STEM e Ensino por Investigação

Introdução

• A educação tem passado por transformações profundas devido aos avanços tecnológicos e à necessidade de preparar os alunos para os desafios do século XXI.
• STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática) e Ensino por Investigação (EI) são metodologias inovadoras que promovem aprendizagem ativa, resolução de problemas reais, e o desenvolvimento de habilidades cruciais como pensamento crítico, criatividade, comunicação e colaboração.
• A Educação STEM busca integrar áreas de conhecimento, aplicando conceitos científicos e matemáticos em situações práticas.
• Essa abordagem, aliada ao Ensino por Investigação, coloca os estudantes no centro do aprendizado, desafiando-os a formular hipóteses, conduzir experimentos e criar soluções para problemas complexos.
• BNCC enfatiza a aprendizagem interdisciplinar e a cultura digital.
• Práticas como o Pensamento Computacional e o Movimento Maker incentivam o desenvolvimento de habilidades tecnológicas e experimentação criativa, permitindo aplicar a teoria na prática e estimulando o protagonismo e autonomia.
• O texto visa explorar os fundamentos da abordagem STEM e do Ensino por Investigação, apresentar estratégias para sua implementação na Educação Básica, sua conexão com a BNCC e exemplos de atividades.

O que é STEM?

• STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática) é uma abordagem educacional interdisciplinar que prepara os estudantes para os desafios contemporâneos.
• Visa a resolução de problemas reais, o pensamento crítico e a inovação.
• Johnson, Walton e Peters-Burton (2023) diz que STEM favorece o desenvolvimento de competências além da memorização.
• O modelo STEM permite a compreensão e aplicação de princípios científicos e matemáticos em contextos reais, promovendo uma aprendizagem mais significativa.
• Williams (2023) diz que o ensino de STEM essencial para desenvolver habilidades do século XXI, como pensamento crítico, criatividade e colaboração.
• Alunos expostos ao modelo STEM têm maior capacidade de resolver problemas complexos e se adaptar ao mercado de trabalho moderno (PLAKITSI; BARMA, 2023).

Importância da Educação STEM na Sociedade Moderna

• A educação STEM está ligada às demandas da sociedade moderna, preparando os alunos para a inteligência artificial, IoT e automação.
• Štuikys e Burbaitė (2024) diz que a evolução da educação STEM é influenciada pela inteligência artificial, Big Data e IoT.
• É importante que os professores estejam preparados para mediar o conteúdo de forma contextualizada e acessível.
• Cursos de formação docente devem capacitar futuros professores a desenvolver estratégias pedagógicas inovadoras (CHAUNAN; KAPILA, 2023).

As 4 Habilidades do Século XXI no Ensino STEM

• A educação STEM forma os estudantes para os desafios do mundo contemporâneo.
• As quatro habilidades essenciais são pensamento crítico, criatividade, comunicação e colaboração (DECOITO; FAZIO; GICHURU, 2024).

Pensamento Crítico

• É a capacidade de analisar informações, avaliar evidências e formular soluções.
• É incentivada por meio da resolução de problemas, análise de dados e investigação científica.
• Johnson, Walton e Peters-Burton (2023) dizem que a aprendizagem baseada em projetos estimula o pensamento crítico.

Criatividade

• É a capacidade de inovar e gerar novas ideias, processos ou produtos.
• Estratégias como o Ensino por Investigação promovem a criatividade.

Comunicação

• É essencial para o trabalho colaborativo e disseminação do conhecimento.
• Alunos devem desenvolver habilidades de expressão escrita e oral (ŠTUIKYS; BURBAITĖ, 2024).
• Atividades como debates, apresentações e escrita de relatórios desenvolvem a competência (CHAUNAN; KAPILA, 2023).

Colaboração

• É a capacidade de trabalhar em equipe, compartilhando conhecimentos.
• É fundamental para projetos interdisciplinares e soluções para problemas reais (BAKSHI-McLEAN, 2023).
• Ambientes colaborativos, como laboratórios de robótica e grupos de pesquisa, incentivam a interação entre os alunos.

