Neurociência e Ensino de Física: limites e possibilidades em um campo inexplorado

Há algumas décadas, surgiu um novo campo de investigações na interface entre Neurociência e Educação. A motivação central desta área de pesquisa é o estudo dos mecanismos neurais que sustentam a aprendizagem, buscando compreender de maneira mais complexa como ocorre o processo de aquisição e uso do conhecimento. Espera-se também que possíveis achados nestas pesquisas contribuam para a melhoria na qualidade do processo de ensino. Diversas descobertas vêm sendo feitas nesses anos, mudando antigas concepções acerca de vários processos cognitivos diretamente envolvidos na construção do pensamento físico. Entretanto, estes resultados são praticamente desconhecidos na área de Ensino de Física. Assim, o objetivo deste artigo é apresentar pesquisas que revelam os limites e possibilidades do uso da Neurociência em investigações voltadas para a aprendizagem de Física.

Palavras-chave
Neurociência; Neuroeducação; Cognição

Autoria

Guilherme Brockington ^** Endereço de correspondência: ensinodefisica@gmail.com

Universidade Federal do ABC, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Santo André, SP, Brasil.Universidade Federal do ABCBrasilSanto André, SP, BrasilUniversidade Federal do ABC, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Santo André, SP, Brasil.

http://orcid.org/0000-0003-3033-0919

* Endereço de correspondência: ensinodefisica@gmail.com

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Figuras

Figuras (10)

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Figura 1
Exemplo de uma tarefa de adaptação de 8 vs. 16 pontos. Adaptado de [⁴⁷47. L. Feigenson, S. Dehaene e E. Spelke, Trends in cognitive sciences 8, 307 (2004).].

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Figura 2
Tarefa de soma e subtração usando a violação de expectativa. Adaptado de [⁵⁴54. K. Wynn, Nature 358, 749 (1992).].

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Figura 3
Diferenças na ativação cerebral correlacionadas com diferentes fases de explicação do mecanismo de funcionamento de uma balança de banheiro. Adaptado de [⁷²72. R.A. Mason e M.A. Just, NeuroImage 111, 36 (2015).].

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Figura 4
As diferentes regiões cerebrais ativadas para um dos 4 grandes grupos de conceitos de Física. Adaptado de [⁷³73. R.A. Mason e M.A. Just, Psychological science 27, 904 (2016).].

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Figura 5
Exemplos de questões e da forma de apresentação em três fases. Adaptado de [⁷⁷77. J.E. Bartley, M.C. Riedel, T. Salo, E.R. Boeving, K.L. Bottenhorn, E.I. Bravo, R. Odean, A. Nazareth, R.W. Laird, M.T. Sutherland et al., npj Science of Learning 4, 1 (2019).].

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Figura 6
Imagens de ressonância magnética funcional evidenciando as diferentes regiões cerebrais ativadas em cada uma das fases de aprendizado. Adaptado de [⁷⁷77. J.E. Bartley, M.C. Riedel, T. Salo, E.R. Boeving, K.L. Bottenhorn, E.I. Bravo, R. Odean, A. Nazareth, R.W. Laird, M.T. Sutherland et al., npj Science of Learning 4, 1 (2019).].

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Figura 7
Exemplo de traçado de movimento ocular realizado por um estudante lendo uma questão de Física, obtido por um eye-tracker. Adaptado de [⁸⁰80. A. Susac, A. Bubic, P. Martinjak, M. Planinic e M. Palmovic, Physical Review Physics Education Research 13, 020125 (2017).].

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Figura 8
Mapa de calor evidenciando as partes da questão nas quais o aluno olhou por mais tempo, obtido por um eye-tracker. Adaptado de [⁸⁰80. A. Susac, A. Bubic, P. Martinjak, M. Planinic e M. Palmovic, Physical Review Physics Education Research 13, 020125 (2017).].

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Figura 9
(A) Interação professora-aluna durante o jogo de contagem. (B) Ilustração de fontes (vermelho), detectores (azul) e canais agrupados em quatro regiões cerebrais: córtex frontal esquerdo (verde) e direito (amarelo), junção temporoparietal anterior (rosa) e posterior (marrom). (C) Exemplo de mudanças de concentração de HbO observadas para cada canal na aluna e na professora durante uma janela de tempo de 20 s. (D) Correlação significativa aluna-professora. Adaptado de [⁸¹81. G. Brockington, J.B. Balardin, G.A.Z. Morais, A. Malheiros, R. Lent, L.M. Moura e J.R. Sato, Frontiers in psychology 9, 1840 (2018).].

