VOLUMEN 33, NÚMERO 2 | Número especial | PP. 133-141
ISSN: 2250-6101
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REVISTA DE ENSEÑANZA DE LA FÍSICA, Vol. 33, no. 2 (2021) 133
La evaluación del presente artículo estuvo a cargo de la organización de la XIV Conferencia Interamericana de Educación en Física
A visualização como referencial
teórico-metodológico no uso de
simulações: uma proposta sobre os
modelos atômicos
Visualization as a theoretical-methodological
framework in the use of simulations: a proposal on
atomic models.
Helen Clemes Cardoso
1
*, Tatiana da Silva
1
¹Programa de Pós-Graduação em Educação Científica e Tecnológica, Universidade Federal de Santa Catarina, R. Eng.
Agronômico Andrei Cristian Ferreira, s/n - CEP 88040-900, Florianópolis, SC, Brasil.
*E-mail: helenclemes@gmail.com
Recibido el 15 de junio de 2021 | Aceptado el 1 de septiembre de 2021
Resumo
O presente estudo visa construir uma proposta de ensino baseada na exploração de objetos de visualização presentes em uma
simulação direcionada ao conteúdo de modelos atômicos, considerando que conteúdos com alto grau de abstração requerem o
desenvolvimento de habilidades visuais dos alunos.
Palavras-chave: Visualização; Modelos Atômicos; Simulação, Experiências visuais; Externalizações.
Abstract
The present study aims to build a teaching proposal based on the exploration of visualization objects present in a simulation di-
rected to the content of atomic models, considering that content with a high degree of abstraction expanding the development of
students' visual skills.
Keywords: Visualization; Atomic Models; Simulation, Visual experiences; Externalization.
I. A PERSPECTIVA TEÓRICA-METODOLÓGICA DA VISUALIZAÇÃO
Os modelos abordados no ensino de ciências envolvem um elevado grau de abstração, exigindo dos estudantes alta
concentração e capacidade de imaginação. No geral esses modelos são apresentados na forma escrita acompanhados
de imagens, utilizadas com o intuito de orientar a construção cognitiva imagética dos estudantes sobre os conceitos
científicos. Contextos mais específicos lançam mão de atividades de simulação, animação ou jogos, para impulsionar
o entendimento dos estudantes sobre temas que necessitam de construções pictóricas para tornar mais ‘palpável’
estruturas de ideias majoritariamente conceituais. A compreensão das informações visuais está diretamente associ-
ada à capacidade e habilidade visual dos estudantes em reconhecer essas formas de apresentação dos conceitos e
sua relação representacional do mesmo. Ou seja, os estudantes precisam entender o formato visual de apresentação
para que compreendam também o conceito, e essa percepção não pode ser dissociada para construção do conheci-
mento.
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A visualização no ensino de ciências compreende que o processamento cognitivo das informações visuais se dá
por meio de três etapas não lineares, sendo a internalização, a conceitualização e a externalização, que ocorrem a
partir da relação entre o domínio interno (a cognição) e o externo (o mundo físico/concreto) (Mnguni, 2014). Assim a
internalização e a conceitualização estão compreendidas no domínio interno e a externalização no domínio externo.
O estágio da internalização é entendido como o momento em que as informações visuais são captadas por meio dos
sentidos, enquanto a conceitualização está direcionada para a construção do conhecimento na cognição do estudante,
ou seja, na esquematização mental dos conceitos e suas relações. O estágio de externalização é o momento no qual
o estudante expressa sua compreensão por meio da resolução de atividades e tarefas, “[...] é a produção de modelos
visuais externos por meio da expressão do esquema mental cognitivo” (Mnguni, Schönborn e Anderson, 2016).
