ESTUDO DE REFERENCIAIS INERCIAIS: AVALIAÇÃO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL BASEADO NA MODELAGEM COMPUTACIONAL QUALITATIVA

## ESTUDO DE REFERENCIAIS INERCIAIS: AVALIAÇÃO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL BASEADO NA MODELAGEM COMPUTACIONAL QUALITATIVA

## THE STUDY OF INERTIAL FRAMEWORK: EVALUATION OF A EDUCACIONAL MODULE BASED ON QUALITATIVE COMPUTER MODELLING

Gustavo Viali Loyola , Paulo de Oliveira Maciel Junior , Lucas Felipe Azeredo , 1 2 3 André Luiz Alves , Thiéberson da Silva Gomes , Laércio Ferracioli 4 5 6

1 Universidade Federal do Espírito Santo/ Departamento de Ciências Naturais/ gustavo.loyola@ufes.br 2 Universidade Federal do Espírito Santo/ Departamento de Física/Modelab/ paulo83@gmail.com 3 Universidade Federal do Espírito Santo/ Licenciatura em Física/ lucasfazeredo@gmail.com 4 Universidade Federal do Espírito Santo/ Departamento de Ciências Naturais/ andre.alves@ufes.br 5 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Física/Modelab/ thiebérson@gmail.com 6 Universidade Federal do Espírito Santo/ Departamento de Física/ Modelab/ laercio.ufes@gmail.com

## Resumo

O avanço da tecnologias têm estimulado o debate sobre sua integração aos processos de ensino e aprendizagem. Nessa perspectiva, torna-se necessário o delineamento de investigações sobre sua aplicação junto aos estudantes. Este artigo relata a avaliação de uma proposta de integração de tecnologia da informação e comunicação aos processos de ensino e aprendizagem através da modelagem computacional qualitativa no estudo de um tópico de Física. O estudo foi desenvolvido com estudantes universitários na avaliação de um Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa a partir de questionário abordando itens facilidade de uso, conteúdo, aspectos didáticos e aprendizagem, além da solicitação de Críticas e Sugestões. Os resultados preliminares indicam que a modelagem computacional adequadamente estruturada através de atividades específicas pode levar o aluno a refletir sobre os conceitos abordados e suas concepções além de levar o estudante a refletir sobre o seu conhecimento prévio em relação ao tema abordado e os conceitos cientificos em estudo.

Palavras-chave : Processos de ensino e aprendizagem, modelagem computacional, ensino de Física

## Abstract

The advance of technology has stimulated the debate on its integration into the teaching and learning processes. In this perspective it is necessary the development of specific investigation focusing on its use by students into the educational context. This article reports the outcomes of a proposal for integrating information and communication technology to the teaching and learning processes through the usage of qualitative computer modelling for the study of a topic on

Physics. The study was developed with college students for evaluating a Educational Module on Inertial Framework and Relative Velocity based on a questionnaire focusing on usage aspects content, didact aspects and learning with additional item for critics and suggestions. The preliminary results lend support for the fact that computer modelling adequately structuralized through specific activities can lead students to reflect on Physics concepts and conceptions besides taking the student to reflect on his previous knowledge in relation to the topic addressed and the scientific concepts under study.

Keywords : teaching and learning processes, computer modelling, Physics Education

## Introdução

A investigação sobre a integração de Tecnologias da Informação e Comunicação tem provocado um amplo debate sobre sua inserção e uso em pesquisa nas diversas áreas de conhecimento (POLONINE et al., 2009; RAMPINELLI, FERRACIOLI, 2006) e no contexto educacional tem sido o foco de diversos estudos em diferentes partes do mundo. No Brasil, os Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN'S - orientam para a adequação dos currículos à realidade contemporânea: O uso do computador no ensino é particularmente importante nos dias de hoje (PCN +, 2002; p. 148). Os PCNEM's, em particular, apontam para a utilização da abordagem qualitativa no ensino de Física e Química (PCNEM, 2002, p. 53). Dessa forma, este artigo apresenta a avaliação de uma proposta de integração de tecnologia da informação e comunicação aos processos de ensino e aprendizagem através da modelagem computacional qualitativa no estudo de um tópico de Física.

