O ENSINO DE ESTÁTICA ATRAVÉS DA CONSTRUÇÃO E CALIBRAÇÃO DE UMA BALANÇA ROMANA

## O ENSINO DE ESTÁTICA POR MEIO DA CONSTRUÇÃO E CALIBRAÇÃO DE UMA BALANÇA ROMANA

## THE TEACHING OF STATIC BY CONSTRUCTION AND CALIBRATION A SCALE ROMAN

## Fausto Hideki Matsunaga 1 , Nestor Cortez Saavedra Filho , Awdry Feisser 2 Miquelin 3

- 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná /Dafis/,fhmatsunaga@uol.com.br
- 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná /Dafis/,nestorsf@utfpr.edu.br
- 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná /Dafis/,awdry@utfpr.edu.br

## Resumo

Este trabalho apresenta um recurso de ensino-aprendizagem por meio da investigação da construção e calibração de uma balança romana, no ensino de estática, com turmas de primeiro ano do ensino médio, tendo como base a teoria de Aprendizagem significativa de David Ausubel. Com ele, demonstra-se a importância das atividades experimentais na escola com aulas práticas e com equipamentos que são construídos pelos próprios estudantes, a fim de proporcionar maior reflexão, construção de idéias, conhecimento de procedimentos e atitudes. Também reforça a necessidade contínua da investigação e desenvolvimento de práticas experimentais que propiciem ao estudante maior liberdade de pensamento, fugindo dos tradicionais roteiros 'receitas' da prática experimental. A investigação foi realizada em uma escola de Ensino Médio tendo como problematização a falta de conhecimento que os estudantes apresentavam em relação às ferramentas de uso diário como martelo, cunha, chave inglesa e etc,. O resultado obtido após o trabalho foi feito a partir da verificação das respostas dos estudantes nas atividades de avaliação. A partir desse resultado, pudemos verificar que o estudante, ao resolver uma situação problema, utilizava os conhecimentos adquiridos nas atividades experimentais, modificando seu conhecimento prévio, criando novas estratégias para solucionar o problema.

Palavras-chave : Ensino-aprendizagem, motivação, aprendizagem significativa, ensino de estática.

## Abstract

This work presents a teaching-learning source through construction and calibration of a roman scale, in teaching static, with first year of High School classes, based on the theory of Meaningful Learning of David Ausubel. It demonstrates the importance of experimental activities at school with practical lessons and equipment, that is constructed by the students themselves, in order to provide greater reflection, construction of ideas, knowledge of procedures and attitudes. It also reinforces the need for experimental practices that provide greate freedom of thought for the student, fleeing from the traditional "recipes' scripts of experimental practice. The research was done in a private school having as motivation the lack of knowledge that the students usually have about tools for daily use as a hammer, wedge, wrench, and so on. The result obtained was the verification of student responses on assessment activities . From this result, we could verify the student to solve problems

involving the equilibrium conditions, used the knowledge acquired in experimental activities, modifying their prior knowledge, creating new strategies to solve the problem.

Keywords : Teaching- learning, motivation, meaningful learning, teaching static.

## Considerações iniciais

As novas orientações na área do Ensino Básico têm se voltado para as investigações que privilegiam o estudo dos processos de ensino e aprendizagem na disciplina de Física em situações reais de sala de aula, destacando o conhecimento prévio que o estudante possui, a linguagem e compreensão do fenômeno físico abordado como elemento fundamental para a aquisição do conhecimento científico escolar. Dessa forma é de fundamental importância ter as aulas experimentais para que o aluno possa simular, verificar e ter liberdade de pensamento para formular hipóteses sobre um fenômeno físico.

Nesse focar, o artigo relata a investigação de uma transposição didática do conceito de Estática no processo de ensino-aprendizagem, tendo os estudantes como principal elemento do conhecimento científico e de sua linguagem.

