Ensino da física geral nas universidades públicas portuguesas e a sua relação com o sucesso escolar: caracterização do problema e desenho, implementação e avaliação de uma intervenção didáctica

Abstract

Tese de Doutoramento em Física - Didáctica da Física

Este estudo incide sobre a aprendizagem de Física no Ensino Superior e tem a sua génese na constatação das dificuldades existentes na aprendizagem de Física nas Universidades Públicas Portuguesas, em particular no elevado insucesso escolar. Esta problemática envolve um vasto conjunto de variáveis e tem consequências socio-económicas potencialmente importantes. Para além disso, a literatura sobre aprendizagem de Física no Ensino Superior mostra que as aprendizagens dos conceitos básicos são muitas vezes deficientes (por exemplo, Hestenes et al., 1992). Estas deficiências detectam-se mesmo em alunos que obtêm sucesso escolar, isto é, aprovação na disciplina (Mazur, 1996). Portanto, o problema complica-se ainda mais se considerarmos a questão do sucesso académico, que engloba, para além do sucesso escolar, o desenvolvimento das capacidades e competências do estudante e a sua autosatisfação com a experiência educativa que lhe é proporcionada.
 Os problemas de investigação são, então, os seguintes: 1. Caracterizar as práticas em uso no ensino da Física Introdutória nas Universidades Públicas Portuguesas e as concepções de ensino e de aprendizagem dos professores, analisando a relação destas concepções com as práticas de ensino. Em casos seleccionados, analisar o impacto das práticas de ensino na qualidade das aprendizagens e no sucesso escolar;
 2. Constatado o problema do insucesso generalizado nas disciplinas de Física Introdutória nas Universidades Públicas Portuguesas e a desadequação da generalidade das práticas de ensino em uso, impõe-se propor soluções, designadamente mostrar as vantagens e exequibilidade de um currículo baseado nos resultados da investigação em educação em Ciência. Assim, um segundo problema de investigação é desenhar, implementar e avaliar um currículo intencionalmente concebido e triplamente fundamentado (epistemologicamente, didacticamente e em termos de exequibilidade) para melhorar o sucesso escolar e a qualidade das aprendizagens, designadamente em termos da aprendizagem de conceitos científicos, do desenvolvimento de capacidades e competências (disciplinares e transversais) e da auto-satisfação dos estudantes.
 O estudo desenhado para investigar as questões atrás referidas foi dividido em duas partes ou fases. Numa primeira etapa, foi recolhida informação documental e foram realizadas entrevistas aos regentes de 12 disciplinas de Física Introdutória, em nove universidades públicas de Portugal Continental. As disciplinas escolhidas para a amostra estudada foram as leccionadas no 2º semestre de 2001/2002 aos cursos de licenciatura em Ensino de Física e Química e em Ensino de Biologia-Geologia. Na etapa seguinte, tentou aprofundar-se o conhecimento acerca do ensino num número mais restrito de casos. Assim, com base nos dados recolhidos na etapa anterior, identificaram-se quatro casos em que os professores procuram deliberadamente melhorar o seu ensino. Como não foi possível assegurar a colaboração do regente de um dos casos, esta investigação incidiu sobre três dos quatro casos identificados. Procurou-se, então, caracterizar mais aprofundadamente o ensino ministrado nestes três casos.
 Para tal, recolheu-se o máximo de informação acerca do ensino nestas disciplinas, leccionadas durante o 2º semestre de 2001/2002, incluindo documentação, mais entrevistas aos regentes e a aplicação de alguns testes e inquéritos aos alunos.
 Em termos globais, o objectivo desta fase da investigação era caracterizar o ensino da Física Introdutória realmente levado a cabo nas Universidades Públicas Portuguesas. Com base num quadro teórico, entretanto desenvolvido, tentou analisar-se os efeitos produzidos em termos de sucesso escolar e, nos casos em que o estudo foi mais aprofundado, também em termos da qualidade das aprendizagens conseguidas, e relacioná-los com o ensino ministrado. Pretendia-se que esta caracterização contribuísse para esclarecer a natureza do problema do insucesso escolar nas disciplinas de Física Introdutória e a eventual relação com o ensino realmente efectuado.
