MELHORA DE MEDIDAS EXPERIMENTAIS EM FÍSICA ATRAVÉS DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO

## MELHORA DE MEDIDAS EXPERIMENTAIS EM FÍSICA ATRAVÉS DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO

## MEASURES FOR IMPROVEMENT IN EXPERIMENTAL PHYSICS THROUGH A TEACHING STRATEGY

## Ana Claudia Força 1 , Carlos Eduardo Laburú , Osmar Henrique Moura da Silva 2 3

- 1 Universidade Estadual de Londrina/MECEM, ana5676@hotmail.com
- 2 Universidade Estadual de Londrina/Departamento de Física, laburu@uel.br
- 3 Universidade Estadual de Londrina/Departamento de Física, osmarh@uel.br

## Resumo

O presente trabalho tem o objetivo de investigar uma estratégia de ensino inspirada na proposta sugerida por Millar em 1987, em que alunos que conhecem de antemão o resultado da medida a ser encontrada experimentalmente apresentam comportamentos mais condizentes com o paradigma de conjunto. As atividades experimentais em física, tanto quantitativas quanto qualitativas, constituem importante ferramenta educacional quando estruturadas em bases educacionais e epistemológicas claras, devidamente conduzidas. Pesquisas acerca de atividades experimentais que abordam medições apontam que alunos, seja do ensino médio seja do universitário, carregam interpretações a respeito de medidas, que são condizentes com o paradigma pontual. Acreditam na existência de um valor verdadeiro da medida, enganos associados neste processo podem ser reduzidos a zero e uma única leitura da medida expressa o valor verdadeiro, não havendo a necessidade de repetir o processo de medição. Essas interpretações podem comprometer momentos de instruções pedagógicas. A transformação conceitual do paradigma pontual para o de conjunto torna-se dependente de uma superação cognitiva que acontecerá se houver uma condução da concepção de medição. Para essa investigação, vinte alunos do primeiro ano do ensino médio de um colégio estadual, do município de Colorado-PR, realizaram uma atividade experimental. Ao final, verificou-se que os alunos submetidos à estratégia investigada obtiveram um conjunto de comportamentos e atitudes que confirmam a hipótese do trabalho, que propicia a discussão relativamente a flutuações, incertezas e médias, ideias que se ajustam ao paradigma de conjunto. Por conseguinte a estratégia em questão contribui de maneira positiva para a construção do conceito de medição por parte dos estudantes.

Palavras-chave: Atividade experimental, física, estratégia de ensino

## Abstract

This study therefore aims to investigate a teaching strategy inspired by Millar's proposal, in which students know beforehand the result of the measure to be found experimentally present behaviors more consistent with the set paradigm. The experimental activities in physics, both quantitative as well as qualitative, are an important educational tool when structured in clear bases educational and epistemological, properly conducted. Research on activities that address

- 2 Auxílio parcial CNPq e Fundação Araucária.

experimental measurements indicate that students, both in high school and university carries interpretations regarding measures that are consistent with the point paradigm. They believe in the existence of a true value of the measure, mistakes associated with this process can be reduced to zero and a single reading of the measure expresses the true value, with no need to repeat the measurement process. These interpretations may affect moments of pedagogical instructions. The conceptual transformation of the point paradigm for set becomes dependent on a cognitive overcoming that will happen if there is a conduct of measurement conception. For this investigation, twenty students of the first year from high school of a public school in the city of Colorado-PR, performed an experimental activity. At the end, it was found that students who took the strategy measures investigated had a set of behaviors and attitudes that confirm the hypothesis of the work, and provides discussion concerning fluctuations, uncertainties and average, ideas that fit the set paradigm. Hence the strategy involved contributes positively in the construction of the concept of measuring by the students.

