INTRODUÇÃO

No final da década de 80 alguns pesquisadores desenvolveram trabalhos interessantes na área da modelagem mental baseando-os nas teorias construtivistas da aprendizagem.

O conceito de modelagem mental está associado a representação de relações entre elementos e fenômenos do mundo real ou imaginário, através dos processos de observação, experimentação, análise crítica e tomada de decisões, numa constante "construção e reconstrução" do conhecimento.

O processo de modelagem pode ser enriquecido com a utilização de tecnologias interativas (computador) que podem permitir com mais facilidade a criação, experimentação e reconstrução de modelos, com a possibilidade de um feedback expressivo a partir de sua execução.

No ambiente educacional a modelagem pode ter um papel importante, propiciando aos professores e alunos momentos de reflexão, interação e debate.

MODELOS MENTAIS

São características do pensamento humano a capacidade de fazer operações, de explicar eventos, de resolver problemas e de criar modelos.
Várias são as teorias psicológicas que tentam explicar como se dá o desenvolvimento do raciocínio do ser humano.

Entre elas temos a teoria Construtivista de Piaget que se preocupa em descrever o que usamos para pensar - "as ferramentas do pensamento". Segundo Piaget, o início do pensamento é a ação. É através da ação que a criança começa a elaborar seu raciocínio e a desenvolver operações mentais ou esquemas. Quando a criança começa a pensar sobre o mundo através da imitação, imagens e uso da linguagem, não é mais tão dependente dos esquemas de ação. Sua teoria se preocupa em descrever como esses esquemas se desenvolvem e permitem nos adaptarmos ao mundo que nos rodeia. O uso de esquemas mais elaborados fazem a passagem da ação física para ações mentais.
As ações da criança no mundo tornam-se esquemas mentais internos através de atividades lógico-matemáticas - trabalho intelectual inconsciente que permite abstrair, generalizar um esquema a partir de uma situação de ação no mundo. Uma vez abstraído e internalizado, o esquema pode ser aplicado a outras situações.

Para outro teórico, Vygotsky, o processo de desenvolvimento do raciocínio não se dá apenas da ação individual para os esquemas internos. Esse processo é social e a linguagem é o mediador entre o social e o individual. Para se tornarem processos mentais internos, as atividades sociais externas são internalizadas pela linguagem. O pensamento passa a existir através das palavras ou de outras manifestações (pintura, música, tecnologia...) e assim podemos pensar sobre ele. O pensamento flui em movimentos internos por vários planos: desde o motivo que o gera até sua formação (discurso interno, intenção de palavras, palavras externalizadas).

Uma outra teoria é a dos modelos mentais. Segundo Johnson-Laird, o centro psicológico do conhecimento consiste em se ter um modelo do fenômeno na cabeça. Esse modelo tem uma estrutura de relação similar ao processo que ele modela. A criança representa o mundo real construindo modelos com símbolos (lembranças) e procurando exemplos e contra-exemplos. Modelos mentais são ferramentas para pensar.
 

Modelos mentais podem ser adquiridos sem instrução prévia. Assim, o conhecimento é implícito e sem possibilidades para reflexão. Ou ainda, podem ser derivados de ensinamento, de forma consciente e passíveis de reflexão. Johnson-Laird diz que se você tem idéia do que causa certo fenômeno, os resultados que se obtém, como controlá-lo ou alterá-lo, ou ainda, relacioná-lo com outros fenômenos, você entende esse fenômeno porque tem um modelo dele funcionando em sua mente.

Os modelos mentais são mais simples que os reais e podem não ser completos ou tecnica e cientificamente corretos mas eles existem para explicar ou ajudar a entender situações do mundo real.

Segundo Rosalind Driver, várias são as interpretações a respeito do que vem a ser um modelo mental:

Uma interpretação simplista seria a de que um modelo mental é a representação daquilo que se tem na mente. Assim, pensar envolve criação e internalização de modelos simplificados da realidade.

Para a Ciência Cognitiva, modelos mentais são representações de um domínio que envolvem previsões, explanações e simulações. Caracterizam as formas pelas quais compreendemos os sistemas com os quais interagimos.

