JBCS

INTRODUÇAO

As transferências de quantidade de movimento, calor e massa, embora tenham sido desenvolvidas há tempos, como ramos independentes da física clássica, encontraram lugar como uma das ciências fundamentais da engenharia em seu estudo unificado, sendo indispensáveis para projeto, operaçao e otimizaçao de processos e equipamentos.¹ Estes fenômenos tratam basicamente da movimentaçao de uma grandeza física de um ponto a outro do espaço e têm ampla aplicaçao dentro das operaçoes unitárias.

As operaçoes unitárias, conhecidas também como processos de separaçao, podem ser classificadas a partir de critérios variados, como por exemplo, em grupos de acordo com a sua finalidade dentro do processo produtivo. Nesse contexto, tem-se a extraçao sólido-líquido, uma operaçao unitária que consiste na transferência de massa de um componente de interesse, que está presente em um sólido insolúvel, para a fase líquida empregando-se um solvente no qual este componente fique dissolvido.² Tanto os fenômenos de transporte quanto as operaçoes unitárias, que sao disciplinas de grande importância e complexidade para diversas engenharias, precisam ser abordadas de diferentes formas durante o curso em que sao ministradas, visando a maior compreensao do aluno, já que este deverá ter esses conceitos bem estabelecidos para que haja a aplicaçao apropriada dos mesmos na sua atuaçao profissional.

Segundo Oliveira³ as atividades de aprendizagem sao os processos internos e externos a partir dos quais os alunos adquirem novas informaçoes, habilidades ou atitudes. De um modo geral o aluno tende a progredir, dentro dos seus objetivos pessoais, em direçao ao cumprimento de algumas atividades específicas de aprendizagem. Assim, quanto maior a participaçao do aluno no processo de aprendizagem tanto melhor será o seu rendimento.⁴ Dentro de uma concepçao pedagógica interacionista,^5,6 o ensino nao é visto isolado da aprendizagem, ou seja, o trabalho do professor ocorre com o trabalho do aluno. É da interaçao entre eles que, no âmbito da educaçao escolarizada, o aluno vai construindo seu aprendizado tendo o professor como guia e referência. Ao professor cabe orientar essa construçao, teorizando e problematizando o conteúdo, lançando desafios aos alunos, avaliando os resultados da aprendizagem de maneira contínua e propondo novos caminhos para que essa aprendizagem se dê.⁷

Nessa perspectiva, Bazzo⁸ afirma que o ensino das engenharias precisa se reestruturar, no sentido de acompanhar os múltiplos impactos das mudanças sociais e tecnológicas nos novos tempos. A permanência e a inclusao de conteúdos estanques, sem ligaçao com o contexto social, nao têm contribuído para a mudança efetivamente necessária. O ensino das engenharias tem mudado pouco, sendo necessária, talvez, uma mudança no eixo das discussoes sobre o ensino, pois é saliente a resistência de inúmeros docentes em atualizar seus conteúdos e procedimentos didáticos.⁹

Holvikivi¹⁰ entende que o papel do professor na engenharia está relacionado com a formaçao de engenheiros capazes de se adaptarem aos avanços tecnológicos. Porém, para este processo, é necessário entender como acontece a aprendizagem nos alunos. Por isso, além de utilizar métodos, estratégias e atitudes apropriadas, cabe ao professor despertar e manter a curiosidade e o interesse do aluno. Isto é, a relaçao ensino-aprendizagem mostra que o papel do professor ainda é fundamental na motivaçao do aluno durante o desenvolvimento do seu curso de engenharia, e um fator importante para que as atividades de aprendizagem sejam eficazes é que se estabeleça um sistema no qual os temas tratados sejam relacionados e agrupados para propósitos mais práticos.¹¹

Na literatura encontram-se diversos relatos recentes de abordagem prática no ensino de conceitos introdutórios, como na síntese de compostos químicos,¹² técnicas de análise química,^13,14 materiais,^15,16 energias renováveis,¹⁷ e em fenômenos de transporte.¹⁸ Contudo, a utilizaçao de materiais de fácil acesso no cotidiano dos alunos ainda é pouco explorada. Além disso, mesmo com diversos esforços aplicados pelos docentes para a utilizaçao de abordagens práticas no ensino, ainda existem divergências quanto aos procedimentos apropriados para a investigaçao experimental dos conhecimentos necessários ao engenheiro, de forma a promover a conexao com os fenômenos reais, em sistemas simples, de custo razoável de implementaçao e de fácil construçao.¹⁸

