Ensino da física em cursos de engenharia: percursos colaborativos no ensino superior

A presente investigação insere-se no domínio científico da Didáctica, em particular no da Didáctica da Física no Ensino Superior. Pretende-se, com este trabalho, contribuir para o desenvolvimento do conhecimento Didáctico, nomeadamente sobre o ensino e a aprendizagem da Física no Ensino Superior e, ainda, sobre o trabalho colaborativo entre investigadores em Didáctica e professores da área das Ciências e Engenharias do Ensino Superior. O estudo empírico desenvolvido neste trabalho é constituído por duas partes, designadas por estudo A e estudo B. No estudo A analisa-se o impacto da implementação, em sala de aula, de estratégias de aprendizagem activa num contexto colaborativo entre investigadora e professora. Fá-lo através de um percurso metodológico de investigação-acção, na qual a investigadora actua como consultora. Utilizaram-se diferentes fontes e instrumentos na recolha de informação, nomeadamente notas de campo da investigadora, questionários e entrevistas a estudantes e entrevista à professora colaboradora. Foram implementadas estratégias identificadas na literatura como promotoras de aprendizagem activa dos estudantes, nomeadamente perguntas conceptuais; folhas de dúvidas; feedback; trabalho de grupo com e sem rotação de tarefas; trabalhos para casa e apresentação oral. Os resultados obtidos evidenciam que os estudantes sentiram interesse pela unidade curricular, pois compreenderam a sua utilidade no âmbito do curso que frequentavam, apreciaram positivamente as estratégias implementadas e, segundo a opinião deles, estas contribuíram para a sua aprendizagem. No estudo B procurou-se compreender a colaboração entre investigadores em Didáctica e professores do Ensino Superior, no contexto da Universidade de Aveiro. Este estudo evidenciou que é possível implementar estratégias inovadoras de ensino através de processos de colaboração entre investigadores em Didáctica e professores. Este estudo, de carácter exploratório, foi realizado através de entrevistas aos investigadores e aos professores que com eles colaboraram, procurando melhorar a qualidade das suas práticas de ensino. Através deste estudo chegou-se à conceptualização de uma proposta de Colaboração Disciplinar, uma colaboração entre investigadores em Didáctica e professores do Ensino Superior, em que os investigadores têm formação base nas unidades curriculares onde irão intervir. Esta proposta procura potenciar uma forma de trabalhar problemas complexos, como por exemplo o processo de ensino e aprendizagem, o desenvolvimento profissional dos professores, a articulação entre a investigação em Didáctica e a prática. As principais vantagens identificadas na Colaboração Disciplinar são: a proximidade disciplinar entre o investigador e o professor; a eficácia nas sugestões proporcionadas; o aumento da segurança do professor na implementação das sugestões; o desenvolvimento profissional contextualizado; a aproximação da investigação à prática. Os contributos deste estudo colocam-se a três níveis: ao nível pessoal e profissional da investigadora e da professora colaboradora; ao nível do desenvolvimento de conhecimento na referida área (no caso do primeiro estudo empírico desenvolvido), na medida em que apesar da especificidade do contexto onde o estudo ocorreu – na unidade curricular Elementos de Física do primeiro ano, primeiro semestre de diferentes cursos de Engenharia da Universidade de Aveiro, nos anos lectivos de 2007/08 e 2008/09 – considera-se que este trouxe ensinamentos que, adaptados a outros contextos, podem influenciar outros estudos e práticas; e ao nível do desenvolvimento de conhecimento sobre como dinamizar e potenciar colaborações entre investigadores da área da Didáctica e professores do Ensino Superior.

