DESENVOLVIMENTO DE EXPERIMENTOS DE ACESSO REMOTO PARA O ENSINO DE FÍSICA: UMA INVESTIGAÇÃO SOBRE AS POTENCIALIDADES DO EXPERIMENTO ANEL DE THOMSON

## DESENVOLVIMENTO DE EXPERIMENTOS DE ACESSO REMOTO PARA O ENSINO DE FÍSICA: UMA INVESTIGAÇÃO SOBRE AS POTENCIALIDADES DO EXPERIMENTO ANEL DE THOMSON

## DEVELOPMENT OF REMOTE ACCESS EXPERIMENTS FOR PHYSICS TEACHING: AN INVESTIGATION ABOUT THE POTENTIALITIES OF THOMSON'S RING EXPERIMENT

Thiago Costa Caetano 1 , Agenor Pina da Silva , Camila Cardoso Moreira 2 3

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3 programa de pós-graduação em Ensino de Ciências

Universidade Federal de Itajubá/Instituto de Física e Química/tccaetano@unifei.edu.br 2 Universidade Federal de Itajubá/Instituto de Física e Química/agenor@unifei.edu.br Universidade Federal de Itajubá/Instituto de Física e Química/milacardoso@unifei.edu.br - aluna do

## Resumo

As novas possibilidades criadas com o avanço das Novas Tecnologias de Informação e Comunicação (NTICs) ampliam o espaço da sala de aula e sugerem modificações nos métodos de ensino. O computador e dispositivos portáteis como tablets e smartphones se tornam cada vez mais acessíveis de forma que a sua entrada no ambiente escolar vêm ocorrendo de forma natural há alguns anos. Surge assim um cenário favorável a utilização destes recursos como poderosos instrumentos didáticos, seja no auxílio às atividades mais simples ou mesmo para o acesso à simulações, ambientes virtuais, ambientes com realidade aumentada e à experimentação remota. É possível obter a partir deste contexto uma resposta a uma demanda há muito conhecida, sobretudo nas escolas da Educação Básica: os laboratórios didáticos. Levando em consideração todos estes aspectos, iniciou-se o desenvolvimento e implementação de um laboratório didático de Física com acesso remoto aos experimentos na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Um dos seus principais objetivos é atender ao curso de Licenciatura em Física da UNIFEI na modalidade EaD. Este trabalho propõe investigar as potencialidades de um dos experimentos deste laboratório, o 'Anel de Thomson'. A investigação contou com a participação de alguns alunos ingressantes do curso de Licenciatura em Física da universidade. Verificamos que o experimento remoto teve boa aceitação dos sujeitos, mostrou ser de fácil manipulação e ofereceu perfeitas condições de visualização do fenômeno físico. Observou-se, contudo, que a impossibilidade da interação manual entre os usuários e o experimento pode limitar a compreensão do fenômeno. Concluiu-se que o experimento remoto representa uma boa alternativa ao experimento convencional desde que o seu projeto se adeque às necessidades investigativas do usuário.

Palavras-chave : Laboratório didático, Experimentação remota, Ensino de Física.

## Abstract

The new possibilities that have arisen with the development of the New Information and Communication Technologies (NICTs) widen the classroom space and suggests modifications in the teaching methods. The computer and portable devices like tablets and smartphones have become more accessible, so their entry in the scholar environment has occurring naturally in the last years. A suitable scenery for the use of these technologies as powerful didactic instruments appears in this context, whether in the simpler activities or in the access to simulations, to virtual environments, to augmented reality environments and to remote laboratories. All the circumstances offer an answer to a need known a long ago: didactic laboratories, mainly in the elementary schools. Taken into consideration all these aspects, we have begun the development and the implementation of a Physics remote laboratory at Federal University of Itajubá - Brazil (UNIFEI). The laboratory is meant to be available to the Physics course of the university, through the Distance Education. In this work we propose to investigate the potentialities of one of the experiments available in the lab: the 'Thomson's ring'. Four students from the Physics course participated of our investigation, all of them in the first year. We have verified that the remote experiment was well accepted by students, was easily handled, and it offered good conditions of viewing. Nevertheless, we observed that the impossibility of manual contact with the experiment may limit the comprehension of the phenomenon. We have concluded that the remote experiment represents a good alternative to the traditional one whether its project fits the user investigation needs.