Nesse contexto, foi elaborada a atividade "Operaçao café passado", com o objetivo de trazer uma nova perspectiva didática para o processo de ensino-aprendizagem da introduçao aos fenômenos de transporte e às operaçoes unitárias. Além disso, como objetivo específico, foram avaliadas as percepçoes de alunos da disciplina de Introduçao à Engenharia Química de uma instituiçao pública com relaçao à atividade proposta.

CONTEXTO E MÉTODO DO TRABALHO

O corpo discente da disciplina Introduçao à Engenharia Química é formado por alunos que estao no primeiro semestre do curso de Engenharia Química. Esta disciplina representa o primeiro contato do aluno com os conhecimentos que serao abordados ao longo do curso e serve como motivaçao para a futura profissao. Além desta, os alunos cursam disciplinas referentes ao ciclo básico de Engenharia, como Química Teórica e Experimental, Física, Cálculo e Geometria Analítica.

A atividade proposta como uma alternativa ao Ensino Tradicional Vigente (ETV) foi realizada em uma aula de 3 h e 30 min. A aula foi dividida em quatro momentos: breve introduçao ao tema da atividade, aplicaçao do pré-teste sobre conceitos de transferência de massa, atividade experimental e aplicaçao do pós-teste, contendo informaçoes similares ao pré-teste.

Na introduçao ao tema, foi realizada a conceituaçao dos termos para que se facilitasse a interpretaçao das questoes do pré-teste, mas nao foram discutidos os conceitos importantes para a transferência de massa, que seriam vivenciados na atividade experimental. O pré-teste e o pós-teste consistiram em cinco questoes de múltipla escolha relacionadas ao conteúdo abordado em aula. A atividade experimental foi realizada de forma intercalada à discussao entre o grande grupo sobre os resultados que eram esperados. Após, dava-se o significado à prática também pela discussao entre os alunos do grande grupo.

O teste estatístico nao paramétrico de Wilcoxon foi utilizado para analisar os resultados obtidos no pré-teste e no pós-teste. A teoria que embasa a análise estatística utilizada objetiva avaliar os dados pareados e, nesse caso, fornecer subsídios para verificar se a aprendizagem dos alunos foi estatisticamente significativa após a realizaçao do experimento proposto em sala de aula. Segundo Callegari-Jacques¹⁹ a ideia que norteia o teste é a de que se o tratamento A produz valores maiores que o tratamento B, entao as diferenças de sinal positivo serao em maiores número e grau do que as diferenças de sinal negativo. Ainda, se o tratamento nao tiver efeito, entao as diferenças positiva e negativa devem se anular.

Além disso, ao fim da atividade, foi enviado um e-mail com uma pesquisa de satisfaçao sobre a atividade realizada. A participaçao dos alunos nessa etapa foi voluntária. O objetivo da realizaçao dessa etapa foi buscar captar a percepçao dos alunos quanto à atividade, isto é, saber qual a opiniao destes com relaçao à disciplina e às atividades alternativas ao ETV realizadas em aula.

PARTE EXPERIMENTAL

A atividade experimental proposta relaciona o fenômeno de transferência de massa associado à operaçao unitária conhecida como extraçao sólido-líquido. Esta operaçao unitária consiste na separaçao de componentes solúveis (solutos), presentes em um sólido insolúvel, por meio da passagem de um solvente, no qual estes componentes se dissolvem. Ou seja, ocorre a transferência de massa de um soluto presente no sólido para o líquido devido ao gradiente de concentraçao deste soluto nas duas fases. Nessa atividade, foi verificada a influência das seguintes variáveis na transferência de massa, vistas pela alteraçao da concentraçao e volume do percolado: temperatura, inclusao de agitaçao da suspensao presente sob o meio filtrante, quantidade de café e tamanho da partícula, conforme exposto na Figura 1.

