O protocolo conhecido como Dynamic Clamp consiste em utilizar um computador para introduzir condutâncias artificiais em um neurônio biológico. O modo como estas condutâncias dependem da voltagem da membrana ou do tempo são modelado por equações diferenciais que são integradas em tempo real por um computador conectado ao neurônio biológico. Resumidamente, o computador tem acesso ao potencial de membrana dos neurônios através de eletrodos intracelulares conectados a conversores analógico-digitais (ADCs), calcula as correntes a serem injetadas nos neurônios e produz os sinais de saída através de conversores digitalanalógicos (DACs) que produzem a injeção das correntes nos eletrodos intracelulares. De um certo modo, o Dynamic Clamp utiliza os neurônios como simuladores, permitindo investigar a importância de um tipo de condutância para a atividade elétrica de um neurônio, assim como determinar o efeito produzido pelas sinapses em uma rede, combinando o controle e flexibilidade de uma simulação no computador com a acurácia e o realismo de um experimento em eletrofisiologia. Descrevemos a implementação de um protocolo de Dynamic Clamp utilizando um computador pessoal tipo IBM-PC que permitiu contornar 3 das principais limitações que apresentam alguns dos programas de Dynamic Clamp comerciais/gratuitos disponíveis atualmente: (a) Garantia de que o sistema roda em tempo real - nossa implementação é baseada em um programa de Dynamic Clamp que roda em uma plataforma Linux Real-Time que além de controlar os experimentos em tempo real consiste em software livre com codigo fonte aberto e que pode ser instalado gratuitamente; (b) Não necessita de hardware de aquisição de dados dedicado para eletrofisiologia - utilizamos uma placa ADC/DAC comercial comum marca National Instruments modelo PCIMIO16E4. Com o driver COMEDI instalado para placas de aquisição de dados Linux, a maioria das placas ADC/DAC tipo PCI disponíveis no mercado podem ser utilizadas em implementações futuras; (c) Aumentar o número de neurônios que podem ser conectados simultaneamente - desenvolvemos um circuito demultiplex analógico que permite controlar até 8 neurônios biológicos/artificiais a partir das duas saídas analógicas que as placas DAC comerciais possuem e ainda atingir frequências de atualização da corrente de até 3 kHz (para 8 correntes de saída). Apresentamos os resultados de diversos testes que fizemos usando o programa adaptado e o circuito demultiplex para produzir sinapses em tempo real e conectar diversos neurônios artificiais em pequenas redes. Também mostramos alguns resultados preliminares obtidos com a primeira implementação de um modelo de neurônio estocástico tipo Hodgkin-Huxley em um programa de Dynamic Clamp. / The Dynamic Clamp protocol consists in using a computer to introduce artificial conductances in a biological neuron. The voltage- and time-dependency of each conductance is modeled by differential equations integrated in real-time by the computer connected to the biological neurons. In short, the computer executes a 3-phase cycle in which the membrane potential of the neurons is measured by intracellular electrodes and digitized by analog-to-digital converters (ADCs), the currents are calculated based in the digitized membrane potentials and current signals are generated by digital-to-analog converters (DACs). These currents are actually injected in the neurons by other intracellular electrodes. In some extent the Dynamic Clamp uses the neurons as simulators, allowing one to investigate the role of a specific conductance in the intrinsic activity of a neuron as well as to look for the effects of a synapse in the behavior of a small network. The Dynamic Clamp combines the control and flexibility of a computer simulation with the reality of an experiment in electrophysiology. We describe an implementation of a Dynamic Clamp protocol that allowed us to surmount 3 of the main drawbacks present in some commercial/freely available Dynamic Clamp programs: (a) Runs in real time - our implementation is based in a program that runs in a Real-Time Linux platform. This operating system not only ensures the experiments will be controlled in real time but also consists in open source software that can be freely downloaded and installed; (b) No need of special electrophysiology acquisition hardware - we used a commercial ADC/DAC acquisition board model PCI-MIO16E4 from National Instruments. With the COMEDI Linux package driver that is used most of the PCI commercial ADC/DAC boards can be used in future implementations with no change needed in the program itself. (c) We can connect more than two neurons with artificial synapses - we developed an analog demultiplex circuit that allowed us to control simultaneously up to 8 biological/artificial neurons from the two analog outputs available in most of the commercial ADC/DAC boards and we could still reach current update rates of about 3 kHz (for 8 current outputs enabled). We present the results of several tests we performed using the program adapted to control the analog demultiplex to establish synapses and to connect several artificial neurons in small neural networks. Preliminary results from the first implementation of a stochastic whole cell Hodgkin-Huxley model neuron in a real time Dynamic Clamp program are also shown.