## Referencial Teórico

Um dos ramos de pesquisa sobre a integração de ambientes computacionais no contexto educacional é o desenvolvimento de softwares que permitam aos estudantes construírem modelos baseados em suas próprias concepções sobre o mundo que os rodeia. Os modelos são largamente utilizados em praticamente todas as áreas do conhecimento e podem ser representados na forma de esquemas, maquetes ou modelos computacionais (GOMES, 2008). As atividades de construção de modelos podem ser desenvolvidas como exploratórias ou expressivas. Enquanto na atividade expressiva o estudante constrói seus próprios modelos, podendo testálos e validá-los de acordo com a observação das simulações (GOMES e FERRACIOLI, 2004), a atividade exploratória apresenta ao aluno um modelo previamente construído por um especialista, de forma que ele interaja com o modelo através da simulação e visualização (MORELATO e FERRACIOLI, 2007).

A utilização da modelagem computacional em uma abordagem exploratória é realizada através de softwares denominados de ambientes de modelagem computacional : estes ambientes podem ser de modelagem quantitativa, semiquantitativa e qualitativa. Enquanto os ambientes de modelagem semi-quantitativa e quantitativa levam em conta as variáveis e relações entre variáveis, os ambientes de modelagem qualitativa tem uma abordagem em objetos e eventos, não trabalhando diretamente com variáveis. No entanto, a utilização da modelagem computacional no contexto educacional demanda o desenvolvimento de atividades de modelagem e

seu efetivo uso em sala de aula para que se possa concluir as reais possibilidades de sua integração no cotidiano (Ferracioli, 2003). Dessa forma, o presente estudo relata uma experiência de integração de tecnologia de informação e comunicação através do conceito de modelagem computacional qualitativa no estudo de um tópico específico de Mecânica.

## Metodologia: A Concepção do Estudo

Nesta seção, é apresentado o delineamento do estudo com a descrição da Avaliação do Módulo, do Ambiente de Modelagem Computacional utilizado, do Módulo Educacional implementado com este ambiente, do instrumento de coleta de dados e da amostra utilizada.

## A Avaliação do Módulo

Para o desenvolvimento desta investigação preliminar de avaliação do Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa foi organizado um estudo com uma carga horária de duas horas distribuídas entre a aplicação do Módulo Educacional e o Questionário de Avaliação em que participaram 10 estudantes da Universidade Federal do Espírito Santo. O Questionário de Avaliação, objeto de coleta de dados deste artigo, foi aplicado aos estudantes ao final das atividades propostas no Módulo Educacional.

## O Ambiente de Modelagem Computacional Qualitativa ModeLab 2

O ambiente de modelagem computacional utilizado para o desenvolvimento deste estudo foi ModeLab 2 , acrônimo de Mode lling Lab oratory 2 D (FEHSENFELD et all., 2009; FEHSENFELD & FERRACIOLI, 2009; GOMES, 2008; GOMES et all., 2008; GOMES et all., 2007, GOMES & FERRACIOLI, 2006; FERRACIOLI, 2003) . Esta escolha é baseada no fato de que este ambiente possibilita a construção de simulações de movimento relativo entre objetos e a análise que destas simulações pode ser feita através da ferramenta gráfica que traduz a distância percorrida pelos objetos no decorrer do tempo. O usuário não necessita trabalhar com equações matemáticas, mas criar regras de movimento para o objeto criado. A interface do Ambiente de Modelagem ModeLab 2 é apresentada na Figura 01 .

Figura 01: Interface gráfica do ambiente ModeLab 2

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Os modelos são construídos na Área de Modelagem , mostrada na Figura 2 , à qual é constituída de duas ferramentas principais: Editor de Objetos E Editor de Regras .

Figura 02: Passos de criação da regra de movimento do Objeto

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Dessa forma foi estruturado um Módulo Educacional sobre os tópicos Referencial Inercial e Velocidade Relativa utilizando o Ambiente de Modelagem Computacional Qualitativa Modelab que é descrito na próxima seção. 2

## O Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa

Um Módulo Educacional é estruturado em 3 níveis, objetivo , conteúdo instrucional e prática &amp; avaliação (FERRACIOLI, 2003). Nesse contexto, o Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa tem o objetivo de promover o entendimento e aprofundamento de referenciais inerciais. O conteúdo instrucional consistiu de uma abordagem teórica e experimental sobre velocidade relativa. Finalmente, a prática &amp; avaliação consistiu da utilização de um ambiente de modelagem computacional qualitativo para o desenvolvimento das atividades experimentais através de um roteiro contendo o detalhamento das atividades e perguntas sobre o que era desenvolvido.