Figura 1. Esquema da atividade experimental: avaliaçao da influência das condiçoes do processo na transferência de massa

Experimento 1: efeito da contribuiçao advectiva

Foram montados dois sistemas utilizando-se copo transparente, suporte e filtro. No primeiro sistema o café foi passado empregando-se duas medidas (40 g) de café moído, 200 mL de água quente (100 ºC, medida com um termômetro de mercúrio) e agitaçao promovida por uma colher. No segundo sistema foram utilizadas as mesmas condiçoes do primeiro, exceto a agitaçao pela colher. Entao, observou-se a coloraçao resultante em cada um dos sistemas.

Experimento 2: avaliaçao da quantidade de café

Os dois sistemas foram realizados como descrito no Experimento 1. No primeiro sistema foram adicionadas duas medidas (40 g) de café moído, enquanto no segundo sistema foram adicionadas quatro medidas (80 g) de café. Após, a cada um dos sistemas foram adicionados 200 mL de água quente (100 ºC) e, entao, observou-se a diferença de coloraçao resultante nos dois sistemas.

Experimento 3: avaliaçao da temperatura

Dois sistemas foram realizados como descrito anteriormente no Experimento 1. Em cada um dos sistemas foram adicionadas duas medidas (40 g) de café moído. Na sequência, um dos sistemas recebeu a adiçao de 200 mL de água fria (temperatura ambiente) enquanto o outro recebeu 200 mL de água quente (100 ºC). Observou-se a coloraçao resultante em cada um dos sistemas.

Experimento 4: efeito do tamanho de partícula

Foram realizados dois sistemas conforme descrito no Experimento 1. No primeiro sistema o café foi passado utilizando-se duas medidas (40 g) de café moído e 200 mL de água quente (100 ºC). No segundo sistema empregaram-se duas medidas (40 g) de café em graos e 200 mL de água quente (100 ºC). Entao, observou-se a coloraçao resultante em cada um dos sistemas.

RESULTADOS E DISCUSSAO

Discussao teórica dos fenômenos

A transferência de massa consiste no transporte de um componente de uma mistura (soluto), de uma regiao de alta concentraçao para uma regiao de baixa concentraçao e o modo de transferência de massa abrange dois mecanismos, a transferência de massa devido ao movimento molecular aleatório, conceito da difusao, e a transferência devido ao movimento global do fluido, conceito da advecçao. Deste modo, no experimento 1, a agitaçao promovida pela colher, isto é, a transferência de massa advectiva, é somada a transferência de massa difusiva, que resultou no aumento do fluxo de massa do soluto da regiao de maior concentraçao para de menor concentraçao, vista pela coloraçao final mais intensa do percolado. Além disso, no experimento 2, também foi possível verificar um aumento no fluxo de massa do soluto, uma vez que uma maior quantidade de café gera uma maior diferença de concentraçao.

Para analisar o experimento 3 e 4 é importante lembrar da Lei de Fick, que relaciona o fluxo de massa do soluto e o gradiente de concentraçao, em cada fase, usando um fator de proporcionalidade, chamado de difusividade mássica ou coeficiente de difusao. Além disso, para essa análise, deve-se levar em consideraçao a solubilidade do soluto no solvente, que ocorre na interface sólido-líquido. A temperatura influencia ambos os fenômenos, sendo que seu efeito varia conforme o sistema analisado. Com isso, no experimento 3, verificou-se que o fluxo de massa do soluto diminuiu quando se utilizou a água fria como solvente, pois, nesse caso, o aumento da temperatura leva a um aumento nao somente do coeficiente de difusao, como também do coeficiente de solubilidade do soluto no sistema.

Como os experimentos envolvem um sistema sólido-soluto-solvente, o coeficiente de difusao também é afetado pelas propriedades do sólido, como o tamanho da partícula, a porosidade, a tortuosidade, a área superficial, entre outras. Assim, no experimento 4, o fluxo de massa do soluto também diminuiu quando o café em graos foi utilizado ao invés do café em pó, pois maiores partículas, que resultam em uma menor área superficial disponível para contato com o solvente, dificultam a difusao do soluto do interior do grao de café até o exterior do mesmo e, por consequência, a extraçao do soluto pelo solvente é prejudicada, ou seja, a transferência de massa do soluto presente no sólido para o solvente é reduzida.

