A arte da ciência dos materiais e ensino on-line

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A arte da ciência dos materiais e ensino on-line
A pandemia global de COVID-19 mudou a maneira como ensinamos, mas não precisa ser de todo ruim.
Crédito da imagem: Nathan Dumlao em Unsplash
Os desafios de pandemia e confinamento de 2020 – previsto para continuar em 2021 – me forçaram a
repensar completamente a maneira como ensino ciência dos materiais no departamento de química da
Universidade de Toronto há meio século.
Chegando à universidade como professor assistente em 1969, descobri que os materiais não faziam
parte do currículo de graduação em química; em vez disso, o assunto era ensinado em ciência e
engenharia de materiais. Isso me pareceu estranho na época, quando acreditava que a descoberta de
materiais começa em um laboratório de química com síntese, seguido por explorações de estrutura e
propriedade, uma busca por funcionalidade e, finalmente, para reconhecer a utilidade. Sem síntese não
haveria materiais, e sem materiais não haveria síntese.
Me desci uma forte oposição colegial, eu me levantei, e o ensino e a pesquisa de química de materiais
foram fundados no departamento de química, onde cresceu e floresceu desde então.
Cursos em química de materiais são agora parte integrante do programa de especialização em química:
começando no segundo ano com conceitos físicos básicos do estado sólido, introduzindo princípios
físico-químicos no terceiro ano, estendendo-se à química sintética todo o caminho para funcionar e
aspectos de utilidade no quarto ano.
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O objetivo geral desta experiência de três anos é proporcionar aos alunos uma visão “descansa-chuva”
das principais classes de materiais em toda a tabela periódica, e as maneiras pelas quais eles
contribuíram para a sociedade e mudaram nosso mundo para melhor. É uma grande surpresa saber que
até 75 elementos da tabela periódica são usados para fazer os componentes eletrônicos, ópticos e
mecânicos em um iPhone, e muitos deles são sintetizados por químicos em um laboratório de materiais!
Um novo paradigma para o ensino
Dito isto, a tela do computador não é mais uma limitação, dadas as poderosas experiências interativas
dessas ferramentas que elevam nossas expectativas de aprender criativamente sobre conceitos
científicos que prometem “experiências inspiradoras com liberdade inigualável”. Tudo isso graças a um
processador extremamente rápido e gráficos de última geração para absorvê-lo totalmente em doces
para os olhos dimensionais.
Mesmo que algumas dessas reivindicações comerciais se aprometam a cumprir suas ambições e
promessas, isso certamente abriria a porta de entrada para o futuro da educação – e os materiais
fizeram tudo isso acontecer!
Nesse esforço, os praticantes de dar palestras ao vivo (não apenas no campo dos materiais) sabem a
importância de estar no mesmo espaço com um grupo de alunos para serem capazes de sentir, sentir e
reagir ao momento reconhecendo e respondendo aos movimentos oculares e corporais, mudanças na
expressão facial, alterações no humor desencadeadas pelo fluxo de informações.
É difícil replicar essa experiência social e espírito comunitário através do meio impessoal e rarefeito do
ciberespaço. Embora uma tela de computador e um software on-line sofisticado possam ser suficientes
para transferências e gerenciamento eficientes de informações, o fator de conectividade humana que
excita, motiva e inspira o aprendizado é essencialmente anulado em um relacionamento robótico.
Há uma arte para catalisar a transferência de conhecimento e uma ciência para o desenvolvimento de
ensino inovador que é naturalmente conectado pelo processo de criatividade para todos os fins. Este
processo versátil engloba o pensamento crítico, a resolução de problemas do mundo real, a descoberta,
a invenção e a geração de ideias. Explora novas formas de comunicar informações complexas de forma
artística, fornecendo algumas lições essenciais aprendidas com a combinação de práticas
complementares de conexão e transformação de informações, dados, conhecimento, ideias, conceitos e
teorias. Ele oferece algumas estratégias de bom senso para ir além dos obstáculos que se formam de
nossas barreiras mentais auto-impostas, bem como nossas formas compartimentadas de conhecer o
mundo e representar nosso conhecimento.
Aprendizagem fora da caixa
Assumi essa transformação ousada e aventureira na educação de materiais no semestre de outono de
2020 com uma pequena turma de alunos que estavam dispostos a explorar e experimentar formas não
convencionais de transferência de conhecimento por meio de palestras on-line, com todas as
atribuições, exames e avaliações sendo visuais e orais em conteúdo.