De acordo com a visualização, podemos entender que a etapa de internalização acontece a partir do uso de objetos
de visualização, que são formas de representar um dado modelo conceitual, construídos com o intuito de representar
algo que não o próprio objeto, ou seja, apresentar de forma visual um dado conceito ou uma rede destes (Phillips,
Norris e Macnab, 2010). Entende-se que há uma gama de objetos possíveis de utilização, como diagramas esquemáti-
cos, gráficos, tabelas, objetos pictóricos, simulações, animações, entre outros. Estes objetos podem compor diferentes
configurações de apresentações de acordo com os objetivos de ensino traçados. De modo geral os objetos de visuali-
zação (OV) são vistos e internalizados na construção de uma visualização introspectiva, ou seja, uma representação
pictórica imaginada a partir de uma experiência visual. Posteriormente são conceitualizados em uma visualização inter-
pretativa que pode ser externalizada como uma imagem visual externa (Mnguni et al., 2016; Phillips et al., 2010).
FIGURA 1. Esquema referente aos processos cognitivos da visualização no ensino de ciências com base em Mnguni et al. (2016) e
Phillips et al. (2010). De acordo com a distinção de cores, podemos ver do lado direito da imagem os processos ocorridos na cogni-
ção do estudante (domínio interno) e do lado esquerdo os objetos de visualização e a externalização que ocorrem no mundo físico
concreto (domínio externo) no qual os professores tomam as decisões educacionais de abordagem e avaliação do conteúdo.
Com base na visualização e seus processos podemos, então, considerar que a abordagem didática dos conceitos
científicos pode ser feita a partir dos objetos de visualização (OV) por meio de diferentes combinações. Em casos de
modelos com elevado grau de abstração, esses objetos são capazes de auxiliar na apresentação dos conceitos tor-
nando o conhecimento mais palpável ao estudante. No entanto, é importante ressaltar que é necessário que o estu-
dante compreenda o objeto de visualização, o que exige instrução direta sobre os objetos por parte do professor para
que as experiências visuais sejam realmente favorecidas. Assim, ao explorar os OV é necessário considerar uma abor-
dagem que esteja alinhada com os objetivos de ensino e ainda em um formato de exploração no qual determinados
objetos são explorados ao longo de uma proposta ou sequência de ensino, considerando que a compreensão dos
objetos e do próprio conteúdo abordado estão diretamente associados à habilidade visual do estudante e que essa
precisa, então, ser desenvolvida, o que remete à necessidade de instrução direta sobre cada objeto em cada etapa.
Perspectivas teóricas cognitivas vêm ganhando espaço na área de ensino de ciências e defendem um ponto em
comum, a existência de uma arquitetura cognitiva pré-existente (Sweller, Ayres e Kalyuga, 2011; Clark e Paivio, 1991;
Mayer, 2014). De acordo com essa perspectiva teórica a arquitetura cognitiva é constituída por duas memórias, sendo
a memória de trabalho, no qual o conhecimento é processado inicialmente para a construção de esquemas mentais,
e a memória de longo prazo, no qual esses esquemas são armazenados. Ao pensarmos a influência dessa arquitetura
para decisões na área de ensino, o ponto fundamental está na atenção que devemos ter com a memória de trabalho,
que apresenta uma capacidade limitada de processamento de informações. Sendo assim as atividades de ensino de-
vem ser estruturadas e desenhas de modo a evitar a sobrecarga de informações nessa memória, o que podemos
entender que está diretamente associada à exploração dos objetos de visualização, considerando que essa abordagem
não pode gerar sobrecarga de informações.
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Considerando esse contexto teórico de entrelace entre os aspectos cognitivos e a visualização como alicerce para
as experiências visuais no ensino, podemos então considerar um novo direcionamento para a exploração de atividades
virtuais desenvolvidas e implementadas por meio das tecnologias digitais. Nesta perspectiva, ferramentas virtuais de
aprendizagem, como por exemplo simulações, podem favorecer as experiências visuais dos estudantes de modo a
contribuir para o desenvolvimento e construção de seu conhecimento. As simulações apresentam um gama de possi-
bilidades de exploração de objetos de visualização que podem auxiliar nas experiências visuais de estudantes, para
que os mesmos construam posteriormente suas imagens visuais externas (externalizações) de modo mais efetivo e
cientificamente correto sobre modelos conceituais que exigem alto grau de abstração.