Física e contemporaneidade no ensino secundário: um contributo no âmbito da formação de professores

O presente trabalho versa a problemática da abordagem da Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino Secundário no quadro dos desafios que se colocam à educação científica actual. Num mundo em mudança em que o futuro não está garantido, o esforço educativo deve incluir a dimensão da importância do conhecimento na transformação dos indivíduos com vista à intervenção. A literatura tem apresentado a transposição para a sala de aula da Física desenvolvida ao longo do século XX, como relevante neste domínio. Esta relevância prende-se com a actualidade do conhecimento, com a associação a grande parte da tecnologia actual e ainda com a ligação ao conhecimento mais profundo da natureza e, supostamente, ao sentido do universo. Porém, uma escola de cariz essencialmente transmissivo e desencorajadora de itinerâncias pessoais, tornará muito limitativa a referida transposição. Vários são os constrangimentos da abordagem da FMC neste nível de ensino. Trata-se de um conhecimento contra-intuitivo, que suscita interpretações diversificadas e que se desenvolve formalmente com base em ferramentas matemáticas, em grande parte, não acessíveis a alunos do Ensino Secundário. A formação de professores é uma vertente essencial dentro desta problemática, podendo ser considerada, em muitos casos, deficiente ou desadequada por via do mesmo tipo de constrangimentos referidos. Este trabalho propõe-se estudar as possibilidades e potencialidades da formação de professores no contexto apresentado, a partir de um cenário alternativo que consideramos inovador. Para isso foi concebido, implementado e avaliado um Círculo de Estudos no âmbito da formação em FMC. Utilizando uma estratégia de investigação/ acção/ formação, ensaiou-se a integração de uma certa transdisciplinaridade e multidimensionalidade humana num percurso de natureza complexa, procurando-se a emergência a partir da interacção. À partida eram procurados indicadores de construção identitária e desenvolvimento da profissionalidade. Era ainda esperada a participação dos professores formandos na construção de materiais didácticos. Utilizando uma metodologia de cariz qualitativo na tipologia de estudo de caso, os dados foram recolhidos a partir de instrumentos preparados para o efeito como questionários, mas também de outras fontes como textos reflexivos dos professores e materiais didácticos elaborados pelos mesmos. Os resultados obtidos são de dois tipos. Em primeiro lugar mostram que o percurso efectuado produziu alterações ao nível do discurso dos professores, que revela valorização da itinerância e abertura à incerteza na abordagem da FMC, bem como uma maior familiarização com os conceitos. Por outro lado, os materiais de utilização em sala de aula produzidos foram considerados de interesse como contributos didácticos para utilização futura. Pensamos ainda poder afirmar que são apresentados elementos importantes para a definição de um desenho de formação de professores em FMC, com vista a um ensino e a uma aprendizagem pertinentes.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

PMMA-co-EHA cements for osteoprotheses

The main purpose of this thesis was to produce new formulations of PMMA-co- EHA and study its feasibility as being an alternative to traditional PMMA bone cements. Thus, were originally produced several co-polymers of PMMA-co-EHA and its mechanical properties and in vitro behaviour were evaluated. The copolymers were obtained by radical polymerization and several formulations were produced by partial replacement of MMA (up to about 50%) for EHA. Overall, the results suggest that the partial replacement of MMA by EHA decreased the modulus of the materials and, consequently, increased its flexibility. Then, PMMA commercial beads were added to PMMA-co-EHA formulations (to get bone cement) and the general properties of the resulting bone cements were evaluated. In general, the results revealed that the partial replacement of MMA by EHA led to beneficial changes in curing parameters (there was a reduction of the peak temperature and an increase of curing/setting time), in the in vitro behaviour (the water capacity increased) and in the mechanical properties (the bending strength increased) of new cements. The in vitro cellular response of new formulations of PMMA-co-EHA was compared with that of traditional PMMA bone cement. To this end, we tested the cell adhesion and proliferation of osteoblast-like MG63 cells and human cells from bone marrow. The results revealed that both types of cells were able to attach and proliferate in both formulations. The only exception was observed for the formulation prepared with the highest percentage of EHA, where a few cells that adhere failed to proliferate. Moreover, it was found that increasing the amount of EHA in cement led to an increasing inhibition of cell growth, especially during the first week of culture. This was related to increased water uptake capacity by the new formulations and consequent release of some of its toxic components. Finally, PMMA commercial beads were partially replaced by HA particles and the influence of this substitution on the curing parameters, the mechanical properties and in vitro behaviour of the resulting composites was also evaluated. Incorporation of HA into the bone cements induced a number of significant changes in its final properties: 1) decrease the peak temperature; 2) increase of curing time, 3) increasing the value of elastic modulus accompanied by decrease of the strength/tension. This last finding was related to poor interfacial adhesion between the various components of the bone cements and a heterogeneous distribution (possible agglomeration) of HA particles.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Formando o cidadão desde o jardim-de-infância: o contributo das práticas de avaliação das aprendizagens dos educadores de infância em colaboração com a família