Un des défis majeurs de la science de complexité se situe à l'investigation de l'émergence, où les interactions entre les composants microscopiques d'un système produisent la propriété globale, et réciproquement, la dynamique globale influence le bas niveau. Cette thèse a comme ambition de 1) élucider le mécanisme sous-jacent des systèmes complexes par la modélisation concrète des systèmes réels, et aussi 2) comparer entre les différents modèles proposés pour détecter la condition universelle de l'émergence. Pour cela, nous développons la nouvelle méthodologie basé sur l'interaction entre la théorie de système dynamique et la géométrie informationnelle, afin d'avoir la dialectique entre la modélisation constructive/déterministe et l'analyse des interactions sous la formalisation stochastique. La thèse se compose de 7 Parties, parmi lesquelles la Partie 2 à 6 correspondent au premier objectif, et la Partie 7 au seconde. Dans la Partie 1, nous allons réviser l'histoire de la science de la complexité et proposer la stratégie dialectique entre les méthodologies constructive et interactions-analytique, basé sur la théorie de système dynamique et la géométrie informationnelle. En Partie 2, nous traitons un modèle de réseau neuronal avec le comportement chaotique nommé ``l'itinérance chaotique" comme un candidat de la dynamique du cortex cérébral, et analysons l'effet de l'apprentissage autonome sans superviseur comme une source de créativité qui est la propriété émergente du système neuronal. La théorie de la mesure intérieure est étendue afin de interpréter l'émergence des nouveaux attracteurs par ``le chaos comme le catalyseur d'apprentissage." En Partie 3, nous avons appliqué la dynamique du réseau neuronal chaotique aux robots qui manifestent la dynamique de recherche collective de manière émergente, au défi de la détection optimale des informations sporadiques. L'efficacité de la recherche collective est évaluée avec un simulateur virtuel. En Partie 4, nous développons les nouvelles mesures de la complexité du point de vue de la géométrie informationnelle, et analysons les données des réseaux sociaux. Les mesures de la complexité jouera un rôle principal dans la Partie 7. En Partie 5, nous appliquons la stratégie dialectique entre le système dynamique et la géométrie informationnelle vers la compréhension de la morphogenèse lors de l'embryogenèse chez le poisson zèbre. Quelques propositions théoriques sont établies et testées avec les données tentatives dérivées des projets européens Embryomics et BioEMERGENCES. En Partie 6, nous analysons les systèmes complexes liés au linguistique. Nous avons découvert les nouveaux invariants et la composition géométrique entre les voyelles japonaises, qui sont les propriétés émergentes au niveau du système. Nous développons aussi la modélisation écologique de l'environnement multilingue dans un contexte de la dialectique entre la théorie linguistique et la modélisation mathématique. En Partie 7, nous révisons les résultats obtenus dans les Parties précédentes sous une perspective comparative, en vue de détecter la structure universelle de l'émergence comme l'organisation des interactions qui ne dépende pas explicitement sur la propriété des composants. Surtout la comparaison entre les Parties 2 et 4, ainsi 5 et 6, nous indique la typologie et la stratégie de détection de la dynamique de l'émergence comme la relation et le contraint entre les foncteurs et méta-foncteurs. D'autre possibilité d'application de la stratégie établie est mise en discussion.

Tornar o ensino centrado nos estudantes tem sido foco de atenções de grande parte da área de pesquisa e ensino de Ciências nos últimos 30 anos. Essa tendência tem origem nos resultados poucos positivos em relação à aprendizagem de conteúdos de Ciências, especialmente de Física, obtidos por meio das abordagens tradicionais. Neste contexto, ressignificar as atividades didáticas, especialmente os métodos de ensino utilizados pelos professores, torna-se, portanto, fundamental. A despeito dos esforços de professores e pesquisadores no desenvolvimento de novos métodos de ensino centrados nos estudantes, a abordagem tradicional ainda é onipresente na prática instrucional universitária, tanto no contexto internacional, quanto nacional. A não adoção de práticas inovadoras por parte dos professores, apesar dos resultados notoriamente positivos obtidos por meio delas, indica que existem muitas barreiras no processo de mudança da prática docente. Por conseguinte, compreender em profundidade o processo de difusão e mudança das práticas de ensino pode contribuir para que novos métodos sejam incorporados com sucesso, tendo sua adoção continuada. É nesse contexto que a presente tese se insere. Em linhas gerais, nossa pesquisa visa investigar, no contexto de duas universidades públicas brasileiras: a adoção de métodos de ensino inovadores centrados nos estudantes, em disciplinas de Física Geral; os fatores que influenciam a adoção e a difusão de tais métodos, em comparação com disciplinas equivalentes de universidades de outros países; os impactos na aprendizagem de conteúdos de Física e nas crenças e atitudes dos estudantes acerca dos métodos de ensino. Para isso, utilizando as orientações metodológicas para estudos de caso de Yin, e embasados pela Teoria de Difusão de Inovações de Rogers, realizamos três estudos de caso, dois exploratórios e um explanatório Os resultados do primeiro estudo evidenciam que o processo de mudança da prática docente foi influenciado pela percepção de uma vantagem relativa frente à prática instrucional anterior, pela compatibilidade entre as crenças de ensino e aprendizagem da professora e os pressupostos básicos dos métodos, pela observabilidade dos resultados obtidos na implementação e pela forma como esses métodos foram inseridos no contexto de ensino, isto é, com suporte de especialistas. Os resultados do segundo estudo apontam que a continuidade da prática inovadora dessa professora variou entre uma adaptação e uma reinvenção dos métodos de ensino centrados nos estudantes Ensino sob Medida (EsM) e Instrução pelos Colegas (IpC). As modificações feitas nos métodos foram balizadas pelas crenças da professora e pela dificuldade de cumprir o cronograma de conteúdos da disciplina. Em termos dos impactos na aprendizagem, nossa análise indica que o desempenho dos estudantes em um teste padronizado foi inferior ao apontado pela literatura. Por outro lado, os