 A segunda fase da investigação consistiu no desenho, implementação e avaliação dum currículo que se pretendeu fundamentado no que se aprendeu na primeira fase e no quadro teórico. Por um lado, esta segunda fase assenta numa fundamentação empírica baseada nas experiências didácticas publicadas na literatura e nos resultados da fase anterior. Por outro lado, assenta também numa fundamentação intrínseca, com base no quadro teórico - didáctico desenvolvido, fundamentado epistemologicamente e levando em consideração a questão fundamental da exequibilidade.
 Da primeira fase do estudo ficou clara a necessidade de implementar um ensino que permita melhorar o sucesso escolar. Para além disso, os contributos teóricos e as experiências didácticas reportados na literatura permitem considerar que, de facto, é possível fazer um ensino melhor.
 Esta fase de intervenção em contexto real de ensino ocorreu na disciplina de Física Geral II, no 2º semestre do ano lectivo 2002/2003, na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, sem que fossem implementadas condições especiais diferentes
 das habituais. A organização da disciplina em termos de tempos e espaços lectivos não sofreu alterações e a maioria dos materiais didácticos utilizados já existiam na Universidade.
 A intervenção didáctica obteve bons resultados a vários níveis: na participação dos alunos na disciplina e na avaliação, nos resultados escolares positivos atingidos pela maioria dos alunos, no desenvolvimento de um leque alargado de competências genéricas e disciplinares e, também, em termos da satisfação que praticamente todos os alunos referiram relativamente à sua própria experiência de aprendizagem nesta disciplina.
 As contribuições principais deste estudo são:
 1. A síntese feita no quadro teórico, que funde contribuições da literatura sobre Ensino Superior, Didáctica da Física e Ensino das Ciências, num todo coerente e útil para a concepção, implementação e interpretação do estudo realizado.
 2. Um melhor conhecimento do modo como a Física Introdutória é leccionada nas Universidades Públicas Portuguesas, uma melhor compreensão das razões que levam os professores a tentar melhorar o seu ensino, e os efeitos do ensino sobre o sucesso escolar, a qualidade das aprendizagens e a satisfação dos alunos com a sua experiência de aprendizagem.
 3. A tripla fundamentação do desenho curricular: social, didáctica e epistemológica.
 Para além disso, a concepção do desenho curricular tinha como critério fundamental a sua exequibilidade prática.
 4. A utilização do conceito de situação formativa pela primeira vez na organização e gestão dum currículo de Física Introdutória no Ensino Superior. O sucesso desta abordagem contribui para a sua validação como ferramenta de trabalho no desenho e implementação de currículos.
 5. A avaliação dos resultados da implementação do currículo em três dimensões (sucesso escolar, qualidade das aprendizagens e satisfação dos alunos), com base numa multiplicidade de instrumentos de avaliação e de recolha de informação (testes conceptuais, entrevistas, questionários, instrumentos de avaliação curricular, registo de observações).
 6. A verificação da exequibilidade do desenho curricular, que reforça a possibilidade de apropriação por profissionais da comunidade ligada ao ensino da Física a nível universitário (e mesmo de outras, ligadas ao ensino das ciências nos diversos níveis de escolaridade).
 7. Por último, a divulgação deste estudo pretende ter impactos importantes na melhoria da qualidade das práticas de ensino da Física, nomeadamente no Ensino Superior.
 Um indicador desta possibilidade é a parceria já estabelecida com outra instituição de Ensino Superior para apoiar o desenvolvimento de um projecto institucional que visa a melhoria da qualidade do ensino da Física.

The focus of this study is Physics learning in Higher Education and it began with the recognition of the difficulties in Physics learning in Portuguese Public Universities, particularly the high failure rates. This problematic involves a vast set of variables and has potentially important socio-economic consequences. Also, the literature on Physics
 learning in Higher Education shows that, sometimes, even basic concepts are not learnt appropriately (for example, Hestenes et al., 1992). These deficiencies are detectable even in students who get a pass grade in the course (Mazur, 1996). Consequently, the problem becomes even more complex if we consider academic success, which encompasses, beyond a pass grade, competences development and students satisfaction with their educational experience.