Buscar essa nova abordagem para o uso de atividades virtuais baseada em teorias que apoiem as experiências
visuais é fundamental, considerando que há uma falsa suposição, por parte dos professores, de que as representações
presentes nas atividades computacionais bastam ser vista pelos estudantes, e tão logo, eles serão capazes de compre-
ender os conteúdos abordados (Araújo e Veit, 2008). Desse modo aliar a visualização à exploração de simulações se
mostra um passo necessário na área de ensino de ciências, considerando ainda que esta área apresenta modelos com
elevado grau de abstração, o que direciona para uma maior utilização de atividades virtuais que oferecem imagens
visuais no contexto do ensino.
Entre os tópicos discutidos em ciências, o de modelos atômicos vem sendo debatido em pesquisas mostrando um
cenário com construções de concepções equivocadas por parte dos estudantes de diferentes níveis, como por exem-
plo, de que o átomo realmente possa e tenha sido visto, acarretando na ideia de materialidade (Harrison e Treagust,
1996), e ainda que as características do objeto formado por ele, como a cor, correspondem a real coloração do átomo
(Netzell, 2014 apud Albanese e Vincentini, 1997). Essas concepções podem estar associadas ao fato de os estudantes
entenderem que as representações utilizadas no ensino são realistas, evidenciando uma abordagem falha quando se
trata das representações utilizadas para descrever e explanar o conceito de átomo. Outro aspecto discutido em um
estudo relacionado ao modelo atômico é que normalmente os estudantes escolhem representações que se aproximam
muito as disponibilizadas em livros e mídias como a televisão (Fukui e Pacca, 2009), porém as imagens apresentadas
em alguns livros mostram certa desproporcionalidade em relação ao núcleo, o que acarreta em equívocos em discus-
sões relacionadas a transição de fases da matéria (Adbo e Taber, 2009).
Considerando que o tema perpassa diferentes áreas de ensino, as concepções equivocadas discutidas nas publica-
ções da área, que é um conceito de alto nível de abstração o que exige de o professor lançar mão de imagens e cons-
truções pictóricas, ou seja, no qual as experiências visuais realmente podem favorecer construções conceituais
corretas, sua escolha se mostra um espaço de discussão relevante como pesquisa. E se torna ainda mais importante
quando aliado a exploração de uma simulação relacionada ao tema.
II. A SIMULAÇÃO E O FAVORECIMENTO DAS EXPERIÊNCIAS VISUAIS
A escolha da simulação foi pensada com base nas características que elas ofereciam ao ensino do conteúdo de modelos
atômicos, e nessa direção as atividades desenvolvidas pelo grupo Physics Education Technology Project (PhET) associ-
ado à Universidade do Colorado, são construídas considerando preceitos educacionais importantes, envolvendo a par-
ticipação de uma equipe focada em oferecer atividades que sejam utilizadas em contexto escolar. Assim, as simulações
já mostram um perfil educacional, desse modo buscamos integrar, então, a visualização como princípio teórico-meto-
dológico para explorar uma simulação de modo a avaliar as experiências visuais propiciadas aos estudantes. Sendo
assim, foi selecionada a simulação Modelos do Átomo de Hidrogênio disponibilizada gratuitamente no modo online
ou offline, e que já traz um ponto importante discutido em pesquisas que debatem as concepções dos estudantes
sobre o átomo, ligada a dificuldade que os mesmos possuem em transpor esse conceito para outros momentos de
ensino (Alves, Santos e Lima, 2015), sendo sugerido que seja abordado de forma mais integrada (Vasconcellos, Rodri-
gues e Gomes, 2016) aplicada a um elemento químico por exemplo, como no caso da simulação que aborda a evolução
dos conceitos na perspectiva do átomo de Hidrogênio. Nessa mesma direção, a simulação traz ainda a opção de dis-
cussão do experimento de espectroscopia de modo isolado e depois com base nos modelos atômicos.