A presente investigação procura compreender o fenómeno complexo e dinâmico que é a avaliação das aprendizagens das crianças em colaboração com a família na Educação Pré-Escolar (EPE) como forma de potenciar o desenvolvimento de competências pelas crianças. Assim, e recorrendo a um estudo de caso com uma componente de investigação-acção, pretende-se (i) compreender as concepções e práticas de avaliação de aprendizagens na EPE desenvolvidas por um grupo de educadores de uma Instituição Privada de Solidariedade Social da região centro do país e (ii) potenciar, através de formação em contexto que contemple o desenvolvimento de estratégias inerentes a uma avaliação das aprendizagens em colaboração com a família das crianças, o desenvolvimento profissional dos educadores de infância neste âmbito, proporcionando experiências educativas que levem as crianças a desenvolver um conjunto de competências inerentes à nova natureza dos saberes básicos de todos os cidadãos do séc. XXI. Tomando como ideias base da investigação a concepção (i) da criança enquanto cidadão (Prout, 2005; Vasconcelos, 2009) e (ii) da família enquanto primeira e principal educadora das crianças (Steves, Hough & Nurs, 2002), a investigação foi desenvolvida em quatro fases: Fase I – Formulação de um referencial de competências para a EPE inerentes à nova natureza dos saberes básicos do séc. XXI e seu processo de transferibilidade e credibilidade; Fase II – Diagnóstico das concepções dos participantes da investigação sobre avaliação das aprendizagens na EPE e colaboração Instituição/Família; Fase III – Construção e implementação de um programa de formação para educadores de infância; Fase IV – Avaliação do impacte do programa de formação nas concepções e práticas de avaliação das aprendizagens dos educadores de infância. A fase I centra-se na formulação de um referencial de competências transversais para a EPE inerentes à nova natureza dos saberes básicos do séc. XXI (Cachapuz, Sá-Chaves & Paixão, 2004) e no seu processo de transferibilidade e credibilidade através da reflexão/discussão do respectivo referencial com um painel de especialistas e profissionais. Identificaram-se quatro competências transversais a serem desenvolvidas pelas crianças centradas nas dimensões do aprender a aprender, aprender a comunicar e a expressar-se, aprender a ser e estar e aprender a reflectir. A fase II incide no diagnóstico das concepções de avaliação das aprendizagens na EPE e de colaboração Instituição/Família dos 6 educadores de infância, 17 pais e 17 crianças participantes no estudo, recorrendo a entrevistas, à análise documental e à observação de práticas. A análise dos dados recolhidos demonstra que é necessário recuperar um verdadeiro discurso didáctico e educativo da avaliação das aprendizagens, deixando de a conceber como sinónimo de medida e de objectividade e melhorando as práticas de avaliação de VII modo a potenciar o desenvolvimento de competências pelas crianças. A fase III preenche-se na construção e implementação de um programa de formação, creditado e correspondente a 50 horas, para educadores de infância sobre avaliação de competências na EPE em colaboração com a família. O programa de formação foi desenvolvido a partir (i) das concepções diagnosticadas, (ii) dos indicadores da investigação em formação contínua e em avaliação na EPE e (iii) de um modelo de desenvolvimento profissional baseado na reflexão, na observação e supervisão e na investigação-acção (Shön, 1992; Alarcão, 2000; Roldão, 2008; Cadório & Simão, 2011). Os indicadores obtidos demonstram que o programa de formação contribuiu para o enriquecimento profissional dos formandos ao nível da (re)construção de conhecimento, da reflexão constante e colaborativa sobre as práticas de avaliação, da mudança de atitudes e práticas de avaliação das aprendizagens e na compreensão mais profunda da complexidade, diversidade e necessidade de cada criança. Além disso, os indicadores obtidos também evidenciam a importância de uma avaliação das aprendizagens em colaboração com os pais das crianças para o desenvolvimento progressivo das competências transversais para a EPE e, consequentemente, para a obtenção de sucesso educativo. A fase IV consiste na avaliação do impacte do programa de formação nas concepções e práticas avaliativas dos educadores de infância através de, à semelhança da fase II, entrevistas aos 6 educadores de infância, aos 17 pais e às 17 crianças, à análise documental e à observação de práticas. Os resultados obtidos demonstram que o programa de formação teve impacte nas práticas de avaliação das aprendizagens a nível micro (decisões no interior da sala de actividades) e, mais reduzido, a nível meso (decisões a nível institucional). Os educadores de infância integraram nas suas práticas pedagógicas algumas estratégias avaliativas implementadas durante o programa de formação, consciencializando-se da importância da avaliação na EPE se centrar em procedimentos descritivos com enfoque na actividade da criança e na documentação e registo do trabalho realizado no dia-a-dia e do desenvolvimento de competências de cada criança (Gaustad, 1996; Parente, 2002). Contudo, e no que se refere à colaboração dos pais no processo de avaliação das aprendizagens das crianças, o programa de formação não proporcionou qualquer impacte nas práticas avaliativas dos educadores de infância. Apesar dos discursos transparecerem uma consciencialização da importância da família participar e influenciar a tomada de decisões ao longo do processo de avaliação das aprendizagens (Oliveira-Formosinho & Araújo, 2004), não foram tomadas medidas de mudança de práticas neste sentido, permanecendo os pais das crianças como sujeitos passivos neste processo. Uma visão integradora sobre os resultados obtidos ao longo da presente investigação revela a necessidade de se continuar a investigar e a construir novos caminhos na formação contínua dos educadores de infância de modo a recuperar um verdadeiro discurso educativo da avaliação das aprendizagens com impacte nas práticas pedagógicas e onde a família das crianças surja como parceira num trabalho a desenvolver colaborativamente.