Keywords : Didactic laboratory, Remote Experimentation, Physics Teaching.

## Introdução

O uso de atividades práticas como ação pedagógica tem sido apontado frequentemente como uma estratégia de sucesso para o ensino de Ciências, e com especial ênfase, para o ensino de Física (HOHENFELD et al. , 2009). Parece haver um consenso, na literatura, de que aulas puramente teóricas são pouco eficazes no processo de ensino-aprendizagem e ineficientes em incutir o interesse dos alunos ou a sua motivação.

Por certo, nenhum professor de Física refutará a necessidade do laboratório didático no ensino de Física. Entretanto, como aponta Alves Filho (2002), há uma dissonância entre o discurso e a prática pedagógica que, segundo ele, é tolerada pela comunidade de educadores, pois o papel do laboratório didático ainda não está bem compreendido no processo de ensino-aprendizagem. Soma-se a isso um cenário pouco propício à ruptura desse estado inercial que se instaurou e que persiste, onde a utilização de laboratórios de ensino bem equipados, com experimentos modernos e em número suficiente para atenderem a todos os estudantes, não passa de um ideal utópico.

Nos últimos anos esse cenário tem sido fortemente abalado pelo avanço tecnológico, sobretudo nos meios de comunicação. A difusão acelerada dos novos recursos tecnológicos causa modificações constantes na sociedade e tem repercussão imediata na educação, oferecendo uma nova perspectiva para o ensino. Neste contexto surge o conceito de laboratórios virtuais e de ambientes

remotos de colaboração, capazes de ampliar as possibilidades de ensino para além do espaço e tempo das salas de aula, onde estão presentes fisicamente professores e alunos (KENSKI, 2005). O computador passa a ser utilizado como meio de simulação de atividades, antes desenvolvidas em laboratório, a exemplo daquelas apresentadas por Camargo (2009), em que vários modelos computacionais em duas dimensões foram elaborados e disponibilizados para aplicação no ensino de Física.

Importante mencionar que o computador não tem sido utilizado apenas como um meio de realizar atividades simuladas, mas também como uma ferramenta na construção de experimentos assistidos por computador, como apresentado nos trabalhos de Barbeta e Marzzulli (2000), de Magno (2004) e de Caetano (2011).

Levando em consideração todos os aspectos mencionados, os resultados positivos dos trabalhos citados e o claro potencial apresentado pelos ambientes virtuais e pelos experimentos controlados remotamente para o Ensino de Física, deu-se início ao desenvolvimento e implementação de um laboratório de Física com acesso remoto aos experimentos, na UNIFEI. O desenvolvimento do laboratório tem como um dos seus principais objetivos atender ao curso de Licenciatura em Física da UNIFEI na modalidade EaD.

Este trabalho propõe investigar as potencialidades de um dos experimentos do laboratório: o 'Anel de Thomson'. O módulo que permite o acesso remoto ao experimento foi desenvolvido com auxílio da plataforma Arduino. O usuário utiliza uma interface disponível na página eletrônica do experimento para enviar sinais a esta plataforma através da porta USB ( Universal Serial Bus ). Observa-se então o fenômeno.

Para a investigação selecionamos dentre os ingressantes do curso de Licenciatura em Física da UNIFEI quatro alunos que foram separados em dois grupos. Enquanto um grupo interagiu com o experimento presencialmente, o outro acessou remotamente o mesmo experimento. Buscamos verificar se os sujeitos foram bem sucedidos em elaborar modelos que explicassem o fenômeno físico observado, analisando de que maneiras a modalidade do experimento influenciou estes resultados.

