CARACTERIZAÇÃO GERAL DO USO DE SIMULAÇÕES E LABORATÓRIOS VIRTUAIS EM UMA SALA DE AULA DE FÍSICA

## CARACTERIZAÇÃO GERAL DO USO DE SIMULAÇÕES E LABORATÓRIOS VIRTUAIS EM UMA SALA DE AULA DE FÍSICA

## GENERAL CHARACTERIZATION OF THE USE OF SIMULATIONS AND VIRTUAL LABS IN A PHYSICS CLASSROOM

Renato Pontone Junior 1 , Helder de Figueiredo e Paula 2

1

CEFET-MG/Campus I/Escola, pontonejr@gmail.com 2

UFMG/Colégio Técnico/Escola, helder100@gmail.com

## Resumo

A pesquisa descrita aqui fez parte de um projeto financiado pela FAPEMIG e teve como objeto o uso, por um professor de Física experiente, de aplicativos de computador que executam simulações e laboratórios virtuais. Ela foi conduzida com o propósito de responder: i) como e com que frequência simulações e laboratórios virtuais são usados na sala de aula desse professor? ii) qual o papel desempenhado por esses aplicativos em atividades mediadas por outros recursos? Essas questões estavam acompanhadas de outras que orientaram uma pesquisa de doutorado centrada no seguinte problema: como simulações e laboratórios virtuais medeiam o ensino da Física em uma sala de aula na qual um professor experiente faz uso sistemático desses recursos? A pesquisa foi realizada em uma sala de aula de Física de uma escola pública federal dedicada à formação técnica integrada de nível médio. Os dados foram gerados a partir de anotações em um caderno de campo e do registro audiovisual de uma sequência de ensino sobre ondulatória, desenvolvida ao longo do último trimestre letivo de 2013. Em nossa análise, elaboramos quadros esquemáticos contrastando os aplicativos usados ao longo de toda a sequência de ensino com os demais recursos mobilizados pelo professor. Essa análise esteve ancorada na Teoria da Ação Mediada que atribui propriedades à ação humana, sempre mediada por ferramentas ou conceitos. A teoria nos ajudou a identificar diferenças entre aplicativos de computador e outras formas de mediação usadas pelo professor na sala de aula. Nossos resultados indicam que o professor faz o uso de simulações e laboratórios virtuais coordenado com diferentes recursos mediacionais, sobretudo com experimentos reais.

Palavras-chave : simulações e laboratórios virtuais, ensino de ciências, ação mediada.

## Abstract

The research presented in this paper was part of a project funded by FAPEMIG. His aim is answer the following questions: i) how and how often simulations and virtual labs are used in that teacher's classroom? ii) have these computer applications a relevant role in activities mediated by other resources? These issues were accompanied by others that guided a PhD research centered on

the following problem: how do simulations and virtual labs mediated the classroom physics teaching in which an experienced teacher makes systematic use of these resources? The research was conducted in a physics classroom from a federal public school dedicated to the mid-level technical training. The main data were generated by field's research notes and video recordings of a teaching sequence about wave, along the last academic quarter of 2013. We contrast the simulations and the virtual labs used in the teaching sequence with the other resources used by the teacher. This analysis was based in a theoretical framework that attributes properties to human action, always mediated by tools or concepts. Theory helped us to identify differences between computer applications and other forms of mediation used by the teacher in the classroom. The results indicate that the teacher use simulations and virtual labs coordinated with different mediational means, especially with real experiments.

Keywords : simulations and virtual labs, science teaching, mediated action.

## Introdução

Desde que surgiu, o campo de pesquisa dedicado ao estudo do uso de aplicativos de computador no ensino de ciências, em geral, e no ensino da Física, em particular, tem se ampliado. Assim, o tema tem sido objeto de vários estudos há mais de uma década (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002; FIOLHAIS e TRINDADE, 2003; ARAUJO e VEIT, 2004; GIORDAN, 2005; STUDART et al, 2010; PAULA e TALIM, 2012; PAULA, 2015; PONTONE JR, 2016; PAULA, 2017).

Em uma revisão da literatura sobre os efeitos de simulações de computador no ensino de ciências, publicadas entre 2001 e 2010, Rutten et al (2012) constataram que a maioria das pesquisas não leva em conta o papel mediador do professor no uso desses recursos por parte dos estudantes. Encontramos esse mesmo quadro em uma revisão da literatura de pesquisas publicadas entre 2009 e 2014 e que compôs nossa tese de doutorado (PONTONE JR e PAULA, 2015).