'Tornar a aprendizagem do conhecimento científico em sala de aula um desafio prazeroso é conseguir que seja significativo para todos; tanto para o professor quanto para o conjunto de alunos que compõem a turma. É transformá-la em um projeto coletivo, em que a aventura da busca do novo, do desconhecido, de sua potencialidade, de seus riscos e limites seja a oportunidade para o exercício e o aprendizado das relações sociais e valores. Nessa perspectiva, a sala de aula passa a ser espaço de trocas reais entre os alunos e entre eles e o professor, diálogo que é construído entre conhecimentos sobre o mundo onde se vive e que, ao ser um projeto coletivo, estabelece a mediação entre as demandas afetivas e cognitivas de cada um dos participantes'. (DELIZOICOV, 2002, pág.153).

Observa-se que as práticas experimentais, geralmente seguem roteiros, apostilas com receitas de como medir ou relacionar uma grandeza Física. Dessa forma, o aluno efetua a medida, faz o cálculo necessário, porém na conclusão, percebe-se que ele não tem clareza do significado da grandeza abordada pela prática experimental e muitas vezes ele não consegue fazer a relação entre a teoria e prática. Esse tipo de aula não privilegia a busca pelo conhecimento e sim um repetição do conhecimento.

'Um ensino que visa à aculturação científica deve ser tal que leve os estudantes a construir o seu conteúdo conceitual participando do processo de construção e dando oportunidade de aprenderem a argumentar e exercitar a razão, em vez de fornecer-lhe respostas definitivas ou impor-lhes seus próprios pontos de vista transmitindo uma visão fechada das ciências.' (CARVALHO, 2004, p.3)

## Propósito da investigação e questão norteadora

O propósito da investigação visava a problematizar os conceitos de Estática utilizando, como material de apoio, uma balança romana, de forma que os estudantes elaborassem seus roteiros, construíssem a balança utilizando material

próprio, realizassem as medidas e arguíssem sobre os resultados obtidos. A escolha pela Estática vem do fato de ser um tema normalmente árido na forma como é visto no Ensino Médio, o que não motiva a aprendizagem dos estudantes. Assim, através desta atividade, procurou-se também atacar este aspecto.

Assim, neste trabalho, buscou-se destacar como o resultado da investigação, o comportamento dos estudantes frente a uma situação problema e como cada equipe procurava resolver as dificuldades encontradas no processo. Com isso, procurou-se responder ao seguinte questionamento: Como abordar um fenômeno Físico em uma prática experimental, de forma que a metodologia não seja baseada em roteiros pré-definidos, de modo que o estudante seja um sujeito ativo de uma constatação prática da relação entre grandezas que constituem o fenômeno Físico?

## Descrição das atividades na construção da Balança Romana

As atividades para a construção da balança romana foram divididas em quatro encontros de duas aulas e constituídas por cada metade da turma, quinzenalmente. Para cada metade, os estudantes eram divididos em grupos de no máximo 4 e no mínimo de 3 estudantes, levando em consideração a participação e a integração de todos os estudantes. Essa configuração facilitou o desenvolvimento das atividades experimentais, bem como a observação da aprendizagem no processo. A proposta para o desenvolvimento do Projeto Balança Romana como ficou sendo conhecido, consistia na aplicação dos conceitos que envolviam o Equilíbrio de um Corpo Extenso na construção de uma estrutura feita com materiais escolhidos pelos estudantes que receberam o desafio de confeccionar uma Balança capaz de medir massas que variavam de 100 gramas a 10 quilogramas. A cada etapa eram feitas anotações e fotografias, pelo professor em seu caderno de anotações, em relação ao desenvolvimento da construção da balança.

## Primeira etapa

Na primeira etapa do trabalho, como problematização, foi exposto um vídeo com desenho animado (http://www.youtube.com/watch?v=\_YTpWBC5Ej4) mostrando de forma lúdica o uso de uma alavanca. Após o vídeo, cada equipe expõs suas idéias, em uma atividade escrita, sobre o que ela entendia por equilíbrio de um corpo rígido. Essa atividade tinha por função verificar o conhecimento prévio chamado de subsunçor (AUSUBEL, 1980) que o estudante tem em relação às condições de equilíbrio, que por sua vez vai servir de âncora para a aquisição de novas informações relacionadas à Estática e nortear este trabalho, para que ao final do processo possamos verificar se houve indícios de aprendizagem foi significativa.