## Keywords : Experimental activity, physics, teaching strategy

## Introdução

Os problemas e dificuldades que permeiam o ensino, em especial o de física, têm sido apontados há anos, implicando em estudos a fim de entendê-los e minimizá-los. Para isso, evidenciam-se muitas propostas de encaminhamentos didáticos diferenciados, motivadores, desafiadores que priorizam a participação e a interação dos alunos, encaminhando-os para o desenvolvimento pleno, capacitandoos a compreender fenômenos do cotidiano, avanços tecnológicos e, sobretudo a agir de maneira responsável e consciente dentro do seu convívio social.

Nesse sentido, a atividade experimental no ensino de ciências ganha destaque entre professores e alunos como um caminho para desencadear o aprendizado, além de motivar e impulsionar a aprendizagem de conteúdos para níveis mais significativos, sendo também auxiliadora do desenvolvimento epistemológico, do inquirir científico, ao investigar os estudantes quanto a habilidades cognitivas, de atitudes e práticas (HODSON, 1994; LABURÚ, 2005), desempenhando um papel central não só para a ciência natural, mas também para a educação científica consistente (MILLAR, 1987). No Editorial do Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Peduzzi e Peduzzi (2004) justificam que a experimentação, tanto a qualitativa quanto a quantitativa, se estruturada em bases educacionais e epistemológicas claras e bem conduzidas, aguça a curiosidade, minimiza a abstração, proporcionando discussões, elaborações de hipóteses, reflexões, criticidade; oportuniza o conhecimento de métodos e de técnicas de investigação e análise de dados, facilitando a compreensão de conceitos, leis e teorias, aproximando a física do mundo real através da percepção da relação ciência e tecnologia.

Visando ampliar a possibilidade de uma instrução diferenciada que corrobore o aprendizado de medições, o presente trabalho investiga uma estratégia de ensino que tem a preocupação de enfrentar a problemática ligada à medida, que, frequentemente, ocorre com estudantes na escola. Basicamente, essa estratégia propõe que os alunos saibam de antemão o resultado da medida do experimento a

realizar. Com isso, deseja-se estimulá-los em vários comportamentos e atitudes que favoreçam o enfrentamento de suas concepções a respeito de medidas. Tal estratégia é estabelecida por aproximação ou analogia com a ideia proposta por Millar (1987), cuja intenção é expor um paradigma, de modo que conhecimentos escolares aprendidos cumpram essa função. Nossa proposta, no entanto, faz tãosomente que o aluno possua uma expectativa já conhecida do valor da medida, ou seja, que ele saiba previamente o valor a ser encontrado no experimento. Com relação ao objetivo pedagógico, a proposta corresponde, na essência, à de Millar, visto que os cientistas, quando expostos a um paradigma, procuram forçar a natureza dos fatos.

A pesquisa parte da hipótese de que os alunos que conhecem previamente o valor da medida a ser encontrada despendem mais tempo na execução e discussão com os pares e professor a respeito dos resultados encontrados, repetem medidas, são mais minuciosos no manuseio do equipamento. Essas características podem contribuir para o avanço de ideias do paradigma pontual que levem à compreensão a respeito de medidas presentes no paradigma de conjunto.

## Perspectiva kuhniana para o ensino

Millar [3] contrapõe duas visões díspares em relação ao papel das atividades experimentais para o ensino de ciências. Uma dessas visões refere-se à abordagem do laboratório didático como meio para descobrir e validar teorias científicas assim como para introduzir os estudantes nos métodos da ciência. Outra visão presume o laboratório didático como um meio para se discutirem os resultados experimentais em um processo de negociação de significados. O autor desfere críticas à imagem popular de ciência, aquela em que os conhecimentos são descobertos no laboratório por experimentos e que lhes garante a validade, a fidedignidade e a confiança dos experimentos escolares, guiados por estratégias de ensino por descoberta ou hipotético-dedutivas. Essa imagem é criticada em razão dos resultados incertos gerados pelos experimentos. Questiona também se uma demonstração particular de certo fenômeno realmente deixa claro o assunto ou é capaz de ajudar o aprendiz a construir significados. Em analogia à ideia kunhiana de paradigma na ciência, Millar defende que realizar um experimento escolar é expor um paradigma e não descobrir um conhecimento ou testar hipóteses (MILLAR, 1987, p. 114).