Buscando preencher essa lacuna, desenvolvemos um estudo para investigar como um professor experiente medeia a interação dos estudantes com simulações e laboratórios virtuais. Nesse estudo, concebemos quatro unidades de análise e trilhamos um percurso analítico constituído por três níveis: macro, meso e micro. No nível macro a unidade de análise foi toda a sequência didática sobre ondulatória que acompanhamos durante nossa pesquisa de campo; na mesoanálise olhamos apenas para as aulas nas quais simulações e laboratórios virtuais foram utilizados pelo professor; na microanálise mantivemos como foco somente os segmentos das aulas contempladas na mesoanálise em que o professor fez uso de um mesmo aplicativo dedicado à simulação de fenômenos ondulatórios.

No presente trabalho, apresentamos resultados da macroanálise, que nos permitiu fazer uma caracterização geral do uso de simulações e laboratórios virtuais na sala de aula investigada. Esse nível de análise esteve orientado pela Teoria da Ação Mediada de James Wertsch.

## Referencial Teórico

James Wertsch é um autor conhecido por constituir o grupo de pesquisadores que difundiu o trabalho de Lev Semenovitch Vygotsky (1897 a 1934) no ocidente e que realizou leituras recontextualizadas e contemporâneas desse trabalho. Wertsch (1988, 1999) concentrou seus estudos nos processos de mediação, a partir dos quais construiu sua unidade de análise - a ação mediada para compreender como o funcionamento psíquico de um sujeito se relaciona com o contexto cultural, institucional e histórico no qual ele se encontra em atividade.

A ação humana é mediada pelo que Wertsch chama de mediacional means , um termo que temos traduzido com o uso da expressão recursos mediacionais. Cada momento histórico, cada sociedade e cada cultura disponibilizam um conjunto de recursos mediacionais que possibilitam a ação.

A ação mediada, para Wertsch (1999), pode ser caracterizada a partir de um conjunto de dez propriedades. Para efeito da pesquisa relatada neste trabalho, destacaremos duas propriedades, a partir das quais, faremos referências indiretas às outras: (A) há uma tensão irredutível entre o agente e os recursos mediacionais; (B) os recursos mediacionais possibilitam e, ao mesmo tempo, restringem a ação.

Um dos exemplos utilizados por Wertsch (idem) para explicar a 1ª propriedade consiste na análise da multiplicação de dois números com três casas decimais cada. Wertsch assinala que a ação de multiplicar esses números não poderia ser realizada sem o uso de um recurso mediacional. Ao realizarmos essa ação, mesmo sem utilizar uma calculadora ou lápis e papel, fazemos uso de um algoritmo e de um sistema de numeração, que, nesse caso, constituem os recursos mediacionais utilizados. Além disso, nossa proficiência na execução dessa ação é totalmente dependente das características do recurso mediacional específico que aprendemos a utilizar. Consequentemente, se somos impedidos de usar o sistema de numeração indo-arábico e temos de operar, por exemplo, com números romanos, a grande maioria de nós não conseguirá multiplicar dois números com três casas decimais. Nesse sentido, conclui Wertsch, podemos dizer que a (multiplic)ação, tomada como exemplo, envolve uma tensão irredutível entre o agente e o recurso mediacional que esse sujeito utiliza. O mesmo acontece em qualquer outra ação humana.

Outra implicação importante dessa primeira propriedade diz respeito ao uso inconsciente de um recurso mediacional. Ao usarmos um dado recurso, não precisamos compreender sua história e seus fundamentos. Podemos ser, usando as palavras de Wertsch (1999, p.57) 'consumidores irreflexivos - senão ignorantes - de uma ferramenta cultural'. Tal afirmação, segundo Paula e Talim (2012), nos permite concluir que o uso dos sistemas de signos, tanto na esfera social, quanto individual (ou mental), ocorre antes que os usuários desses sistemas tenham uma completa compreensão de seus aspectos funcionais. Essa conclusão tem implicações importantes para o ensino de Física mediado por simulações e laboratórios virtuais. Nesses ambientes virtuais há muitos aspectos funcionais de um sistema de signos cujo significado é, inicialmente, ignorado pelos estudantes. Por isso, torna-se importante conceber atividades (mediadas por roteiros ou mediadas pelo professor) que promovam uma compreensão progressiva dos conceitos, dos modelos e das teorias que compõem a lógica daquele ambiente virtual e da área da Física escolar explorada pelo ambiente.

