UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE CIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM EDUCAÇÃO PARA A CIÊNCIA Márcia Camilo Figueiredo APLICAÇÃO DE UM JOGO DIGITAL E ANÁLISE DE CONCEITOS DA TEORIA CINÉTICA DOS GASES Bauru - SP 2016 Márcia Camilo Figueiredo APLICAÇÃO DE UM JOGO DIGITAL E ANÁLISE DE CONCEITOS DA TEORIA CINÉTICA DOS GASES Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Educação para a Ciência, da área de concentração em Ensino de Ciências, Faculdade de Ciências da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” / UNESP, Campus de Bauru, como requisito à obtenção do título de Doutora em Educação para a Ciência. Orientador: Prof. Dr. Aguinaldo Robinson de Souza Bauru - SP 2016 DIVISÃO TÉCNICA DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO UNESP – BAURU Figueiredo, Márcia Camilo. Aplicação de um jogo digital e análise de conceitos da teoria cinética dos gases / Márcia Camilo Figueiredo, 2016. 321 f.: il. Orientador: Aguinaldo Robinson de Souza Tese (Doutorado) – Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Ciências, Bauru, 2016 1. Aleatoriedade. 2. Irreversibilidade. 3. Ensino de química. 4. Trajetórias de partículas. I. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Ciências. II. Título. AGRADECIMENTOS Ao professor Dr. Aguinaldo Robinson de Souza, por ter compartilhado e ensinado seus conhecimentos para o desenvolvimento do doutorado; pela confiança, paciência e dedicação em me orientar e fazer deste trabalho um crescimento pessoal e profissional para minha vida. Aos professores doutores Marcelo Maia Cirino (UEL) e Wilson Massashiro Yonezawa (UNESP), por terem contribuído significativamente na banca de qualificação com sugestões, discussões e comentários importantes para a finalização da pesquisa. Aos professores doutores, Wilson Massashiro Yonezawa, Marcelo Maia Cirino, Neide Maria Michellan Kiouranis, Nelson Henrique Morgon, por aceitar o convite de membros da banca de defesa de tese. Ao colega Gustavo Martins Alves de Almeida, pela construção e disponibilização do jogo cinética química utilizado no desenvolvimento da pesquisa. Aos professores, técnicos e colegas do Programa de Pós-Graduação em Educação para a Ciência, da Faculdade de Ciências, da Universidade Estadual Paulista, UNESP, campus de Bauru, SP, pela convivência, ensinamentos e construção do conhecimento. Em especial, à técnica Denise Barbosa Felipe, pela sua presteza. À equipe da biblioteca central da UNESP, campus Bauru, em especial ao Breno e Sérgio, pela atenção e acolhida nos momentos de verificações de normas para o trabalho. Aos colegas do Departamento Acadêmico de Química - DAQUI da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, câmpus Londrina, pelo afastamento de dois anos para finalização do trabalho de tese. Aos alunos do curso de licenciatura em Química, UTFPR, câmpus Londrina, pela participação e contribuições para a conclusão dessa pesquisa. À Fundação Araucária, pelo auxílio financeiro concedido no final de conclusão da pesquisa. Aos familiares e amigos (as), que me apoiaram e torceram por mim: sogra, sogro, cunhadas, cunhados, tias, tios, primas, primos, sobrinhos, avô e avó. Ao meu esposo, José Ramos de Figueiredo Junior, por seu apoio incondicional e fundamental para a concussão desse trabalho. Aos meus filhos, Ramon e Maria Elena, por seus sinceros carinhos tão necessários para aliviar essa caminhada; minhas inspirações... Aos meus pais, Dorival e Lucy, pessoas fundamentais da minha vida, agradeço pelo apoio e cuidados, por todo amor e carinho, por entender e apoiar cada nova decisão, por estarem sempre presentes (vencendo a distância). Aos meus irmãos, Marcos, Magda e Marcelo. Enfim, a todos os que, direta ou indiretamente, contribuíram para a conclusão desta pesquisa! Ora, se a inteligência fosse inata... saberia agora, fazer qualquer coisa... inclusive as coisas que ainda vai inventar! Lauro de Oliveira Lima (1980) RESUMO Esta pesquisa objetivou investigar se licenciandos em química enunciam e compreendem os conceitos de aleatoriedade e irreversibilidade, presentes na Teoria Cinética dos Gases, por meio de etapas construídas para um jogo digital e da sua aplicação após finalizado. Participaram da pesquisa vinte e um acadêmicos do curso de licenciatura em química de uma universidade tecnológica federal no Paraná, separados em: grupo 01, 02 e 03. Para a coleta de dados, cada grupo, em determinados momentos, respondeu questionários, elaborou desenhos e participou de entrevistas semiestruturadas. O desenvolvimento da pesquisa foi orientado pela abordagem qualitativa e por alguns estudos realizados por Piaget. Para tratar e analisar os dados, optamos pelos princípios da análise de conteúdo. A partir do conteúdo dos desenhos construídos nas etapas do jogo digital, foi possível constatar que, os participantes do grupo 01 e 02 buscaram ilustrar em alguma etapa do jogo, uma aproximação de distribuição homogênea do sistema. Nos desenhos dos níveis, verificamos que a maioria (quatorze) dos participantes levou em consideração as experiências obtidas durante o jogo, porque mudaram a maneira de prever em algum nível, as trajetórias de partículas no sistema; dentre os vinte e um sujeitos, apenas oito ilustraram nos quatro níveis do jogo, as primeiras previsões de colisões do lado esquerdo, alcançando o padrão de análise estabelecido. No conteúdo obtido nos discursos dos participantes, referente ao conceito de irreversibilidade, foi possível verificar que este conhecimento não está bem construído nas estruturas cognitivas dos