Abordagem educacional da experiência

Durante a aula, na qual a atividade proposta foi desenvolvida, percebeu-se que a maior parte dos alunos estava apática, sem preocupaçao em participar das atividades. Isto deve-se, provavelmente, ao fato de que estes estudantes estao acostumados com o ETV, o qual infere o comportamento do aluno como ouvinte, apenas como um receptor do conteúdo transmitido pelo professor, que no ETV, é considerado como detentor único do conhecimento. Infelizmente, este comportamento, muito presente no ensino atual, dificulta a aplicaçao de novas metodologias didático-pedagógicas, as quais trazem uma abordagem diferente em sala de aula, uma pedagogia construtivista de ensino, como é o caso do método de trabalho proposto.

Ao contrário do ETV, este método de trabalho, baseado na pedagogia construtivista, procura instigar a curiosidade, uma vez que o aluno é levado a encontrar as respostas a partir de seus próprios conhecimentos e de sua interaçao com a realidade e com os colegas. O construtivismo propoe que o aluno participe ativamente do próprio aprendizado, mediante a experimentaçao, a pesquisa em grupo, a interaçao com os outros, o estímulo à dúvida e o desenvolvimento do raciocínio. A prática pedagógica proposta, aplicada e discutida neste trabalho foi inspirada nas ideias do filósofo Jean Piaget (1896-1980).

A disciplina Introduçao à Engenharia Química, na qual foi desenvolvida esta atividade, tem como objetivo trazer reflexoes sobre a futura profissao, suas responsabilidades e os conhecimentos que devem ser adquiridos. Nesse sentido, a concepçao construtivista vem ao encontro das necessidades deste profissional, desenvolvendo habilidades e conhecimentos necessários, além de motivar os alunos e consequentemente diminuir a desistência destes do curso, o que é muito comum nos cursos de engenharia. Segundo dados obtidos no Portal Eletrônico do Ministério da Educaçao, existem mais de 3900 cursos de Bacharelado em Engenharia em atividade no país.²⁰ O número de matrículas em Engenharia no ano de 2013 representava 14% das matrículas em todas áreas de atuaçao do ensino superior,²¹ todavia, o número de concluintes é muito menor e representava apenas 8,2% em 2013. Outro censo revela ainda que a evasao nos cursos de Engenharia é de aproximadamente 50%.²²

Com o intuito de verificar a eficácia da atividade didática proposta foi utilizado o teste estatístico nao paramétrico de Wilcoxon para analisar os resultados obtidos do pré-teste e do pós-teste, ambos aplicados aos alunos da disciplina de Introduçao à Engenharia Química de uma instituiçao pública. Esta análise estatística objetiva avaliar se a aprendizagem destes alunos foi significativa após a realizaçao do experimento proposto em sala de aula. A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos para o teste estatístico.

Como a amostra apresenta N ≤ 25, o valor de T_crítico é obtido na tabela dos valores críticos de Wilcoxon. Observa-se, na Tabela 1, que T_calculado < T_crítico. Nesse caso, rejeita-se a hipótese de que as médias sao iguais (H₀) utilizando α = 5%. Ou seja, há diferença entre as médias de acertos obtidas para o pré-teste e o pós-teste e, como a média de acertos do pós-teste foi maior do que a do pré-teste, pode-se inferir que a aprendizagem dos alunos foi significativamente maior após a realizaçao do experimento em sala de aula. Logo, a metodologia didática proposta e aplicada neste trabalho possibilitou uma melhora efetiva no processo de ensino-aprendizagem dos alunos da disciplina de Introduçao à Engenharia Química.

Embora esta metodologia didática tenha sido aplicada na disciplina de Introduçao à Engenharia Química de uma instituiçao pública, cabe salientar que esta nao é restrita a este curso e instituiçao, podendo ser aplicada em outros cursos de ensino superior e em outras instituiçoes. Um outro exemplo de aplicaçao, descrito por Andreatta-da-Costa,²³ foi no curso de Engenharia Civil.

Percepçao dos alunos

A Tabela 2 apresenta as respostas dos alunos para a pesquisa de satisfaçao, que foi aplicada após a realizaçao da atividade prática em sala de aula. Dos 25 alunos participantes, 15 responderam à pesquisa (60%). Para que se pudesse conhecer os alunos da disciplina de Introduçao à Engenharia Química, visando um melhor entendimento das respostas destes quanto à atividade prática realizada, a pesquisa iniciou com alguns questionamentos sobre a disciplina.

