Simulando a seleção natural na sala de aula

Metodologias participativas são boas alternativas para o ensino de evolução. Estudo testa duas simulações da seleção natural bastante usadas e mostra que ambas são igualmente eficazes na promoção da aprendizagem.

É bem conhecido de todos que a escola tende a ser magistrocêntrica: o professor costuma estar no centro do processo de ensino, deixando pouco espaço para atividade do estudante. Metodologias transmissivas ainda predominam, nas quais o professor explana durante tempos longos e cabe aos alunos exercitarem duas habilidades: escutar e ter paciência. Evidências empíricas e saberes docentes convergem em mostrar que essa abordagem tende a não ser bem-sucedida. As pessoas com frequência aprendem menos do que o esperado.

Ao redor do mundo, são mais comuns os fracassos do que os sucessos na aprendizagem de ciências. Até por volta do quinto ano do ensino fundamental, as crianças tendem a gostar de ciências. Elas são curiosas, querem saber de tudo, e até aquele momento sua atividade costuma estar no centro do processo. O ensino de ciências satisfaz sua curiosidade, estimula sua criatividade, por isso as crianças tendem a gostar de ciências. Mas alguma coisa acontece no quinto ano. Estudos têm mostrado que, a partir deste ano, a maioria dos estudantes passa a não gostar mais de ciências. O que acontece no quinto ano?

Como um trem desgovernado, o ensino de ciências desce ladeira abaixo com uma quantidade enorme de palavras desconhecidas, conteúdos complexos, teorias abstratas passando à frente dos estudantes. O trem corre a 100 Km/h pelas paisagens e depois queremos que os estudantes tenham aprendido detalhes do que viram. Num estudo sobre livros didáticos de biologia do ensino médio, estimamos que os estudantes deveriam aprender a partir dos livros, em média, 3290 conceitos ao longo de três anos. Espantoso seria se o ensino de ciências fosse, nestas condições, bem sucedido. Parece correto dizer que parte da solução é diminuir o currículo de biologia, com critérios claros e bons fundamentos. O mesmo provavelmente vale para os currículos de boa parte das outras disciplinas.

Parte da solução é, também, recuperar algo que a educação primária nos mostra: dar papel ativo ao estudante, estimular sua curiosidade e criatividade, promover suas habilidades de fazer e responder perguntas ajudam no sucesso do ensino e da aprendizagem de ciências. Em suma, trata-se de romper com o magistrocentrismo, com o protagonismo do professor, e até mesmo com o puericentrismo, com o protagonismo do estudante, armadilha na qual metodologias ativas, como as construtivistas, por vezes caem. A partir de tais rupturas, podemos chegar a métodos que estimulam a atividade dos alunos sem abrir mão da mediação do professor, que favorecem o diálogo dos alunos entre si e com o professor, mas dando centralidade ao diálogo com a cultura acumulada historicamente, mediada pela ação docente, sem protagonismos. Estamos no domínio das metodologias participativas, nas quais o papel do professor é o de um mediador da relação do estudante com o conhecimento, de modo a levá-lo a um domínio crescente desta ferramenta central para a existência humana.

O ensino de evolução sofre dos problemas decorrentes de metodologias transmissivas, tendo sido mostrado que os estudantes têm grande dificuldade de compreender ideias centrais do pensamento evolutivo e mantêm concepções equivocadas que dificultam o entendimento das explicações científicas da evolução mesmo após a instrução. Não causa espanto, então, que alternativas para o ensino de evolução estejam em destaque faz um bom tempo, numa busca de resolver tais problemas. Entre elas, temos alternativas pautadas por abordagens ativas e participativas, a exemplo de simulações do processo de seleção natural para uso em sala de aula.

Duas simulações da seleção natural

Há uma série de intervenções propostas para ensinar sobre seleção natural, incluindo simulações, mas a efetividade dessas intervenções raramente tem sido testada. Isso é grave, porque boas intenções não asseguram que uma proposta de ensino funcionará se aplicada em sala de aula.

Daí o grande interesse que me despertou artigo recentemente publicado no periódico Evolution: Education and Outreach por Denise Pope, Caleb M. Rounds e Jody Clarke‑Midura. Eles testaram duas simulações largamente usadas no ensino de evolução: Clipbirds e Darwinian snails.