Após a atividade escrita, os estudantes pesquisaram sobre a Balança Romana produzindo então um roteiro para a sua construção. Neste roteiro os estudantes descreveram o procedimento para sua construção, as ferramentas e os materiais necessários. Neste contexto, ressalta-se a importância da pesquisa feita pelo estudante como uma estratégia que possibilita a capacidade de tomar decisões, de resolver problemas e apropriar-se de novos conceitos a partir do seu conhecimento prévio, buscando o desenvolvimento da autonomia. Aprender a pesquisar para o estudo envolve aprender a observar, planejar, levantar hipóteses, realizar medidas, interpretar dados, refletir e construir explicações de caráter teórico.

O ensino pela pesquisa constitui uma abordagem que tem uma longa história na educação em ciência. Estimula o questionamento, as explicações com

base nas evidências e a comunicação. No início do novo milênio, o ensino por investigação pode ser encarado como facilitador da promoção da literacia científica, do desenvolvimento de habilidades e competências e das relações Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente. Evidencia-se que a literacia é uma exigência da própria democracia, pois só desta forma serão dadas aos indivíduos ferramentas suficientes para, por exemplo, compreenderem e seguirem debates científicos e discutirem questões tecnológicas. A escola tem a missão de conseguir habilitar os indivíduos para a sua sobrevivência na sociedade, preparando-os não só para a responsabilidade que venham a assumir, como também para o mundo do trabalho.

'A pesquisa escolar é uma atividade multifacetária que envolve realizar observações, propor perguntas, examinar livros e outras fontes de informação para ver o que se conhece a respeito, planejar pesquisas, rever o que se sabia em função de nova evidência experimental, usar ferramentas para compilar, analisar e interpretar dados, propor respostas, explicações e predições e comunicar os resultados. A pesquisa requer a identificação de hipóteses, o uso do pensamento crítico e lógico e a consideração de explicações alternativas.' (FURMAN, 2009).

## Segunda etapa

A segunda etapa aconteceu em dois encontros quando os estudantes construíram a Balança Romana, a partir dos materiais por eles selecionados. Nesta etapa foram disponibilizadas às equipes ferramentas como serra elétrica (tico-tico), furadeira com controle de velocidade, diversas chaves para parafusos, martelo e outras, apresentadas na figura 1.

Figura 1: Ferramentas utilizadas na montagem do experimento

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Fonte: autoria própria

Nesta fase, a mediação do professor em relação ao uso das ferramentas e na administração da construção da balança foi de extrema importância devido à insegurança dos estudantes no uso das ferramentas, bem como a inexperiência em selecionar a matéria prima. Muitos não concebiam o grau de dificuldade ao serrar a madeira, ou ferro para montar a haste da balança. Algumas equipes trouxeram caibros de madeira de 6x8 polegadas e outras até mesmo um pequeno tronco de madeira.

## Terceira etapa

A terceira etapa do trabalho envolveu apenas um encontro e neste momento os estudantes partiram para a calibração da Balança. Esta foi a parte crítica do processo, pois os estudantes foram exigidos para demonstrar conhecimento satisfatório para poder relacionar as grandezas relativas à Estática a fim de representar na haste os valores de medida para uma leitura correta da massa. A figura 2 representa um diagrama feito por uma das equipes para descrever as grandezas em uma Balança Romana.

Figura 2: Representação das grandezas relevantes feita por uma das equipes

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## Fonte: autoria própria

As equipes que demonstraram o domínio do conceito de equilíbrio, equilibraram a haste colocando uma massa inicial no prato para equilibrar a ação da massa da haste em relação ao eixo de rotação. Feito isso mediam o valor da massa do contrapeso (M2), à distância (d2) do prato até o eixo de rotação que era o ponto de fixação entre a haste e o suporte da balança. Então relacionaram os valores das massas (M1) medida com o valor a contrapeso (M2), de forma que a relação de equilíbrio se dava entre a massa (M1) a ser medida com sua respectiva distância (d1) em relação ao eixo de rotação e a massa do contrapeso (M2) e sua respectiva distância (d2) em relação ao eixo de rotação, distância essa que após a descoberta de seu valor era então marcada na haste e passava a representar o valor da massa a ser medida. Nas figuras 3a e 3b, temos a fotografia de uma das balanças produzidas por umas das equipes.