Primeiramente, analisando as respostas relacionadas à disciplina de Introduçao à Engenharia Química, vemos pela Tabela 2 que a maioria dos estudantes gosta de cursá-la, pois 66,67% responderam positivamente à assertiva "gosto de estudar a disciplina de Introduçao à Engenharia Química" e apenas 6,67% (1 aluno) discordaram, deixando claro a falta de motivaçao para cursar a disciplina. As respostas que nao foram positivas, nesse caso, podem estar relacionadas com a maneira a qual esta disciplina é ministrada, pois sao muitos temas a serem abordados em um curto espaço de tempo e muitas das aulas acabam sendo essencialmente expositivas e sem interaçao professor-aluno.

O mesmo resultado foi obtido para a questao "considero que esta disciplina é importante para o meu futuro profissional", demonstrando uma situaçao de reconhecimento positivo quanto à importância dessa disciplina que abre as portas para que esse estudante, recém-chegado no curso, possa conhecer um pouco daquilo que tratará em sua vida profissional quando se graduar engenheiro químico.

Quanto ao interesse pelas matérias abordadas na disciplina, através das respostas à afirmativa "sinto grande interesse pelas matérias abordadas nesta disciplina", fica claro o desinteresse de quase metade dos entrevistados, pois apenas 53,33% responderam que sim, têm interesse nas matérias que sao abordadas. Esse é um resultado que preocupa pois, como se trata do primeiro semestre do curso, é nessa disciplina que o estudante tem maior contato com os temas relacionados à profissao escolhida, no mais, sao cursadas as disciplinas básicas para o curso, tais como Cálculo, Física e Química.

Uma resposta positiva e unânime foi dada para a questao "sinto-me capaz de um bom desempenho nesta disciplina". Ela pode estar relacionada à forma de avaliaçao, pois como se trata de uma disciplina de introduçao, nao sao realizadas provas e a nota final é resultado da participaçao em aula. A assertiva "sinto facilidade em compreender os assuntos abordados nesta disciplina" teve um retorno quase que totalmente positivo, apenas uma resposta foi indiferente. Isso mostra que conteúdos que podem ser tao complexos para os ingressantes do curso estao sendo apresentados de uma forma simples, permitindo sua compreensao.

Passando para os questionamentos relacionados à atividade prática realizada, a grande maioria dos estudantes demonstrou ter gostado de participar da mesma, pois para a afirmativa "gostei de realizar esta atividade prática" apenas 1 aluno se mostrou indiferente. Para esses estudantes a oportunidade de participar de uma aula em que há interaçao com o professor, realmente fazer parte da aula, diferente daquilo que estao acostumados, é uma motivaçao a mais. Todos concordaram que a atividade prática foi fácil de realizar, e esse era o objetivo, pois a intençao era de que todos pudessem aproveitar os conhecimentos construídos através do desenvolvimento da atividade.

Quanto à afirmativa "acredito que esta atividade tenha sido valiosa para mim", a maioria das respostas foi positiva, sendo que apenas 13,33% responderam ser indiferentes. Alguns estudantes que ingressam no curso de Engenharia Química sao formados em curso técnico e possuem conhecimento prévio de alguns pontos que foram abordados na atividade. Sendo assim, essa pode ter sido a razao das respostas indiferentes. Outro resultado positivo veio da assertiva "compreendi claramente o objetivo desta atividade prática", que teve concordância total dos respondentes ainda que, na sequência, quanto à afirmativa "esta atividade prática enquadra-se nos objetivos de aprendizagem da disciplina" um respondente tenha discordado, demonstrando que nao conseguiu compreender o objetivo da atividade que era o de apresentar, de uma forma simples e utilizando um exemplo do cotidiano, alguns conhecimentos bases da Engenharia Química.