métodos contribuíram para um bom engajamento dos estudantes na disciplina, bem como para o desenvolvimento de atitudes positivas em relação ao IpC e ao EsM. O terceiro estudo, realizado em uma universidade diferente dos dois primeiros estudos, identificou que os docentes investigados fizeram uso de variações dos métodos Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP), IpC e EsM As modificações nos métodos foram realizadas de acordo com as necessidades específicas dos docentes, pelos contextos de ensino em que se encontravam e pelas suas crenças e experiências anteriores. Ainda em relação à adoção dos métodos, o processo de tomada de decisão de modificar a estrutura da disciplina de Física I, por meio da adoção de uma variação do EsM, foi coletivo, tornando o método uma prática estabelecida após a primeira experiência de seu uso. Segundo os docentes, a adoção dos métodos centrados nos estudantes foi responsável por uma melhora no engajamento e na aprendizagem dos estudantes. Contudo, um resultado negativo apontado pelos docentes foi a cultura que os estudantes desenvolveram em copiar as respostas das denominadas pré-aulas. Inferimos que este resultado está atrelado ao fato de que tais atividades eram avaliadas por grau de correção, e não pelo engajamento dos estudantes. Entre os docentes investigados, a difusão das inovações didáticas se deu por meio de uma estrutura descentralizada, onde um dos professores pode ser compreendido como um inovador local que difundiu os métodos ativos entre seus pares. Compreendemos que o modelo de difusão averiguado foi eficiente, pois a taxa de adoção dos métodos ativos, ou variações deles, foi elevada. Contudo, ressaltamos que a presença de um especialista (agente da mudança) poderia ter evitado a descontinuidade da prática do EsM. / Making student-centered teaching has been the focus of a great number of researchers within the area of Science teaching and research over the past 30 years. This tendency has its origin in the few positive results in relation to the learning of Science contents, especially of Physics, obtained through traditional approaches. In this context, re-signifying the didactic activities, especially the teaching methods used by teachers, becomes, therefore, fundamental. Despite the efforts of teachers and researchers in developing new student-centered teaching methods, the traditional approach is still ubiquitous in university instructional practice, both internationally and nationally. The non-adoption of innovative practices by teachers, despite the notoriously positive results obtained through them, indicates that there are many barriers in the process of changing teaching practice. Therefore, an in-depth understanding of the process of dissemination and change in teaching practices can contribute to the successful incorporation of new methods and their continued adoption. It is in this context that this thesis is inserted. In general terms, our research aims to investigate, in the context of two Brazilian public universities: the adoption of innovative student-centered teaching methods, in General Physics disciplines; the factors that influence the adoption and diffusion of such methods, in comparison with equivalent disciplines of universities in other countries; the impacts on the learning of Physics contents and the students' beliefs and attitudes about teaching methods. For this purpose, using Yin´s methodological guidelines for case studies, and based on Rogers' Theory of Diffusion of Innovations, we conducted three case studies, two exploratory and one explanatory The results of the first study show that the process of change in teaching practice was influenced by the perception of a relative advantage over the previous instructional practice, by the compatibility between the teaching and learning beliefs of the teacher and the basic assumptions of the methods, by the observability of the results obtained in the implementation and by the way these methods were inserted in the teaching context, that is, with the support of specialists. The results of the second study indicate that the continuity of this teacher's innovative practice varied between an adaptation and a reinvention of the student-centered teaching methods Just-in-Time Teaching (JiTT) and Peer Instruction (PI). The modifications made in the methods were defined by the beliefs of the teacher and by the difficulty of fulfilling the content schedule of the discipline. In terms of the impacts on the students´ learning, our analysis indicate that the students´ performance on a standardized test was lower than that reported in the literature. On the other hand, the methods contributed to a good students´ engagement with the discipline, as well as to the development of positive attitudes towards the PI and the JiTT. The third study, conducted in a university other than where the first two studies took place, identified that the teachers investigated made use of variations of the methods Problem-Based Learning (PBL), PI and JiTT. The modifications in the methods were made according to the specific needs of the teachers, the teaching contexts in which they were inserted and their previous beliefs and experiences Still, in relation to the adoption of the methods, the decision-making process to modify the structure of the discipline of Physics I, through the adoption of a variation of the JiTT, was collective, making the method an established practice after the first experience of its use. According to the teachers, the adoption of student-centered methods was responsible for an improvement in students' engagement and learning. However, a negative result pointed out by the teachers was the culture that the students developed in copying the answers provided in the so-called pre-classes. We infer that this result is linked to the fact that such activities were evaluated by degree of correction, and not by student engagement. Among the teachers investigated, the diffusion of didactic innovations occurred through a decentralized structure, where one of the teachers can be understood as a local innovator who diffused the active methods among his peers. We understand that the diffusion model verified was efficient, since the rate of adoption of the active methods, or variations of them, was high. However, we emphasize that the presence of a specialist (agent of change) could have avoided the discontinuity of the JiTT practice.