Em relação à segunda propriedade da ação mediada que resgatamos aqui, Wertsch (1999) afirma que as restrições impostas por um recurso mediacional a uma ação só costumam ser reconhecidas, em retrospectiva, através de um processo de comparação a partir da perspectiva presente. Assim, somente com o surgimento de novas formas de mediação, nós nos tornamos capazes de reconhecer nossas limitações como agentes, bem como as restrições impostas às ações pelos recursos mediacionais que utilizávamos. Por fim, a razão para usar um dado recurso mediacional, em um dado contexto sociocultural, não se relaciona claramente com níveis superiores de rendimento oferecidos por aquele recurso. O emprego de um recurso mediacional particular pode depender de outros fatores, relacionados com os antecedentes históricos, assim como com valores associados à poder e autoridade cultural ou institucional que são vinculados a um dado recurso.

Essa propriedade da ação mediada tem implicações importantes para o ensino mediado por simulações e laboratórios virtuais. Ao compreendermos as diferenças entre esses recursos e as outras formas de mediação como efeitos das possibilidades e restrições inerentes a quaisquer recursos mediacionais, podemos utilizar de modo mais racional as características das simulações e dos laboratórios virtuais.

## Método

## Contexto e participantes

A pesquisa foi realizada em uma sala de aula de Física de uma escola pública federal dedicada à formação técnica de nível médio. Os principais dados foram gerados por gravações em vídeo de uma sequência de ensino sobre ondulatória, desenvolvida nas 6 últimas semanas do ano letivo de 2013. Utilizamos duas câmaras de vídeo: uma delas posicionada no fundo da sala, voltada para o professor e a outra posicionada na frente da sala, voltada para os estudantes.

As aulas ocorreram na sala de aula de um professor de Física experiente, familiarizado com simulações e laboratórios virtuais, que atua em um ambiente adequado ao ensino e à aprendizagem dessa disciplina, tanto em termos de recursos educacionais disponíveis, quanto da participação discente nas aulas. Esse professor foi adjetivado como experiente por duas razões. Em primeiro lugar, por ter 21 anos de magistério exercidos na escola onde a pesquisa foi realizada. Em segundo lugar, por utilizar simulações e laboratórios virtuais nas suas aulas, como um dos principais recursos educacionais, no mínimo, desde 2008.

A turma que acompanhamos era constituída por 35 alunos com idades entre 15 e 17 anos, de ambos os sexos, que estudavam no período diurno e cursavam o 1º ano do ensino médio técnico integrado.

## Procedimentos de análise dos dados

A primeira etapa da análise dos dados consistiu na elaboração de relatos das aulas que foram registradas durante o trabalho de campo. Esses relatos foram produzidos na forma de textos a partir das notas do caderno de campo e de uma primeira consulta aos registros em vídeos das aulas. Os relatos representaram o primeiro passo do processo de imersão nos dados da pesquisa, permitindo lançar

um primeiro olhar para os registros das aulas, orientado por nossos referenciais teóricos.

- O segundo passo do processo de imersão nos dados da pesquisa consistiu na organização de quadros com um cronograma das aulas e informações sobre os temas, local de realização, recursos utilizados, além de comentários concebidos a partir dos interesses da nossa pesquisa. O primeiro desses quadros, reproduzido a seguir, foi elaborado simultaneamente aos relatos e continha apenas informações mais gerais. Esse primeiro quadro constituiu uma linha do tempo da sequência de ensino observada na pesquisa e permitiu identificar as ocasiões nas quais houve uso de simulações e laboratórios virtuais, assinaladas pelas setas à direita do quadro.

QUADRO 1:Estrutura do primeiro quadro construído para organizar os registros das aulas.

O segundo quadro, reproduzido a seguir, surgiu da consulta aos relatos das aulas que havíamos produzido na primeira fase da análise, bem como de uma segunda consulta aos vídeos. Esse novo quadro acrescenta ao anterior informações sobre os recursos utilizados em cada aula. Na coluna destinada aos comentários incluímos descrições e considerações sobre o tipo de recurso que o professor usou nas aulas.