Para Kuhn, muita teoria é necessária antes de os resultados da medição obterem sentido, afirma até mesmo que, no momento em que toda teoria está disponível, a lei muito provavelmente já foi conjecturada sem que tenha havido recorrência à medição (KUHN, 1977, p. 247]. A teoria tem um papel importante na redução da dispersão dos dados (KUHN, 1977, p. 241). Os cientistas buscam forçar a própria natureza a se conformar com a teoria, em vez de lutar contra os fatos, visto acreditarem na teoria. As leis da natureza raramente são arquitetadas apenas por inspeção dos resultados de medições feitas, sem que haja um conhecimento prévio dessas leis, porque as medidas apresentam grandes dúvidas e incertezas. Para Kuhn (1977, p. 239 e 244), é a teoria que leva ao refinamento das técnicas, inventos e aproximações teóricas. Em contrapartida a isso, Kuhn entende que toda medição depende de um paradigma que a guie, pois assim é possível o cientista se orientar na tomada de decisão de como medir, do que medir e de qual valor numérico obter.

## Paradigma Pontual e Paradigma de Conjunto

Os dados coletados por Buffler (2001), a partir de uma pesquisa realizada com alunos do primeiro ano da graduação, com relação à compreensão deles a respeito de medição no laboratório de física, foram analisados de acordo com um modelo que reúne as descobertas de trabalhos anteriores e enquadra os raciocínios e ações dos estudantes, denominado de paradigma pontual e paradigma de conjunto (BUFFLER, 2001, p. 1139). Nesse contexto, essas denominações estabelecem um paralelo com o conceito kunhiano de paradigma (KUHN, 1977) no sentido de assinalar um grupo de crenças, valores, técnicas etc. compartilhado pelos alunos ao refletirem a respeito de medida. A ideia de paradigma é utilizada para identificar, classificar e explicar as justificativas apresentadas pelos alunos para uma determinada ação.

Em resumo, no paradigma pontual, o processo de medição permite determinar o valor verdadeiro da medida; enganos associados ao processo de medição podem ser reduzidos a zero e uma única leitura da medida expressa o valor verdadeiro. No paradigma de conjunto, o processo de medição fornece informações incompletas a respeito da medida; todas as medidas estão sujeitas a incertezas ou erros que não podem ser reduzidos a zero, e todos os dados disponíveis são usados para construir as distribuições das quais a melhor aproximação da medida e um intervalo de incerteza são derivados.

## Metodologia

Este estudo teve como amostra vinte alunos do primeiro ano do ensino médio de um colégio estadual da cidade de Colorado - PR, organizados em duas turmas de dez, alunos formando um grupo experimental (GE) e um grupo de controle (GC), cada qual com cinco subgrupos de dois alunos cada, codificados de GE1,.., GE5 e GC1,..., GC5. Foram realizados três encontros com duração de aproximadamente duas horas e meia cada um, no laboratório de ciências do colégio. Tanto os alunos dos GEs, quanto os dos GCs realizaram a mesma atividade experimental. Tinham que determinar a densidade de um óleo de soja de cozinha, sendo-lhes entregue um litro de óleo, um béquer de 600 ml, um tubo de vidro e uma balança de precisão de décimos de grama. Antes de iniciar a atividade os subgrupos foram igualmente instruídos a respeito de como utilizar a balança, medir o volume do óleo e calcular a densidade através da expressão d = m/V. Apenas aos GEs foi informado o valor tabelado da densidade do óleo repassada pelo fabricante do produto (µ = 0,9166g/ml).