Parmi les MEMS utilisés pour la navigation inertielle, on distingue les accéléromètres à poutre vibrante (Vibrating Beam Accelerometer : VBA) et les gyromètres vibrants à effet Coriolis (Coriolis Vibrating Gyro : CVG). L'ONERA développe un microgyromètre vibrant piézoélectrique à effet Coriolis appelé VIG (Vibrating Integrated Gyro). Ce gyromètre fait interagir des physiques multiples et couplées (mécanique, piézoélectricité thermique). Il est alors nécessaire d'identifier les différents phénomènes mis en jeu qui limitent les performances du système. Cette étude présente une modélisation du système, appuyée sur des campagnes de mesure (structure mécanique et architecture électronique), afin d'améliorer des performances telles que la résolution, le facteur d'échelle, et tout particulièrement la stabilité de biais. La démarche s'organise en trois étapes. Dans un premier temps, nous avons réalisé un modèle détaillé de la structure vibrante du VIG. Après une validation fonctionnelle du modèle, les aspects piézoélectriques ainsi que les couplages de la structure sont intégrés au modèle afin d'obtenir une description complète de la structure vibrante du capteur. Ensuite, nous avons modélisé l'électronique du capteur en insistant sur les amplificateurs de charges et l'erreur en quadrature du gyromètre. Enfin, la dernière partie présente une analyse des performances, réalisée à l'aide du modèle, et met en évidence le problème de la stabilité du biais en température. Ce dernier travail débouche sur le développement d'une solution technique d'amélioration de la stabilité de biais d'un facteur cinq par une compensation active des couplages.

Thesis (Ph.D.); Submitted to the Department of Physics and Astronomy, Rice University, Houston, TX (US); 1 Sep 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LA-14149-T" J. Koller. US DOE (US) 09/01/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Dans cette thèse nous avons montré que l'on peut on peut synthétiser des nanocristaux de silicium en utilisant des plasmas pulsés de silane dilué dans l'hydrogène. Dans nos conditions de dépôt, en changeant le temps de croissance entre 100 msec et 1 seconde, nous avons pu contrôler la taille des nanocristaux (de 4 nm à 12 nm). A partir de la mesure de la taille des nanocristaux sur les images MET, nous avons pu calculer la vitesse de croissance radiale. Cette vitesse est proportionnelle à la pression partielle de silane dans le mélange gazeux. Nous avons également montré le rôle important de l'hydrogène atomique pour le processus de cristallisation des nanoparticules dans le plasma. La maîtrise de la synthèse des nanocristaux de silicium ouvre la voie à deux champs d'applications : (i) la fabrication de diodes électroluminescences et (ii) la réalisation de transistors à un électron. Pour la première application, une étude préalable de photoluminescence a montré un déplacement vers le bleu du pic de photoluminescence lorsque la taille des nanocristaux diminue. Cela est interprété à la fois comme un effet de confinement quantique et de passivation de la surface des nanocristaux par une coquille de SiOx. Nous avons également élaboré des diodes électroluminescence PIN basées sur les nanocristaux de silicium. Après une optimisation de la structure PIN et des conditions de dépôt de la couche intrinsèque, nous avons obtenu une électroluminescence dans la gamme infrarouge-visible à température ambiante. En vue de l'application aux transistors, nous avons fait des expériences préalables d'injection de charge dans les nanocristaux par AFM/KFM. L'observation qualitative des charges injectées a été réalisée. L'estimation quantitative de ces charges ainsi que l'étude de charges résiduelles dans des nanocristaux dopés est un domaine qui mérite d'être exploré dans l'avenir.

