Educação STEM no desenvolvimento das estruturas cognitivas acerca das transformações de energia: Um estudo com alunos do 9.º ano

Iva Martins; Mónica Baptista; Inês Tomé

doi:10.21814/rpe.25599

Autores

Iva Martins Universidade de Lisboa Instituto de Educação https://orcid.org/0000-0002-1485-2760
Mónica Baptista Instituto de Educação da Universidade de Lisboa https://orcid.org/0000-0003-1609-5764
Inês Tomé Externato de Penafirme https://orcid.org/0000-0001-5283-9738

DOI:

https://doi.org/10.21814/rpe.25599

Palavras-chave:

Estruturas cognitivas, Educação STEM, Educação em Ciências, Teste de associação de palavras (WAT), Transformações de energia

Resumo

O conceito de energia, embora sendo um conceito central no ensino das Ciências, é um conceito abstrato, cuja compreensão coloca muitos desafios e dificuldades aos alunos. De igual forma, os fenómenos associados a este conceito, nomeadamente as transformações de energia, revestem-se de particular dificuldade conceptual para grande parte dos alunos. Assim, este estudo teve como objetivo conhecer o efeito de uma atividade STEM (Science, Tecnhology, Engineering, and Mathematics), para o ensino, em contexto formal, do tópico “Transformações de Energia”, nas estruturas cognitivas de 31 alunos do 9.º ano de escolaridade. O estudo seguiu um design de pré-teste e pós-teste, com um grupo único. A recolha de dados foi realizada através de um teste de associação de palavras (WAT), com seis palavras-estímulo, antes e depois da realização da atividade. Os resultados obtidos permitiram a construção de tabelas de frequências e de mapas das estruturas cognitivas dos alunos nos dois momentos. Adicionalmente, e como forma de revelar a natureza das associações de palavras feitas pelos alunos, foi solicitado que estes escrevessem frases com as palavras associadas. A análise dos resultados foi realizada tendo em conta as associações mais frequentemente indicadas pelos alunos (i.e., com base no tipo e nas frequências das palavras-resposta) e a natureza das mesmas (i.e., com base nas frases escritas pelos alunos). Tendo em conta os resultados e a sua análise, é possível concluir que houve uma evolução das estruturas cognitivas dos alunos, o que é indicativo de que o seu envolvimento na atividade STEM promoveu a construção de um conhecimento mais aprofundado sobre os conteúdos em questão.

Downloads

Não há dados estatísticos.

Biografias Autor

Iva Martins, Universidade de Lisboa Instituto de Educação

Iva Martins é Doutora em Bioquímica pela Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa e Mestre em Ensino da Física e da Química para o 3.º Ciclo e Ensino Secundário pelo Instituto de Educação da Universidade de Lisboa (IE-ULisboa). Desempenha funções de Investigadora Doutorada e docente no Curso de Mestrado em Ensino da Física e da Química no IE-ULisboa. As suas áreas de interesse são: Educação STEM, inquiry, PCK e desenvolvimento profissional dos professores de ciências.

Mónica Baptista, Instituto de Educação da Universidade de Lisboa

Mónica Baptista é Doutora em Educação - Didática das Ciências pela Universidade de Lisboa. É Subdiretora e Professora Associada no IE-ULisboa. É representante dos países do mediterrâneo no IOSTE. Supervisiona trabalhos de mestrado e de doutoramento, estando envolvida na coordenação do Mestrado em Ensino de Física e Química. Coordena o projeto de investigação GoSTEM, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia e participa em vários projetos Europeus (e.g., Hands-on-Remote, KeySTEM, LOOP). As suas áreas de interesse Educação STEM, inquiry, lesson study e desenvolvimento profissional dos professores de ciências.

Inês Tomé, Externato de Penafirme

Inês Tomé é Licenciada em Ensino de Físico-Química, pela Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa e Mestre em Ensino na área de Didática das Ciências, pelo IE-ULisboa. Leciona a disciplina de Físico-Química no Externato de Penafirme desde 2005, desempenhando a função de diretora de turma desde 2006.

Referências

Almeida, L., & Freire, T. (2003). Metodologia da investigação em psicologia e educação. Psiquilíbrios.

