A estrutura eletrônica do átomo : um estudo sobre o conhecimento de química quântica no ensino superior

Abstract

Neste estudo, foram investigados as concepções e os obstáculos de aprendizagem química quântica de estudantes universitários de cursos de química da UFRGS. Empregou-se metodologia qualitativa e os dados foram coletados por meio de dois questionários, um no início e outro no final do semestre contendo questões representacionais e conceituais de química quântica Também foi realizada, em outro semestre, uma intervenção na disciplina de Química Quântica por meio de aulas extras de forma online, aplicando metodologias ativas. Não foi possível notar uma melhoria na compreensão dos alunos quanto à estrutura eletrônica do átomo. Os estudantes tiveram melhor desempenho com questões representacionais do que questões conceituais em ambos os questionários. A análise dos questionários sugere um processo de aprendizagem mecânica de conceitos relacionados à química quântica, oposto à aprendizagem significativa. As médias de acertos para os Q1 e Q2 foram 45,0 e 23,3%, respectivamente. Esses resultados podem estar parcialmente relacionados à diferença na forma das sentenças apresentadas nos dois questionários, embora sendo os questionários equivalentes em conteúdo. Alguns obstáculos apresentados pelos alunos foram observados: diferenciar conceitos quânticos e clássicos; definição de orbital; dualidade partícula-onda e função de onda; princípio da incerteza de Heisenberg; compreensão do diagrama de energia; e associar um modelo mental do átomo com características macroscópicas. Com relação à intervenção na disciplina de Química Quântica, os estudantes têm preferência em aprender o conteúdo de forma matemática, com deduções de equações e resolução de exercícios. As aulas ministradas apresentaram baixa adesão dos estudantes, limitando a aplicação das metodologias ativas. Como consequência, não foi possível avaliar a efetividade de tais metodologias. Os resultados das provas revelam que os estudantes apresentam dificuldade nos seguintes conteúdos: função própria, probabilidade e espectroscopia.

In this study, the conceptions and learning obstacles of students of chemistry programmes at UFRGS regarding quantum chemistry concepts were investigated. Qualitative research methodology was employed and data were collected through two questionnaires, one at the beginning, and another at the end of the semester. In a different academic semester, an intervention was performed in the Quantum Chemistry course, through extra online classes, using active learning methodologies. It was not possible to notice an improvement in students' understanding of the electronic structure of the atom. Students performed better with representational questions than conceptual questions for both questionnaires. Results suggest students undergo a process of rote learning of quantum chemistry concepts, opposed to meaningful learning. Average of correct answers for Q1 and Q2 were 45,0 and 23,3%, respectively. These results may be partially related to the difference in the form of sentences in the two questionnaires, although the questionnaires are equivalent in content. Students presented the following learning obstacles: differentiating quantum from classical concepts; definition of the concept of orbital; wave-particle duality and wave function; Heisenberg’s uncertainty principle; understanding of an energy diagram; and associating a mental model of the atom with macroscopic features. Regarding the intervention in the Quantum Chemistry course, students prefer to learn the content via a mathematical approach, with equation deduction and problem solving. The classes had low student participation, limiting the application of active learning methodologies. As a result, it was not possible to assess the effectiveness of such methodologies. Exam results reveal that, on average, 31.2% of the questions were not answered, and 63% of the questions were answered correctly. Students showed obstacles in the following exam topics: proper function, probability, and spectroscopy.