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Zoom para palestras e Quercus para gestão de cursos atendeu adequadamente às nossas
necessidades on-line. Uma sessão de reunião e diplomata antes do início do curso oficialmente permitiu
que eu e os alunos discutissem e decidissem sobre as melhores maneiras de satisfazer seus requisitos
educacionais por meio de avaliação oral e não escrita.
Antes de discutir como tudo isso era organizado e seria jogado na prática, primeiro o conteúdo do curso
e os resultados de aprendizagem dos alunos foram considerados. O curso compreendeu 24 palestras de
uma hora em química de materiais avançados, com o objetivo de fornecer uma introdução completa e
coesa ao mundo dos materiais, especialmente como um químico de materiais pensa sobre a arte e a
ciência de fazer materiais com um propósito.
Envolveu uma investigação abrangente de um portfólio de métodos sintéticos para preparar diversas
classes de materiais inorgânicos com propriedades e função intencionalmente adaptadas para um uso
específico. Várias questões contemporâneas foram apresentadas e avaliadas criticamente para
apresentar ao aluno destaques e atividades recentes no mundo real dos materiais de laboratório para
mercado.
Eu abri o curso com uma introdução incomum de uma hora aos quatro paradigmas da ciência e como
eles estão mudando a face da descoberta de materiais. Cada mudança de paradigma tem muitos
pioneiros icônicos: usei Faraday, Maxwell, Kohn e Hinton como disruptores da visão predominante dos
tempos. No primeiro, segundo e terceiro paradigmas, novos materiais são descobertos por
experimentação, teoria e/ou computação.
Isso evoluiu hoje para o quarto paradigma da ciência de materiais orientada por dados, onde os dados
são coletados em infraestruturas de dados, e a inteligência artificial, o aprendizado de máquina e a
automação robótica permitem a descoberta de novos materiais.
Comecei com a prática tradicional de descobrir materiais que se baseia em métodos sintéticos seriais
usando inteligência humana, aprendizado experiencial e experimentação serial prática. Um caso é feito
para a forma como essa abordagem testada e verdadeira está sendo desafiada pelo advento da
inteligência artificial, aprendizado de máquina e automação robótica, uma abordagem paralela projetada
para acelerar o processo de descoberta de materiais.
O objetivo deste exercício incomum no nível de graduação é alertar os alunos sobre a forma como a
ciência dos materiais está mudando com os seres humanos trabalhando com máquinas para acelerar o
processo de descoberta de materiais.
Um interessante take-home para os alunos foram questões sobre se os seres humanos serão
substituídos por máquinas ou, em vez disso, terão que aprender a trabalhar juntos harmoniosamente na
busca contínua de novos materiais. Eu também levanto a interessante, mas inquietante, a possibilidade
de inteligência de máquina e criatividade de máquinas superar o dos seres humanos, tendo em mente
que a criatividade humana é apenas o produto de uma rede neural, observando que a conectividade
neural pesa sobre a raiz quadrada do número de Avogadro, que é milhares de vezes maior que
atualmente treinava redes neurais. Portanto, não há razão para acreditar que uma máquina não pode
ser tão criativa quanto um ser humano, ela só precisa estar na mesma escala e usar algoritmos de
aprendizagem semelhantes. Se maior, treinado de uma maneira melhor, ou dado maisdados, seria
extremamente surpreendente se não fosse muito mais criativo.
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Foi mutuamente acordado em discussões que as tarefas e exames escritos tradicionais seriam
substituídos por apresentações orais, normalmente com 3-5 slides de ponto de poder em 3-5 minutos,
seguido por uma pergunta de 3-5 minutos e período de resposta. Os tópicos abordados eram diferentes
para cada aluno e exigiam leitura e compreensão além do conteúdo da palestra.
A brevidade desta forma de exame oral não exigiu apenas uma compreensão profunda do conteúdo das
palestras que sustentam o tópico escolhido pelo aluno. Também exigiu um tremendo julgamento sobre o
que era importante e a maneira mais concisa e eficaz de estruturar e fazer sua apresentação e
responder à pergunta sob restrições estritas de tempo. Essa nova experiência aperfeiçoou suas
habilidades de entrega oral e habilidades artísticas para explicar corretamente e representar visualmente
o conteúdo científico de sua apresentação.