 Consequently, the research problems are:
 1. To characterize the teaching practices used in teaching Introductory Physics in Portuguese Public Universities and teachers’ conceptions of teaching and learning, analysing the relationship between these conceptions and teaching practices. In selected cases, to analyse the impact of teaching practices in the learning quality and in pass/failure rates; 2. Given the problem of failure in most Introductory Physics Courses taught in Portuguese Public Universities and the inadequacy of teaching practices, it’s necessary to propose solutions, namely to show the advantages and feasibility of a research-based curriculum. Then, a second research problem is to design, implement and evaluate a curriculum that is intentionally constructed, feasible and grounded epistemologically and didactically. The aim is to improve pass rates and learning quality, namely in terms of learning scientific concepts, developing skills and competences (both disciplinary and transversal) and in terms of students’ self-satisfaction. The study designed to research these questions was divided in two parts or phases. In the first stage of phase one, we collected documental information and interviewed the teachers responsible for 12 Introductory Physics courses, in nine public universities of continental Portugal. The courses chosen for our sample where the ones taught in the second semester of school year 2001/2002 to undergraduate students of two courses in teacher education (Physics-Chemistry and Biology-Geology).
 In the next stage of phase one we tried to improve our knowledge about teaching in a smaller number of cases. Based in the data collected in the previous stage, we identified four cases in which teachers try to deliberately improve their own teaching. Only three of these four cases were ultimately included in this research stage, because we could not obtain the collaboration of one of the teachers. Then, we tried to characterize in more depth the way Introductory Physics is taught in these three cases.
 To do this we gathered information during the semester, including documentation, more interviews with teachers as well as tests and questionnaires to students.
 In global terms, the aim of this research phase was to characterize Introductory Physics teaching in Portuguese Public Universities. Based in a theoretical framework that we developed, we tried to analyze the effects of teaching in the pass/fail rates and, in those cases studied in depth, also the effects on learning quality. We wanted to contribute to clarify the nature of the problem of failure in Introductory Physics and its possible relationship with the way the courses are taught.
 The second phase of our research consisted in designing, implementing and evaluating a curriculum grounded in what we learnt from the first phase of our research and from our theoretical framework. On one hand, this second phase has an empirical base, grounded in the didactic experiments reported in the literature and in the results of phase one. On the other hand, it also has an intrinsic foundation, based in our theoretical framework, epistemologically grounded and bearing in mind the paramount criterion of feasibility. Phase one of our research made it clear the need to change Introductory Physics teaching in order to improve students’ success. Besides, both the theoretical contributions and the didactic experiments reported in the literature make us believe it is possible to implement a better teaching practice.
 This intervention phase in a real teaching context took place in a course named General Physics II, in the second semester of school year 2002/2003, at Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro (UTAD). The teaching conditions were no different from usual, the organization of the course in terms of teaching time and spaces were not changed and most teaching materials used were already available at the university.
 This teaching intervention achieved good results in several dimensions: high student participation in classes and assessment; positive final academic results achieved by most students (higher than usual pass rate); development of a wide range of generic and disciplinary skills and competences; high student satisfaction concerning the learning experience in this course.
 The key contributions of this study are:
 1. The synthesis that combines contributions from the literature on Higher Education Research, Physics Education Research and Science Education Research in a coherent and useful theoretical framework (useful immediately in the design, implementation and interpretation of this study).
 2. A better knowledge of how Introductory Physics is taught in Portuguese Public Universities, a better understanding of the reasons that lead teachers to try and improve their own teaching, and the influence of teaching in pass/fail rates, in learning quality and in student self-satisfaction with the learning experience.
 3. A curriculum design socially, didactically and epistemologically based. Furthermore, the curriculum design had as a paramount criterion its feasibility.
 4. The use for the first time of the formative situation concept in the organization and management of an Introductory Physics curriculum in Higher Education. The success of this approach contributes to validate this concept as a tool for the design and implementation of curricula.
 5. The triple evaluation of the curriculum implementation results in terms of academic results, learning quality and student satisfaction. Furthermore, this evaluation is based in information from multiple instruments and sources (conceptual tests, interviews, questionnaires, curricular assessment instruments, observation notes).
 6. The fact that the curriculum designed proved feasible reinforces the possibility of its appropriation by other professionals involved in Physics teaching in higher Education (and also others, in science education at other school levels).
 7. Finally, by disseminating the results of this study we intend to have a broad impact in the improvement of the quality of Physics teaching, especially in Higher Education. One indicator of this possibility is the partnership already established with another Higher Education institution to provide support in the development of a project aimed at improving the quality of Physics teaching at this institution.