Dessa forma o Módulo Educacional em estudo disponibilizou material instrucional e modelos previamente desenvolvidos no Ambiente ModeLab . O 2 Material Instrucional consistia de 3 partes: a primeira, relacionada a aspectos teóricos sobre à Referencial Inercial e Velocidade Relativa; a segunda, apresentando o Ambiente ModeLab com o enfoque nas ferramentas de visualização 2 de modelos e do comportamento gráfico do movimento. A terceira parte apresentava cinco atividades propostas que detalhavam o movimento relativo de dois objetos: uma bicicleta, tomada como Referencial, e um objeto, ora um carro, ora uma moto, se aproximando ou se afastando em situações distintas.

Na Primeira Atividade, construída no Ambiente ModeLab , uma bicicleta e um 2 carro encontram-se parados no lado esquerdo do monitor e ao simular o modelo tem-se o movimento do carro se afastando da bicicleta que permanece em repouso e que é tomada como referencial. A atividade solicitava ao estudante que, inicialmente, observasse a simulação no Ambiente ModeLab sem a geração de 2 gráficos e, a seguir, que esboçasse no material instrucional sua previsão do

comportamento gráfico da posição do carro em relação à bicicleta no decorrer do tempo. A seguir, o estudante era solicitado a simular novamente o modelo no Ambiente ModeLab 2 gerando agora, o comportamento gráfico na Janela de Visualização de Gráficos e que o comparasse com a sua previsão esboçada.

Na Segunda Atividade a bicicleta, tomada como referencial, está em repouso no lado esquerdo do monitor e o carro, também em repouso, está situado no lado direito do monitor: ao iniciar a simulação o carro inicia seu movimento em direção a bicicleta. Na medida que o carro se aproxima da bicicleta o espaço percorrido pode ser visualizado. A análise gráfica solicitada aos estudantes era semelhante a da Primeira Atividade.

Na Terceira Atividade a bicicleta e o carro encontram-se inicialmente em repouso na mesma posição no lado esquerdo do monitor. No entanto, ao se iniciar a simulação ambos entram em movimento com velocidades distintas: o carro se movimenta com uma velocidade de 100% e a bicicleta uma velocidade de 20% de modo que a velocidade relativa entre os dois permanece a mesma que na Primeira Atividade.

## Instrumento de Coleta de Dados

O instrumento de coleta de dados consistiu de um Questionário de Avaliação que continha dezesseis questões objetivas, com peso de um a cinco, subdivididas nos itens que abordavam os aspectos Facilidade de Uso ; Conteúdo ; Aspectos Didáticos e Aprendizagem . Havia, também uma questão subjetiva onde os estudantes apresentavam Sugestões e Críticas ao Módulo Educacional avaliado. Para a realização desse estudo preliminar de avaliação do presente Módulo Educacional não foi possível obter uma amostragem aleatória e o estudo foi desenvolvido com 10 estudantes de graduação dos cursos de Física, Química e Biologia, sendo 8 do 3º período do curso de Física 1 do 1º período do curso de Química e 1 do 8° período do curso de Biologia, todos pertencentes a Universidade Federal do Espírito Santo. Os estudantes foram selecionados de acordo com sua disponibilidade para participarem dessa avaliação e alocados individualmente em frente a um computador por duas horas onde desenvolveram as atividades propostas no Módulo Educacional e, ao final, responderam ao Questionário de Avaliação que será objeto de estudo na próxima seção.

## Análise de dados

Os dados coletados através do Questionário de Avaliação foram analisados em cinco categorias: Facilidade de Uso, Conteúdo, Aspectos Didáticos, Aprendizagem e Sugestões e Críticas e que serão abordadas a seguir.

## Análise do Item Facilidade de Uso

Em relação a este item, 03 dos 04 subitens apresentaram avaliação máxima pelos estudantes, sendo que no item sobre a clareza das orientações apresentadas no módulo a pontuação foi dividida entre 4 e 5, o que pode ser interpretado que parte dos estudantes-avaliadores (04 dos 10) sugeriram o módulo deveria passar por melhorias no que diz respeito as orientações apresentadas, ainda que nenhuma sugestão tenha sido registrada sobre isso.

## Análise do Item Conteúdo

De modo geral, este item foi positivamente avaliado, visto que as notas foram igualmente distribuídas entre 4 e 5: essa não unanimidade pode indicar que esses itens devam passar por uma melhoria. Embora tenha sido apresentado como Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa, o texto do Material Instrucional não apresentava explicitamente o seu objetivo central, o que pode justificar a nota 4, especialmente para a 1ª questão. O objetivo não foi destacado, devido ao fato da proposta de utilização deste Módulo Educacional seja para o contexto de uma disciplina, com um professor orientando os estudantes, e não de forma isolada, como ocorreu essa avaliação.

