NOÇÕES DE ALUNOS A RESPEITO DO USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS DE EXPERIMENTOS HISTÓRICOS PARA O ENSINO DE FÍSICA

## NOÇÕES DE ALUNOS A RESPEITO DO USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS DE EXPERIMENTOS HISTÓRICOS PARA O ENSINO DE FÍSICA

## STUDENTS' NOTIONS REGARDING THE USE OF COMPUTATIONAL SIMULATIONS OF HISTORICAL EXPERIMENTS FOR TEACHING PHYSICS

## Márcia da Costa 1 , Irinéa de Lourdes Batista 2

1 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Química e Física/marciarscosta@hotmail.com

2 Universidade Estadual de Londrina/Departamento de Física/irinea2009@gmail.com

## Resumo

Pesquisas evidenciam que a História e Filosofia da Ciência, da mesma maneira que o estudo de tópicos de Física Moderna e Contemporânea, aliados a recursos didáticos diversificados, podem promover um ensino contextualizado e atrativo, facilitando a Aprendizagem Significativa de conceitos científicos e uma compreensão adequada da natureza do conhecimento científico. Com base nesses argumentos este trabalho apresenta resultados de um projeto de pesquisa de doutorado que investigou a inserção de História e Filosofia da Ciência, Tópicos de Física Moderna Contemporânea e Softwares Educacionais, por meio da simulação computacional de experimentos históricos da Teoria Eletrofraca em uma oficina de pesquisa para alunos do curso de Licenciatura em Física da Universidade Estadual de Londrina. Os resultados aqui apresentados são referentes às noções dos estudantes a respeito do uso de simulações computacionais de experimentos históricos. Os dados foram obtidos por meio de questionários e diagramas de Gowin e analisados por meio da Análise de Conteúdo. Os resultados apresentam indícios de retenção dos conteúdos relacionados aos experimentos simulados, bem como uma aceitação positiva das simulações computacionais de experimentos históricos, como recurso para o ensino de Física.

Palavras-chave : Teoria Eletrofraca, Experimentos Históricos, Simulação Computacional

## Abstract

Research shows that the History and Philosophy of Science, in the same way as the study of topics of Modern and Contemporary Physics, combined with diversified teaching resources, can promote contextualized and attractive teaching, facilitating Meaningful Learning of scientific concepts and an adequate understanding of nature of scientific knowledge. Based on these arguments, this work presents the results of a doctoral research project that investigated the insertion of History and Philosophy of Science, Topics in Contemporary Modern Physics and Educational Software, by means of the computer simulation of historical experiments of the Electroweak Theory in a workshop of research for undergraduate students in Physics at the State University of Londrina. The results presented here refer to the students'

notions regarding the use of computer simulations of historical experiments. Data were obtained using questionnaires and Gowin diagrams and analyzed using Content Analysis. The results show evidence of retention of content related to the simulated experiments, as well as a positive acceptance of computational simulations of historical experiments, as a resource for teaching Physics.

Keywords : Electroweak Theory, Historical Experiments, Computer Simulation.

## Experimentos Históricos para o Ensino de Física

A Experimentação e a História e Filosofia da Ciência são reconhecidas como abordagens que podem promover o estímulo, motivação, desafios e com isso aprimorar o ensino e aprendizagem de Ciências, especialmente na Física. Ambas as abordagens têm o mesmo objetivo: tornar as aulas de Ciências em ambientes que promovam a aprendizagem de Ciências de forma não mecânica, promovendo a argumentação e a participação dos alunos. Os experimentos históricos podem ser considerados como uma oportunidade para associar os benefícios da História da Ciência e das atividades experimentais em sala de aula (SOUZA; SILVA; ARAÚJO, 2014). Trata-se de uma abordagem que pode trazer uma compreensão mais detalhada do trabalho científico e dos conteúdos científicos em si (CHANG, 2011)

Por experimento histórico deve-se entender 'toda e qualquer tentativa bemsucedida em estabelecer um marco de referência conceitual e/ou metodológica na definição e/ou solução de um determinado problema específico' (RIBEIRO JUNIOR; CUNHA; LARANJEIRAS, 2012, p. 4602-1). Também pode ser interpretado como experiências que surgem a partir do estudo da Ciência do passado (CHANG, 2011).

Chang (2011) elenca possíveis tipologias de experimentos históricos. Existem dois tipos que podem se qualificar como 'replicação' (reprodução, repetição, recriação ou reencenação). Um deles se preocupa com a reprodução mais fiel possível de um instrumento histórico , enquanto que o outro dá mais ênfase para a reprodução fiel dos fenômenos físicos alcançados pelo experimento. Além desses, Chang (2011) cita o caso da extensão do experimento, na qual o estudante age motivado pela curiosidade de testar novas hipóteses e pode chegar a novas conclusões.