QUADRO 2: Estrutura do segundo quadro construído para organizar os registros das aulas.

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Por fim, o terceiro e último quadro foi construído após uma terceira consulta aos vídeos e já apresenta as segmentações das aulas previstas no segundo nível de análise mencionado na introdução deste trabalho.

Em seu conjunto os quadros permitem preservar a relação entre parte e todo no percurso analítico da pesquisa.

A partir dos relatos e dos quadros esquemáticos 1, 2 e 3, produzimos uma macroanálise que nos permitiu fazer uma caracterização geral do uso de simulações e laboratórios virtuais na sala de aula investigada.

## QUADRO 3: Estrutura do terceiro quadro construído para organizar os registros das aulas.

Uma das etapas da macroanálise consistiu na descrição dos usos que o professor fez dos diversos recursos nas aulas. Essa descrição foi organizada no quadro 4 exemplificado a seguir.

## QUADRO 4: Uso dos recursos nas aulas

Outra etapa da macroanálise consistiu na determinação da frequência de uso do computador e de artefatos para experimentos ao longo da sequência de ensino. Para isso, consultamos o quadro 2 que tem colunas a partir das quais é possível identificar as aulas em que esses recursos foram utilizados. A partir de uma quarta consulta aos vídeos, registramos o início e o término dos segmentos das aulas nos quais o professor e os estudantes usaram os vários recursos mediacionais. Com esse procedimento, foi possível calcular o tempo total de uso desses recursos e, assim, produzir frequências semelhantes àquela apresentada no quadro 5 a seguir.

## QUADRO 5:Exemplo de quadro com frequência de uso do computador e dos artefatos para experimentos na sequência de ensino

## Resultados e Discussão

Neste trabalho nos propusemos a responder duas questões: 1- como e com que frequência simulações e laboratórios virtuais são usados na sala de aula investigada? 2- nessa sala de aula, esses aplicativos de computador desempenham um papel relevante nas atividades mediadas por outros recursos?

Com relação à primeira questão, observamos que o professor coordenou o uso de simulações e laboratórios virtuais com vários outros recursos mediacionais, tais como projeção de slides e vídeos, roteiros com questões e problemas destinados à exploração de fenômenos ondulatórios, listas de exercícios, textos didáticos, inscrições com desenhos e textos no quadro, além de artefatos que permitiram a realização de experimentos.

- O professor utilizou simulações e laboratórios virtuais sempre combinados com experimentos realizados a partir da manipulação de artefatos, tais como molas metálicas, caixas de som ligadas a uma fonte de áudio, alto-falantes alimentados por sinais elétricos, dentre outros. Os experimentos com artefatos reais foram usados para: (i) antecipar conceitos posteriormente explorados com os aplicativos; (ii) aprofundar discussões iniciadas com os aplicativos; (iii) comparar resultados de experimentos reais e virtuais; (iv) realizar explorações que não podiam ser feitas com os aplicativos de computador que o professor utilizou.

Simulações e laboratórios virtuais foram utilizados em cinco das treze aulas da sequência de ensino. Verificamos também que o uso direto desses aplicativos ocupou 16% do tempo total da sequência de ensino, mesmo percentual ocupado pela manipulação de artefatos para realização de experimentos. Esse dado sugere que o professor atribui a mesma importância aos experimentos virtuais e reais. Sugere também que o professor tem experiência não apenas no uso de aplicativos, mas também na manipulação de artefatos experimentais e na concepção de experimentos baseados nesse tipo de equipamento.

Voltando agora a atenção para nossa segunda questão de pesquisa, identificamos várias situações em que simulações e laboratórios virtuais serviram de referência para atividades mediadas por outros recursos. O professor fez referência aos aplicativos para sustentar explicações dadas aos estudantes durante a realização de exercícios. Usou capturas de tela nas questões de listas de exercícios e de provas. Por fim, propôs atividades extraclasse cuja realização demandava o uso do aplicativo pelos estudantes.

## Considerações Finais

Esperamos que a caracterização do uso das simulações e laboratórios virtuais nas aulas de Física, apresentada nesse trabalho, possa contribuir para ampliar o repertório de exemplos de boas práticas docentes e constituir uma orientação importante, tanto para professores com pouca experiência no uso desses aplicativos, quanto para professores em formação .

## Referências

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