Ausubel, D. P. (1963). Cognitive structure and the facilitation of meaningful verbal learning. Journal of Teacher Education, 14(2), 217-221. https://doi.org/10.1177/002248716301400220

Bächtold, M. (2018). How should energy be defined throughout schooling? Research in Science Education, 48(2), 345-367. https://doi.org/10.1007/s11165-016-9571-5

Bahar, M., Johnstone, A. H., & Sutcliffe, R. G. (1999). Investigation of students’ cognitive structure in elementary genetics through word association tests. Journal of Biological Education, 33(3), 134-141. https://doi.org/10.1080/00219266.1999.9655653

Baptista, M., Martins, I., Conceição, T., & Reis, P. (2019). Multiple representations in the development of students’ cognitive structures about the saponification reaction. Chemistry Education Research and Practice, 20(4), 760-771. https://doi.org/10.1039/C9RP00018F

Camoez, J. (2012). Relatório de estágio [Relatório de mestrado, Universidade Nova de Lisboa]. Repositório da Universidade Nova de Lisboa. http://hdl.handle.net/10362/9136

Cardellini, L., & Bahar, M. (2000). Monitoring the learning of chemistry through word association tests. Australian Chemistry Resource Book, 19, 59-69.

Cardoso, A. (2020). Educação STEM na aprendizagem da eletricidade. Um trabalho com alunos do 9.º ano [Relatório de mestrado, Universidade de Lisboa]. Repositório da Universidade de Lisboa. http://hdl.handle.net/10451/47065

Chiu, M. H., & Duit, R. (2011). Globalization: Science education from an international perspective. Journal of Research in Science Teaching, 48(6), 553-566. https://doi.org/10.1002/tea.20427

Christensen, R., & Knezek, G. (2017). Relationship of middle school student STEM interest to career intent. Journal of Education in Science, Environment and Health, 3(1), 1-13. https://doi.org/10.21891/jeseh.275649

Cook, T. D., & Campbell, D. T. (1979). Quasi-experimentation: Design and analysis issues for field settings. Houghton Mifflin.

Cotabish, A., Dailey, D., Robinson, A., & Hughes, G. (2013). The effects of a STEM intervention on elementary students’ science knowledge and skills. School Science and Mathematics, 113(5), 215-226. https://doi.org/10.1111/ssm.12023

Crippen, K. J., & Antonenko, P. D. (2018). Designing for collaborative problem solving in STEM cyberlearning. In Y. J. Dori, Z. R. Mevarech, & D. R. Baker (Eds.), Cognition, metacognition, and culture in STEM education (pp. 89-116). Springer Nature. https://doi.org/10.1007/978-3-319-66659-4_5

Crotty, E. A., Guzey, S. S., Roehrig, G. H., Glancy, A. W., Ring-Whalen, E. A., & Moore, T. J. (2017). Approaches to integrating engineering in STEM units and student achievement gains. Journal of Pre-College Engineering Education Research, 7(2), Article 1. https://doi.org/10.7771/2157-9288.1148

Derman, A., & Eilks, I. (2016). Using a word association test for the assessment of high school students’ cognitive structures on dissolution. Chemistry Education Research and Practice, 17(4), 902-913. https://doi.org/10.1039/c6rp00084c

Duit, R. (1987). Should energy be introduced as something quasi-material? International Journal of Science Education, 9(2), 139-145. https://doi.org/10.1080/0950069870090202

Duit, R. (2014). Teaching and learning the physics energy concept. In R. F. Chen, A. Eisenkraft, D. Fortus, J. Krajcik, K. Neumann, J. Nordine, & A. Scheff (Eds.), Teaching and learning of energy in K-12 education (pp. 67-85). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05017-1_5

Eryilmaz, A. (2002). Effects of conceptual assignments and conceptual change discussions on students’ misconceptions and achievement regarding force and motion. Journal of Research in Science Teaching, 39(10), 1001-1015. https://doi.org/10.1002/tea.10054

Fernandes, A. M., & Soares, S. (2022). Estruturas cognitivas e conceções alternativas sobre energia: Estudo preliminar em futuros professores do 1.º CEB. APEduC Revista, 3(2), 31-42. https://apeducrevista.utad.pt/index.php/apeduc/article/view/315

Feynman, R., Leighton, R., & Sands, M. (2011). The Feynman lectures on physics. New millennium edition. Volume I: Mainly mechanics, radiation and heat. New York: Basic Books.

Fiolhais, C. (Coord.). (2013). Metas curriculares do 3.º ciclo do ensino básico: Ciências físico-químicas. Direção-Geral da Educação. https://www.dge.mec.pt/sites/default/files/ficheiros/eb_cfq_metas_curriculares_3c_0.pdf

Gazibeyoglu, T., & Aydin, A. (2019). The effect of STEM-based activities on 7th grade students’ academic achievement in force and energy unit and students’ opinions about these activities. Universal Journal of Educational Research, 7(5), 1275-1285. https://doi.org/10.13189/ujer.2019.070513

Gunstone, R. F. (1980). Word association and the description of cognitive structure. Research in Science Education, 10(1), 45-53. https://doi.org/10.1007/bf02356308

Hovardas, T., & Korfiatis, K. J. (2006). Word associations as a tool for assessing conceptual change in science education. Learning and Instruction, 16(5), 416-432. https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2006.09.003

