Uma das questões que os professores mais se preocupam atualmente é como estimular a reflexão dos alunos. Essa preocupação é comum em cursos de natureza matemática, como cursos STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática), nos quais a abstração de muitos conceitos requer um alto grau de reflexão, mas muitos alunos relatam abordar esses cursos puramente através de métodos baseados na memória¹. Além disso, os alunos costumam mostrar aprendizado superficial dos conceitos^1,2,3. As dificuldades que os alunos enfrentam na aplicação de processos de reflexão e aprendizagem profunda, no entanto, não são apenas cognitivas. Muitos alunos sentem ansiedade e desmotivação diante desses cursos^4,5. De fato, essas dificuldades tendem a persistir ao longo da educação dos alunos⁶. Por isso, é importante explorar estratégias educacionais que preparem motivacional e cognitivamente os alunos para o aprendizado profundo, independentemente de suas diferentes predisposições.

É particularmente útil encontrar estratégias que complementem abordagens instrucionais típicas. Uma das mais típicas é a instrução direta. A instrução direta significa orientar totalmente os alunos desde a introdução de novos conceitos com informações explícitas sobre esses conceitos, seguindo-o com estratégias de consolidação, como atividades de resolução de problemas, feedback, discussões ou explicações adicionais^7,8. Instruções diretas podem ser eficazes para transmitir facilmente o conteúdo^8,9,10. No entanto, muitas vezes os alunos não refletem sobre aspectos importantes, como como o conteúdo se relaciona com seus conhecimentos pessoais, ou procedimentos potenciais que poderiam funcionar e não¹¹. Por isso, é importante introduzir estratégias complementares para fazer os alunos pensarem criticamente.

Uma dessas estratégias é a abordagem de Resolução de Problemas antes da Instrução (PS-I)¹², também referida como a abordagem invenção¹¹ ou a abordagem de Falha Produtiva¹³. O PS-I é diferente da instrução direta no sentido de que os alunos não são diretamente introduzidos aos conceitos, em vez disso, há uma fase de resolução de problemas antes das atividades típicas de instrução direta em que os alunos buscam soluções individuais para os problemas antes de obter qualquer explicação sobre os procedimentos para resolvê-los.

Neste problema inicial, não se espera que os alunos descubram totalmente os conceitos-alvo¹³. Os alunos também podem sentir sobrecarga cognitiva^14,15,16 e até mesmo negativos afetar¹⁷ com a incerteza e os muitos aspectos a considerar. No entanto, essa experiência pode ser produtiva a longo prazo, pois pode facilitar o pensamento crítico sobre características importantes. Especificamente, o problema inicial pode ajudar os alunos a se conscientizarem mais das lacunas em seus conhecimentos¹⁸, ativar conhecimentos prévios relacionados ao conteúdo para cobrir¹³, e aumentar a motivação por causa da oportunidade de basear seu aprendizado em conhecimentos pessoais^7,17,19.

Em termos de aprendizagem, os efeitos do PS-I são geralmente vistos quando os resultados são avaliados com indicadores de aprendizagem profunda^20,21. Em geral, não foram encontradas diferenças entre os alunos que aprenderam através do PS-I e aqueles que aprenderam por meio da instrução direta em termos de conhecimento processual^20,22, que se refere à capacidade de reproduzir procedimentos aprendidos. No entanto, os alunos que passam pelo PS-I geralmente exibem maior aprendizagem em conhecimento conceitual^7,19,23, que se refere à compreensão do conteúdo abrangido, e transfer^7,15,19,24, que se refere à capacidade de aplicar esse entendimento a situações novas. Por exemplo, um estudo recente em uma aula sobre variabilidade estatística mostrou que os alunos que tiveram a oportunidade de inventar suas próprias soluções para medir a variabilidade estatística antes de receber explicações sobre os conceitos e procedimentos gerais neste tópico desmetoram melhor compreensão no final da aula do que aqueles que foram capazes de estudar diretamente os conceitos e procedimentos relevantes antes de se envolverem em qualquer atividade de resolução de problemas²³. No entanto, alguns estudos não mostraram diferenças na aprendizagem^16,25,26 ou motivação^19,26 entre PS-I e alternativas de instrução direta, ou ainda melhor aprendizado em alternativas de instrução direta^14,26, e é importante considerar possíveis fontes de variabilidade.

Os recursos de design subjacentes à implementação do PS-I são um recurso importante²⁰. Uma revisão sistemática²⁰ constatou que era mais provável que houvesse uma vantagem de aprendizado para o PS-I sobre alternativas de instrução direta quando as intervenções do PS-I foram implementadas com pelo menos uma das duas estratégias, seja formulando o problema inicial com casos contrastantes, ou construindo a instrução subsequente com feedback detalhado sobre as soluções dos alunos. Os casos contrastantes consistem em exemplos simplificados que diferem em algumas características importantes¹¹ (ver Figura 1, por exemplo), e podem ajudar os alunos a identificar características relevantes e avaliar suas próprias soluções durante o problema inicial^11,20. A segunda estratégia, que fornece explicações que se baseiam nas soluções¹³dos alunos, consiste em explicar o conceito canônico ao mesmo tempo em que dá feedback sobre os recursos e limitações das soluções geradas pelos alunos, que também podem ajudar os alunos a focar em características relevantes e avaliar as lacunas em seus próprios conhecimentos²⁰, mas após a fase inicial de resolução de problemas é concluída (ver Figura 3 como exemplo do andaime das soluções típicas dos alunos).