STEM e a BNCC

• A BNCC prevê competências e habilidades que se alinham com os princípios da Educação STEM.
• A Competência Geral 4 da BNCC enfatiza a importância de desenvolver a capacidade de formular hipóteses, investigar e resolver problemas de maneira criativa, conduzindo experimentos, analisando evidências e construindo explicações fundamentadas.
• A Competência Geral 5 propõe o uso crítico e consciente das tecnologias digitais.
• As diretrizes da BNCC enfatizam a importância de planejar, executar experimentos e aplicar conceitos matemáticos para modelar e solucionar problemas.
• A BNCC valoriza a articulação entre os diferentes campos do saber, fomentando projetos interdisciplinares que aproximam as áreas de Ciências, Tecnologia, Engenharia e Matemática.
• Os estudantes são encorajados a identificar desafios reais, analisar informações e desenvolver soluções.

Desafios na Implementação do STEM

• A implementação enfrenta desafios como a falta de formação de professores, infraestrutura inadequada, baixa motivação dos alunos e pouca equidade no acesso.
• A superação desses desafios ocorre com a formação continuada de professores, investimentos em tecnologia educacional e adaptação do ensino à realidade dos alunos.

O que é Pensamento Computacional?

• O Pensamento Computacional (PC) é uma habilidade essencial para o século XXI.
• Jeannette Wing o define como uma abordagem para formular e resolver problemas de maneira sistemática e eficiente, utilizando princípios da Ciência da Computação (WING, 2014).
• O PC representa uma forma estruturada de pensamento para resolver problemas complexos (BATISTA, 2024) e pode ser aplicado em diferentes disciplinas.
• Mansur e Jordane (2023) dizem que o PC permite que professores e estudantes desenvolvam competências para analisar situações, modelar soluções e automatizar processos.
• Brackmann (2017) diz que Wing (2010) reforça que o PC deve ser ensinado desde a Educação Básica e abordado por meio de atividades desplugadas e digitais.

Pilares do Pensamento Computacional

• Os pilares do Pensamento Computacional são a decomposição, reconhecimento de padrões, abstração e algoritmos (INFOGRÁFICO, 2020).
• Decomposição é dividir um problema complexo em partes menores.
• Reconhecimento de padrões é identificar semelhanças entre problemas para utilizar soluções conhecidas.
• Abstração é destacar os elementos mais relevantes de um problema, ignorando detalhes desnecessários.
• Algoritmos é criar sequências lógicas de instruções para resolver problemas.
• Esses elementos permitem o desenvolvimento de um raciocínio estruturado e sistemático (SILVA et al., 2023).

Pensamento Computacional na Formação de Professores

• A formação de professores é crucial para a disseminação do PC no ambiente escolar.
• Programas de capacitação são necessários para docentes sem formação na área da computação (MANSUR; JORDANE, 2023).
• Exemplo dessa abordagem é o uso de ferramentas como o App Inventor e o Scratch que permitem a construção de aplicações e atividades interativas para o ensino de conceitos matemáticos e lógicos (VERA CRUZ et al., 2023).
• Atividades como as atividades desplugadas promovem o desenvolvimento do Pensamento Computacional por meio de jogos, desafios e dinâmicas, tornando o aprendizado mais acessível e inclusivo.

O Movimento Maker

• O Movimento Maker se baseia na cultura do faça você mesmo (Do It Yourself – DIY) para o desenvolvimento da criatividade.
• Esse movimento tem importância na educação contemporânea por integrar diversas áreas do conhecimento e promover aprendizagem ativa e significativa (BLIKSTEIN, 2013; OLIVEIRA E SILVA, 2020).
• Mannrich (2019) diz que o Movimento Maker pode ser compreendido como uma extensão da cultura DIY.
• A sua popularização foi impulsionada pelo avanço de tecnologias acessíveis como impressoras 3D e placas como Arduino e Raspberry Pi (BLIKSTEIN; KRANNICH, 2013; MANNRICH, 2019).
• Além disso, esse modelo se alinha com o construcionismo, teoria desenvolvida por Seymour Papert, que propõe que a aprendizagem ocorre de forma mais eficaz quando os alunos estão engajados na construção de produtos tangíveis e significativos (PAPERT, 1991).
• A Educação Maker fundamenta-se na ideia de que o aprendizado deve ser ativo, colaborativo e baseado na resolução de problemas reais (Oliveira e Silva, 2020).
• A cultura Maker nas escolas pode ser compreendida a partir de quatro pilares: aprendizagem baseada em projetos, autonomia e criatividade, trabalho colaborativo e integração de múltiplas áreas do conhecimento.
• Essa abordagem contribui para o desenvolvimento de habilidades essenciais para o século XXI, como pensamento crítico, criatividade, resolução de problemas e colaboração (CAVALLINI, 2015; REIS, 2020).
• Um dos principais entraves está na formação dos professores, que muitas vezes não possuem conhecimento técnico suficiente para utilizar as ferramentas e metodologias Maker de forma eficaz (Mannrich, 2019).

