O projeto SCALE-UP é uma metodologia de aprendizagem ativa desenvolvida originalmente para turmas de física básica na Universidade Estadual da Carolina do Norte, pelo pesquisador Robert Beichner, e adotada hoje em dezenas de instituições de todo o mundo, para várias áreas do conhecimento. Maiores informações sobre a metodologia podem ser encontradas aqui e aqui.
Há uma vasta literatura que demonstra as vantagens da aprendizagem ativa, especialmente em ciências exatas. Em especial, um artigo que compila resultados sobre a eficácia de metodologias de aprendizagem ativa frente a metodologias tradicionais foi publicado em 2014 nos Proceedings of the National Academy of Sciences. O artigo pode ser encontrado aqui. Veja também um comentário sobre o artigo, elaborado por Carl Wieman, prêmio Nobel e Física de 2001 pela produção experimental do condensado de Bose-Einstein e fundador do site PhET, bem como outro artigo recente, discutindo a postura de alunos de Harvard frente a metodologias ativas, aqui.
A implementação da metodologia SCALE-UP no IFUSP teve início em 2014, último ano de existência da disciplina de Introdução à Física para os ingressantes. Nesse ano, a metodologia foi introduzida de maneira parcial, durante uma das três aulas semanais da disciplina, com as duas demais aulas em formato expositivo tradicional. A bibliografia adotada consistiu do Curso de Física Básica, de H. M. Nussenzveig, e de Física, de Young e Friedman.
A partir de 2015, a metodologia passou a ser empregada de forma integral, com duas “aulas-atividade”, realizadas na sala especialmente adaptada para o trabalho em equipe (sala 2001 do Edifício Principal), e uma aula de exercícios, realizada em sala comum. Além da extinção da disciplina de Introdução à Física, com a antecipação, em um semestre, das demais disciplinas de física básica, entraram igualmente em vigor reformas curriculares do IAG que também envolveram a antecipação da disciplina de Física 1; na grade do curso de Meteorologia, essa disciplina passou do quarto para o primeiro semestre. Essas mudanças causaram também um deslocamento relativo entre as disciplinas de física básica (impactando especialmente Física 1, 2 e 3) e de cálculo diferencial e integral. Além disso, a extinção de Introdução à Física reduziu quase à metade a carga horária para o conteúdo da atual Física 1, limitando bastante o tempo disponível nas aula de Física 1 para cobrir paralelamente o conteúdo de Cálculo 1, como na prática era feito anteriormente.
Frente a essa nova situação, a equipe do SCALE-UP decidiu adotar uma abordagem gradual de utilização das ferramentas do cálculo diferencial e integral ao longo de Física 1. Essa abordagem envolve o uso de simulações computacionais para analisar problemas físicos, especialmente na primeira metade da disciplina, com a introdução paralela de conceitos de derivadas e integrais a partir de limites de cálculos computacionais quando os passos de tempo considerados tendem a zero. O uso de simulações computacionais tem ainda a vantagem de oferecer um primeiro contato com a física computacional já no primeiro semestre de curso, bem como de permitir tratar problemas tecnicamente mais complexos do que aqueles a que os alunos acostumam-se no Ensino Médio, ajudando a combater algumas das preconcepções lá geradas, como a ideia de que o movimento mais geral de um objeto ocorre em linha reta com aceleração constante. Para cobrir os conceitos necessários a essa abordagem computacional, à bibliografia do curso foi acrescido Física Básica – Matéria e Interações, de Chabay e Sherwood, utilizado especialmente na primeira metade da disciplina. As ferramentas de cálculo diferencial e integral são apresentadas aos estudantes ao longo da disciplina, e o domínio de derivadas é estimulado desde a primeira metade da disciplina, enquanto a utilização de integrais é intensificada durante a segunda metade.