## O experimento remoto: detalhes técnicos e alguns princípios físicos

- O experimento utilizado nesta investigação é conhecido como o 'Anel de Thomson'. O experimento tradicional (isto é, presencial) é constituído basicamente por uma bobina, um núcleo de ferro (Fe) e um anel de alumínio (Al). Os componentes estão montados da forma indicada na Figura 1.
- O resultado final pode variar de acordo com as características de cada componente empregado no circuito. Neste caso, em particular, foram utilizadas duas bobinas com 1200 espiras cada, ligadas em série. Dois núcleos de ferro unidos pelas extremidades, com cerca de 400 g cada um, foram empregados no interior de cada uma das bobinas. Dois anéis de alumínio foram utilizados, um em cada bobina. O primeiro é um anel contínuo, com 25 mm de altura, 3 mm de espessura e diâmetro aproximado de 60 mm. O segundo anel é idêntico ao primeiro, exceto que não se trata de um anel contínuo. As imagens destes dois anéis podem ser encontradas no diagrama da Figura 1.

Como a figura sugere, a maior parte do arranjo experimental é dedicada à operacionalização remota do experimento. A utilização do experimento de forma presencial é simples e requer apenas os componentes que estão agrupados na

região intitulada 'experimento tradicional' da Figura 1. Ao acionarmos a chave do circuito, uma corrente de aproximadamente 0.7 ampere percorre as bobinas. O circuito é alimentado por uma tomada convencional e, portanto, a corrente que flui através dele é alternada com uma frequência aproximada de 60 Hz. O campo magnético induzido no núcleo de ferro se inverte com a mesma frequência da corrente e a variação do fluxo magnético no interior do anel provoca o surgimento de correntes de Foucault, ou correntes parasitas. O sentido destas correntes é tal que o campo magnético produzido por elas sempre repele o campo da bobina através do núcleo de ferro, de acordo com a lei de Faraday-Lenz (RESNICK & HALLIDAY, 1973). De uma forma bem sucinta, estes são os princípios físicos envolvidos no experimento.

Figura 1: Esquema completo do experimento. Item A : uma bobina de 1200 espiras com o núcleo de ferro e anel de alumínio. Item B : representação simbólica do circuito responsável pela comunicação entre o servidor e o experimento. Item C : Servidor. Item D : roteador interno. Este dispositivo é necessário para a comunicação entre o servidor e as máquinas subordinadas, ou servidores secundários (não representados no esquema para manter a clareza da ilustração). Item E : representação para a World Wide Web. Item F : Anel contínuo. Item G: Anel aberto.

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O trabalho de tornar este, ou qualquer outro experimento, operável remotamente, pode ser entendido como duas grandes tarefas: a primeira consiste em configurar adequadamente um servidor e a segunda, na construção do dispositivo eletrônico responsável pela comunicação entre o servidor e o experimento. Vejamos cada uma destas tarefas com mais detalhes.

Hoje em dia é extremamente simples configurar um servidor em um computador pessoal. Qualquer um pode hospedar a sua própria página e os serviços que desejar em seu próprio computador e torná-los disponíveis para o mundo. Esta tarefa pode exigir algum esforço extra de acordo com as características do provedor de internet. A título de exemplo apenas, um dos desafios mais comuns é atribuir uma URL (acrônimo de Uniform Resource Locator ) ao IP (acrônimo de Internet Protocol ), quando este é atribuído de forma dinâmica. Existem diversos serviços disponíveis na rede para auxiliar com este problema, como o no-ip 1 , por exemplo.

- O servidor precisa transmitir o vídeo de uma ou mais câmeras posicionadas no experimento a fim de que o usuário acompanhe todos os detalhes da realização do experimento em tempo real. Além disto, o servidor precisa enviar dados para o circuito controlador e receber dados também. Soma-se a todas estas questões o fato

de que os usuários farão o acesso ao experimento a partir de sistemas operacionais diferentes. Qualquer que seja a solução adotada para estas questões, precisa estar disponível em todas elas e ser gratuita, ou então o propósito deste projeto terá se perdido.