Jewett, J. (2008). Energy and the confused student III: Language. The Physics Teacher, 46(3), 149-153. https://doi.org/10.1119/1.2840978

Johnson, P. E. (1967). Some psychological aspects of subject-matter structure. Journal of Educational Psychology, 58(2), 75-83. https://doi.org/10.1037/h0024465

Johnson, P. E. (1969). On the communication of concepts in science. Journal of Educational Psychology, 60(1), 32-40. https://doi.org/10.1037/h0026691

Kitchen, J. A., Sonnert, G., & Sadler, P. M. (2018). The impact of college- and university-run high school summer programs on students’ end of high school STEM career aspirations. Science Education, 102(3), 529-547. https://doi.org/10.1002/sce.21332

Kostova, Z., & Radoynovska, B. (2008). Word association test for studying conceptual structures of teachers and students. Bulgarian Journal of Science and Education Policy, 2(2), 209-231. http://bjsep.org/getfile.php?id=20

Lemke, J. (1998). Teaching all the languages of science: Words, symbols, images, and actions. La Caixa Conference On Science Education. https://doi.org/10.13140/2.1.4022.5608

Liu, G., & Fang, N. (2017). Student misconceptions of work and energy in engineering dynamics. Proceedings of the 2017 ASEE Gulf-Southwest Section Annual Conference. https://www.researchgate.net/publication/313558250

Marques, M. (2009). Integração de tópicos de história das ciências no ensino – Estudo de caso: Energia no ensino básico. Actes d’Història de La Ciència i de la Tècnica, 2(1), 327-335. https://revistes.iec.cat/index.php/AHCT/article/view/55774.001

Martín-Páez, T., Aguilera, D., Perales-Palacios, F. J., & Vílchez-González, J. M. (2019). What are we talking about when we talk about STEM education? A review of literature. Science Education, 103(4), 799-822. https://doi.org/10.1002/sce.21522

Miles, M. B., & Huberman, A. M. (1994). Qualitative data analysis: An expanded sourcebook. Sage Publications.

Moore, T. J., Tank, K. M., Glancy, A. W., & Kersten, J. A. (2015). NGSS and the landscape of engineering in K-12 state science standards. Journal of Research in Science Teaching, 52(3), 296-318. https://doi.org/10.1002/tea.21199

Moreno, J. (2013). Ensino da física e da química e as concepções alternativas dos alunos do ensino secundário sobre o conceito de energia – Relatório de estágio [Dissertação de mestrado, Universidade Nova de Lisboa]. Repositório da Universidade Nova de Lisboa. http://hdl.handle.net/10362/12206

Nakiboglu, C. (2008). Using word associations for assessing non major science students’ knowledge structure before and after general chemistry instruction: The case of atomic structure. Chemistry Education Research and Practice, 9(4), 309-322. https://doi.org/10.1039/b818466f

National Academy of Engineering and National Research Council. (2014). STEM integration in K-12 education: Status, prospects, and an agenda for research. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/18612

National Research Council. (2000). Inquiry and the national science education standards: A guide for teaching and learning. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/9596

Ortiz-Revilla, J., Adúriz-Bravo, A., & Greca, I. M. (2020). A framework for epistemological discussion on integrated STEM education. Science & Education, 29(4), 857-880. https://doi.org/10.1007/s11191-020-00131-9

Ortiz-Revilla, J., Greca, I. M., & Arriassecq, I. (2022). A theoretical framework for integrated STEM education. Science & Education, 31(2), 383-404. https://doi.org/10.1007/s11191-021-00242-x

Özcan, O., & Tavukçuoğlu, E. (2018). Investigating the high school students’ cognitive structures about the light concept through word association test. Journal of Education and Future, 13, 121-132. https://www.researchgate.net/publication/322963382

Park, W., Wu, J. Y., & Erduran, S. (2020). The nature of STEM disciplines in the science education standards documents from the USA, Korea and Taiwan. Science & Education, 29, 899-927. https://doi.org/10.1007/s11191-020-00139-1

Piaget, J. (1964). Part I: Cognitive development in children: Piaget development and learning. Journal of Research in Science Teaching, 2(3), 176-186. https://doi.org/10.1002/tea.3660020306

Piaget, J. (1978). Success and understanding. Harvard University Press.