participantes do grupo 01 e 02, porque cinco apresentaram discurso não elucidativo nas quatro etapas do jogo e dois não souberam elucidar o conceito investigado em três etapas. Com relação ao conceito de aleatoriedade, verificamos que os participantes utilizaram palavras diferentes em cada contexto de aplicação das etapas e dos níveis do jogo digital, apresentando distintos discursos, como de gênero científico, próximo do gênero científico, de senso comum, não elucidativo e elucidativo ao jogo. Depreende-se que os recursos didáticos digitais utilizados podem proporcionar aos estudantes compreenderem e apreenderem conteúdos de caráter microscópico e submicroscópico. Portanto, as etapas e os níveis do jogo digital poderão contribuir para que os sujeitos apreendam cientificamente os conceitos da teoria cinética dos gases, como também em outras áreas do conhecimento. Palavras-chave: Aleatoriedade, irreversibilidade, trajetórias de partículas, colisões de partículas, simulação computacional, ensino de Química. ABSTRACT This research aimed to investigate whether licentiate in chemistry enunciate and understand the concepts of randomness and irreversibility present in Kinetic Theory of Gases, through the construction of steps of a digital game and its application after finalized. The participants were twenty-one academics in chemistry degree course of a federal technological university in Paraná, separated into: Group 01, 02 and 03. For the collection of data, each group, at certain times, answered questionnaires, prepared drawings and participated in semi-structured interviews. The development of the research was guided by a qualitative approach and some studies conducted by trough the ideas of Piaget. To process and analyze the data, we chose the principles of content analysis. From the content of the drawings built on the steps of digital game, it was found that the participants of group 01 and 02 sought to illustrate in some stage of the game, a homogeneous distribution approach of the system. In the drawings levels, we found that the majority (fourteen) of the participants took into account the experiences gained during the game because it changed the way to predict to some degree, the particle trajectories in the system; among the twenty-one subjects, only eight illustrated in the four levels of the game, the first predictions of collisions on the left side, reaching the established pattern analysis. The content obtained in the speeches of the participants, referring to the concept of irreversibility, it was found that this knowledge is not well built in cognitive structures of group members 01 and 02, because five had not been elucidated speech in the four stages of the game and two did not know how to elucidate the concept investigated in the three steps. Regarding the concept of randomness, we found that participants used different words in each application context of the stages and the digital game levels, with different speeches, as scientific genre, close to the scientific genus, common sense, not enlightening and instructive the game. It appears that digital teaching resources used can provide students understand and grasp microscopic and submicroscopic character content. Therefore, the steps and levels of the digital game can contribute to the subject scientifically seize the concepts of kinetic theory of gases, as well as in other areas of knowledge. Keywords: Randomness, irreversibility, particle trajectories, particle collisions, computer simulation, chemistry teaching. LISTA DE FIGURAS Figura 01: Distribuição de moléculas de um gás ideal num recipiente de volume V.................29 Figura 02: Caixa retangular com 8 esferas vermelhas e 8 brancas.............................................58 Figura 03: Caixa composta por um funil e divisórias................................................................59 Figura 04: Prancheta quadrada recoberta por um papel dividido em setores coloridos.............61 Figura 05: Telas das quatro simulações disponíveis no jogo em seus estados iniciais...............95 Figura 06: Folhas para desenhar os níveis 1, 2, 3, 4 e 5 do jogo digital......................................96 Figura 07: Tela do nível 1 do jogo digital..................................................................................97 Figura 08: Tela do nível 2 do jogo digital..................................................................................98 Figura 09: Tela do nível 3 do jogo digital..................................................................................98 Figura 10: Tela do nível 4 do jogo digital..................................................................................99 Figura 11: Tela do nível 5 do jogo digital.................................................................................99 Figura 12: Etapa 1A: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 10 e 60 segundos).112 Figura 13: Etapa 1A: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 120 e 420 segundos) ................................................................................................................................................ 113 Figura 14: Etapa 1A: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 480 e 780 segundos) ................................................................................................................................................ 