A simulação oferece uma gama de objetos de visualização (analogia, pictórico, animação, diagrama esquemático,
interatividade) e diferentes funções que podem ser usadas. Considerando os preceitos da visualização, de que os
estudantes precisam entender os objetos de visualização por meio de instrução direta, abordar os objetos de visuali-
zação em etapas distintas é fundamental, assim como oferecer instrução direta sobre as funções da simulação, evi-
tando a sobrecarga de informação conceitual e visual, o que influencia diretamente na experiência visual dos
estudantes. Desse modo foram definidos cinco momentos de abordagem do conteúdo a partir da exploração da si-
mulação, considerando os objetos de visualização para cada etapa.
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FIGURA 2. Imagem estática da simulação. Acima a opção Predição selecionada, apresentando os modelos cronologicamente de
seis modelos atômicos, iniciando do clássico até a concepção quântica. Na imagem está selecionado a opção do modelo de Bohr.
Abaixo a opção Experimento selecionada, apresentando uma representação do experimento de espectroscopia sem a inclusão dos
modelos atômicos.
O que é fundamental ressaltar, com relação a proposta de abordagem do conteúdo com base na simulação, que
em cada momento de discussão a experiência visual do estudantes está sendo direcionada para o objeto de visualiza-
ção que se deseja que o estudante observe, e durante a discussão do conteúdo esses direcionamentos são feitos,
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evitando a sobrecarga de informação visual que o uso aleatório da simulação poderia causar. É essencial que a abor-
dagem seja conduzida pelo professor, para que de fato a informação visual apresentada por meio da simulação seja
entendida pelo estudante, e sua relação com os conceitos abordados seja evidenciada e discutida a cada momento.
Ao final espera-se que os estudantes sejam capazes de construir repostas externas corretas, destacando as caracte-
rísticas de cada modelo, e ultrapassando os problemas destacados na literatura de construções de externalizações
visuais de um modelo atômico representacional híbrido (Reis, 2015).
TABELA I. Configuração da exploração do conteúdo de acordo com as funções da simulação e os objetos de visualização em cada
etapa.
ETAPA DE DISCUSSÃO
SIMULAÇÃO
OBJETO DE VISUALIZAÇÃO
1ª As características
dos seis modelos atômicos.
Função Predição, função
de play desativada.
Analogia (representação do próton e elétron na
legenda), Pictórico (representação do modelo de
cada átomo).
2ª O comportamento dos elétrons
nos diferentes modelos atômicos e
sua relação com os níveis de energia.
Função Predição, função
play ativada. Função ní-
veis de energia ativada.
Animação (movimento do elétron)
Diagrama Esquemático (diagrama de nível de
energia).
3ª O que é a espectroscopia e con-
ceitos envolvidos (fóton, espectro
eletromagnético).
Função Experimento,
Função Espectrômetro
ativada, opção luz Branca
selecionada.
Animação (Fótons), Pictórico (fonte emissora de
luz e caixa de Hidrogênio), Analogia (coloração
do fóton e a cor da luz ao qual ele representa),
Diagrama Esquemático (Espectrômetro).
4ª A relação entre os modelos atô-
micos de Bohr e Schrodinger e a es-
pectroscopia.
Função Predição, função
play ativada, função Ní-
vel de energia e Espec-
trômetro ativadas
Animação (emissão e absorção do fóton), Analo-
gia (fóton na cor da luz a que ele corresponde),
Pictórico (o modelo do átomo, Diagrama Esque-
mático (Nível de energia).
5ª A diferença da espectroscopia e o
experimento de dispersão de Ru-
therford (esquema do experimento).
Função Experimento,
play desativado.
Pictórico (fonte emissora de luz e caixa de Hidro-
gênio), Analogia (coloração do fóton e a cor da
luz que representa).