Em nosso laboratório, adaptamos o jogo Clipbirds à realidade brasileira, chamando-o de Clipsitacídeos, numa dissertação de mestrado defendida em 2009 por Marta Moniz Vargens, que posteriormente deu origem a um artigo na Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências. Num suplemento ao artigo, apresentamos o jogo de maneira detalhada. Posteriormente, participamos da implementação do jogo em salas de aula do ensino médio, o que resultou em outro artigo.

O jogo Clipbirds foi desenvolvido por Al Janulaw e Judy Scotchmoor, da Universidade da Califórnia, em Berkeley. Ele simula um processo de mudança populacional devido a alterações do regime seletivo, mais especificamente, da oferta de alimentos, num contexto de separação geográfica e isolamento reprodutivo de uma população inicial de pássaros que apresentam variação fenotípica nos tamanhos de seus bicos. Os pássaros são representados por alunos divididos em duas populações, os quais manuseiam clipes que simulam os bicos das aves. Há variação de tamanho dos bicos (grandes, médios e pequenos) (Figura 1). O alimento é representado por sementes com diferentes tamanhos (Figura 2). Devido à variação de tamanho dos bicos em cada uma das populações, a expectativa é que ocorram, ao longo do jogo, modificações nas proporções de aves devido à eficiência diferencial de coleta dos alimentos disponíveis nos ambientes em que vivem. A simulação engaja os estudantes numa dinâmica competitiva dentro das populações de aves, na qual buscam alcançar melhores resultados (em termos de sobrevivência e reprodução) para os diferentes pássaros, a partir da quantidade de alimentos obtidos, com diferentes valores nutricionais. Os estudantes registram os resultados em termos da quantidade de sementes coletadas por cada tamanho de bico em cada população ao longo das gerações, calculam os valores dos alimentos em megacalorias e, a partir de uma tabela que informa quantas megacalorias são necessárias para sobreviver e para se reproduzir, retiram ou introduzem bicos de diferentes tamanhos a cada geração (ou seja, a cada rodada do jogo). As condições de variação de tamanho dos bicos e de oferta de sementes variáveis fazem com que seja esperada, ao final do jogo, uma maior proporção de pássaros com bicos grandes e pequenos nas duas populações, respectivamente. Em sala de aula, são observadas variações no resultado esperado, devido a diferenças de características dos próprios jogadores, como força, agilidade e escolha das sementes.

O jogo fornece bases para uma discussão sobre divergência de características de populações descendentes de uma população ancestral submetidas a diferentes regimes seletivos, podendo levar a uma discussão sobre especiação geográfica (ou alopátrica). Pode-se também implementar no jogo mecanismos genéticos subjacentes ao tamanho dos bicos, caso se deseje discutir o papel da recombinação na origem da variação populacional. Nesse caso, após cada rodada (ou geração), os estudantes colocam alelos das aves sobreviventes num saco e, a partir da retirada de alelos por sorteio aleatório, simulam a ocorrência de recombinação. Pode-se também criar um processo de introdução de novos alelos, caso se deseje simular mutações não-dirigidas; ou deriva genética, mediante o uso de um lance de dados após a primeira geração, que retira todas as aves de um dado fenótipo.

O jogo possibilita, assim, diferentes dinâmicas, planejadas a partir dos assuntos que o professor deseja abordar. É possível trabalhar conceitos básicos para a compreensão da seleção natural: sobrevivência e reprodução diferenciais, baseadas em características herdáveis; variação de características nas populações e sua relação com eficiência na obtenção de recursos; recombinações e mutações não-dirigidas pelo ambiente ou pelas necessidades dos organismos, como fonte de variações; mudanças de frequências de características ao longo das gerações de uma população, graças à seleção natural; e, com discussão adicional em sala de aula, especiação alopátrica.