No experimento que é apresentado neste trabalho utilizou-se a linguagem PHP ( Hypertext Preprocessor ) para elaboração das páginas no servidor e a transmissão do vídeo ( streaming ) é feita com auxílio do programa VLC . Foi 2 elaborado um sistema de agendamentos para impedir que usuários simultâneos controlem o experimento. Contudo, vários usuários podem visualizar o mesmo experimento simultaneamente. O sistema de agendamentos e o experimento encontram-se disponíveis através do endereço eletrônico http://gpeft-labremoto.noip.biz/labremoto/login.php . É necessário realizar um cadastro para ter acesso. É totalmente gratuito e rápido, e as informações no banco de dados são criptografadas para garantir o sigilo sobre as informações.

- O circuito que controla o experimento foi construído a partir da plataforma Arduino . O usuário utiliza a interface disponível na página eletrônica do experimento 3 para enviar sinais a esta plataforma através da porta USB ( Universal Serial Bus ). Um relé conectado ao Arduino é ativado por estes sinais, fechando o circuito. O anel de alumínio é então arremessado e o usuário acompanha tudo através do site .

## Procedimentos Metodológicos

Nossa proposta consiste em investigar as potencialidades do experimento remoto, identificando suas limitações e suas vantagens em relação ao experimento presencial. Para tal, foram selecionados dentre os ingressantes do curso de Licenciatura em Física da UNIFEI dois grupos de alunos. Enquanto um grupo interagiu com o experimento presencialmente, o outro acessou remotamente o mesmo experimento. Buscou-se verificar se os sujeitos foram bem sucedidos em elaborar modelos que explicassem o fenômeno físico observado, analisando de que maneiras a modalidade do experimento influenciou estes resultados.

Para selecionar os grupos foi realizado um questionário fechado com os 30 alunos ingressantes do curso a fim de estabelecer o perfil de cada um deles a respeito da sua formação escolar. Os critérios para a seleção dos sujeitos foram: a) ter cursado o Ensino Médio em escola pública; b) ter concluído o Ensino Médio no ano de 2013; c) não ter frequentado curso pré-vestibular; d) não ter frequentado curso técnico de eletrônica ou áreas afins. Dentre todos os estudantes que responderam o questionário, apenas seis atenderam a todos os critérios. Estes receberam o convite para participarem da pesquisa e, na data marcada para a execução da proposta, apenas quatro alunos compareceram. Foram formadas duas duplas para a investigação.

A investigação consistiu em uma aula que foi dividida em três etapas. Na etapa inicial o experimento "Anel de Thomson" foi apresentado e também alguns conceitos físicos considerados necessários à compreensão do experimento. Contudo, nenhuma explicação sobre o fenômeno que seria observado ocorreu nesta etapa. A discussão conceitual foi conduzida de modo a investigar o que os alunos

conheciam sobre os conceitos envolvidos, obedecendo a sequência proposta no material elaborado para a página do laboratório remoto . 4

Na etapa seguinte, as duplas foram separadas para a realização da atividade experimental. A primeira dupla acessou o experimento remotamente e, na sequência, a segunda dupla realizou o mesmo experimento de modo presencial. Importante destacar que as duplas foram isoladas nesta fase da atividade e supervisionadas. Durante esta fase cada dupla pode formular hipóteses para explicar o fenômeno que observaram. Alguns questionamentos foram feitos nesta etapa com o propósito de revelar os aspectos dos modelos que os alunos construíam. Eventualmente, estes questionamentos serviam para testar a validade destes modelos. O aluno podia, então, reafirmar sua hipótese ou alterá-la.

Na fase final da aula os grupos foram reunidos novamente para discutir o fenômeno observado e para uma análise dos modelos que ambos os grupos haviam proposto. A aula foi filmada para análise posterior.