114 Figura 15: Etapa 1B: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 10 e 60 segundos).116 Figura 16: Etapa 1B: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 120 e 420 segundos) .................................................................................................................................................117 Figura 17: Etapa 1B: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 480 e 780 segundos) .................................................................................................................................................118 Figura 18: Etapa 1B: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 10 e 60 segundos).120 Figura 19: Etapa 1C: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 120 e 420 segundos) .................................................................................................................................................121 Figura 20: Etapa 1C: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 480 e 780 segundos) .................................................................................................................................................122 Figura 21: Etapa 1D: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 10 e 60 segundos).124 Figura 22: Etapa 1D: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 120 e 420 segundos) .................................................................................................................................................125 Figura 23: Etapa 1D: número de partículas nos quadrantes (tempo entre 480 e 780 segundos) .................................................................................................................................................126 Figura 24: Colisões da partícula vermelha e azul....................................................................138 Figura 25: Diagrama de aprendizado em um jogo de tênis......................................................295 LISTA DE DESENHOS Desenho 01: Previsões de trajetórias de partículas de L1G (etapas do jogo digital) ..............149 1 Desenho 02: Previsões de trajetórias de partículas de L2G (etapas do jogo digital) ..............151 1 Desenho 03: Previsões de trajetórias de partículas de L3G (etapas do jogo digital) ..............153 1 Desenho 04: Previsões de trajetórias de partículas de L4G (etapas do jogo digital) ..............155 1 Desenho 05: Previsões de trajetórias de partículas de L5G (etapas do jogo digital) ..............157 1 Desenho 06: Previsões de trajetórias de partículas de L6G (etapas do jogo digital) ..............159 1 Desenho 07: Previsões de trajetórias de partículas de L7G (etapas do jogo digital) ..............161 1 Desenho 08: Previsões de trajetórias de partículas de L8G (etapas do jogo digital) ..............164 2 Desenho 09: Previsões de trajetórias de partículas de L9G (etapas do jogo digital) ..............167 2 Desenho 10: Previsões de trajetórias de partículas de L10G (etapas do jogo digital) ............169 2 Desenho 11: Previsões de trajetórias de partículas de L11G (etapas do jogo digital) ............171 2 Desenho 12: Previsões de trajetórias de partículas de L12G (etapas do jogo digital) ............174 2 Desenho 13: Previsões de trajetórias de partículas de L13G (etapas do jogo digital) ............176 2 Desenho 14: Previsões de trajetórias de partículas de L1G ....................................................238 1 Desenho 15: Previsões de trajetórias de partículas de L2G ....................................................241 1 Desenho 16: Previsões de trajetórias de partículas de L3G ....................................................243 1 Desenho 17: Previsões de trajetórias de partículas de L4G ....................................................246 1 Desenho 18: Previsões de trajetórias de partículas de L5G ....................................................248 1 Desenho 19: Previsões de trajetórias de partículas de L6G ....................................................250 1 Desenho 20: Previsões de trajetórias de partículas de L7G ....................................................253 1 Desenho 21: Previsões de trajetórias de partículas de L8G ....................................................255 2 Desenho 22: Previsões de trajetórias de partículas de L9G ....................................................258 2 Desenho 23: Previsões de trajetórias de partículas de L10G ..................................................260 2 Desenho 24: Previsões de trajetórias de partículas de L11G ..................................................262 2 Desenho 25: Previsões de trajetórias de partículas de L12G ..................................................264 2 Desenho 26: Previsões de trajetórias de partículas de L13G ..................................................267 2 Desenho 27: Previsões de trajetórias de partículas de L14G ..................................................270 2 Desenho 28: Previsões de trajetórias de partículas de L15G ..................................................273 3 Desenho 29: Previsões de trajetórias de partículas de L16G ..................................................276 3 Desenho 30: Previsões de trajetórias de partículas de L17G ..................................................278 3 Desenho 31: Previsões de trajetórias de partículas de L18G ..................................................281 3 Desenho 32: Previsões de trajetórias de partículas de L19G ..................................................283 3 Desenho 33: Previsões de trajetórias de partículas de L20G ..................................................285 3 Desenho 34: Previsões de trajetórias de partículas de L21G ..................................................288 3