada potencialidade para o desenvolvimento das competências previstas nas DCNs. A análise argumentativa apresentada no Quadro 6 indica potencialidade de desenvolvimento em 19 das 24 componentes apresentadas no documento, especialmente aquelas relacionadas à formulação e concepção de soluções análogas às de engenharia, análise de fenômenos físicos, modelagem computacional e trabalho em equipe.
O artefato apresenta também uma heurística de planejamento representada esquematicamente na Figura 1, a tríade estruturante, a qual faz o papel de um princípio de design. Os Quadros 2, 3 e 4 explicitam os componentes dessa tríade. A análise de consistência interna comprovou que o alinhamento entre esses componentes é robusto. Todos os objetivos formativos propostos à estrutura didática foram atendidos. Ainda nessa linha, o esquema representado na Figura 8 explica a coerência da heurística pelo atendimento de um requisito fundamental em particular, o RF. 5, à totalidade dos questionamentos estruturantes e dos objetivos formativos da tríade.
Além disso, todos os componentes e elementos da tríade foram levados em conta na construção das atividades, entregas e etapas do projeto integrador, o que comprova o papel estruturante que se espera de um princípio de design em um artefato.
A partir da análise documental com base nos relatórios de pesquisa sobre o PI foi possível observar diversos indícios de desenvolvimento de competências. As extrações das questões desafiadoras expressas pelos alunos nos relatórios do PI evidenciam a existência de um justo alinhamento entre as intenções do designer do artefato e a percepção por parte dos alunos.
Considerando que a adesão dos alunos às atividades é um fator essencial para o sucesso no desenvolvimento de competências, foi elaborado um indicador de desempenho que permitiu quantificar a produção dos estudantes nas suas entregas em relação à qualidade e à autonomia. O indicador possui cinco níveis, conforme ilustrado no Quadro 7. O desempenho médio dos estudantes, conforme apresentado no Quadro 8, foi de 3,71 (74,29%) na entrega do modelo físico, 3,57 (71,43%) no modelo computacional, 3,43 (65,57%) no relatório e 3,71 (74,29%) na apresentação.
Os resultados indicam que a participação média alcançou um nível próximo ao grau autônomo de participação (grau 4), evidenciando que a maioria dos participantes conseguiu realizar as entregas de forma qualificada e independente, sem necessitar do suporte da equipe LIDF. Esse dado também indica um elevado grau de exequibilidade da proposta, pois demonstra que o desafio, mesmo sendo considerado complexo pelos alunos, não se mostrou um obstáculo intransponível, uma vez que todas as equipes cumpriram as etapas previstas para a atividade.
Os resultados do estudo destacam que os alunos reconhecem os ganhos de aprendizado proporcionados pelas competições de pontes, como indo além dos conteúdos técnicos. Segundo os próprios estudantes, a experiência prática adquirida nesses projetos permite a aplicação de conceitos teóricos em um contexto real, favorecendo a compreensão de princípios estruturais da engenharia que fazem uso de conceitos como tração, compressão e resistência dos materiais. Além disso, o projeto incentiva a interação social e a comunicação entre os membros das equipes.
Outro ponto relevante da pesquisa é a valorização da modelagem computacional aliada à construção física de modelos, o que impulsiona a reflexão crítica e o auto aprendizado. Os alunos relataram também a importância dessa abordagem para aprofundar seus conhecimentos em softwares de engenharia.
Por sua vez, a qualidade da produção acadêmica reflete o grau de engajamento dos estudantes, evidenciado pela formulação de perguntas desafiadoras relacionadas à organização, ao planejamento e aos conhecimentos técnicos envolvidos no projeto. O engajamento de alto nível cognitivo demonstrado pela grande maioria dos participantes, somado aos relatos anteriores, demonstram que a atividade não apenas fortalece as competências técnicas, mas também desenvolve habilidades e competências essenciais para a prática profissional na engenharia.
Em relação aos predicados de atualização didática presentes na pergunta de pesquisa e na introdução do artigo, pode-se concluir que o artefato alcançou o objetivo de ser uma ferramenta de promoção deste propósito para os cursos de física básica, posto que suas atividades vão muito além da abordagem usual para as disciplinas correspondentes. A estrutura didática integra recursos e práticas diversificadas e inovadoras de ensino-aprendizagem, conforme listado e exemplificado no Quadro 1. Em relação ao desenvolvimento de competências, os resultados apresentados demonstram estar firmemente alinhados ao que é preconizado pela principal normativa federal para o ensino de graduação das engenharias. Assim sendo, é factível externar a conclusão de que o produto educacional produzido por esta pesquisa se revela particularmente útil para a atualização do ensino de física no contexto das engenharias.