## As potencialidades da experimentação remota

Os sujeitos da pesquisa serão identificados a partir deste ponto como P1 e P2, para os alunos da dupla que realizou o experimento presencial, e R1 e R2 para a dupla que realizou o experimento remotamente.

A análise da aula indicou que os quatro alunos não tinham muita clareza dos conceitos físicos envolvidos no experimento. Na primeira etapa da aula foram apresentados alguns conceitos e fatos históricos como 'A experiência de Oersted ', 'indução eletromagnética', 'campo magnético em uma bobina' e 'permeabilidade magnética', que foram recebidos com pouca familiaridade pelos alunos. Este fato não foi totalmente inesperado, uma vez que os critérios estabelecidos para a seleção desses sujeitos nos retornaram alunos que acabaram de concluir o Ensino Médio e ainda não iniciaram as disciplinas específicas de Física no curso superior. Notamos que ambas as duplas foram para a etapa experimental sem definir claramente nenhum dos conceitos apresentados.

Na etapa experimental, a primeira dupla acessou o experimento remoto e acionou o circuito, verificando através do vídeo que o anel contínuo era repelido pelo campo da bobina enquanto que o anel partido (descontínuo) permanecia na sua posição. Os sujeitos não acionaram o experimento mais de uma vez. O aluno R1 disse que o anel partido não subia porque a corrente elétrica 'escapava', e então o campo magnético não podia se completar. Fica claro, nas falas dos sujeitos, que não há base conceitual suficiente para explicar o que foi visualizado:

Pesquisador: Por que a continuidade do anel é importante?

R1: Porque, quando a gente tem um movimento contínuo, parece que, digamos, ele vai aumentando aqui... não tem uma coisa que para. Então aqui é como se o campo estivesse vindo e não para, começa de novo.

R2: Tipo um ciclo...

Nota-se que as respostas são extremamente vagas e não fazem sentido. Os gestos dos alunos ao tentarem explicar o que estava acontecendo revelaram que eles tinham uma ideia superficial de que existia algo fluindo através do anel. Este fluxo seria interrompido para o anel descontínuo. No entanto, faltavam-lhes os

termos adequados para descreverem o modelo teórico que estavam construindo. Eles foram incapazes de identificar a natureza daquilo que fluía através do anel ou mesmo explicar a ligação deste fluxo com o campo da bobina.

A segunda dupla manipulou o experimento presencialmente e, inicialmente, também tentou explicar o fenômeno pensando somente na continuidade do anel que foi repelido: 'O primeiro anel foi repelido porque, como ele é contínuo, as cargas conseguem empurrar ele. O outro não, porque não é um objeto inteiro (P2)' Porém, . ainda durante a manipulação da montagem, o aluno P2 sugeriu que se fizesse um anel contínuo de papel para testar o experimento. A dupla verificou que o anel de papel continuou imóvel no núcleo da bobina. Isso os levou a reformular o argumento da continuidade, conforme indica a fala de P1: '[...] quando você tem um ímã você sempre tem um lado negativo e outro positivo, e cargas iguais se repelem. O alumínio deve ter uma carga parecida, por isso ele é repelido (P1)' .

Importante destacar que a dupla que realizou o experimento presencialmente manipulou o experimento inúmeras vezes de formas diferentes. Em uma destas inspeções, o aluno P1 segurou o anel contínuo em sua posição inicial e notou que ele aquecia. O aluno P1 repetiu o mesmo teste com o anel partido e verificou que ele não aquecia. Esta interação com os anéis levou-os a uma conclusão mais elaborada: 'Então deve ser a corrente elétrica, talvez, porque aqui ela consegue passar [...]. Deve ser um pouco da energia que está ali, está afetando esse material, e talvez ele crie uma polaridade. No anel partido não [...] (P1)'. Não é necessário dizer que, por mais que o projeto do experimento remoto se adeque às necessidades investigativas do usuário, ele jamais esgotará todas as possibilidades de investigação sobre o experimento, a exemplo do que ocorreu com essa dupla.