Rouse e Morris (1986), na área de Supervisão e Controle de Sistemas, dizem que um modelo mental inclui conhecimento sobre o sistema a ser controlado, sobre as perturbações prováveis de afetar seu funcionamento e estratégias com a tarefa de controle. É um mecanismo para explicar o funcionamento desse sistema e prever estados futuros.

Gentner e Stevens (1983) compartilham da idéia de que o comportamento de uma pessoa é melhor explicado em termos do conteúdo de sua mente, de seus conhecimentos e crenças, independente de quaisquer mecanismos mentais. Dessa forma, os modelos mentais são construídos por analogia com sistemas mais familiares.

Um outro pressuposto é o de que ao fazer previsões ou explicar o funcionamento de um sistema a pessoa simula mentalmente uma estrutura simbólica de componentes interligados. deKleer e Brown (1981) acreditam que uma pessoa ao manipular seus modelos mentais faz inferências e previsões numa forma de simulação mental. É como imaginar um programa de computador sendo rodado. Os modelos mentais são elaborados conscientemente ou inconscientemente baseados em estruturas semânticas. Representam nossos conceitos sobre o mundo.

A teoria de modelos mentais de Johnson-Laird (1983) diz que nossa habilidade em dar explicações está intimamente relacionada com nossa compreensão daquilo que é explicado, e para compreender qualquer fenômeno ou estado de coisas, precisamos ter um modelo funcional dele. Tais modelos são análogos aos eventos que acontecem no mundo real, embora incompletos e não tão fiéis. Mas permitem ao sujeito compreender fenômenos e evntos, atribuir causalidade, tomar decisões e controlar sua execução.
Alguns desses modelos são adquiridos através da interação com o meio e com outras pessoas, pelas experiências sensoriais. Outros, através da transmissão de conhecimento e da cultura.

Carrol e Olson (1988) apresentam uma outra definição para modelos mentais. Eles dizem que um modelo mental é uma estrutura rica e elaborada que reflete a compreensão do indivíduo sobre o sistema, de como ele funciona e por que funciona daquela maneira. É o conhecimento que o indivíduo tem sobre o sistema que permite experimentar ações mentalmente antes de executá-las.
 
 
 

Modelagem e Pensamento

A modelagem pode ser uma forma de externalizar o pensamento. Através de atividades de modelagem, o pensamento ou o raciocínio sobre determinado assunto pode ser explicitado.

Os modelos mentais do mundo que a criança tem são fundamentais na explicação de um modelo que está sendo criado ou experimentado. Portanto, o conhecimento prévio que ela traz consigo é muito importante pois ela precisa comparar o modelo ao mundo real para se certificar que suas concepções espontâneas a respeito do assunto que está sendo modelado têm fundamento ou não.

Modelos são representações de nosso pensamento a respeito de um mundo real ou imaginário. Servem tanto para expressar o que pensamos a respeito de algum fenômeno como para modificarmos o que pensamos sobre ele.

Para explicitar um modelo mental, ou seja, explicar experiências e conhecimento sobre determinado domínio, pode-se usar diferentes maneiras de expressar as idéias, dependendo do ponto de vista de quem vai expô-las. São três os tipos de raciocínio ou modelagem usados nesse momento:

MODELOS QUANTITATIVOS - usam relações matemáticas e variáveis para descrever ou modelar uma situação do mundo real. Para descrever uma situação, a pessoa tem que ser capaz de identificar suas variáveis e especificar suas relações. É necessário transformar itens reais em expressões matemáticas. Esse tipo de modelagem é bastante usado no mundo científico-matemático.

MODELOS QUALITATIVOS - são baseados numa especificação descritiva dos objetos e suas relações no mundo. É como quando explicamos para alguém como alguma coisa funciona. Por não usar expressões matemáticas, torna-se pouco prático seu uso no caso de se necessitar repetir ou simular situações de maneira mais automatizada.

MODELOS SEMI-QUANTITATIVOS - usam relacionamentos ordinais para descrever comportamentos (incrementar, decrementar, maior que, menos que, relações de causa e efeito) . São os mais usados para descrever situações do dia-a-dia, de como e por que mudanças ocorrem. Contribuem para uma melhor compreensão dos fatos reais porque permitem que as pessoas externalizem e discutam suas idéias sobre em determinado assunto num nível mais conceitual ao invés de funcional.