## Análise do Item Aspectos Didáticos

A avaliação dos Aspectos Didáticos referentes à promoção da reflexão sobre o conteúdo apresentado foi majoritariamente positiva. O módulo proposto é baseado na modelagem qualitativa a partir de objetos e eventos , não tendo uma abordagem em variáveis . As atividades propostas claramente demandam o levantamento de hipóteses com a solicitação de previsões de comportamento gráfico das situações analisadas. Embora haja uma concentração de respostas entre 4 e 5, o item 3 apresenta duas respostas '2' e '3', o que pode ser interpretado como não entendimento do que seja formulação de hipóteses. Outro aspecto deste argumento é a resposta obtida em Sugestões e Críticas :

' Fica difícil de levantar hipóteses pois esta (atividade) como um modelo mecânico, não dá liberdade do aluno trabalhar com as variáveis. ' (sic)

Esse tipo de resposta pode sugerir que levantamento de hipóteses esteja relacionado à manipulação de variáveis associada à modelagem quantitativa.

## Análise do Item Aprendizagem

Em relação à motivação da aprendizagem, a grande maioria afirmou que o módulo possui recursos para tal. Metade das respostas sobre a contribuição para a aprendizagem de novos conhecimentos sobre o tema recebeu pontuação máxima. As demais ficaram distribuídas entre 3 e 4. Similar avaliação foi atribuída ao aspecto da contribuição para reelaboração do conhecimento prévio do aluno. No aspecto desenvolvimento de habilidades, a grande maioria apontou para a contribuição do desenvolvimento de interpretação de gráfico. Em relação à identificação de relações entre variáveis a avaliação foi igualmente distribuída em notas '4' e '5'. As notas da avaliação do desenvolvimento de habilidades de elaboração de hipóteses aproximadamente metade dos estudantes apontaram para a nota máxima e os demais distribuídas entre as notas '2', '3' e '4'. A relativa baixa pontuação neste item parece corroborar com os resultados obtidos com a avaliação dos Aspectos Didáticos em relação à formulação de hipóteses.

## Sugestões e Críticas

Em Sugestões e Críticas 04 estudantes manifestaram que a visualização do modelo e dos gráficos poderia ser melhorada com a ampliação dos objetos envolvidos e da área do gráfico, conforme excertos abaixo:

'O tamanho do modelo deveria ser maior, para que assim possa atrair mais a atenção do aluno e para que também o aluno possa visualizar melhor o fenômeno.'

'As simulações estão com os objetos muito pequenos e deveriam ser mais atrativos.'

A crítica é pertinente embora possa ser justificada pelo fato das regras de movimento envolvidas sejam baseadas em probabilidades, o que implicou na ampliação da grade de simulação, reduzindo assim, o tamanho aparente dos objetos envolvidos nas simulações. De qualquer forma será necessária a sua melhoria. Outro aspecto comentado anteriormente foi a crítica sobre o incentivo à formulação de hipóteses, o que parece não se justificar, pois, as atividades principais solicitavam previsões de situações, hipóteses, que seriam confrontadas com a observação, testagem de hipóteses.

## Discussão e conclusão

De modo geral, pode-se relatar que a grande maioria dos estudantes avaliou de forma positiva o Módulo Educacional sobre Referencial Inercial e Velocidade Relativa atribuindo notas entre 4 e 5 para grande parte dos itens avaliados com algumas notas 3 e 2. Baseado nos resultados desse estudo preliminar, é possível inferir que o Módulo Educacional, na visão dos estudantes, encontra-se didaticamente adequado, de utilização fácil e podendo levar o estudante a aprendizagem de novos conhecimentos sobre o tema.

Os resultados relatados neste artigo indicam também que a integração da tecnologia de informação e comunicação aos processos de ensino e aprendizagem em Física a partir dos conceitos de modelos, modelagem e modelagem computacional pode se constituir de uma estratégia promissora. Através da estruturação de atividades adequadas, o estudante pode ser levado a refletir sobre o seu conhecimento prévio em relação ao tema abordado, sobre as concepções que dão suporte a esse seu conhecimento prévio e sobre os conceitos científicos em estudo para promover sua evolução conceitual (FERRACIOLI, 2003).

## Agradecimento

Este trabalho foi parcialmente financiado pelo CNPQ, CAPES, FINEP, FAPES e pelo FACITEC - Fundo de Apoio a Ciência e Tecnologia do Conselho Municipal de Ciência e Tecnologia do Município de Vitória, ES.

## Referências

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