masterThesis
Construção e aplicação de um protótipo de reator utilizando plataforma arduino para discutir conceitos relacionados à estequiometria
Registro en:
FEITOZA, Abraão de Matos. Construção e aplicação de um protótipo de reator utilizando plataforma arduino para discutir conceitos relacionados à estequiometria. Orientador: Carlos Neco da Silva Júnior. 2023. 125f. Dissertação (Mestrado Profissional em Química - Profqui) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.
Autor
Feitoza, Abraão de Matos
Resumen
In the process of teaching and learning Chemistry, several difficulties of understanding
on the part of students related to the content of stoichiometry are observed, among
them, the lack of understanding regarding the representation of the three levels of
chemical knowledge as presented by Johnstone in 1982. To express it symbolically
the occurrence of a chemical reaction, as well as the proportionality relations between
reactants and products, students are required to have a high level of abstraction of the
content to understand a reactional system or phenomenon. In effect, to facilitate the
observation of phenomena such as, for example, the reactivity of aluminum metal in
an acid medium in a closed system, with a view to favoring the understanding of the
concepts underlying stoichiometry, a low-cost equipment called a hermetic reactor
prototype was developed. with the Arduino platform (PRHA) subdivided into two
stages: hardware construction, software and device testing (E1); and application in the
classroom (E2), segmented into six moments in five meetings: initial meeting,
identification of previous ideas about chemical reactions; second meeting, instructional
class and use of ball-stick models based on Dalton's atomic model to work on chemical
proportions; third meeting, instructional class and reuse of ball-stick models focusing
on limiting and excess reagent concepts; fourth meeting, application of the PRHA and
discussion about the concepts of proportion, product, reagent, chemical expression;
fifth meeting, second application of the PRHA and discussion of the limiting and excess
reagent concepts, chemical expression and chemical reaction, ending with a question
about the application of the PRHA and the learning possibilities that the students could
develop. The proposal was applied to twenty (20) students of the 2nd year of high
school at the Ceará Institute of Education, in the city of Fortaleza-CE. The results of
E1 are related to the tests carried out with the PRHA, they are: need to follow the
information in the sensor data sheet, decrease in reaction time due to the increase in
the contact surface, unstable variation of the gas concentration detected in the PRHA,
and possibility of external mass exchange to the system. In the application stage,
students had difficulties to conceptualize chemical reaction, use chemical symbology
as well as understand the mathematical proportion relationship of the reaction. In
general, it was possible to perceive that misconceptions previously described in the
literature, such as the idea of active and passive reagent and dissolution process as a
synonym for chemical reaction, remain present in the teaching and learning process of
this content of the participants of this research. The management and application of
the PRHA by the students was configured as an important moment of discussion about
the phenomenon under study, but even so, given the short time in which the PRHA
was used, the students let the macroscopic level prevail to the detriment of the other
levels of representation of the chemical knowledge proposed by Johnstone (1982)
even after experiencing the activity with the use of stick-ball models. No processo de ensino e aprendizagem da Química são observadas várias
dificuldades de entendimento por parte dos estudantes relacionadas ao conteúdo de
estequiometria, dentre elas, a falta de compreensão quanto à representação dos três
níveis de conhecimento químico como apresentado por Johnstone em 1982. Para
expressar simbolicamente a ocorrência de uma reação química, bem como as
relações de proporcionalidade entre reagentes e produtos é exigido dos estudantes
elevado nível de abstração do conteúdo para entendimento de um sistema reacional
ou fenômeno. Com efeito, propiciar a observação de fenômenos como por exemplo,
a reatividade do metal alumínio em meio ácido em um sistema fechado, com vistas a
favorecer o entendimento dos conceitos subjacentes à estequiometria, desenvolveuse um equipamento de baixo custo denominado protótipo de reator hermético com a
plataforma Arduino (PRHA) subdividido em duas etapas: construção de hardware,
software e testes do dispositivo (E1); e aplicação em sala de aula (E2), segmentada
em seis momentos em cinco encontros: encontro inicial, identificação de ideias prévias
sobre as reações químicas; segundo encontro, aula instrucional e utilização de
modelos bola-bastão a partir do modelo atômico de Dalton para trabalhar a proporção
química; terceiro encontro, aula instrucional e reutilização dos modelos bola-bastão
com enfoque nos conceitos de reagente limitante e em excesso; quarto encontro,
aplicação do PRHA e discussão acerca dos conceitos proporção, produto, reagente,
expressão química; quinto encontro, segunda aplicação do PRHA e discussão dos
conceitos reagente limitante e em excesso, expressão química e reação química,
finalizando com uma pergunta sobre a aplicação do PRHA e as possibilidades de
aprendizagem que os estudantes puderam desenvolver. A proposta foi aplicada para
vinte (20) estudantes do 2º ano do ensino médio do Instituto de Educação do Ceará,
na cidade de Fortaleza-CE. Os resultados da E1 estão relacionados aos testes feitos
com o PRHA, são eles: necessidade de seguir as informações da folha de dados do
sensor, diminuição do tempo de reação devido ao aumento da superfície de contato,
variação instável da concentração de gás detectada no PRHA, e possibilidade de troca
de massa externa ao sistema. Na etapa de aplicação, os estudantes apresentaram
dificuldades para conceituar reação química, utilizar a simbologia química bem como
compreender a relação de proporção matemática da reação. De forma geral, foi
possível perceber que concepções alternativas descritas anteriormente na literatura,
como a ideia de reagente ativo e passivo e processo de dissolução como sinônimo de
reação química, permanecem presentes no processo de ensino e aprendizagem
desse conteúdo dos participantes desta pesquisa. O manejo e aplicação do PRHA
pelos estudantes se configurou como um importante momento de discussão sobre o
fenômeno em estudo, mas ainda assim, diante do pequeno tempo em que o PRH foi
utilizado, os estudantes deixaram prevalecer o nível macroscópico em detrimento aos
demais níveis de representação do conhecimento químico proposto por Johnstone
(1982) mesmo após vivência da atividade com a utilização dos modelos do tipo bola bastão.