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A lição importante da Física

domingo, 8 maio 2011; \18\America/New_York\America/New_York\k 18 10 comentários

Este post apresenta opiniões sobre ensino de Física do autor do post e não necessariamente refletem as opiniões de todos os editores do blog.

Em uma das minhas primeiras aulas de Física na universidade, um professor já quase para se aposentar comentou que ele observou que era comum os calouros falarem apaixonadamente em demonstrar que Einstein estava errado, e quatro anos depois tornavam-se defensores da Relatividade com todos os jargões possíveis.

No nosso sistema educacional contemporâneo ao redor do mundo, professores usam livros-texto de 1000 páginas e preparam os cursos na ordem dos capítulos 1, 2, 3, … e enfatizam aos alunos ler os exemplos 1.2, 2.10, 4.5 e resolver os problemas 1.5, 2.19, 3.14 — porque um igual ao 2.19 vai cair na prova! Todo conteúdo, problemas e soluções relevantes são apresentados aos alunos em classe ou em panfletos. Mas será que as atividades que nós realizamos fora da escola tem paralelo com essa estrutura? Será o tempo que um bloco de madeira de 10.2 g leva para deslizar até o chão em um plano inclinado a 25° de uma altura de 2.4 m a lição importante que queremos ensinar em Física?

Eu creio que a maioria dos físicos concordariam comigo que no trabalho científico é difícil dizer que problemas são interessantes e com solução em um dado momento histórico. No trabalho científico mesmo quando nós concluimos um novo capítulo no conhecimento de Física, não temos claramente quais são os próximos capítulos que podem ser escritos. Quase sempre apenas se tem uma ideia vaga do sumário de três ou mais capítulos que podemos escrever. E nos forçamos a ter várias ideias, porque é quase certo que um dos sumários iniciais não vai render um capítulo inteiro. E como os capítulos em pesquisa científica são novos, um problema que tem uma solução conhecida não é de interesse: os físicos não passam tempo debatendo sobre transmissão de rádio e preferem investigar colisões de prótons em energias nunca antes observadas ou procurar interações que podem não existir da matéria escura. Muito mais valioso para ciência do que saber soluções de cor é elaborar problemas interessantes. Pense no exemplo no final do século XIX, quando buscava-se entender porque não foi possível detectar o éter luminífero, quando então Einstein se interessou por responder a pergunta de porque as equações de Maxwell não eram independentes do referencial. A formulação do problema nos termos de Einstein levou a solução dos mesmos problemas que Lorentz, Poincaré e Abraham investigavam. Foi a elaboração da pergunta, e não um conhecimento pedante de cálculo tensorial, que nos levou a Relatividade.

Eu acredito que a relevância de selecionar problemas interessantes vai além da pesquisa em ciência e insere-se no mundo empresarial, no governo, em ações sociais, jornalismo, na arte e possivelmente em quase todas relações socio-economicas humanas. Por exemplo, nos negócios, ninguém lhe dirá qual é o próximo produto de sucesso. Chegar primeiro no celular e no iPod é parte da busca do progresso. Perceber que problemas do ambiente de negócio são interessantes para serem resolvidos com intuito de aumentar a produtividade e diminuir a burocracia é tarefa espontânea que todo gerente gostaria de ter nos seus empregados. O empresário brasileiro Ricardo Semler, presidente de uma empresa com valor de mercado de mais de US$200 milhões, e cujas ideias de administração levaram-no a dar aulas na Escola de Administração do MIT e Harvard, relatou sua frustração com o sistema de ensino no Fórum Mundial de Tecnologia do Aprendizado de 2009:

Como as pessoas estão chegando a empresa, e portanto ao mercado de trabalho, das escolas? (…) Elas dirão: você precisa me dizer onde eu vou ficar, o que eu devo fazer, qual o meu plano de carreira, e nós dizemos a elas que não temos nada a falar sobre isso, ‘Você tem que encontrar essa solução’. Nós percebemos que as pessoas vem a nós de um sistema educacional onde elas aprendem submissão desde cedo. (…) Elas chegam ao mercado de trabalho prontas para seguir ordens ou seguir uma carreira, coisas que não existem mais.