III. A IMPORTÂNCIA DAS EXTERNALIZAÇÕES
Durante o desenvolvimento da habilidade visual, acompanhar as externalizações visuais dos estudantes sobre a com-
preensão dos conceitos que são abordados e discutidos em sala é fundamental, e esse acompanhamento se dá prin-
cipalmente com base nas respostas apresentadas na resolução de atividades e tarefas. Além disso, saber quais os
conhecimentos prévios dos estudantes sobre o tópico que se pretende abordar é de extrema importância, conside-
rando que a partir dessas respostas iniciais pode-se realmente avaliar a existência de uma evolução sobre suas exter-
nalizações após determinada atividade ou abordagem. Em alguns casos os estudantes podem apresentar inicialmente
modelos representacionais incompletos, falhos ou incorretos, ou ainda, não apresentar nenhuma externalização vi-
sual sobre o tema. Assim, a exploração de atividades com direcionamentos para os objetos de visualização durante a
discussão do conteúdo, favorecem a construção mental de imagens que podem, então, ser posteriormente externali-
zadas. Em algumas situações os estudantes podem tomar emprestado os objetos de visualização oferecidos, até que
desenvolvam a habilidade visual a ponto de conseguirem criar seus próprios modelos visuais externos. Ou ainda, evo-
luir visualmente apresentando externalizações mais completas, e sem erros conceituais.
Assim, a proposta conta com quatro atividades para acompanhar o desenvolvimento da habilidade visual dos es-
tudantes através das externalizações visuais, sendo uma atividade prévia realizada antes da abordagem do conteúdo
e outras três atividades de avaliação, uma sendo aplicada logo após a segunda etapa de discussão, a outra após a
quarta e a última, após o último tópico de abordagem do conteúdo. As atividades aplicadas possuem um ponto em
comum, é pedido que os estudantes respondam as questões de forma escrita acompanhada de um diagrama/dese-
nho, o que faz com que o estudante apresente seu modelo visual externo sobre o conceito envolvido na pergunta. A
forma escrita deve ser solicitada em conjunto para que o estudante ofereça explicações textuais, assim o professor
poderá perceber se há coerência entre a escrita e a imagem visual apresentada na resolução da tarefa, essa distinção
é importante para compreender se a externalização visual que o estudante constrói realmente apresenta significado
para ele, ou pode ser uma mera cópia registrada, sem significado conceitual.
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FIGURA 3. Atividade 1, aplicada antes da abordagem do conteúdo de modelos atômico através da exploração da simulação.
Outra forma de acompanhar as externalizações do estudante que pode ser utilizada, é apresentar uma imagem e
solicitar que o estudante apresente uma explicação sobre a mesma. No caso da segunda atividade aplicada logo após
a segunda etapa de discussão, é apresentada uma imagem estática da simulação na função predição do átomo de Bohr
e o seu respectivo nível de energia para o elétron. Em seguida, pede-se que o estudante reconheça qual é este modelo
e o relacione com o nível de energia apresentado, o mesmo é feito para o modelo do átomo de Schrodinger. Neste
caso o modelo visual é dado para que o estudante construa a explicação sobre a imagem, para compreender se o
mesmo entende os objetos de visualização apresentados, e ainda se compreende a relação entre os mesmos.
FIGURA 4. Questão 1 da atividade 2, aplicada após a segunda etapa de discussão do conteúdo. O objeto é avaliar se os estudantes
são capazes de identificar o modelo atômico através do objeto de visualização pictórico, e se compreendem e são capazes de expli-
car a relação entre os objetos de visualização pictórico (modelo atômico) e diagrama esquemático (diagrama de níveis de energia).
Outra configuração de atividade utilizada é com questões de múltipla escolha, nas quais os estudantes precisam
compreender as imagens visuais e as explicações textuais, ou seja, a relação entre os objetos de visualização da ima-
gem e o OV textual. A atividade três, aplicada entre a quarta e a quinta etapa de discussão, é um questionário de
múltipla escolha em que cada questão apresenta uma captura de tela diferente da simulação, e oferece três alterna-
tivas, na qual entre essas os estudantes precisam assinalar a resposta correta de acordo com a imagem.