Figura 1.jpg
Figura 1: Clipes representando bicos dos pássaros no jogo Clipsitacídeos, na adaptação feita por nós para o contexto educacional brasileiro. De: Reis et al. (2013). http://www.cienciaemtela.nutes.ufrj.br/artigos/0602sa01.pdf
Figura 2-1
Figura 2: Sementes representando alimentos no jogo Clipsitacídeos, na adaptação feita por nós para o contexto educacional brasileiro. De: Reis et al. (2013). http://www.cienciaemtela.nutes.ufrj.br/artigos/0602sa01.pdf

O módulo Darwinian Snails, de SimBio Virtual Labs®, foi construído a partir dos estudos de Robin Seeley sobre o efeito da predação do caranguejo-verde-europeu (Carcinus maenas) sobre a evolução da espessura da concha do caramujo Littorina obtusata na Nova Inglaterra (uma discussão detalhada de uma versão inicial do módulo é encontrada em artigo de 2009). Na primeira parte do módulo, os estudantes desempenham o papel de caranguejos comendo os caramujos, sendo instruídos a maximizar sua eficiência de captura. Isso faz com que eles tipicamente busquem os caramujos com as conchas menos espessas e, ao longo de três gerações, podem ver como isso afeta a distribuição de espessura das conchas. Feita esta introdução, os estudantes não mais participam da simulação diretamente, mas apenas adicionam caranguejos à população de caramujos, escolhendo parâmetros e controlando a simulação. Em sequência, eles são orientados a rodar a simulação sem variação de características, sem herança de características e sem sobrevivência diferencial, de modo a demonstrar que cada um desses fatores é necessário para a seleção natural. Em seguida, mutação como fonte de variação é introduzida e eles podem observar na simulação que a direção da mutação é aleatória (isto é, a progênie pode ter conchas que são tanto mais espessas quanto mais finas do que as conchas de seus pais) e a presença de caranguejos não influencia nesta direção. Ao longo das simulações, são colocadas questões para os estudantes e são fornecidos textos para leitura, visando aumentar sua compreensão das condições necessárias à seleção natural, bem como confrontar concepções equivocadas comuns. Há também uma extensão que permite simular com os estudantes uma investigação sobre a seleção natural dos caramujos sob o regime seletivo de predação pelos caranguejos. Uma demonstração do módulo Darwinian Snails é encontrada no You Tube.

Testando as simulações com estudantes universitários de biologia

Denise Pope e colaboradores analisaram o efeito das simulações Clipbirds e Darwinian Snails sobre a experiência e a aprendizagem de estudantes de um curso prático (laboratorial) obrigatório para estudantes de biologia de uma universidade pública do nordeste dos Estados Unidos. O curso é frequentado por mais de 800 estudantes a cada vez que é ofertado e as amostras investigadas incluíram cerca da metade dos estudantes matriculados (a amostra variou para cada fonte de dados, mas não precisamos entrar nesses detalhes aqui). Um dos interesses do estudo era comparar uma simulação física (Clipbirds) e uma simulação virtual (Darwinian Snails), diante da expectativa de que estas duas modalidades de simulação poderiam resultar em diferenças de aprendizagem e experiência.

Para analisar a compreensão da seleção natural, foi usado um questionário de múltipla escolha contendo 14 itens, derivados de três instrumentos de coleta de dados validados. Este questionário foi aplicado antes do curso (pré-teste) e após o curso (pós-teste). Um mês após o curso (pós-teste atrasado), os estudantes responderam outro instrumento voltado para a avaliação de seu entendimento da seleção natural, consistindo de duas questões abertas específicas para cada simulação e seis questões comuns, incluindo questões de múltipla escolha e abertas. A experiência dos estudantes foi analisada com base em autorelato sobre suas respostas afetivas e motivacionais às atividades e observações estruturadas do trabalho em sala de aula.

Nas duas simulações, os estudantes mostraram ganhos significativos em sua compreensão da seleção natural, mas não houve diferenças entre as duas simulações, seja nos escores dos questionários de múltipla escolha (comparando pré- e pós-teste), seja na prevalência de conceitos necessários ao entendimento da seleção natural e de concepções equivocadas nas respostas escritas (comparando pré- e pós-teste atrasado). Um limite do estudo é a ausência de um controle que engajasse os estudantes em modos mais comuns através dos quais evolução é ensinada. Sem esse controle, não podemos saber se os ganhos de aprendizagem observados poderiam ocorrer mesmo na ausência das simulações, apenas em decorrência do fato de que os estudantes dedicaram certo tempo à aprendizagem sobre seleção natural. Em estudo realizado por nós, comparamos a aprendizagem com a simulação Clipbirds com um controle empregando uma metodologia ativa comumente usada nas escolas, a elaboração de cartazes sobre os mesmos conteúdos trabalhados na simulação. Os resultados que obtivemos mostram a pertinência de nossa preocupação com a ausência de controle no estudo de Pope e colaboradores: tanto a simulação quanto a elaboração de cartazes levaram a ganhos de aprendizagem em nosso estudo, mas não houve diferença significativa entre os dois tratamentos experimentais. Isso mostra que uma atividade que não seja uma simulação pode gerar os mesmos ganhos que uma simulação, uma possibilidade que não pode ser analisada no desenho experimental usado por Pope e colaboradores.