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Figura 10
(A) Grupo de alunos assistindo à aula. (B) Ilustração de fontes (vermelho), detectores (azul) e canais (amarelo) sobre o córtex pré-frontal bilateral. (C) Exemplo de mudanças de concentração de HbO observadas nos canais de cada estudante durante uma janela de tempo de 60 s. (D) Box-plots de correlações de HbO entre sujeitos nos quatro blocos de aula. A linha horizontal próxima ao meio de cada caixa indica a mediana, enquanto as bordas superior e inferior da caixa marcam o 25° e o 75° percentis, respectivamente. O asterisco (*) destaca uma diferença estatisticamente significativa. Adaptado de [⁸¹81. G. Brockington, J.B. Balardin, G.A.Z. Morais, A. Malheiros, R. Lent, L.M. Moura e J.R. Sato, Frontiers in psychology 9, 1840 (2018).].

Figura 1 Exemplo de uma tarefa de adaptação de 8 vs. 16 pontos. Adaptado de [⁴⁷47. L. Feigenson, S. Dehaene e E. Spelke, Trends in cognitive sciences 8, 307 (2004).].

Figura 2 Tarefa de soma e subtração usando a violação de expectativa. Adaptado de [⁵⁴54. K. Wynn, Nature 358, 749 (1992).].

Figura 3 Diferenças na ativação cerebral correlacionadas com diferentes fases de explicação do mecanismo de funcionamento de uma balança de banheiro. Adaptado de [⁷²72. R.A. Mason e M.A. Just, NeuroImage 111, 36 (2015).].

Figura 4 As diferentes regiões cerebrais ativadas para um dos 4 grandes grupos de conceitos de Física. Adaptado de [⁷³73. R.A. Mason e M.A. Just, Psychological science 27, 904 (2016).].

Figura 5 Exemplos de questões e da forma de apresentação em três fases. Adaptado de [⁷⁷77. J.E. Bartley, M.C. Riedel, T. Salo, E.R. Boeving, K.L. Bottenhorn, E.I. Bravo, R. Odean, A. Nazareth, R.W. Laird, M.T. Sutherland et al., npj Science of Learning 4, 1 (2019).].

Figura 6 Imagens de ressonância magnética funcional evidenciando as diferentes regiões cerebrais ativadas em cada uma das fases de aprendizado. Adaptado de [⁷⁷77. J.E. Bartley, M.C. Riedel, T. Salo, E.R. Boeving, K.L. Bottenhorn, E.I. Bravo, R. Odean, A. Nazareth, R.W. Laird, M.T. Sutherland et al., npj Science of Learning 4, 1 (2019).].

Figura 7 Exemplo de traçado de movimento ocular realizado por um estudante lendo uma questão de Física, obtido por um eye-tracker. Adaptado de [⁸⁰80. A. Susac, A. Bubic, P. Martinjak, M. Planinic e M. Palmovic, Physical Review Physics Education Research 13, 020125 (2017).].

Figura 8 Mapa de calor evidenciando as partes da questão nas quais o aluno olhou por mais tempo, obtido por um eye-tracker. Adaptado de [⁸⁰80. A. Susac, A. Bubic, P. Martinjak, M. Planinic e M. Palmovic, Physical Review Physics Education Research 13, 020125 (2017).].

Figura 9 (A) Interação professora-aluna durante o jogo de contagem. (B) Ilustração de fontes (vermelho), detectores (azul) e canais agrupados em quatro regiões cerebrais: córtex frontal esquerdo (verde) e direito (amarelo), junção temporoparietal anterior (rosa) e posterior (marrom). (C) Exemplo de mudanças de concentração de HbO observadas para cada canal na aluna e na professora durante uma janela de tempo de 20 s. (D) Correlação significativa aluna-professora. Adaptado de [⁸¹81. G. Brockington, J.B. Balardin, G.A.Z. Morais, A. Malheiros, R. Lent, L.M. Moura e J.R. Sato, Frontiers in psychology 9, 1840 (2018).].

Figura 10 (A) Grupo de alunos assistindo à aula. (B) Ilustração de fontes (vermelho), detectores (azul) e canais (amarelo) sobre o córtex pré-frontal bilateral. (C) Exemplo de mudanças de concentração de HbO observadas nos canais de cada estudante durante uma janela de tempo de 60 s. (D) Box-plots de correlações de HbO entre sujeitos nos quatro blocos de aula. A linha horizontal próxima ao meio de cada caixa indica a mediana, enquanto as bordas superior e inferior da caixa marcam o 25° e o 75° percentis, respectivamente. O asterisco (*) destaca uma diferença estatisticamente significativa. Adaptado de [⁸¹81. G. Brockington, J.B. Balardin, G.A.Z. Morais, A. Malheiros, R. Lent, L.M. Moura e J.R. Sato, Frontiers in psychology 9, 1840 (2018).].

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