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FIGURA 5. Questões 3 e 4 da atividade 3, aplicada após a quarta etapa de discussão do conteúdo. O objeto é avaliar se os estudantes
são capazes de reconhecer na imagem o conceito que está sendo representado, assinalando à resposta correta entre as alternativas
apresentadas.
A última atividade aplicada retoma as questões feitas na atividade 1, para que as externalizações oferecidas pelos
estudantes antes e após a abordagem do conteúdo sejam comparadas com o intuito de compreender se a simulação
favoreceu de fato as experiências visuais dos estudantes, se possíveis equívocos conceituais tenham sido modificados,
e se externalizações incorretas ou incompletas foram corrigidas pelos estudantes. A atividade de avaliação final inclui
ainda, mais duas questões, sendo uma de múltipla escolha e uma questão na qual os estudantes terão de utilizar a
simulação em configuração determinada para responder à pergunta. Essa questão está associada ao experimento de
espectroscopia e tem como objetivo entender se os estudantes conseguem utilizar os comandos da simulação de
forma correta, e se são capazes de explicar e relacionar os objetos de visualização que se apresentam na tela após a
passagem do tempo determinado na questão, com os modelos atômicos discutidos anteriormente.
FIGURA 6. Questões 10 da atividade 4, aplicada ao final de todas as etapas de discussão do conteúdo. O objeto é avaliar se os
estudantes são capazes de interagir com a simulação e correlacionar os objetos de visualização presentes na mesma com os mode-
los atômicos discutidos.
A avaliação das externalizações dos estudantes deve ser contínua, buscando sempre reconhecer se há a evolução
nas externalizações dos estudantes e na compreensão correta do conteúdo, o que consequentemente, mostrará se há
o desenvolvimento da habilidade de visualizar dos estudantes.
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IV. FUTURAS ETAPAS E ALGUMAS CONSIDERAÇÕES
De modo geral, os modelos científicos abordados nas aulas de ciências exigem imaginação e abstração por parte dos
estudantes, e a visualização entende que esse processo cognitivo ocorre a partir da exploração dos objetos de visuali-
zação que auxiliam na construção de modelos mentais. Posteriormente, esses modelos são externalizados pelos estu-
dantes através de suas construções de modelos visuais externos, apresentados durante as resoluções de atividades.
Assim, espera-se que a exploração da atividade de simulação com base nessa perspectiva teórica, seja capaz de favo-
recer as experiências visuais dos estudantes auxiliando na compreensão do conteúdo, assim como no desenvolvimento
da habilidade de visualizar.
Atualmente a proposta aqui apresentada está sendo aplicada em uma instituição de ensino público, na modalidade
online, dividida em momentos assíncronos e síncronos. De acordo com as exigências da instituição ao qual a pesquisa
está associada, a mesma foi avaliada pelo comitê de ética da instituição e aprovada, e está disponível para consulta no
sítio da Plataforma Brasil, sob o número de Certificado de Apresentação e Apreciações Ética 42599121600000121.
Após a finalização da aplicação os resultados serão analisados e irão compor o trabalho de tese da presente pesquisa.
Espera-se que esse estudo contribua para um novo olhar sobre o uso de simulações no ensino, orientando a cria-
ção, seleção, exploração e avaliação das mesmas. E ainda, que evidencie a relevância da visualização para o ensino,
destacando a importância desse conceito teórico ser discutido em espaços de formação de professores, para consci-
entizá-los do papel das imagens que são usadas no contexto educaional. A seleção de atividades, imagens, ou ferra-
mentas visuais deve estar pautada nos preceitos da visualização, assim como a avaliação das mesmas, e
principalmente, a habilidade visual dos estudantes deve ser constantemente desenvolvida. Quão melhor os estudantes
se tornem em visualizar, melhores serão as chances de resultados positivos de aprendizagem serem alcançados.
AGRADECIMIENTOS
O primeiro autor é bolsista da FAPESC/SC – Brasil.
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