Figura 3a Figura 3b

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Fonte: autoria própria

Na figura 4, está descrita a tabela de dados de uma das equipes. A massa M1 representa à massa colocada no prato e d1 a distância dessa massa em relação ao eixo de rotação, esquema este que está mostrado na figura 5 (retirado do trabalho de uma das equipes). A massa M2 representa a massa do contrapeso e d2 a distância do contrapeso em relação ao eixo de rotação que dá origem a escala de medida.

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Figura 5 (autoria própria)

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Figura 4 (autoria própria)

As equipes que não demonstraram o domínio do conceito de equilíbrio, também inicialmente equilibravam a massa da haste colocando uma massa inicial no prato à esquerda do eixo de rotação. Na hora de calibrar a haste, porém, o fizeram por tentativa e erro, ou seja, usaram massas com valores conhecidos e ajustavam a posição do contrapeso demarcando então a escala mostrada na figura 05. Na medida em que os alunos avançavam na construção da balança, o mediador avaliava como cada equipe superava seus obstáculos e como o novo conceito interferia e modificava o seu conhecimento prévio, ao dialogar com os subsunçores de modo a promover uma ancoragem substantiva, em cada grupo ou estudante, do novo conceito. Assim, pela observação e intervenção feita em cada equipe ao longo do processo da construção da balança, o mediador fazia anotações dos comentários, suposições, das soluções encontradas por cada equipe, criando uma base de dados, para posterior análise, do processo de aprendizagem dos alunos.

## Resultados

Uma vez terminada a calibração, os estudantes fizeram os primeiros testes de medidas com massas desconhecidas, anotaram os valores obtidos e em seguida mediram novamente essas massas em uma balança digital e então compararam os valores, percebendo então que estes eram muito diferentes. A frustração foi muito grande, pois todos esperavam que a experiência desse certo. Para os estudantes que fizeram por tentativa e erro, a diferença de valores não foi tão grande, aliás, para algumas equipes os valores eram muito próximos. Surgiram então questionamentos. Alguns estudantes colocaram em dúvida a validade das equações que foram utilizadas e outros perceberam que, no ponto de fixação entre o suporte e a haste, o parafuso que servia de eixo estava muito apertado e que isso podia gerar resistência ao movimento, comprometendo o resultado.

Deste modo, os estudantes buscaram meios para reduzir o atrito no eixo de rotação e após repetir as medidas perceberam que a diferença diminuía. Concluíram então que o princípio de equilíbrio bem como as relações matemáticas entre as grandezas não estavam erradas, porém elas não levavam em consideração a resistência entre o eixo e o suporte. Neste ponto, ao questionar a montagem do experimento em si, confrontando-a com as relações matemáticas que obtiveram, é um indicativo de que os novos conceitos sobre estática foram, de fato, ancorados na estrutura cognitiva dos estudantes, fazendo com que eles se tornassem capazes de observar os resultados não esperados e refletir sobre os mesmos de forma crítica. Embora não tenha sido feita uma abordagem quantitativa a respeito, este comportamento denota indícios de uma aprendizagem significativa, de acordo com Ausubel (1980), por parte destes grupos.Neste contexto, durante a construção da balança romana, os estudantes perceberam que, mesmo no uso das ferramentas mostradas na figura 1, conceitos da Estática podiam ser verificados. Como exemplo, há o relato de algumas equipes 'se usarmos a chave de fenda reta, precisamos aplicar mais força do que quando ela está dobrada', evidenciando o fato de que estavam relacionando o comprimento da haste em relação à força aplicada.