A narrativa de Semler é bem familiar: professores de Física oferecem a ideia de que os problemas que devem ser resolvidos são aqueles já escritos no final do capítulo. Nós educamos com base em reprodução de conhecimento já estabelecido ao invés de criação original.

Há outro aspecto que eu acredito inibir a criatividade: o formato das avaliações de hoje. Estas enfatizam obter os coeficientes a balancear uma reação química, que o tempo de vôo de um objeto é 25 s ou que a raiz da equação é 3√2+5i no plano complexo. Se o estudante não acerta esse resultado final, ele é penalizado. Parece-me que o sistema recompensa obsessão por estar correto, inibindo tentativas audaciosas. O Brian Greene tem uma história interessante sobre isso: uma vez quando estava em uma turma de crianças, para medir o quanto elas já tinham aprendido de matemática, ele perguntou “quantos 3 cabem em 6?”, escolheu um dos braços que se levantou no ar e a menina foi ao quadro e desenhou um 6 grande com um 3 pequeno dentro! Não era exatamente a resposta que Greene procurava, mas era um 3 dentro de um 6! Em algum momento na evolução educacional desta criança esse tipo de atitude desinibida se perde. Minha experiência com alunos em Dartmouth é que pouquíssimos vão arriscar responder perguntas em classe, eles preferem ficar calados. Como vamos resolver a crise de energia ou o déficit público quando nossos alunos preferem não fazer nada do que arriscar uma solução incorreta?

Se você concordou comigo até agora, acho que podemos ver que um ensino centrado em reprodução de conhecimento ao invés de criação é um problema difícil de resolver. Eu não tenho em mente com essa crítica que podemos dispensar por completo do tradicional, mas podemos tentar encontrar um balanço adequado entre ensinar conteúdo e criação de problemas. Para ter uma ideia do que tenho em mente, considere o exemplo de como ensinamos álgebra para crianças daquelas 6a e 7a séries (escolho esse exemplo porque deve ser familiar a maioria das pessoas). Após ensinar os básicos das regras de álgebra, a criança passa o ano inteiro resolvendo problemas como “aplique a regra distributiva a (1+x)(3+y2)”. Eu lembro que na minha 8a série nós aprendemos a fórmula da Baskhara logo no primeiro mês e passamos o resto do ano resolvendo exemplos diferentes de equações do segundo grau! Uma abordagem distinta é ensinar as regras de álgebra e pedir aos alunos que pensem em problemas de álgebra. Cada aluno poderia escrever cinco ou mais equações aleatoriamente, e o professor poderia sugerir uma para o aluno investigar, uma espécie de “feira de ciências de matemática”. Se um único aluno da 7a série escrever e investigar uma equação como xn+yn=zn (último teorema de Fermat), x2 – n y2 = 1 (equação de Pell) ou ax+ b y = c (equação linear diofantina) estaremos em direção de uma nova geração de Gauss, e o mundo desesperadamente precisa de um novo Gauss. Um abordagem como essa permite os alunos escolherem que problemas de álgebra eles se interessam, que direção eles gostariam de seguir, e vão desde cedo encontrar a possibilidade da limitação do progresso com problemas mal escolhidos. Em cursos de pós-graduação, até o exame pode ter uma pergunta como “Elabore o seu próprio problema e resolva-o”, como ouvi dizer que o Prof. Jayme Tiomno fazia. Em classes de física básica universitária, algo simples pode ser feito: todo dever de casa pode incluir uma solicitação do aluno criar seu próprio problema; depois a turma pode ser dividida em grupos pequenos supervisionados por um professor e/ou monitor de disciplina que observa e ajuda os alunos a discutirem seus próprios problemas no quadro negro. Veja que essa tarefa é muito diferente de pegar um problema do livro e apresentar em sala. Se o problema está no livro, não é interessante! Alunos de turmas mais avançadas da graduação podem ser motivados a elaborarem problemas para a disciplina baseados nos seus interesses pessoais, no seu projeto de iniciação científica, ou em outras disciplinas.