Desenvolvimento e avaliação de um sistema de monitorização da corrosão electroquímica no betão armado

O presente trabalho teve como principal objectivo desenvolver e avaliar o desempenho de um sistema de monitorização da corrosão no betão armado. Para tal foram construídos dois provetes de classe 20/25, e outros dois de classe 30/35. Dentro desses quatro provetes foram instalados sensores de corrosão designados por Monicorr. Para cada classe de betão utilizaram-se dois tipos diferentes de contaminação, designadas por A e B. A contaminação do tipo A é feita adicionando durante a amassadura do betão uma solução aquosa de cloreto de cálcio a 4% em massa de cimento e sujeitando esses provetes a ciclos de condensação de 50h, durante um período de 1000h. A contaminação do tipo B é feita sujeitando os outros dois provetes de classes diferentes a ciclos de 100h de nevoeiro salino a 3% em massa de água, durante um período de 2000h. Para avaliar o desempenho do sistema de monitorização Monicorr foram comparados os valores da velocidade de corrosão instantânea por LPR, a resistividade do betão e o potencial de corrosão da armadura, obtidos pelo sistema Monicorr, com os obtidos por aparelhos utilizados para o mesmo efeito em laboratório. Paralelamente, estudou-se também a variação do potencial de corrosão da armadura em função da área oxidada. Para além disso desenvolveu-se um conjunto de pseudo referências de grafite dopada com diferentes percentagens de cimento e avaliou-se a sua estabilidade relativamente ao eléctrodo de calomelanos e óxido de managanês manganês em soluções de hidróxido de cálcio saturada e de betão armado contaminado com sais cloreto. Finalmente foram ainda desenvolvidas duas tarefas, a primeira relacionada com os resultados obtidos na medição da resistividade do betão armado pelas técnicas de dois pinos e quatro pinos, e a segunda com o desenvolvimento de um método rápido de contaminação do betão armado com dióxido de enxofre. Os resultados obtidos permitem concluir que: - o sistema de monitorização Monicorr apresenta um comportamento muito semelhante aos utilizados em laboratório para medir grandezas como o potencial de corrosão da armadura, resistividade do betão e velocidade de corrosão instantânea por LPR; - a monitorização das três grandezas atrás referidas pode ser uma ferramenta importante para permitir saber qual é o desenvolvimento corrosivo de uma estrutura de betão armado; os eléctrodos de grafite dopada com cimento apresentam uma elevada estabilidade nos meios testados tendo um desempenho muito semelhante à referência de manganês óxido de manganês para os mesmos meios. Relativamente à influência da área oxidada no potencial de corrosão da armadura não foi possível tirar conclusões. Foi possível, também, concluir que existe uma clara concordância entre as medições da resistividade do betão utilizando o método dos dois pinos e o método dos quatro pinos. Finalmente pode-se concluir que a metodologia desenvolvida para contaminar provetes de betão com iões sulfato obtém bons resultados ao fim de, apenas, 48h de contaminação.