O Ensino por Investigação

• O Ensino por Investigação (EI) é uma metodologia que coloca o estudante no centro do processo de aprendizagem, motivando-o a formular perguntas, propor hipóteses e construir conhecimento de forma autônoma (ZYTKUEWISZ; BEGO, 2023).
• O EI se fundamenta no desenvolvimento de atividades investigativas, permitindo que os alunos explorem fenômenos, elaborem hipóteses, coletem dados e construam argumentos (Carvalho, 2018).
• O EI se distingue por enfatizar a liberdade intelectual, possibilitando que desenvolvam pensamento crítico e habilidades de resolução de problemas (Carvalho, 2018).
• Essa metodologia pode ser utilizada em diferentes disciplinas e níveis de ensino.
• Segundo Sasseron (2018), o EI não se resume apenas à realização de experimentos, mas envolve uma mudança epistemológica na forma como o conhecimento é construído e validado em sala de aula.

A Importância do Ensino por Investigação na Educação Moderna

• A escola precisa enfatizar a construção ativa do conhecimento.
• O EI favorece a autonomia dos estudantes ao engajá-los na formulação de questões e na busca ativa por respostas (Gutmann et al., 2023).
• Maximo-Pereira e Cunha (2021) dizem que o sucesso do EI depende da formação docente, uma vez que o professor precisa assumir o papel de mediador e facilitador em vez de transmissor de conhecimento.
• Os alunos se tornam mais motivados e participativos quando envolvidos em processos investigativos (Mourão e Sales, 2018).

Desafios e Perspectivas na Implementação do EI

• A implementação do Ensino por Investigação enfrenta desafios, como a resistência à mudança metodológica (Trivelato e Tonidandel, 2015).
• Há também dificuldades relacionadas à estrutura curricular e à necessidade de adaptação dos materiais didáticos (Xavier, 2022).
• Avanços nas políticas educacionais e nas diretrizes curriculares têm favorecendo a adoção dessa metodologia.
• A BNCC já reconhece a importância do Ensino por Investigação (BRASIL, 2020).

Ensino por Investigação e a BNCC

• A BNCC não utiliza explicitamente o termo “Ensino por Investigação”, mas diversos de seus princípios e diretrizes estão em perfeita ressonância com essa abordagem.
• A BNCC enfatiza o desenvolvimento do pensamento científico, a criatividade, a resolução de problemas e a capacidade de articular teoria e prática.
• A Competência Geral 4 incentiva a formulação de hipóteses, investigação e análise de evidências, explorando diferentes caminhos.
• A área de Ciências da Natureza e Matemática planejar e executar investigações, interpretar dados e fazer experimentos.
• A BNCC valoriza a articulação entre o conhecimento teórico e sua aplicação prática.
• A BNCC enfatiza a capacidade dos alunos de registrar, comunicar e argumentar os resultados obtidos.

As Etapas do Ensino por Investigação e sua Aplicação na Educação Básica

• O processo investigativo e a aprendizagem significativa seguem um conjunto estruturado de etapas.

Pergunta Inicial: Identificação do Problema

• A primeira etapa consiste na formulação de uma pergunta que servirá como ponto de partida (Xavier, 2022).

Exploração: Levantamento de Hipóteses e Pesquisa de Informações

• Após definir a pergunta inicial, os alunos são encorajados a levantar hipóteses (MAXIMO-PEREIRA; CUNHA, 2021).

Experimentação: Coleta de Dados e Teste das Hipóteses

• A experimentação é a fase em que os alunos colocam à prova suas hipóteses (MOURÃO; SALES, 2018).

Análise e Conclusão: Interpretação dos Resultados

• Com base nos dados coletados, os alunos devem refletir sobre os resultados obtidos (CARVALHO, 2018).