Ficou claro que, diferente da dupla que pôde manipular o experimento real e reformular suas hipóteses a partir da observação, os estudantes da experimentação remota ficaram presos somente à questão da continuidade do anel e não avançaram em suas ideias. Entendemos que essa limitação tenha estreita relação com o fato de não poderem tocar nas peças da montagem e rearranjar os componentes.

Na etapa final da aula, todos os alunos foram reunidos para discutir o fenômeno observado. Embora a dupla que realizou o experimento presencial tenha avançado mais em suas hipóteses, ela não foi capaz de elaborar uma explicação totalmente consistente com o fenômeno, tampouco a dupla do experimento remoto. Na discussão final ambos os modelos foram confrontados entre si, com o fenômeno e com a teoria de indução eletromagnética, em particular com a lei de indução de Faraday-Lenz. Esta discussão foi recebida com entusiasmo pelos sujeitos, que claramente tiveram limitações conceituais para a total compreensão do fenômeno físico observado, independente da modalidade de acesso ao experimento.

## Considerações Finais

Em nossa investigação das potencialidades do experimento remoto em relação ao experimento presencial verificamos que, embora o acesso remoto ofereça perfeitas condições de visualização do fenômeno físico, a impossibilidade da interação manual entre os usuários e o experimento pode limitar a compreensão do fenômeno. Entre os dois grupos, aquele que pôde manipular o experimento, trocar as peças e fazer mais testes teve mais sucesso na elaboração de hipóteses.

Por outro lado, ficou evidente que o experimento de acesso remoto teve boa aceitação, mostrou ser de fácil manipulação e permitiu que os usuários

visualizassem o fenômeno perfeitamente. A questão da temperatura do anel, que se mostrou uma observação importante no caso presencial para a elaboração de hipóteses mais consistentes, pode ser resolvida no experimento remoto com algumas modificações do projeto. Pode-se acrescentar, por exemplo, um sensor de calor ou uma imagem térmica do experimento. Diante disto, concluiu-se que o experimento remoto representa uma boa alternativa ao experimento convencional desde que o seu projeto se adeque às necessidades investigativas do usuário.

O laboratório remoto da UNIFEI está em fase de desenvolvimento. Alguns experimentos estão sendo preparados para o acesso remoto, sendo que o Anel de Thomson é um deles. Sabemos se tratar de um experimento simples, mesmo no que diz respeito as possibilidades investigativas. É importante ressaltar, contudo, que o experimento foi escolhido para permitir que fosse desenvolvido todo o arcabouço do laboratório remoto. Isto significa desenvolver toda a estrutura de rede, os algoritmos responsáveis pelo gerenciamento dos acessos e da comunicação e todo o hardware . A preparação do espaço físico e do material didático para as páginas do laboratório também representam áreas de desenvolvimento deste laboratório. De acordo com o cronograma do projeto de implementação, o laboratório deve estar funcionando até o ano de 2015.

## Referências Bibliográficas

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CAMARGO et al., Physlab: Laboratório Virtual de Física: um Pack de Modelos Computacionais 2d Para o Ensino de Física, In: atas do XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, Vitória - 2009.

HOHENFELD, Dielson Pereira. As tecnologias de informação e comunicação nas aulas de física do ensino médio: uma questão na formação do professor. 108 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestrado em Ensino, Filosofia e História das Ciências, Instituto de Física, da Universidade Federal da Bahia e da Universidade Estadual de Feira de Santana, Salvador, 2008.

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MAGNO et al., Realizando experimentos didáticos com o sistema de som de um PC, RBEF, vol. 26, n. 1, p. 117 - 123, 2004.

RESNICK, R; HALLIDAY, D. Física II. Rio de Janeiro: Livro Técnico, 1973.

Agradecimento: A terceira autora agradece a FAPEMIG pelo auxílio financeiro concedido.