MODELAGEM E EDUCAÇÃO

No processo educativo tanto o aspecto individual quanto o social devem ser fortemente considerados para o desenvolvimento das atividades de ensino-aprendizagem. O indivíduo constrói seu conhecimento a partir de suas concepções espontâneas, desenvolvendo-as a partir de sua interação com o ambiente físico e social.

O conceito de modelagem cognitiva em Educação está associado a representação de relações entre elementos e eventos do mundo real ou imaginário, através dos processos de observação, experimentação, análise crítica e tomada de decisões, numa constante "construção e reconstrução" do conhecimento (Rezende).

O processo de modelagem em Educação constitui a forma pela qual o indivíduo vai assimilando novos modelos mentais, modificando os já existentes ou até substituindo os anteriores por outros mais completos. Para o pleno desenvolvimento deste processo é necessário qua haja um ambiente rico em desafios que causem a "desiquilibração das estruturas cognitivas" dos alunos; que estimule a comunicação , tendo a linguagem um papel crucial na troca de experiências e viabilização da expressão oral; que possibilite liberdade aos alunos e professores para questionarem e serem questionados e, principalmente, se auto-questionarem, de forma que manipulem suas idéias compreendendo a natureza da própria atividade de construção do conhecimento.

O uso da modelagem em educação com utilização de tecnologias interativas, como o computador, pode imprimir ao processo um aspecto mais dinâmico, na medida em que o modelo pode ser "rodado" , testado e validado ou não. Os resultados podem direcionar a reestruturação e melhoria do modelo inicial, melhorando qualitativamente o processo "ensino-aprendizagem".

Concepções Espontâneas

Concepções espontâneas são os conceitos  e o conhecimento que o aluno tem sobre determinado assunto, decorrente de suas próprias experiências e intuições. Acredita-se que o aluno não chega à escola sem nenhum conhecimento prévio, já que ele interage com um ambiente que propicia situações de aprendizado (Driver).

Na escola, as situações de aprendizagem devem partir da realidade do aluno, do que ele aprende diariamente fora dela [REF]. Durante a realização de atividades de modelagem, as concepções espontâneas do aluno orientam o caminho que irá percorrer na solução de um problema. Na prática educativa estas concepções devem emergir de forma livre, a partir do questionamento constante do professor, levando o aluno a conscientizar-se que as possui e realizar uma reflexão sobre sua funcionalidade. Assim, o aluno pode acrescentar novas concepções as suas próprias, reorganizar as já existentes ou até rejeitá-las, substituindo-as por outras novas concepções.

Mudança Conceitual

O processo pelo qual o aluno modifica suas concepções espontâneas em direção ao conhecimento cientificamente construído, através de refinamentos sucessivos e a partir de situações de questionamento constante, é chamado de mudança conceitual .

Segundo Schnetzler, a mudança conceitual de um aluno ocorre freqüentemente de três formas diferentes:

acréscimo de novas concepções em função de experiência posterior do aluno, através do seu desenvolvimento pessoal e pelo contato com idéias de outras pessoas;
reorganização das concepções existentes, tanto desafiadas por alguma nova idéia externa ao aluno quanto como resultado de um processo de pensamento desenvolvido internamente por ele próprio;
rejeição de concepções existentes, como resultado de uma reorganização conceitual que implica substituição dessas por outras concepções novas, em função do confronto entre o seu ponto de vista anterior com o ponto de vista do conhecimento científico.

Com base nesta visão, o aluno (criança ou adulto) traz consigo estruturas de modelos mentais correspondentes a sua própria realidade e visão do mundo.

Desenvolvimento Conceitual

Atualmente as tendências na construção do conhecimento apontam para o desenvolvimento conceitual, processo pelo qual os alunos desenvolveriam seus próprios conhecimentos em direção ao conhecimento científico, passando de noviços para especialistas. O que diferenciaria estas duas posições na construção do conhecimento seria a organização da informação.

Desta forma, o aluno (noviço) teria seus próprios modelos mentais, diferentes dos modelos do professor (especialista) na forma da organização dos conhecimentos. O aluno iria desenvolvendo seus modelos a partir de situações propostas pelo professor, organizando seus conhecimentos de forma a atingir a organização dos modelos cientificamente aceitos ou até desenvolvendo outros mais perfeitos ou completos.