Avaliação do desempenho docente e supervisão pedagógica: um estudo de caso num agrupamento de escolas

A introdução de novas exigências na Avaliação do Desempenho Docente (ADD) em Portugal (Decretos-Lei 15/2007 e 75/2010; Decretos Regulamentares 2/2008 e 2/2010) tem gerado nas escolas e nos professores, desde 2008, situações organizacionais complexas, que urge analisar e compreender. As políticas educativas têm vindo a apontar para a necessidade de um maior investimento nos processos de avaliação de professores, dando relevância ao papel a desempenhar pela supervisão pedagógica nesse contexto. A supervisão da prática letiva passou a ser considerada procedimento fundamental, na medida em que se tornou difícil conceber uma avaliação dos docentes que não incluísse sessões de observação em sala de aula. Fruto destas novas políticas de avaliação de professores, a ADD apresentou-se, do ponto de vista normativo, com base em duas funções: sumativa e formativa. Estas funções exigem maiores investimentos, novas práticas e uma reflexão sobre o papel do professor ancorada numa perspetiva holística, transformadora e emancipatória do seu desenvolvimento profissional. O principal objetivo do nosso estudo consiste em compreender as perceções e práticas desenvolvidas pelos docentes face às alterações introduzidas no sistema da ADD no geral, e, em particular, o papel desempenhado pela supervisão pedagógica (SP) na avaliação entre pares, no segundo ciclo avaliativo (2009-2011). A investigação empírica tem por base um estudo de caso desenvolvido num Agrupamento de escolas do Distrito de Aveiro. A recolha de dados foi concretizada através da administração de um questionário a todos os docentes do Agrupamento e da condução de entrevistas a 26 informadores privilegiados do processo avaliativo. Os principais resultados do estudo de caso apontam para: i) a opinião desfavorável dos professores face ao atual modelo de ADD, dada a sua natureza burocrática, complexa, injusta e a sua escassa utilidade prática, preenchendo apenas requisitos legais e de controlo; ii) um processo de SP, concretamente, a observação de aulas, que não contribui para o desenvolvimento profissional dos professores e tem impacte negativo no trabalho docente, acentuando a artificialidade dos procedimentos e aumentando o clima de competição e de conflito; iii) a sensação de desconforto entre os intervenientes, fazendo emergir sentimentos de injustiça, insegurança e ansiedade que, em seu entender, constituem constrangimentos à melhoria das aprendizagens dos alunos e à qualidade da escola; iv) uma escassa implicação na melhoria das práticas futuras e do desenvolvimento profissional dos docentes. Estes resultados constituem um desafio colocado aos investigadores no sentido de identificarem alternativas de ação para poderem lidar com a complexidade inerente ao processo de avaliação na sua relação com a supervisão pedagógica, com vista à melhoria de desempenho das escolas e dos professores.