A abordagem oral também foi valiosa em relação à integridade on-line, pois evitava a oportunidade de
qualquer forma fácil de trapacear e removeu o ônus de ter que implementar métodos anti-trapaça, como
a vigilância, que criam estresse adicional para estudantes e instrutores que precisam navegá-los.
De notável interesse no contexto desta experiência on-line foi a capacidade de julgar o nível de
compreensão do material do curso em uma apresentação oral virtual e configuração de exame de
perguntas e respostas, em comparação com o modo escrito em uma situação de exame convencional. A
base de conhecimento dos alunos, os processos de pensamento durante o questionamento, a
capacidade de se conectar, apresentar e discutir ideias foi mais facilmente apreciada ao vivo do que na
forma escrita.
Incorporando a arte na aprendizagem da ciência
Uma característica única - muito apreciada e apreciada - do curso foi o projeto de arte / ciência. Os
alunos foram convidados a usar qualquer meio, como uma ilustração gráfica, escultura, música, mímica
ou dança, para criar uma representação de arte / ciência de uma determinada faceta da química dos
materiais, que excita a imaginação, desperta a estética e desperta interesse e compreensão. Os alunos
também foram convidados a fornecer uma explicação de um parágrafo de como eles visualizam a arte
encapsulada na ciência e como a ciência inspirou a arte, levando a uma melhor compreensão e
apreciação de ambos.
A originalidade e a clareza foram buscadas entre os alunos, onde o trabalho artístico foi voltado para a
apresentação de um conceito de materiais em uma nova forma de arte que visa enriquecer a
compreensão de um conceito e garantir que a conexão entre o trabalho criativo e o conceito de materiais
seja clara e compreensível.
Foi uma experiência educacional emocionante para os alunos, e ficou claro em suas apresentações
impressionantemente criativas que há um artista visual em todos os cientistas. A capacidade dos alunos
de expressar conceitos e princípios complexos na ciência de uma forma artística, melhorou
positivamente a compreensão da ciência e aumentou seu interesse no assunto.
Estamos cercados pela arte dos materiais no mundo natural e pela ciência que permitiu o mundo dos
materiais que criamos. Há algo mágico e até místico na estética dos sólidos geologicamente e
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biologicamente criados e como ele inspirou as tecnologias incrivelmente belas que criamos a partir
delas.
Não consigo deixar de pensar na arte dos materiais imbuídos nas gravuras desenhadas à mão de Ernst
Haeckel das construções de filigrana de diátomíneas siliciosas e como a ciência dos materiais da sílica
pousou permitiu o desenho de redes de telecomunicações ópticas de fibra de vidro de comprimento de
um quilômetro de comprimento.
A ciência da arte dos materiais. Cortesia de Todd Siler e Geoffrey Ozin,
www.artnanoinnovations.com
Interações de bloqueio e aluno-afegado
Há uma grande coisa faltando nesta história da educação on-line: a positividade da experiência
socioeducativa do aluno-professor. Todos nós nos sentamos em um pequeno espaço de escritório em
casa ou trabalhamos conversando uns com os outros através de uma tela de computador. Mesmo com
um fundo colorido, isso é muito diferente de um grande anfiteatro cheio de alunos interagindo
cerebralmente e dinamicamente com o professor. Em um confinamento, os assentos no teatro de
conferências estão vazios.
Este é um aspecto extremamente ausente do ensino e aprendizagem, e é praticamente impossível de
imitar on-line. Minha sugestão é substituir-nos ocupando aquelas pequenas caixas-pretas, isoladas
umas das outras em uma tela de computador, para serem colocadas sentadas juntas naqueles assentos
vazios no teatro de palestras, um passo para simular o ambiente de ensino-aprendizagem quando
estamos todos juntos no mesmo espaço ao vivo e nos beneficiando da presença uns dos outros.
O bloqueio tem sido um momento estressante, incerto e sombrio para toda a sociedade civil, mas no
caso do ensino e do aprendizado à distância, o lado positivo da história é que instrutores e alunos
receberam uma oportunidade única na vida para poder trabalhar em conjunto e elaborar soluções
criativas para uma experiência emocionante e significativa on-line. É como se professores e alunos
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ar960021r
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tivessem recorrido à faculdade para repensar toda a maneira como nos comunicamos e estudamos, o
que provavelmente terá um efeito eterno no sistema de educação pós-pandemia.
Roteiro: Geoffrey Ozin, Jon Babi e Todd Siler
Departamento de Química, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá, sites: www.nanowizard.info,
www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com ; Denver Colorado, EUA, www.toddsilerart.com
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