Comunicação: Apresentação dos Achados

• Trivelato e Tonidandel, 2015 dizem que a comunicaçao dos resultados ocorre em relatorios e apresentações e é fundamental para consolidar a aprendizagem.
• Ao seguir as etapas, os professores transformam a sala de aula em um ambiente de descoberta e construção do conhecimento.

Aprendizagem Criativa

• Resnick, 2017 diz que a Aprendizagem Criativa ganha importancia no campo educacional e enfatiza a experimentação, a colaboração e o desenvolvimento de projetos .
• Resnick, 2017 diz que ela baseia-se no modelo teórico "4 Ps" :Projetos, Pares, Paixão e Pensar Brincando
• Papert, 1980 propôs que a aprendizagem ocorre por meio da construção de conhecimento ativo..
• Resnick, 2020 apresenta o conceito de Espiral da Criatividade de imaginar, criar, brincar, compartilhar e refletir.

Aplicações na Formação de Professores

• Rodeghiero; Sperotto; Ávila, 2018 diz que a Aprendizagem Criativa possibilita a construção de metodologias ativas resultando em educadores mais preparados para integrar tecnologia, inovação e colaboração em sala de aula.
• Um exemplo concreto é o uso do Scratch.
• Almeida; Wunsch; Martins, 2022 diz que a integração da Aprendizagem Criativa com o Movimento Maker fortalece o desenvolvimento de habilidades práticas nos educadores.

Desafios e Perspectivas

• A implementação da Aprendizagem Criativa enfrenta desafios segundo Oliveira; Marques, 2024 ; a resistência a mudanças, a falta de infraestrutura adequada e a necessidade de capacitação contínua dos docentes
• O Site https://aprendizagemcriativa.org/ tem demonstrado que é possível promover transformações educacionais sustentáveis(Burd; Valente, 2018).

STEM e o Ensino por Investigação

• STEM e o Ensino por Investigação destacam sua importância para uma educação mais dinâmica

Construção de Ponte com Materiais Simples

• Objetivos de Aprendizagem: compreender os princípios básicos da engenharia estrutural,Aplicar conceitos de forças, peso e equilíbrio em uma construção
• Materiais Necessários:Palitos de picolé ou canudos plásticos,Cola quente ou cola branca
• Os alunos devem:Pesquisar sobre diferentes tipos de pontes ,Escolher um tipo de ponte para construir e Fazer um esboço detalhado no papel
• Os Testes de Resistência sao: Colocar pesos progressivamente, Avaliar a estabilidade e Medir a envergadura
• A atividade aborda varios Conceitos STEM Aplicados como os Princípios de física aplicados à construção civil entre varios outros.

Robótica com Arduino

• Objetivos de Aprendizagem: Compreender o funcionamento do Arduino,Aprender conceitos básicos de programação em C/C++ utilizando a IDE do Arduino
• Materiais Necessários:Placa Arduino Uno,LEDs e protoboard
• Os alunos devem: Pesquisar sobre semáforos inteligentes e como eles funcionam no tráfego real,Identificar os componentes do Arduino
• Conceitos STEM Aplicados:Uso de circuitos elétricos básicos e comportamento da corrente elétrica,Uso do Arduino como ferramenta de automação

Investigação Ambiental: Compostagem e Ciclo dos Resíduos

• Objetivos de Aprendizagem:Compreender o processo de decomposição.
• Materiais Necessários: Terra e folhas secas,Restos de alimentos,Minhocas(se disponível)
• Os alunos devem explorar o conceito de compostagem e sua importância.

Sistema de Irrigação Automatizado com Arduino

• Objetivos de Aprendizagem:Compreender os princípios da irrigação automatizada,Aprender a utilizar o Arduino e sensores de umidade para controle de sistemas automáticos.
• Materiais Necessários:: Placa Arduino Uno,Sensor de umidade do solo,Módulo relé.
• Exploração: Discutir sobre os desafios da irrigação tradicional, Pesquisar sobre impactos

Modelagem Matemática e Sustentabilidade Global

• Objetivos de Aprendizagem:Coletar e analisar dados sobre consumo de energia,Criar visualizações gráficas e Aplicar estatísticas
• Os aluno devem:Escolher um país ou região para analisar,Pesquisar dados sobre consumo de energia,Utilizar fontes confiáveis.

Considerações Finais

• A abordagem STEM e o Ensino por Investigação representa um avanço para a educação contempânea.
• O Pensamento Computacional, o Movimento Maker potencializa mais essa abordagem.