Modelos Mentais e Aprendizagem

A teoria dos modelos mentais oferece uma explanação alternativa das diferentes formas pelas quais as pessoas pensam e sua forma de raciocinar sobre os processos de dedução e indução.

Os modelos mentais podem resultar de instrução intencional e formal ou de uma situação incidental e informal de aprendizagem, como também da integração das duas formas. As situações de aprendizagem na escola (situação sistemática de ensino) devem favorecer a modelagem do primeiro tipo, porém sempre partindo e aproveitando os modelos construídos pelo segundo tipo (situação assistemática de ensino), favorecendo então a ocorrência da interação de ambas situações.

Segundo Harvey Mellar e Joan Bliss , há dois tipos de atividades de aprendizagem:

exploratórias - atividades que envolvem o aprendiz na exploração de um tópico apresentado pelo professor ou especialista, trabalhando-se com modelos já prontos. O modelo, depois de criado por alguém, passa a ser uma ferramenta para se pensar sobre o fenômeno estudado. Pode-se experimentar e refletir sobre suas próprias idéias a respeito daquele assunto de maneira mais "concreta", para confirmar suas hipóteses ou mudar de opinião.
expressivas - atividades nas quais o aprendiz expressa suas próprias idéias criando seu próprio modelo. Usar uma ferramenta no modo expressivo pode fazer com que o modelo criado se assemelhe mais ao modelo mental do pensamento que se pretende exteriorizar.

Através das atividades exploratórias o aluno vai trabalhar sobre modelos já construídos e apresentados percebendo sua estrutura e sua dinâmica. Nas atividades expressivas o aluno vai expressar sua concepções na construção de seus próprios modelos. Ambas atividades são diferentes,porém complementares para o processo de aprendizagem.

A modelagem mental requer uma postura diferente no ambiente educacional, proporcionando condições e situações nas quais aluno, professor e meio possam interagir de forma integrada e dinâmica, no desenvolvimento de habilidades e capacidades.

Segundo Borges, algumas conclusões sobre a modelagem mental devem ser consideradas no processo educativo:

• Os modelos mentais dos alunos evoluem com o desenvolvimento psicológico e com a instrução (mudança conceitual).
• As dimensões ao longo das quais os modelos individuais evoluem devem ser consideradas.
• O vocabulário e as entidades usadas para falar sobre um sistema devem ser introduzidas explicitamente pelo professor em sala de aula.
• Professores e livros devem ser claros sobre o modelo utilizado para abordagem de um determinado assunto.
• Diferentes tipos de informação podem ser exibidas num modelo, dependendo do seu propósito.

Diferentes modelos devem ser desenvolvidos para ensinar sobre um domínio, dependendo dos objetivos escolhidos pelo professor.

MODELAGEM MENTAL COM USO DE TECNOLOGIAS INTERATIVAS (COMPUTADOR)

Modelagem Mental e Modelagem Computacional

A modelagem mental representa casos gerais ou específicos de um domínio. A teoria de modelos mentais tenta explicitar o entendimento humano acerca dos objetos e dos fenômenos.

A ação de construir ou manipular um modelo computacional é normalmente um processo conciso que envolve pensamento sofisticado sobre quais entidades, propriedades e relações serão incluídas.

Os sistemas de modelagem computacional mais conhecidos são: Hypercard, Adex, Linx88, Knowledge Pad, STELLA, IQON, Sistemas de Modelagem Dinâmica, Sistema de Modelo Celular, Expert Builder, Model Builder, SemNet.
 

FERRAMENTAS DE MODELAGEM EM EDUCAÇÃO

No ambiente educacional, as ferramentas de modelagem devem possuir características específicas que possam disparar nos alunos habilidades cognitivas necessárias ao processo de ensino-aprendizagem.

Devem fundamentar-se nas pesquisas sobre formação de conceitos e concepções espontâneas, encarando a aprendizagem como processo de criação, teste e comunicação de representações do mundo.