Eu gostaria de concluir com um pouco de psicologia pois não quero embasar minha perspectiva de ensino em anedotas. Há algumas coisas que os neurocientistas parecem ter chegado a um consenso: 1) o cérebro humano desenvolve sua estrutura do dia do nascimento até mais ou menos 20 anos de idade e 2) a prática de uma certa tarefa está associada a especialização de regiões do cérebro para realizá-la e criação de sinapses. Em termos simples: é preciso prática para ser um bom músico, e é melhor começar quando criança. Se nós educarmos exclusivamente para obter alunos que irão fazer fantásticas e rápidas reproduções de exercícios, vamos obter resultados estelares no vestibular e concursos públicos. Mas nós não queremos só isso da educação de ciência: queremos também a habilidade do pensamento crítico e criativo. Eu acredito que motivar os alunos desde cedo a criar seus próprios problemas estimulará essa habilidade e quem sabe, a tornará bastante natural em idade adulta.

Texto baseado em um ensaio sobre ensino de Física que escrevi a pedido da Graduate School of Arts and Sciences de Dartmouth College, em ocasião do Filene Graduate Teaching Award.

Alguns vídeos inspiradores:
Ken Robinson, “Escolas matam criatividade”, com legendas em português.


 

Ricardo Semler no LATWF 2009 (são dois vídeos):
 


 

Brian Greene no Aspen Ideas Festival 2008
 

A física da pesquisa e a física da sala de aula

quarta-feira, 29 set 2010; \39\America/New_York\America/New_York\k 39 2 comentários

Disclaimer: esse post é uma opinião muito pessoal de seu autor, e pode ser que os outros membros do blog não concordem.

Como eu já disse por aqui, eu fico bastante entusiasmado com a idéia de cursos abertos online e disponibilização de material em vídeo, como na iniciativa OpenCourseWare, por exemplo. E eu sou um usuário adicto desses materiais. Já devo ter ouvido as aulas de mais de uma dezena desses cursos, por diversão mesmo, em áreas muito diversas (história, estudos religiosos, biologia, antropologia…). Mas não comecei esse texto para falar desses cursos, mas para falar de algo que esses cursos me fizeram notar a respeito de uma diferença fundamental entre o ensino de física e o ensino em outras áreas do conhecimento, de forma particular, mas não restrita, nas ciências médicas e biológicas.

Para exemplificar o que quero dizer, vou me referir à terceira aula do curso de biologia geral dado na primavera de 2010, na Universidade da Califórnia em Berkeley, cujas aulas em vídeo e éudio estão disponíveis para download no site de webcasts da universidade (http://webcast.berkeley.edu). Em certo ponto dessa aula, a professora diz “e realmente nos últimos 5 ou 6 anos muita pesquisa foi feita para entender a estrutura interna e função do ribossomo, e eu vou mostrar para vocês uma imagem…” e passa a discorrer sobre assunto de pesquisa muito recente, sobre o qual ainda há dúvidas e questões em discussão. Cenas como essa são comuns em todos os cursos que ouvi. Assuntos de pesquisa são citados na sala de aula rotineiramente e discutidos nos trabalhos e dissertações que os alunos tem de entregar para ser avaliados. Isso me chocou. Me chocou como algo completamente alheio com a minha experiência de sala de aula, que acredito ser não muito diferente da experiência de todos os físicos formados no Brasil, e provavelmente no mundo todo. É inconcebível na nossa experiência que um professor de Física I (ou de Physics 101) entre na sala de aula e dê como exercício de casa a uma turma mista de dezenas e dezenas ingressantes de diversos cursos – engenharia, física, química, … – a leitura de um artigo de pesquisa publicado a menos de 10 anos. Nenhum assunto discutido em uma aula de física, mesmo nos últimos anos da faculdade, é mais recente do que a década de 40. Em compensação, poucos assuntos discutidos em uma aula de biologia celular são mais antigos que a década de 70, e muitos tem menos de 10 ou 15 anos de idade! E por que é assim?