Pilot, A., & Bulte, A. M. W. (2006). Why do you “need to know”? Context-based education. International Journal of Science Education, 28(9), 953-956. https://doi.org/10.1080/09500690600702462

Quinn, C. M., Reid, J. W., & Gardner, G. E. (2020). S + T + M = E as a convergent model for the nature of STEM. Science & Education, 29(4), 881-898. https://doi.org/10.1007/s11191-020-00130-w

Quinn, H. R. (2014). A physicist’s musings on teaching about energy. In R. F. Chen, A. Eisenkraft, D. Fortus, J. Krajcik, K. Neumann, J. Nordine, & A. Scheff (Eds.), Teaching and learning of energy in K-12 education (pp. 15-36). Springer Nature. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05017-1_2

Sanders, M. (2009). STEM, STEM Education, STEMmania. The Technology Teacher, 68(4), 20-27. https://www.teachmeteamwork.com/files/sanders.istem.ed.ttt.istem.ed.def.pdf

Şendur, G., & Toprak, M. (2017). An investigation of changes in the cognitive structures of 11th grade students using the word association test: The case of chemical equilibrium. Journal of Turkish Studies, 12(17), 411-436. https://doi.org/10.7827/turkishstudies.11911

Sgro, C. M., Bobowski, T., & Oliveira, A. W. (2020). Current praxis and conceptualization of STEM education: A call for greater clarity in integrated curriculum development. In V. Akerson & G. Buck (Eds.), Critical questions in STEM education (pp. 185-210). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-57646-2_11

Shahali, E., Halim, L., Rasul, M. S., Osman, K., & Zulkifeli, M. A. (2017). STEM learning through engineering design: Impact on middle secondary students’ interest towards STEM. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 13(5), 1189-1211. https://doi.org/10.12973/eurasia.2017.00667a

Taber, K. S. (2008). Exploring conceptual integration in student thinking: Evidence from a case study. International Journal of Science Education, 30(14), 1915-1943. https://doi.org/10.1080/09500690701589404

Tanel, Z., & Tanel, R. (2010). Determining the misconceptions and learning difficulties of undergraduate level students on topics of energy and momentum. Balkan Physics Letters, 18, 108-117.

Tatar, E., & Oktay, M. (2007). Students’ misunderstandings about the energy conservation principle: A general view to studies in literature. International Journal of Environmental & Science Education, 2(3), 79-81. https://www.researchgate.net/publication/255651470

Thibaut, L., Ceuppens, S., de Loof, H., de Meester, J., Goovaerts, L., Struyf, A., Boeve-de Pauw, J., Dehaene, W., Deprez, J., de Cock, M., Hellinckx, L., Knipprath, H., Langie, G., Struyven, K., van de Velde, D., van Petegem, P., & Depaepe, F. (2018). Integrated STEM education: A systematic review of instructional practices in secondary education. European Journal of STEM Education, 3(1), e02. https://doi.org/10.20897/ejsteme/85525

Toma, R. B., & Greca, I. M. (2018). The effect of integrative STEM instruction on elementary students’ attitudes toward science. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 14(4), 1383-1395. https://doi.org/10.29333/ejmste/83676

Tomás, A. (2021). STEM no ensino da massa e do peso. Um estudo com alunos do 7.º ano [Dissertação de mestrado, Universidade de Lisboa]. Repositório da Universidade de Lisboa. http://hdl.handle.net/10451/47105

Trumper, R. (1993). Children’s energy concepts: A cross‐age study. International Journal of Science Education, 15(2), 139-148. https://doi.org/10.1080/0950069930150203

Tsai, C. C. (2001). Probing students’ cognitive structures in science: The use of a flow map method coupled with a meta-listening technique. Studies in Educational Evaluation, 27(3), 257-268. https://doi.org/10.1016/S0191-491X(01)00029-3

Tsai, C. C., & Huang, C. M. (2002). Exploring students’ cognitive structures in learning science: A review of relevant methods. Journal of Biological Education, 36(4), 163-169. https://doi.org/10.1080/00219266.2002.9655827

Tsupros, N., Kohler, R., & Hallinen, J. (2009). STEM education: A project to identify the missing components [Summary report]. Intermediate Unit 1: Center for STEM Education and Leonard Gelfand Center for Service Learning and Outreach, Carnegie Mellon University, Pennsylvania.

Valadares, J. (1994a). A energia. Química, (53), 30-41. https://dx.doi.org/10.52590/M3.P577.A3000633

Valadares, J. (1994b). Alguns aspectos essenciais sobre a energia. Química, (54), 38-46. https://dx.doi.org/10.52590/M3.P578.A3000647

Valadares, J. (1995). Concepções alternativas no ensino da física à luz da filosofia da ciência [Tese de doutoramento, Universidade Aberta]. Repositório Aberto - Universidade Aberta. http://hdl.handle.net/10400.2/2520

Vygotsky, L. (1978). Mind in society: The development of higher psychological processes. Harvard University Press.

Warren, J. W. (1982). The nature of energy. European Journal of Science Education, 4(3), 295-297. https://doi.org/10.1080/0140528820040308

Yildirir, H. E., & Demirkol, H. (2018). Revealing students’ cognitive structure about physical and chemical change: Use of a word association test. European Journal of Education Studies, 4(1), 134-154. https://doi.org/10.5281/zenodo.1156414