A atividade experimental foi videogravada e as falas dos alunos, durante a sua realização, transcritas e analisadas. Essas falas eram divididas quando havia interrupção ou uma nova enunciação se iniciasse. Na análise, destacamos alguns trechos da fala dos alunos (A1 e A2) e do professor (P), colocando-os entre aspas e em itálico, preservando os mesmos dizeres utilizados pelos participantes da pesquisa. Por vezes, a fim de destacar alguma observação, o trecho será apresentado em negrito. Esclarecemos que uma nova medida declarada foi considerada toda vez que os alunos alteravam a massa ou o volume óleo realizando novos cálculos, sem necessariamente trocarem o conjunto (óleo+béquer).

## Análise e discussão dos dados

Pela observação individual junto aos subgrupos, verificou-se que, em média os GEs despenderam mais tempo para a realização da atividade do que os alunos dos GCs, conforme a Tabela 1.

Tabela 1 - Quantidade de medição e tempo gasto dos GCs e GEs.

Isso se justifica por um conjunto de comportamentos apresentado pelos GEs que não foram identificados nos GCs, como por exemplo, a cautela e a atenção ao repetir medições, o diálogo e as reflexões a respeito dos procedimentos efetuados e os resultados obtidos. Os diálogos estabelecidos entre os alunos dos GCs centraram-se apenas em como utilizar o material e realizar os cálculos, não havendo reflexões a respeito dos procedimentos e resultados encontrados. Os alunos do GC1 realizaram apenas uma medição para declararem o valor da densidade do óleo encontrado: 0,9 g/ml. Quando questionados pelo professor: 'Vocês estão satisfeitos com esse valor? Confiam nesse valor?' , disseram: ' Acho que sim' . Declararam concluído o processo de medição logo após obterem o valor de uma única medida : 'P: Concluíram vossa medição?', 'A1 e A2: Sim' . Comportamento semelhante foi observado nos estudantes do CG4 que, quando questionados pelo professor a respeito do valor encontrado responderam: A2: '0,8' e A1'... Esse é o valor da densidade, d = 0,8776 '; 'Só isso professora?' . Para esses alunos, o processo de medição está concluído. Os alunos do GC5 também declararam o valor para a densidade do óleo com apenas uma medição e questionaram: A1: 'É só isso Professora?'. Levantaram-se imediatamente dos bancos em que estavam sentados, dando por encerrada a atividade. Os alunos do GE2 repetiram a medição por acharem 'estranho' o valor da primeira medida obtida: 'A1: 0,8813333...'. Ao serem questionados pelo professor se estavam satisfeitos com o valor, disseram: 'A1: Ai, deu estranho'; 'A2: Eu também acho que está errado isso aí' (turno 021) , e ainda continuam: 'A1: Eu acho que está meio estranho essa medida aqui' ( turno 022) . A justificativa apresentada foi que acharam 'estranho' a dízima periódica. Repetiram a medida concluindo o processo após obterem o valor com apenas três casas decimais. A2 diz: ' Deu certo'. 'A1 e A2: Deu 0,939' . É possível inferir que, se os alunos tivessem encontrado esse valor ou um semelhante na primeira medição, teriam finalizado o processo de coleta de dados.

A repetição das medidas por parte dos quatro GEs se dá porque conheciam antecipadamente o valor da densidade do óleo e buscaram encontrá-la experimentalmente. Observamos que os alunos dos GEs despendem mais tempo na

discussão dos procedimentos adotados, no cuidado ao realizarem as medições e também nas reflexões dos resultados obtidos, como se observa no GE1, A2 : 'O do béquer está certo'. A1: '... Passou um pouquinho... Acho que vou fazer outra conta usando o outro béquer que eu fiz '. A1: 'Mas vai cair lá. Mexe com a caneta para não mexer muito. Calma aí. Tá né? Certinho? Acho que não está não, olha aí. Deixa eu ver mais um' . Isso se verificou também no GE2 (A1: 'Acho que nós colocamos óleo a mais...' . A2: '... A gente percebeu que quanto mais estávamos diminuindo o valor do óleo (volume), mais estava aumentando o resultado (densidade), daí colocamos mais óleo e o resultado foi diminuindo' ), no GE4 (A1: 'Eu acho que foi que a gente não mediu certo' . A2: 'Aumentar a quantidade de óleo ou o tamanho do béquer, medir com atenção') e no GE5 (A2: 'Se este daqui tinha que estar aqui mesmo, então a primeira medida do béquer nós fizemos errado aquela hora' . A1: 'Eu acho que tem que voltar mais um pontinho, só mais um') .