As principais características de uma ferramenta de modelagem devem ser:

prover estruturas que facilitem a expressão de todos os tipos de pensamento;
permitir atividades diversas de modelagem, de acordo com domínios específicos;
  realizar a transição dos modelos mentais para os modelos computacionais;
comportar a manipulação de variáveis e operações sintáticas;
ter uma interface de manipulação direta;
possibilitar a representação de múltiplos objetos, conjugando fidelidade perceptual e conceitual.
 

Principais ferramentas de modelagem computacional utilizadas em Educação:

STELLA

STELLA é acrônimo para "Structural Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation" (Richmond et al.). Desenvovilda inicialmente para computadores Apple Macintosh, é uma ferramenta de modelagem quantitativa que usa metáforas de tanques, válvulas e canos. Atualmente existem as versões STELLA II para Macintosh e o STELLA 3.0 para Windows.

Permite a construção de um modelo através da conexão de objetos básicos e o usuário não necessita pensar sobre que linhas de programa escrever. Pode-se obter gráficos de quaisquer variáveis com a possibilidade de geração de uma tabela de dados.

É uma ferramenta muito flexível, onde diagramas animados, gráficos, tabelas e equações são todos acessíveis.

Este programa permite ao aluno construir e executar modelos matemáticos usando uma interface gráfica de fácil compreensão.

Mathpert

Beeson (1989) detalhou Mathpath (MATH exPERT) como um sistema especialista em matemática com capacidades extensivas, suportando aprendizado de álgebra, trigonometria e introdução ao cálculo. Provê soluções passo-a-passo, através de um método de ensino baseado no modelo do estudante. Apresenta ferramentas transparentes que utilizam uma interface do tipo ITS (Intelligent Tutoring Systems). Difere de outros tutoriais em matemática por proporcionar condições para o desenvolvimento de certas habilidades cognitivas. Isto significa que resolve problemas como os estudantes resolveriam, com rotinas transparentes.

Lispits

Cobert and Anderson desenvolveram o LISP Intelligent Tutoring System (LISPITS), o qual instrui o estudante em programação da linguagem LISP. É baseado nos princípios da teoria de cognição proposta por Anderson, conhecida por ACT. A teoria ACT propõe que a solução de problemas humanos é realizada pela integração de um conjunto de regras, que podem ser formalizadas e definidas através de instruções.

Planilhas Eletrônicas

São ferramentas comerciais de modelagem quantitativa que têm sido recentemente utilizadas em pesquisa e ensino de Ciências. Formam um "pacote" que inclui gráficos, funções de banco de dados e uma linguagem de programação "macro". Apresenta algumas limitações pois o usuário tem que começar escrevendo equações e não é possível a visualização dos processos que estão sendo modelados.

DMS (Sistema de Modelagem Dinâmica)

Ferramenta de propósito geral que permite ao usuário trabalhar através da exploração de modelos, como simulações (atividades exploratórias), e também como ferramenta de modelagem onde o usuário expressa suas próprias representações (atividades expressivas). Projetada para auxiliar aqueles que sabem pouco sobre linguagens de programação e cálculo. Apresenta um editor de programa, uma fenda esperando por um modelo e um "plotador" de gráficos.

CMS (Sistema Celular de Modelagem)

Também é uma ferramenta de propósito geral que permite trabalhar nos modos expressivo e exploratório. A base do sistema é uma planilha eletrônica de células, similar às células de uma planilha comercial. Requer a identificação de variáveis e equações matemáticas. Segundo Ogborn, lida com uma ampla classe de problemas: modelos de equações diferenciais e diferenças finitas.

IQON (Quantidades que Interagem Omitindo Números)

Desenvolvida na linguagem Smalltalk, por Rob Miller, professor do Imperial College of Science and Technology, para tarefas de raciocínio semi-quantitativo, permite a representação de sistemas em termos de variáveis interativas, especificando as relações entre elas. Se uma varável é alterada, a ferramenta mostra quais variáveis serão afetadas, enquanto faz os cálculos. Trabalha com interface de manipulação direta.

LINKIT

Desenvolvida por Fábio Ferrentini, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, é uma ferramenta de modelagem semi-quantitativa, baseada no sistema IQON. Apresenta interface de manipulação direta com utilização de diagramas causais que indicam os relacionamentos entre as variáveis. O diagrama de caixas e links é animado, podendo-se visualizar as modificações ocorridas durante a execução do programa.
 

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