Nestas discussões, a preocupação dos estudantes circulava em torno das possíveis falhas e como elas poderiam comprometer o resultado. Para o educador, a avaliação atitudinal durante a confecção, englobava uma gama de conteúdos, atitudes, mudanças de comportamentos, buscas e reflexões acerca de seu objeto de estudo. Assim percebemos que há indícios de que, nos estudantes, a nova informação interage com uma estrutura de conhecimento específica, a qual Ausubel (1980, p.3) chama de "subsunçor", existente na estrutura cognitiva de quem aprende.

A parte de maior observação de indícios de aprendizagem significativa aconteceu no momento em que os dados experimentais não coincidiram com os dados teóricos, pois, pudemos observar as discussões e verificar as argumentações, como exemplo: 'a teoria está errada, vamos fazer os ajustes', 'existem forças que não estamos levando em consideração'; 'precisamos reduzir o atrito no parafuso da haste'.

## Considerações finais

Neste trabalho, buscou-se com base em propostas de atividades experimentais uma contribuição para o Ensino de Física, ao passar de uma postura tradicional, que busca apenas verificar e comprovar um resultado, para outra postura, de caráter problematizador, aberta e investigativa na qual a participação e a interação do aluno com a atividade é de fundamental importância no processo de ensino-aprendizagem. Nesse sentido, o planejamento da investigação estava todo voltado para o envolvimento dos estudantes em relação à construção de uma Balança Romana, de forma que cada equipe buscava construir seu objeto de pesquisa. Assim, o conteúdo de Estática foi discutido amplamente entre os estudantes, tendo o professor como mediador para fomentar a interação entre o conhecimento oriundo dos estudantes (os subsunçores) e o conhecimento científico, que foi transposto do saber sábio para o saber ensinado. Desta maneira, esperavase que cada grupo e estudante demonstrasse indícios da amálgama entre estes dois conhecimentos e a sua respectiva inclusão em sua estrutura cognitiva, de modo a apresentar indícios de uma aprendizagem significativa.

Assim, considerando as observações feitas pelo professor, em cada etapa da construção, nas atividades de avaliação individual de cada aluno, percebeu-se indícios de aprendizagem significativa através da prática experimental na qual o estudante era participante ativo e gestor do seu roteiro de trabalho.

Desta forma procuramos demonstrar, com esta contribuição, que a Estática pode ser trabalhada em diversos os momentos distintos, desde a construção, no uso das ferramentas, até a calibração da Balança Romana, como um elemento motivador do processo de ensino-aprendizagem aqui discutido, corroborando os objetivos propostos do trabalho.

## REFERÊNCIAS

BAPTISTA, Mônica Luisa Mendes, Tese de doutoramento, Educação (Didáctica das Ciências) . Universidade de Lisboa, Instituto de Educação. Disponível em &lt; http://hdl.handle.net/10451/1854 &gt; acesso em: 20 ago. 2013

FURMAN, M. O Ensino de Ciências no Ensino Fundamental: colocando as pedras fundacionais do pensamento científico . São Paulo: Sangari Brasil, 2009. Disponível em: &lt;http://cms.sangari.com/midias/2/28.pdf&gt; Acesso em: maio de 2013.

AUSUBEL, David Paul, NOVAK, Joseph D., HANESIAN, Helen. Psicologia educacional. Rio de Janeiro: Interamericana, 1980.

KOEHLER, M. J., &amp;MISHRA, P. (2008). Introducing Technological Pedagogical Knowledge. In AACTE (Eds.), The handbook of technological pedagogical content knowledge for educators . (pp. 3-30). New York, NY: MacMillan.

DELIZOICOV, Demétrio. Ensino de Ciências: fundamentos e métodos . São Paulo: Cortez, 2002.

CARVALHO. A. M. P. Critérios Estruturantes para o Ensino das Ciências . i n: Ensino de Ciências : unindo a pesquisa e a prática . São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004, p.01-17.

SEPÚLVEDA, L. D. O Ensino Secundário, o Liceu de Curitiba e o Ensino de Física no Paraná: (1858-1906) . Dissertação [Mestrado]. PUC-SP, 2002.