Através da resposta à questao "o tempo disponibilizado para a realizaçao da atividade prática foi adequado", todos os alunos concordaram que este foi adequado. Isso reflete a importância de se fazer um planejamento para a conduçao da aula, pensar no tempo do aluno e adequar as atividades para que se encaixem dentro do horário disponível. O desenvolvimento da atividade prática foi pensado para que pudesse levar aos estudantes um conhecimento sobre o comportamento dos fenômenos de transporte, por isso o reconhecimento positivo obtido através da assertiva "a experiência contribuiu para compreender o comportamento dos fenômenos de transporte" tem grande significado. De todos os respondentes, apenas 1 aluno respondeu como sendo indiferente. Uma resposta preocupante veio da afirmativa "a atividade prática motivou-me a estudar", pois 13,33% dos respondentes discordaram e 26,67% responderam como sendo indiferente. Esse resultado preocupa, porque surgem os questionamentos: esses estudantes têm noçao da importância desses conhecimentos dentro da Engenharia Química? Será que eles têm noçao das dificuldades que irao enfrentar no segmento do curso e depois na vida profissional?²⁴ Espera-se que, com o tempo, eles percebam a importância de se estar motivado, de nao se acomodar apenas com aquilo que é recebido em sala de aula, mas sintam-se instigados a pesquisar mais, a conhecer mais, para que no fim possam aprender mais.

As respostas para as questoes "as perguntas antes da atividade ajudaram-me a pensar sobre o efeito de diferentes fatores na transferência de massa" e "as perguntas depois de cada etapa da experiência ajudaram-me a compreender o efeito de diferentes fatores na transferência de massa" trouxeram um resultado positivo sobre a estrutura do desenvolvimento da experiência. Elaborar algo que faça com que o aluno interaja com o professor e sinta-se instigado a pensar no que está acontecendo e nao apenas receba um conhecimento pronto, mas sim construa seu próprio conhecimento, nao é trivial e demanda tempo. Por isso, é tao importante que o professor esteja motivado e queira que o aluno realmente se aproprie do conhecimento.²⁵

Por fim, a última assertiva da pesquisa "acredito que esta atividade prática foi importante para a aprendizagem", traz um retorno otimista quanto à atividade desenvolvida. 93,33% dos respondentes, sem terem noçao dos resultados dos testes estatísticos que comprovam se a atividade melhorou ou nao o processo de ensino-aprendizagem, acreditam que a atividade contribuiu para sua aprendizagem, ou seja, dos 15 alunos que responderam à pesquisa, para apenas 1 deles a realizaçao do experimento foi indiferente na aprendizagem. Esse resultado evidencia o quanto atividades desta natureza podem impactar positivamente na compreensao dos conceitos por parte dos alunos. Além disso, motiva o professor a querer melhorar suas aulas e trazer novas experiências didáticas.

CONCLUSAO

Neste trabalho, avaliou-se a aplicaçao de uma atividade alternativa ao ETV para o ensino dos conceitos iniciais de transferência de massa para alunos da disciplina de Introduçao à Engenharia Química de uma instituiçao pública a partir da análise estatística de testes realizados anterior e posterior à prática experimental, utilizando-se, para a verificaçao desses conceitos, um exemplo do cotidiano.

A partir da avaliaçao do pré e pós-teste, é possível concluir que houve significância estatística na evoluçao do número de acertos dos alunos, o que indica que a atividade contribuiu positivamente a intervençao proposta em sala de aula.

Com relaçao à percepçao dos alunos quanto à atividade, pode-se concluir que, na visao dos alunos, a realizaçao da atividade prática foi válida e contribuiu positivamente no processo de ensino-aprendizagem, cumprindo com o objetivo proposto pelo grupo.

Na sequência desta pesquisa e em busca da comparaçao de atividades didáticas distintas, é possível realizar os mesmos testes aplicados neste trabalho (pré e pós-testes) com alunos de outro semestre que venham a estudar esse conhecimento através de outras atividades, como por exemplo, por métodos utilizados no ETV. Além disso, essa atividade pode motivar a inclusao do método construtivista no ensino de disciplinas duras, tanto no curso de Engenharia Química quanto em outras engenharias.

MATERIAL SUPLEMENTAR

As questoes do pré-teste entregues aos alunos estao disponíveis em http://quimicanova.sbq.org.br, na forma de arquivo PDF, com acesso livre. Destaca-se que as questoes do pré-teste nao foram modificadas em relaçao ao conteúdo quando na aplicaçao do pós-teste, as aletraçoes foram apenas no ordenamento das respostas (a,b,c ou I, II e II) e nas afirmaçoes (menor/maior, é/nao é, correto/incorreto).

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