Diferentemente dos GCs que não repetiram o processo de medição os GEs o fizeram com mais cautela e atenção, como observado no GE1 (A1: 'Eu acho que passou bem pouquinho. Mas passou; A1: 'Vai lá A2, mede lá. Vê certinho ...Mexe com a caneta para não mexer muito. Calma aí. Tá né? Certinho? . Acho que não está não, olha ai. Deixa eu ver mais um '), no GE2 (A2: 'Vem mais um pouquinho. Pode vir. Volta. Espera. Deu. Volta. Deu. Não deu não, volta mais um pouquinho '; A2: ' Não passou não. Se você olhar de cima passou, mas se olhar daqui está certo. O óleo está certo '.), no GE3: (A1: Vamos por 400 agora? Mais um pouquinho, só mais um pouquinho. Tá bom, agora deu '), no GE4 (A1: ' Não tem que ser aí ó. Você está marcando no lugar errado. Tem que descer mais um pouquinho ') e no GE5 (A1: 'Só mais um pouquinho, certinho, foi'; A2: 'Mais um pouco, né? Mais um pouquinho'). O alunos do GC2 ao repetir a medida mostraram-se mais atentos (A1: ' É que antes nós usamos o 300 mas não colocamos 300, faltou um pouquinho. Agora foi certo '), comportamento não manifestado pelos demais GCs.

Por conhecerem antecipadamente o valor a ser obtido, os GE 2, 3 e 5 puderam retornar e corrigir alguns cálculos realizados. Em uma das medições do GE2, os alunos mediram a massa de 350 ml de óleo, mas, ao efetuarem o cálculo, dividiram essa massa por 400 ml. Por ter se afastado do valor tabelado os alunos retornaram ao cálculo tecendo reflexões a respeito dos passos realizados, A1: ' Espera, 471,5, e a massa do béquer é 154. Deu 317,5 dividido por 400'. A1: ' Deixa eu ver, ..., dividido pelo...' , A1: ' Por 400. Ahhh é por 350 ', A2: ' Vamos começar tudo de novo' . Comportamento semelhante foi observado no GE3 A1: ' A gente encontrou um aqui, mas não tem nada a ver com aquele valor...' , A1: ' A gente tirou o valor do béquer e o valor do béquer com o óleo... aí deu 600 dividido por 459,9' , A1: ' Mas aqui no caso A2, encontramos o erro. Aqui é 500 e não 600' . O GE5 havia declarado 267,6 g/ml para a densidade do óleo. Quando questionados a respeito do resultado, retornaram ao cálculo e o corrigiram (A1: ' Não, a gente tinha que dividir aí pra achar a densidade...') .

Os alunos dos GEs refletiram a respeito de fatores que influenciam o resultado obtido no processo de medição. Evidenciamos esse comportamento no GE2 (A2: 'A gente mediu certo ', A2: ' Não tem óleo na parede do béquer nem na balança '; A1: ' O que pode estar errado? A medida do óleo não é, acho que é a do béquer' ; A2: ' Não, a do béquer está certa') , no GE1 (A1: ' Tá vendo como é a medida, toda hora muda a balança' , A1: ' Eu acho que passou bem pouquinho, mas passou. Mas pode ter sido aqui também, sem o óleo, a medida que a gente tá vendo errado'). No GE4, declaram que aumentar a quantidade de óleo, medir corretamente

e com mais atenção influencia o valor da medida encontrada. Os alunos do GE5 perceberam um erro de leitura que estavam cometendo (A1: ' Não tem que ser aí oh.Você está marcando no lugar errado. Tem que descer mais um pouquinho' , A2: 'Se este daqui tinha que estar aqui mesmo, então a primeira medida do béquer nós fizemos errado aquela hora') . Esse comportamento nos GCs foi observado apenas no GC3 (A1: ' É que antes nós usamos o 300, mas não colocamos 300, faltou um pouquinho. Agora foi certo ').