Tornar o ensino centrado nos estudantes tem sido foco de atenções de grande parte da área de pesquisa e ensino de Ciências nos últimos 30 anos. Essa tendência tem origem nos resultados poucos positivos em relação à aprendizagem de conteúdos de Ciências, especialmente de Física, obtidos por meio das abordagens tradicionais. Neste contexto, ressignificar as atividades didáticas, especialmente os métodos de ensino utilizados pelos professores, torna-se, portanto, fundamental. A despeito dos esforços de professores e pesquisadores no desenvolvimento de novos métodos de ensino centrados nos estudantes, a abordagem tradicional ainda é onipresente na prática instrucional universitária, tanto no contexto internacional, quanto nacional. A não adoção de práticas inovadoras por parte dos professores, apesar dos resultados notoriamente positivos obtidos por meio delas, indica que existem muitas barreiras no processo de mudança da prática docente. Por conseguinte, compreender em profundidade o processo de difusão e mudança das práticas de ensino pode contribuir para que novos métodos sejam incorporados com sucesso, tendo sua adoção continuada. É nesse contexto que a presente tese se insere. Em linhas gerais, nossa pesquisa visa investigar, no contexto de duas universidades públicas brasileiras: a adoção de métodos de ensino inovadores centrados nos estudantes, em disciplinas de Física Geral; os fatores que influenciam a adoção e a difusão de tais métodos, em comparação com disciplinas equivalentes de universidades de outros países; os impactos na aprendizagem de conteúdos de Física e nas crenças e atitudes dos estudantes acerca dos métodos de ensino. Para isso, utilizando as orientações metodológicas para estudos de caso de Yin, e embasados pela Teoria de Difusão de Inovações de Rogers, realizamos três estudos de caso, dois exploratórios e um explanatório Os resultados do primeiro estudo evidenciam que o processo de mudança da prática docente foi influenciado pela percepção de uma vantagem relativa frente à prática instrucional anterior, pela compatibilidade entre as crenças de ensino e aprendizagem da professora e os pressupostos básicos dos métodos, pela observabilidade dos resultados obtidos na implementação e pela forma como esses métodos foram inseridos no contexto de ensino, isto é, com suporte de especialistas. Os resultados do segundo estudo apontam que a continuidade da prática inovadora dessa professora variou entre uma adaptação e uma reinvenção dos métodos de ensino centrados nos estudantes Ensino sob Medida (EsM) e Instrução pelos Colegas (IpC). As modificações feitas nos métodos foram balizadas pelas crenças da professora e pela dificuldade de cumprir o cronograma de conteúdos da disciplina. Em termos dos impactos na aprendizagem, nossa análise indica que o desempenho dos estudantes em um teste padronizado foi inferior ao apontado pela literatura. Por outro lado, os métodos contribuíram para um bom engajamento dos estudantes na disciplina, bem como para o desenvolvimento de atitudes positivas em relação ao IpC e ao EsM. O terceiro estudo, realizado em uma universidade diferente dos dois primeiros estudos, identificou que os docentes investigados fizeram uso de variações dos métodos Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP), IpC e EsM As modificações nos métodos foram realizadas de acordo com as necessidades específicas dos docentes, pelos contextos de ensino em que se encontravam e pelas suas crenças e experiências anteriores. Ainda em relação à adoção dos métodos, o processo de tomada de decisão de modificar a estrutura da disciplina de Física I, por meio da adoção de uma variação do EsM, foi coletivo, tornando o método uma prática estabelecida após a primeira experiência de seu uso. Segundo os docentes, a adoção dos métodos centrados nos estudantes foi responsável por uma melhora no engajamento e na aprendizagem dos estudantes. Contudo, um resultado negativo apontado pelos docentes foi a cultura que os estudantes desenvolveram em copiar as respostas das denominadas pré-aulas. Inferimos que este resultado está atrelado ao fato de que tais atividades eram avaliadas por grau de correção, e não pelo engajamento dos estudantes. Entre os docentes investigados, a difusão das inovações didáticas se deu por meio de uma estrutura descentralizada, onde um dos professores pode ser compreendido como um inovador local que difundiu os métodos ativos entre seus pares. Compreendemos que o modelo de difusão averiguado foi eficiente, pois a taxa de adoção dos métodos ativos, ou variações deles, foi elevada. Contudo, ressaltamos que a presença de um especialista (agente da mudança) poderia ter evitado a descontinuidade da prática do EsM. / Making student-centered teaching has been the focus of a great number of researchers within the area of Science teaching and research over the past 30 years. This tendency has its origin in the few positive results in relation to the learning of Science contents, especially of Physics, obtained through traditional approaches. In this context, re-signifying the didactic activities, especially the teaching methods used by teachers, becomes, therefore, fundamental. Despite the efforts of teachers and researchers in developing new student-centered teaching methods, the traditional approach is still ubiquitous in university instructional practice, both internationally and nationally. The non-adoption of innovative practices by teachers, despite the notoriously positive results obtained through them, indicates that there are many barriers in the process of changing teaching practice. Therefore, an in-depth understanding of the process of dissemination and change in teaching practices can contribute to the successful incorporation of new methods and their continued adoption. It is in this context that this thesis is inserted. In general terms, our research aims to investigate, in the context of two Brazilian public universities: the adoption of innovative student-centered teaching methods, in General Physics disciplines; the factors that influence the adoption and diffusion of such methods, in comparison with equivalent disciplines of universities in other countries; the impacts on the learning of Physics contents and the students' beliefs and attitudes about teaching methods. For this purpose, using Yin´s