Tudo bem, há uma série de explicações muito plausíveis para isso. Talvez a mais forte seja que os conceitos físicos e as ferramentas matemáticas usadas na pesquisa são muito mais avançados do que os que estão sendo estudados na graduação, e que é necessário um período longo de treinamento para sair da primeira aula sobre as leis de movimento de Newton e chegar na mecânica quântica, passando por todos aqueles passos intermediários. A maturação de um físico é um processo longo e lento, nessa visão. Vai da primeira aula de Física I até mais ou menos o meio do doutorado. A física é uma ciência mais antiga e madura, dizem os que defendem essa idéia, e um estudante de física tem que estudar toooodas essas coisas com detalhes, desde o nascimento da mecânica newtoniana até a mecânica quântica e suas aplicações mais elementares. Além disso, um ingressante em física ainda não foi exposto nem ao ferramental matemático básico para prosseguir aprendendo física – o cálculo, a algebra linear e etc…

Apesar de acreditar que há alguma verdade nisso, sinceramente acho que ela é exagerada e super-simplificada pela típica autosuficiência e arrogância dos físicos (eu me incluo nessa conta) e pela inércia do sistema educacional. Faz anos que é assim, foi assim que fizemos no passado, é assim que faremos no futuro porque é assim que se ensina física. E bem, veja só, é mais difícil aprender física, não é?

Não. Não é. Sinceramente, não é. Aprender biologia pra valer é tão difícil quanto aprender física. Ou mais! Pode ter um pouco menos de matemática, mas nas duas ou três primeiras aulas do curso introdutório para a graduação da UC Berkeley que assisti já há uma série de mecanismos celulares complicados, relações entre as organelas, estruturas moleculares complicadas, como as isomerias e as simetrias afetam a função das moléculas, e se o carbono alfa está assim, então a isomeria faz com que o poro da membrana nuclear fique assado… 😯 😯 😯

Não é fácil, definitivamente. E não é “coleção de selos”, é uma sequencia lógica de mecanismos e estruturas bem entendida até certo ponto. Eu não estou acompanhando direito.

Porque um ingressante de biologia está pronto para discutir a biologia molecular dos poros da membrana nuclear de maneira tão detalhada e um estudante de física não está pronto para discutir fenômenos críticos e transições de fase, ou entender, pelo menos num nível qualitativo, o que é decoerência, o que são teorias de campo conforme e porque a correspondência AdS/CFT é tão importante, quais são as alternativas para explicar energia escura, porque o grafeno é um material tão especial, porque é tão difícil ter materiais semicondutores que sejam ferromagnéticos, o que a física por trás de folding de proteínas tem a ver com a física de cristais magnéticos, quais são os melhores candidatos para física além do modelo padrão, como podemos detectar radiação Hawking?

E se tocamos nesse assunto, porque não ir mais fundo? Se os estudantes de física não chegam à metade do século passado, os estudantes do colegial param muito antes disso. A física que fingimos ensinar nas escolas tem pelo menos 150 anos de idade, e é absolutamente inútil para essas pessoas da forma como é ensinada, em todos os aspectos. Não estimulam curiosidade científica, não as ajudam a entender o ambiente tecnológico em que vivem, não fornecem ferramentas de trabalho úteis e nem as preparam para a universidade.

O ensino de Física está, em minha opinião, caduco em todos os níveis e precisando de urgente reforma. E quanto mais a pesquisa avança, mais urgente essa mudança se torna. Se queremos pessoas prontas para integrar os quadros de pesquisa, se queremos estudantes motivados e se queremos desenvolver o quanto antes o gosto pela pesquisa, precisamos forçar a fazer o que os biólogos fizeram de forma natural, e trazer a física da pesquisa de volta para as salas de aula.

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