O ensino da química na perspectiva da literacia química: recursos didácticos para o ensino básico

Defende-se hoje que o Ensino Básico deve, acima de tudo, dotar os alunos de competências que lhes permitam interagir com a sociedade em que se inserem, o que legitima as expectativas no sentido da formação de cidadãos capacitados para exercer a sua responsabilidade social. O processo de Reorganização Curricular do Ensino Básico actualmente em curso, em Portugal, segue esta orientação e propõe um ensino das ciências no sentido da formação dos alunos para a literacia científica. Ora, neste contexto o movimento CTS (Ciência-Tecnologia-Sociedade) assume-se como uma filosofia de ensino que muito se coaduna com os fins pretendidos. Para tal, é importante ter recursos didácticos consonantes com esta perspectiva, que suportem as práticas dos professores. O presente estudo teve por objectivo conceber e validar recursos didácticos CTS utilizáveis por professores e alunos, no âmbito do ensino e da aprendizagem do tema Sustentabilidade na Terra, no 3º ciclo do Ensino Básico. O percurso metodológico seguido incluiu várias etapas de entre as quais se destacam pela sua importância: a selecção de um contexto viável para a abordagem do tema Sustentabilidade na Terra; a planificação da abordagem CTS do referido tema; a formulação de questões-problema centradas nos domínios científico, social e tecnológico; a definição dos objectivos CTS na abordagem do problema em causa; a organização de estratégias de exploração das questões problema; a validação dos Recursos Didácticos por professores de Química qualificados e experientes. Optou-se, de uma forma fundamentada, pelo contexto geral “Barragem de Alqueva”. O produto final do presente estudo apresenta-se na forma de um Caderno de Recursos Didácticos CTS constituído por catorze actividades, organizado em Notas para o Professor, Tarefas para o Aluno e Resposta Adequada, concebidas para o contexto geral Barragem de Alqueva, e estruturadas em torno de quatro sub-temas orientadores: Água, Energia, Materiais e Resíduos. Com vista à validação dos Recursos Didácticos construídos planificou-se e realizou-se o Workshop “Sustentabilidade na Terra – perspectivas didácticas para a sua abordagem” que foi dinamizado pela autora e dirigido a um painel de treze Professores Avaliadores e no qual participaram também, como Avaliadoras Externas, duas professoras especialistas em formação de professores. VII O processo de validação evidenciou que na opinião dos avaliadores: o contexto Barragem de Alqueva é de grande relevância social e adequado à abordagem da temática Sustentabilidade na Terra; os recursos didácticos são adequados quanto ao interesse e extensão dos textos inseridos nas problemáticas desenvolvidas, quanto à adequabilidade da linguagem à faixa etária a que se destinam, quanto ao grau de profundidade dos objectos de ensino, favorecem o desenvolvimento de uma atitude crítica, favorecem o desenvolvimento de uma atitude investigativa, de recolha de dados e busca de informação complementar, contribuem para o desenvolvimento de atitudes de preservação do ambiente e contribuem para a compreensão do tema Sustentabilidade na Terra; as questões que constituem as Tarefas para o Aluno são, em geral, exequíveis pelos alunos a que se destinam. O processo de validação foi considerado quer pelos Professores Avaliadores, quer pelas Avaliadoras Externas, adequado aos objectivos do Workshop e, de um modo geral, muito importante na formulação de uma opinião sobre os Recursos Didácticos. As Avaliadoras Externas consideraram-no válido e fiável o que legitima as conclusões dele decorrentes. Deste modo, pode dizer-se que o contributo do presente estudo para a inovação no ensino da Química se reflecte no Caderno de Recursos Didácticos construído bem como na explicitação de uma metodologia útil para investigadores e professores interessados na concepção e construção de recursos CTS.