methodological guidelines for case studies, and based on Rogers' Theory of Diffusion of Innovations, we conducted three case studies, two exploratory and one explanatory The results of the first study show that the process of change in teaching practice was influenced by the perception of a relative advantage over the previous instructional practice, by the compatibility between the teaching and learning beliefs of the teacher and the basic assumptions of the methods, by the observability of the results obtained in the implementation and by the way these methods were inserted in the teaching context, that is, with the support of specialists. The results of the second study indicate that the continuity of this teacher's innovative practice varied between an adaptation and a reinvention of the student-centered teaching methods Just-in-Time Teaching (JiTT) and Peer Instruction (PI). The modifications made in the methods were defined by the beliefs of the teacher and by the difficulty of fulfilling the content schedule of the discipline. In terms of the impacts on the students´ learning, our analysis indicate that the students´ performance on a standardized test was lower than that reported in the literature. On the other hand, the methods contributed to a good students´ engagement with the discipline, as well as to the development of positive attitudes towards the PI and the JiTT. The third study, conducted in a university other than where the first two studies took place, identified that the teachers investigated made use of variations of the methods Problem-Based Learning (PBL), PI and JiTT. The modifications in the methods were made according to the specific needs of the teachers, the teaching contexts in which they were inserted and their previous beliefs and experiences Still, in relation to the adoption of the methods, the decision-making process to modify the structure of the discipline of Physics I, through the adoption of a variation of the JiTT, was collective, making the method an established practice after the first experience of its use. According to the teachers, the adoption of student-centered methods was responsible for an improvement in students' engagement and learning. However, a negative result pointed out by the teachers was the culture that the students developed in copying the answers provided in the so-called pre-classes. We infer that this result is linked to the fact that such activities were evaluated by degree of correction, and not by student engagement. Among the teachers investigated, the diffusion of didactic innovations occurred through a decentralized structure, where one of the teachers can be understood as a local innovator who diffused the active methods among his peers. We understand that the diffusion model verified was efficient, since the rate of adoption of the active methods, or variations of them, was high. However, we emphasize that the presence of a specialist (agent of change) could have avoided the discontinuity of the JiTT practice.

Neste trabalho apresentamos uma investigação desenvolvida ao longo de três anos em cursos introdutórios de Física da Universidade Federal do Rio Grande. O objetivo foi minimizar a dicotomia observada entre teoria e laboratório. A estratégia de ensino utilizada nas disciplinas de Física Geral para Engenharia fez uso do Vê de Gowin, um dispositivo heurístico capaz de explicitar como se dá o processo de produção do conhecimento científico. A construção de diagramas Vê foi utilizada para auxiliar na compreensão de textos nas aulas teóricas e como alternativa aos tradicionais relatórios nas aulas experimentais. A professora também fez uso dos Vês para organizar o ensino, em especial das aulas de laboratório. Alicerçados na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e Novak e nas teorias de ensino de Gowin e Moreira, e fundamentados em algumas idéias-chave de epistemólogos e filósofos da ciência contemporâneos, procuramos estimular uma integração entre teoria e experimentação, buscando contribuir para uma compreensão mais efetiva dos conceitos físicos e das concepções epistemológicas veiculadas nas aulas de Física. Na pesquisa, optamos por uma metodologia interpretativa, de imersão, mas também fizemos uso de vários dados quantitativos, procurando indícios da validade da estratégia. Os resultados mostraram que a eficácia do instrumento, para promover a desejada integração, depende da atuação decidida do professor. Indicaram também que as concepções dos estudantes sobre a ciência, o cientista e o modo como se dá a construção do conhecimento, ensinadas muitas vezes de forma implícita em aula, são persistentes e capazes de interferir na aprendizagem de teorias físicas. / In this paper, we presents a research carried out over three years in Physics introductory courses at Federal University of Rio Grande. The aim of the present study was to minimize the observed dichotomy between theory and lab. The teaching strategy in General Physics disciplines for Engineering has made use of Gowin's Vee, a heuristic device able to explain the process of scientific knowledge production. The construction of Vee diagrams was used to assist understanding of texts in theory classes and as an alternative to traditional reports in the experimental classes. The teacher also made use of it to organize the education, especially for laboratory classes. We based our work on the theory of Ausubel and Novak's meaningful learning and on Gowin and Moreira's theories of teaching and we also grounded it on some key ideas of contemporary epistemology and philosophy of science. We want to promote theory-experiment integration, seeking to contribute to a more effective comprehension of physical concepts and epistemological conceptions expressed in Physics classes. In research, we opted for an interpretative methodology, but we also made use of several quantitative data, looking for evidence of strategy's validity. The results showed that the effectiveness of the instrument performance to promote the desired integration depends on the teacher's decisive role. They also indicated that the students conceptions about science, the scientist and how the knowledge construction is made, that are taught many times implicitly in class, are persistent and can interfere in the physical theories learning.