Quanto à experiência dos estudantes com as simulações Clipbirds e Darwinian Snails, os autores observaram nos autorelatos que eles haviam gostado mais da simulação física do que da virtual, o que pode ser explicado por fatores intervenientes, como as maiores oportunidades que a simulação física propiciava para interação social e atividades que não estavam focadas no trabalho proposto. As observações em sala mostraram diferenças nas distribuições de comportamentos nas duas simulações, com maior frequência na simulação física de comportamentos que se desviavam da atividade.

A conclusão dos autores é que ambas as simulações são ferramentas valiosas para aprendizagem ativa dos estudantes sobre seleção natural. Diante da ausência de diferenças significativas na aplicação das simulações, eles propõem que a decisão sobre qual usar em sala e como implementá-la pode ser motivada por fatores contextuais, próprios das situações de ensino nas quais os professores trabalham. Mas, considerando tanto os achados deles como nossos próprios achados, podemos dizer que, embora as simulações sejam ferramentas valiosas, não é possível dizer que sejam mais valiosas do que outras metodologias ativas. De qualquer modo, tanto Clipbirds quanto Darwinian Snails são boas ferramentas a incorporar no repertório de alternativas para uso por professores de biologia no ensino de evolução. Afinal, a prevalência de dificuldades de aprendizagem e concepções equivocadas mostra a pertinência de se explorar novas maneiras de ensinar evolução.

 

Charbel N. El-Hani (Instituto de Biologia/UFBA)

PARA SABER MAIS:

Abraham, J. K.; Meir, E.; Perry, J.; Herron, J. C.; Maruca, S. & Stal, D. (2009). Addressing undergraduate student misconceptions about natural selection with an interactive simulated laboratory. Evolution: Education and Outreach 3: 393–404.

Freeman, S.; Eddy, S. L.; McDonough, M.; Smith, M. K.; Okoroafor, N.; Jordt, H. & Wenderoth, M. P. (2014). Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. PNAS 111:8410–8415.

Gregory, T. R. (2009). Understanding natural selection: essential concepts and common misconceptions. Evolution: Education and Outreach 2: 156–75.

Nehm, R. H. (2006). Faith-based evolution education? Bioscience 56: 638–9.

Pope, D. S.; Rounds, C. M. & Clarke-Midura, J. (2017). Testing the effectiveness of two natural selection simulations in the context of a large‑enrollment undergraduate laboratory class. Evolution: Education and Outreach 10: 3.

Reis, V. P. G. S.; Carneiro, M. C. L.; Amarante, A. L. A. C. P.; Almeida, M. A.; Sepulveda, C. A. S. & El-Hani, C. N. (2013). O jogo dos clipsitacídeos: Uma simulação do processo de seleção natural como estratégia didática para o ensino de evolução. Ciência em Tela 6(2): sa01.

Seeley, R. H. (1986). Intense natural selection caused a rapid morphological transition in a living marine snail. PNAS 83: 6897–901.

Vargens, M. M. F. & El-Hani, C. N. (2011). Análise dos efeitos do jogo clipsitacídeos (clipbirds) sobre a aprendizagem de estudantes do ensino médio acerca da evolução. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências 11(1): 143-168.

Figura de abertura: Clipsitacídeos (Clipbirds). De: Reis et al. (2013). O jogo dos clipsitacídeos: uma Simulação do processo de seleção Natural como estratégia didática Para o ensino de evolução. http://www.cienciaemtela.nutes.ufrj.br/artigos/0602sa01.pdf

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