7. Considerações Finais
A necessidade de mudanças metodológicas e de concepção de educação no ensino de engenharia, especialmente em disciplinas como a Física – que historicamente enfrentam certa resistência à inovação – é premente. As Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs), embora sejam um guia essencial, exercem apenas papel norteador para a reformulação dos Projetos Pedagógicos de Curso (PPCs). A simples imposição documental, presente nos PPCs ao fazer referência à normativa, não garante, por si só, uma atualização real dentro da sala de aula.
A formação de excelência almejada para os futuros engenheiros não será alcançada apenas com as práticas que hoje são usuais nas escolas de engenharia. É necessário um esforço contínuo para superar a inércia metodológica e garantir que as mudanças propostas realmente impactem a aprendizagem dos alunos. Para atingir os objetivos esperados pela legislação federal é fundamental que as pesquisas aplicadas à educação sigam protocolos rigorosos, de forma que os princípios metodológicos, as etapas e os resultados da pesquisa possam ser efetivamente compreendidos, compartilhados e incorporados às salas de aula e aos projetos pedagógicos dos cursos de graduação de engenharia. Pesquisas como a que foi apresentada neste trabalho possuem potencial para ser parte importante em um caminho para o fortalecimento de questões de ensino nas escolas de engenharia, a fim de auxiliar a formação de engenheiros mais competentes para enfrentar as demandas cada vez mais complexas da nossa sociedade.
Disponibilidade de dados
Todo o conjunto de dados que dá suporte aos resultados deste estudo foi publicado no próprio artigo.
Referências
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-
1
Considerando usuais as práticas consideradas tradicionais no ensino das físicas básicas para as engenharias, a saber, aquelas voltadas para cursos eminentemente teóricos e quase que inteiramente voltados para a resolução de problemas de “lápis e papel” de livros textos de coleções consagradas das áreas de física básica.
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2
Por conta disso, acredita-se não haver necessidade de “carregar” os termos inovação e modernização no restante do documento, uma vez que estes já ficam compreendidos pela significação atribuída à atualização de caráter educacional.
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3
Considerando como principais fóruns de publicação de trabalhos de Ensino de Física para as Engenharias no Brasil: a) Revista Brasileira de Educação em Engenharia, b) Anais do Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, c) Documentos Técnicos (livros, relatórios) publicados pela Associação Brasileira de Educação em Engenharia ABENGE e d) Repositório Scielo Brasil.
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4
A avaliação Analítica diz respeito à coerência interna do artefato, ou seja, avalia se as atividades estão em conformidade com o desenvolvimento das competências destacadas pelas DCNs.A avaliação Experimental analisa o desempenho da participação dos discentes quando confrontados com a atividade proposta, ou seja, avalia-se a exequibilidade da proposta considerando que o grau de participação do discente é proporcional ao desenvolvimento das competências.Ambos os métodos de avaliação estão descritos na seção 4.2 deste artigo.
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5
Os aparatos experimentais utilizados nas AMMs são, por princípio, diferentes dos kits industrializados, que são muitas das vezes construídos para minimizar os erros na tomada de medidas, limitando que os alunos possam tomar decisões (certas ou erradas) sobre o que medir e como medir. Em muitas situações nos cursos do LIDF os kits industrializados são desmontados e recombinados para só assim, serem disponibilizados aos alunos com outras possibilidades e intencionalidades formativas.
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6
Por saída, compreenda-se um dos resultados (outputs) decorrentes do processo da pesquisa.
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7
O programa Two-dimensional Frame Analysis Tool (Ftool) foi desenvolvido por um projeto de pesquisa coordenado pelo professor Marcelo Gattass do Departamento de Informática da PUC-Rio e está disponível para dowload em https://www.ftool.com.br/Ftool/.
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8
Tal etapa também faz parte dos requisitos estabelecidos pelo campo metodológico ABPj.
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9
Segundo informações dispostas no site institucional, a SAMPE é a maior associação técnica do planeta focada na disseminação do conhecimento de materiais e processos de engenharia avançados [34].
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10
O ambiente de pesquisa em questão é o ambiente de sala em que o produto da pesquisa (produto educacional) foi aplicado.
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11
Se por acaso não houvesse adesão ou participação de qualidade por parte do alunado, seria o acaso de se investigar os motivos da falta de êxito nessa dimensão essencial do artefato, para então estudar causas, propor hipóteses, para em seguida aplicar alterações para a atividade em questão em outro ciclo de design.
Editado por
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Editor-Chefe:
Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169