Neste trabalho apresentamos uma investigação desenvolvida ao longo de três anos em cursos introdutórios de Física da Universidade Federal do Rio Grande. O objetivo foi minimizar a dicotomia observada entre teoria e laboratório. A estratégia de ensino utilizada nas disciplinas de Física Geral para Engenharia fez uso do Vê de Gowin, um dispositivo heurístico capaz de explicitar como se dá o processo de produção do conhecimento científico. A construção de diagramas Vê foi utilizada para auxiliar na compreensão de textos nas aulas teóricas e como alternativa aos tradicionais relatórios nas aulas experimentais. A professora também fez uso dos Vês para organizar o ensino, em especial das aulas de laboratório. Alicerçados na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e Novak e nas teorias de ensino de Gowin e Moreira, e fundamentados em algumas idéias-chave de epistemólogos e filósofos da ciência contemporâneos, procuramos estimular uma integração entre teoria e experimentação, buscando contribuir para uma compreensão mais efetiva dos conceitos físicos e das concepções epistemológicas veiculadas nas aulas de Física. Na pesquisa, optamos por uma metodologia interpretativa, de imersão, mas também fizemos uso de vários dados quantitativos, procurando indícios da validade da estratégia. Os resultados mostraram que a eficácia do instrumento, para promover a desejada integração, depende da atuação decidida do professor. Indicaram também que as concepções dos estudantes sobre a ciência, o cientista e o modo como se dá a construção do conhecimento, ensinadas muitas vezes de forma implícita em aula, são persistentes e capazes de interferir na aprendizagem de teorias físicas. / In this paper, we presents a research carried out over three years in Physics introductory courses at Federal University of Rio Grande. The aim of the present study was to minimize the observed dichotomy between theory and lab. The teaching strategy in General Physics disciplines for Engineering has made use of Gowin's Vee, a heuristic device able to explain the process of scientific knowledge production. The construction of Vee diagrams was used to assist understanding of texts in theory classes and as an alternative to traditional reports in the experimental classes. The teacher also made use of it to organize the education, especially for laboratory classes. We based our work on the theory of Ausubel and Novak's meaningful learning and on Gowin and Moreira's theories of teaching and we also grounded it on some key ideas of contemporary epistemology and philosophy of science. We want to promote theory-experiment integration, seeking to contribute to a more effective comprehension of physical concepts and epistemological conceptions expressed in Physics classes. In research, we opted for an interpretative methodology, but we also made use of several quantitative data, looking for evidence of strategy's validity. The results showed that the effectiveness of the instrument performance to promote the desired integration depends on the teacher's decisive role. They also indicated that the students conceptions about science, the scientist and how the knowledge construction is made, that are taught many times implicitly in class, are persistent and can interfere in the physical theories learning.

Tornar o ensino centrado nos estudantes tem sido foco de atenções de grande parte da área de pesquisa e ensino de Ciências nos últimos 30 anos. Essa tendência tem origem nos resultados poucos positivos em relação à aprendizagem de conteúdos de Ciências, especialmente de Física, obtidos por meio das abordagens tradicionais. Neste contexto, ressignificar as atividades didáticas, especialmente os métodos de ensino utilizados pelos professores, torna-se, portanto, fundamental. A despeito dos esforços de professores e pesquisadores no desenvolvimento de novos métodos de ensino centrados nos estudantes, a abordagem tradicional ainda é onipresente na prática instrucional universitária, tanto no contexto internacional, quanto nacional. A não adoção de práticas inovadoras por parte dos professores, apesar dos resultados notoriamente positivos obtidos por meio delas, indica que existem muitas barreiras no processo de mudança da prática docente. Por conseguinte, compreender em profundidade o processo de difusão e mudança das práticas de ensino pode contribuir para que novos métodos sejam incorporados com sucesso, tendo sua adoção continuada. É nesse contexto que a presente tese se insere. Em linhas gerais, nossa pesquisa visa investigar, no contexto de duas universidades públicas brasileiras: a adoção de métodos de ensino inovadores centrados nos estudantes, em disciplinas de Física Geral; os fatores que influenciam a adoção e a difusão de tais métodos, em comparação com disciplinas equivalentes de universidades de outros países; os impactos na aprendizagem de conteúdos de Física e nas crenças e atitudes dos estudantes acerca dos métodos de ensino. Para isso, utilizando as orientações metodológicas para estudos de caso de Yin, e embasados pela Teoria de Difusão de Inovações de Rogers, realizamos três estudos de caso, dois exploratórios e um explanatório Os resultados do primeiro estudo evidenciam que o processo de mudança da prática docente foi influenciado pela percepção de uma vantagem relativa frente à prática instrucional anterior, pela compatibilidade entre as crenças de ensino e aprendizagem da professora e os pressupostos básicos dos métodos, pela observabilidade dos resultados obtidos na implementação e pela forma como esses métodos foram inseridos no contexto de ensino, isto é, com suporte de especialistas. Os resultados do segundo estudo apontam que a continuidade da prática inovadora dessa professora variou entre uma adaptação e uma reinvenção dos métodos de ensino centrados nos estudantes Ensino sob Medida (EsM) e Instrução pelos Colegas (IpC). As modificações feitas nos métodos foram balizadas pelas crenças da professora e pela dificuldade de cumprir o cronograma de conteúdos da disciplina. Em termos dos impactos na aprendizagem, nossa análise indica que o desempenho dos estudantes em um teste padronizado foi inferior ao apontado pela literatura. Por outro lado, os métodos contribuíram para um bom engajamento dos estudantes na disciplina, bem como para o desenvolvimento de