Dado o apoio na literatura para essas duas estratégias, casos contrastantes e ensino predial sobre as soluções dos alunos, é importante considerá-los ao promover a inclusão do PS-I na prática educacional real. Este é o primeiro objetivo do nosso protocolo. O protocolo fornece materiais para uma intervenção PS-I que incorpore esses dois princípios. É um protocolo que, embora adaptável, é contextualizado para uma aula sobre variabilidade estatística, uma lição muito comum para estudantes universitários e do ensino médio, que geralmente são as populações-alvo na literatura sobre PS-I²⁹. A fase inicial de resolução de problemas consiste em inventar medidas de variabilidade para distribuição de renda nos países, que é um tema controverso³⁰ que pode ser familiar para estudantes em muitas áreas de aprendizagem. Em seguida, são fornecidos materiais para que os alunos estudem soluções para esse problema em um exemplo trabalhado, e para uma palestra que incorpore a discussão de soluções comuns produzidas pelos alunos, juntamente com problemas de prática embarcada.

O segundo objetivo do nosso protocolo é tornar a avaliação experimental do PS-I acessível a educadores e pesquisadores, o que pode facilitar a investigação do PS-I a partir de uma maior variedade de perspectivas, mantendo algumas condições constantes em toda a literatura. No entanto, as condições desta avaliação experimental são flexíveis às modificações. A avaliação experimental descrita no protocolo pode ser aplicada em aulas ordinárias, uma vez que os alunos de uma única turma podem ser atribuídos os materiais para a condição PS-I ou os materiais para uma condição de instrução direta ao mesmo tempo(Figura 4). Essa condição de instrução direta também é adaptável às necessidades de pesquisa e educação, mas como originalmente descrito no protocolo os alunos começam recebendo as explicações iniciais sobre o conceito-alvo com o exemplo trabalhado, e depois consolidam esse conhecimento com um problema de prática (apresentado apenas nessa condição para compensar o tempo que os alunos do PS-I passam com o problema inicial), e com a palestra²³. As adaptações potenciais incluem começar com a palestra e, em seguida, ter alunos para fazer a atividade de resolução de problemas, que é uma condição de controle típica para comparar O PS-I que muitas vezes levou a um melhor aprendizado para a condição PS-I^7,13,19,26. Alternativamente, a condição de controle pode ser reduzida à exploração de um exemplo trabalhado seguido da fase de palestras, que, embora uma versão mais simplificada de abordagens de instrução direta do que originalmente proposto, é mais comum na literatura e tem levado a resultados variados, com alguns estudos indicando melhor aprendizado no PS-I^15,24, e outros indicando melhor aprendizado a partir desse tipo de instrução direta^{condição 14,26}.

Finalmente, um terceiro objetivo do protocolo é fornecer recursos para avaliar como alunos com diferentes predisposições e habilidades cognitivas podem se beneficiar do PS-I¹⁵. A avaliação dessas predisposições é especialmente importante se considerarmos as predisposições negativas que alguns alunos costumam ter com cursos STEM, e o fato de que o PS-I ainda pode produzir reações negativas em alguns casos¹⁴. Há, no entanto, pouca pesquisa sobre isso.

Por um lado, uma vez que o PS-I facilita a associação da aprendizagem com ideias individuais, em vez de apenas conhecimento formal, o PS-I pode ser hipótesedo como capaz de ajudar a motivar alunos de baixo nível acadêmico, aqueles que têm baixos sentimentos de competência ou baixa motivação sobre o assunto^13,27. Um estudo mostrou que alunos com baixa orientação de domínio, ou seja, menos metas relacionadas à aprendizagem pessoal, se beneficiaram mais do PS-I do que aqueles com maior motivação para aprender²⁷. Por outro lado, alunos com outros perfis podem encontrar dificuldades quando envolvidos no PS-I. Mais especificamente, a metacognição desempenha um papel importante no PS-I³¹, e alunos com baixa capacidade de metacognição podem não se beneficiar do PS-I devido a dificuldades em estar ciente de suas lacunas de conhecimento ou discernir conteúdo relevante¹⁵. Além disso, como a fase inicial do PS-I é baseada na produção de soluções individuais, alunos com baixas habilidades divergentes, dificuldades para gerar uma variedade de respostas em uma determinada situação, podem se beneficiar menos do PS-I do que de outros alunos. O protocolo apresenta instrumentos confiáveis para avaliar essas predisposições (Tabela 1),embora outros possam ser considerados.

Em resumo, este protocolo visa tornar a implementação de uma intervenção PS-I que siga os princípios aceitos na literatura PS-I acessíveis a educadores e pesquisadores. Além disso, os protocolos proporcionam uma avaliação experimental dessa intervenção, facilitando a avaliação das predisposições cognitivas e motivacionais dos alunos. É um protocolo que não requer acesso a novas tecnologias ou recursos específicos, e que pode ser modificado com base em pesquisas e necessidades educacionais.