Coupling of magnetic, strain and electric polarization fields in the structure of multiferroic material

The comprehensive study on the coupling of magnetism, electrical polarization and the crystalline lattice with the off-stoichiometric effects in self-doped multiferroic hexagonal h-LuMnxO3±δ (0.92≤x≤1.12) ceramic oxides was carried out for the PhD work. There is a complex coupling of the three ferroic degrees. The cancelation of the magnetic moments of ions in the antiferromagnetic order, electric polarization with specific vortex/antivortex topology and lattice properties have pushed researchers to find out ways to disclose the underlying physics and chemistry of magneto-electric and magneto-elastic couplings of h-RMnO3 multiferroic materials. In this research work, self-doping of Lu-sites or Mn-sites of h-LuMnxO3±δ ceramics prepared via solid state route was done to pave a way for deeper understanding of the antiferromagnetic transition, the weak ferromagnetism often reported in the same crystalline lattices and the ferroelectric properties coupled to the imposed lattice changes. Accordingly to the aim of the PhD thesis, the objectives set for the sintering study in the first chapter on experimental results were two. First, study of sintering off-stoichiometric samples within conditions reported in the bibliography and also extracted from the phase diagrams of the LuMnxO3±δ, with a multiple firings ending with a last high temperature step at 1300ºC for 24 hours. Second, explore longer annealing times of up to 240 hours at the fixed temperature of 1300 ºC in a search for improving the properties of the solid solution under study. All series of LuMnxO3±δ ceramics for each annealing time were characterized to tentatively build a framework enabling comparison of measured properties with results of others available in literature. XRD and Rietveld refinement of data give the evolution the lattice parameters as a function to x. Shrinkage of the lattice parameters with increasing x values was observed, the stability limit of the solid solution being determined by analysis of lattice parameters. The evolution of grain size and presence of secondary phases have been investigated by means of TEM, SEM, EDS and EBSD techniques. The dependencies of grain growth and regression of secondary phases on composition x and time were further characterized. Magnetic susceptibility of samples and magnetic irreversibility were extensively examined in the present work. The dependency of magnetic susceptibility, Neel ordering transition and important magnetic parameters are determined and compared to observation in other multiferroics in the following chapter of the thesis. As a tool of high sensitivity to detect minor traces of the secondary phase hausmannite, magnetic measurements are suggested for cross-checking of phase diagrams. Difficulty of previous studies on interpreting the magnetic anomaly below 43 K in h-RMnO3 oxides was discussed and assigned to the Mn3O4 phase, with supported of the electron microscopy. Magneto-electric coupling where AFM ordering is coupled to dielectric polarization is investigated as a function of x and of sintering condition via frequency and temperature dependent complex dielectric constant measurements in the final chapter of the thesis. Within the limits of solid solubility, the crystalline lattice of off-stoichiometric ceramics was shown to preserve the magneto-electric coupling at TN. It represents the first research work on magneto-electric coupling modified by vacancy doping to author’s knowledge. Studied lattices would reveal distortions at the atomic scale imposed by local changes of x dependent on sintering conditions which were widely inspected by using TEM/STEM methods, complemented with EDS and EELS spectroscopy all together to provide comprehensive information on cross coupling of distortions, inhomogeneity and electronic structure assembled and discussed in a specific chapter. Internal interfaces inside crystalline grains were examined. Qualitative explanations of the measured magnetic and ferroelectric properties were established in relation to observed nanoscale features of h-LuMnxO3±δ ceramics. Ferroelectric domains and topological defects are displayed both in TEM and AFM/PFM images, the later technique being used to look at size, distribution and switching of ferroelectric domains influenced by vacancy doping at the micron scale bridging to complementary TEM studies on the atomic structure of ferroelectric domains. In support to experimental study, DFT simulations using Wien2K code have been carried out in order to interpret the results of EELS spectra of O K-edge and to obtain information on the cation hybridization to oxygen ions. The L3,2 edges of Mn is used to access the oxidation state of the Mn ions inside crystalline grains. In addition, rehybridization driven ferroelectricity is also evaluated by comparing the partial density of states of the orbitals of all ions of the samples, also the polarization was calculated and correlated to the off-stoichiometric effect.