Em Física 2, quando os alunos já completaram a disciplina de Cálculo 1, todas as ferramentas ali apresentadas são utilizadas regularmente, acrescidas da álgebra dos números complexos, de técnicas de solução de equações diferenciais e da ideia de derivadas parciais. A bibliografia utilizada consiste do Curso de Física Básica, de H. M. Nussenzveig, de Física Básica – Matéria e Interações, de Chabay e Sherwood, e de Físico-Química, de Atkins e de Paula (este último para cobrir o conteúdo de potenciais termodinâmicos, incluído na ementa após a reforma curricular).
As disciplinas de Física 1 e Física 2 no formato SCALE-UP fazem uso
intenso do moodle,
antes, durante e após as aulas.
A metodologia SCALE-UP propõe que o tempo de aula seja majoritariamente dedicado a atividades realizadas pelos próprios estudantes, que devem portanto chegar à aula já tendo realizado um estudo prévio do conteúdo a ser explorado. Não se espera que com o estudo prévio os alunos tenham compreendido satisfatoriamente todo o conteúdo, mas sim que tenham com ele um primeiro contato. A aprendizagem do conteúdo é o objetivo das atividades realizadas em sala de aula.
Para cada aula, o moodle da disciplina traz informações que orientam a preparação dos alunos, com recomendações sobre a leitura prévia e a lista de objetivos de aprendizagem. Esses objetivos servem tanto para orientar os estudantes sobre os conteúdos que devem ter aprendido ao final de cada aula como para que possam recorrer a outros textos, tanto antes quanto após a aula, caso desejem. Um exemplo dessas informações é mostrado nesta figura.
Para estimular a preparação dos estudantes para cada aula, há questionários prévios, com perguntas ou exercícios simples sobre o conteúdo, que devem ser respondidos antes do início da aula.
Durante as aulas, há exposições mais curtas, que servem tanto para contextualizar as atividades no início de cada aula quanto para retomar pontos que o professor identifica como especialmente relevantes ou que causaram maior dificuldade entre os alunos. Enquanto os estudantes realizam as atividades, o professor circula pela sala de aula, conversando com os estudantes e formulando perguntas para auxiliar na elucidação das dúvidas que identifica ou que os alunos explicitam. Os estudantes trabalham em trios cuja composição é definida pelo professor e muda algumas vezes ao longo do semestre.
As atividades de sala de aula buscam aprofundar e muitas vezes estender as discussões contidas na leitura prévia. Muito além do simples treino em solução de problemas, essas atividades podem envolver discussões conceituais, deduções de passagens matemáticas importantes para a compreensão da teoria, bem como aplicações da teoria em casos concretos. A utilização tanto de cálculos analíticos quanto de ferramentas computacionais (incluindo simulações) permite fugir das limitações impostas pelo pouco domínio que os estudantes ainda têm das técnicas de cálculo diferencial e integral, bem como abordar problemas mais complexos e realistas, ajudando a percepção de que a física aplica-se de fato ao "mundo real". Quando possível, as aulas também envolvem demonstrações de experimentos.
Além das aulas em que há realização de atividades, há também aulas de exercícios, em salas tradicionais, com maior foco em solução de problemas. Essas aulas de exercícios, que representam um terço do total de aulas, também oferecem a oportunidade de retomada de conteúdos que eventualmente não tenham sido suficientemente compreendidos pelos estudantes.
Após as aulas, há listas de exercícios cujas respostas devem ser indicadas através do moodle (que oferece um feedback imediato), mas também se requer a submissão das soluções detalhadas.
Abaixo estão disponíveis roteiros para algumas aulas específicas.
Para a média final, há um pequeno peso atribuído a questionários prévios (5%), atividades em classe (5%) e listas de exercícios (5%). As provas individuais, realizadas sempre em sala de aula, respondem por 85% da média final.
Exemplos de provas e provinhas podem ser encontrados aqui.
Um resumo dos resultados obtidos até aqui pode ser encontrado neste relatório.