atitudes positivas em relação ao IpC e ao EsM. O terceiro estudo, realizado em uma universidade diferente dos dois primeiros estudos, identificou que os docentes investigados fizeram uso de variações dos métodos Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP), IpC e EsM As modificações nos métodos foram realizadas de acordo com as necessidades específicas dos docentes, pelos contextos de ensino em que se encontravam e pelas suas crenças e experiências anteriores. Ainda em relação à adoção dos métodos, o processo de tomada de decisão de modificar a estrutura da disciplina de Física I, por meio da adoção de uma variação do EsM, foi coletivo, tornando o método uma prática estabelecida após a primeira experiência de seu uso. Segundo os docentes, a adoção dos métodos centrados nos estudantes foi responsável por uma melhora no engajamento e na aprendizagem dos estudantes. Contudo, um resultado negativo apontado pelos docentes foi a cultura que os estudantes desenvolveram em copiar as respostas das denominadas pré-aulas. Inferimos que este resultado está atrelado ao fato de que tais atividades eram avaliadas por grau de correção, e não pelo engajamento dos estudantes. Entre os docentes investigados, a difusão das inovações didáticas se deu por meio de uma estrutura descentralizada, onde um dos professores pode ser compreendido como um inovador local que difundiu os métodos ativos entre seus pares. Compreendemos que o modelo de difusão averiguado foi eficiente, pois a taxa de adoção dos métodos ativos, ou variações deles, foi elevada. Contudo, ressaltamos que a presença de um especialista (agente da mudança) poderia ter evitado a descontinuidade da prática do EsM. / Making student-centered teaching has been the focus of a great number of researchers within the area of Science teaching and research over the past 30 years. This tendency has its origin in the few positive results in relation to the learning of Science contents, especially of Physics, obtained through traditional approaches. In this context, re-signifying the didactic activities, especially the teaching methods used by teachers, becomes, therefore, fundamental. Despite the efforts of teachers and researchers in developing new student-centered teaching methods, the traditional approach is still ubiquitous in university instructional practice, both internationally and nationally. The non-adoption of innovative practices by teachers, despite the notoriously positive results obtained through them, indicates that there are many barriers in the process of changing teaching practice. Therefore, an in-depth understanding of the process of dissemination and change in teaching practices can contribute to the successful incorporation of new methods and their continued adoption. It is in this context that this thesis is inserted. In general terms, our research aims to investigate, in the context of two Brazilian public universities: the adoption of innovative student-centered teaching methods, in General Physics disciplines; the factors that influence the adoption and diffusion of such methods, in comparison with equivalent disciplines of universities in other countries; the impacts on the learning of Physics contents and the students' beliefs and attitudes about teaching methods. For this purpose, using Yin´s methodological guidelines for case studies, and based on Rogers' Theory of Diffusion of Innovations, we conducted three case studies, two exploratory and one explanatory The results of the first study show that the process of change in teaching practice was influenced by the perception of a relative advantage over the previous instructional practice, by the compatibility between the teaching and learning beliefs of the teacher and the basic assumptions of the methods, by the observability of the results obtained in the implementation and by the way these methods were inserted in the teaching context, that is, with the support of specialists. The results of the second study indicate that the continuity of this teacher's innovative practice varied between an adaptation and a reinvention of the student-centered teaching methods Just-in-Time Teaching (JiTT) and Peer Instruction (PI). The modifications made in the methods were defined by the beliefs of the teacher and by the difficulty of fulfilling the content schedule of the discipline. In terms of the impacts on the students´ learning, our analysis indicate that the students´ performance on a standardized test was lower than that reported in the literature. On the other hand, the methods contributed to a good students´ engagement with the discipline, as well as to the development of positive attitudes towards the PI and the JiTT. The third study, conducted in a university other than where the first two studies took place, identified that the teachers investigated made use of variations of the methods Problem-Based Learning (PBL), PI and JiTT. The modifications in the methods were made according to the specific needs of the teachers, the teaching contexts in which they were inserted and their previous beliefs and experiences Still, in relation to the adoption of the methods, the decision-making process to modify the structure of the discipline of Physics I, through the adoption of a variation of the JiTT, was collective, making the method an established practice after the first experience of its use. According to the teachers, the adoption of student-centered methods was responsible for an improvement in students' engagement and learning. However, a negative result pointed out by the teachers was the culture that the students developed in copying the answers provided in the so-called pre-classes. We infer that this result is linked to the fact that such activities were evaluated by degree of correction, and not by student engagement. Among the teachers investigated, the diffusion of didactic innovations occurred through a decentralized structure, where one of the teachers can be understood as a local innovator who diffused the active methods among his peers. We understand that the diffusion model verified was efficient, since the rate of adoption of the active methods, or variations of them, was high. However, we emphasize that the presence of a specialist (agent of change) could have avoided the discontinuity of the JiTT practice.