Pôde-se identificar que os alunos dos GEs apresentam um conjunto de comportamento que confirma a hipótese deste trabalho: estudantes que conhecem previamente o valor da medida a ser encontrada em uma atividade experimental despendem mais tempo na execução, discussão e reflexão a respeito dos procedimentos adotados e dos resultados obtidos, propiciando momentos que conduzem a uma ideia inicial a respeito incertezas, flutuações e média, características estas presentes no Paradigma de Conjunto e que dificilmente conseguiriam ser abarcadas em uma discussão nos GCs, por falta dos dados que a provocariam.

## Conclusões

Os resultados encontrados, devido o tamanho reduzido da amostra, parecem sugerir a confirmação da hipótese de que os estudantes dos GEs despendem mais tempo na execução e discussão das atividades com os pares e professor, são mais cautelosos, refletem a respeito dos procedimentos adotados e resultados obtidos, de modo a propiciar momentos que encaminhem a ideias pertencentes ao paradigma de conjunto, caracterizam a importância da estratégia de ensino aqui sugerida. Reconhecemos que, através da estratégia aplicada, dificilmente os alunos chegariam a conceitos elaborados da teoria dos erros, como, por exemplo, desvio padrão, sem que antes passem por uma instrução formal de ensino. Mas os comportamentos e atitudes apresentadas por alunos dos GEs, ao realizarem atividades experimentais quantitativas, constituem um passo inicial importante para o avanço da construção do conhecimento científico a respeito de medição, condizentes com o paradigma de conjunto.

Cauzinille\_Marmeche et al. (1985) apontam que os alunos investigados (idades entre onze e treze anos) raramente replicam experimentos ou comparam conjuntos de medidas ou médias, pois isso não tem significado para eles. Tais entendimentos de medição também foram identificados em nossa pesquisa, porém a estratégia de ensino aqui aplicada permitiu avançar nos resultados encontrados pelas autoras, visto que os alunos dos GEs repetiram medidas, refletiram a respeito dos procedimentos adotados e de resultados obtidos, potencializando momentos que conduziam a ideias de incertezas, erros, médias e flutuações, condizentes com o paradigma de conjunto e que permitem que o ensino caminhe em direção a ele.

A estratégia de ensino proposta pode ser uma importante ferramenta educacional para que alunos comecem a explorar e desenvolver ideias iniciais a respeito de medição, dando-lhes suporte para, em momentos futuros, avançarem em relação à teoria dos erros. Por isso acreditamos na importância do trabalho, por indicar uma estratégia de ensino que proporcionou a melhora da acurácia na retirada de medidas experimentais e por produzir vários comportamentos que favorecem o enfrentamento das concepções dos estudantes a respeito de medidas arraigadas no paradigma pontual para que caminhem em direção ao paradigma de conjunto.

## Referências

BUFFLER, A. et al. The development of first year physics student's ideas about measurement in terms of point and set paradigms, International Journal of Science Education , 23, 11, 1137-1156, 2001.

CAUZINILLE-MARMECHE, et al. The influence of a priori ideas on the experimental approach, Science Education , 69, 2, 201-211, 1985.

GIL PÉREZ, D. La metodologia cientifica y la enseñanza de las ciencias. Unas relaciones controvertidas. Enseñanza de las Ciencias , v. 4, n .2, p. 111-121, 1986.

HODSON, D. Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio, Enseñanza de las Ciencias , 12, 3, 299-313, 1994.

KUHN, T. S. A estrutura das revoluções científicas. São Paulo: Editora Perspectiva, 1977.

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MILLAR, R. Towards a role for experiment in the science teaching laboratory. Studies in Science Education , 14, 109-118, 1987.

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