No entanto, independente da tipologia adotada entende-se que as dificuldades de replicação real de um experimento histórico podem ser variadas, indo desde a falta de informações precisas nos documentos históricos, até a falta de recursos e técnicas utilizadas nos experimentos originais. Deste modo, para amenizar a falta de informações precisas em artigos é necessário que o investigador tenha acesso a várias fontes de informação, desde os artigos originais até fontes secundárias que possam apresentar detalhamentos, fotos ou quaisquer outros registros que possam auxiliar na elucidação de todo o procedimento experimental (CHANG, 2011).

Uma alternativa para resolver a falta de recursos e técnicas artesanais para confecção dos instrumentos experimentais é a simulação computacional do processo. Assim, se mantém a representação fidedigna do procedimento e, além do mais, acrescenta a possibilidade de que o recurso seja utilizado por vários estudantes ao mesmo tempo, em qualquer lugar, o que não seria possível com

replicações reais. Além disso, há a possibilidade de se elaborar as simulações considerando aspectos de teorias de aprendizagem para que se tornem recursos didáticos mais eficientes para a aprendizagem dos estudantes. Um exemplo é a Teoria de Aprendizagem Significativa, que sugere a consideração dos conhecimentos prévios dos estudantes, organização sequencial, diferenciação progressiva, reconciliação integradora e consolidação dos conteúdos. Além do mais, recomenda instrumentos que podem facilitar esse tipo de aprendizagem, como a diversificação dos recursos didáticos, mapas conceituais e V de Gowin (AUSUBEL, 2003; GOWIN; ALVAREZ, 2005).

A literatura da área de Ensino de Ciências já aborda há anos possibilidades e limitações das simulações computacionais para o Ensino de Física. Dentre elas, para os experimentos históricos elas são uteis para representar fenômenos que seriam inviáveis de reprodução real em sala de aula. E além do mais, ao tratar de experimentos de Física Moderna que são caros e que na maioria das vezes não há possibilidade do contato dos alunos com os mesmos, as simulações computacionais permitem que os estudantes tenham acesso a manipulação virtual desses experimentos, dando a eles possibilidades de aprender testando suas hipóteses e refletindo a respeito dos resultados obtidos (MARTINS; FIOLHAIS; PAIVA, 2003).

Assim, esta pesquisa se concentrou na elaboração e investigação de uma abordagem didática que refletisse esses critérios. Dessa forma, foram elaboradas simulações computacionais de experimentos históricos da área de Física de Partículas, englobando na abordagem a História e Filosofia da Ciência, Física Moderna e Simulações Computacionais. Essas simulações foram inseridas em uma Abordagem Didática, proposta para alunos do curso de Licenciatura em Física da Universidade Estadual de Londrina - UEL, no estado do Paraná. Todo o processo de elaboração das simulações computacionais e da Abordagem Didática foi desenvolvido levando em consideração aspectos da Teoria de Aprendizagem Significativa.

Neste trabalho são apresentados os resultados relacionados às noções dos estudantes em relação ao uso das simulações de experimentos históricos, bem como indícios de aprendizagem significativa encontrados nos questionários e diagramas de Gowin que podem ser relacionados ao uso dessas simulações.

## Metodologia

Esta investigação caracteriza-se na perspectiva da pesquisa qualitativa de cunho interpretativo, conforme a caracterização de Bogdan e Biklen (1994). A aplicação da Abordagem Didática contou com a participação de nove estudantes, aqui nomeados como A1, A2, A3,... e A9. Ao todo, os alunos responderam 7 questões relacionadas à Natureza da Ciência, 11 relacionadas aos conteúdos científicos, 8 relacionadas às atividades envolvendo as simulações de experimentos históricos e 5 relacionadas a avaliação da abordagem didática, além de elaboraram 5 versões de diagramas de Gowin. No entanto, neste trabalho serão apresentados os dados referentes as 8 questões relacionadas ao uso das simulações computacionais de experimentos históricos elaboradas na pesquisa e os indícios que apareceram nos outros questionários e elaboração dos diagramas de Gowin que estejam relacionadas ao uso dessas simulações ou aos experimentos históricos. Os dados foram analisados por meio da Análise de Conteúdo (BARDIN, 1977).

Para contextualizar a interface das simulações será exposta uma imagem, da interface de um dos experimentos, e serão comentados seus principais elementos.

Figura 01: Representação geral das interfaces das simulaçõesFonte: Costa (2019).

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Todas as simulações são divididas em passos, condizentes com os procedimentos experimentais. Primeiro os estudantes montam o experimento e para isso possuem uma lista de materiais que podem, ou não, serem necessários para a montagem dos experimentos. Há uma explicação prévia sobre cada elemento quando o usuário passa o mouse por ele e antes dos alunos começarem a explorar as simulações é indicado que sejam fornecidos conhecimentos prévios que lhes permitam explorar o recurso de forma significativa. Na parte superior da interface são exibidas mensagens que orientam e notificam no caso de erros e acertos, servindo de guias e indicando o motivo de eventuais erros dos estudantes nos procedimentos experimentais. Ao final dos passos há uma aba relacionada aos fatos históricos dos experimentos simulados, na qual são exibidas imagens reais dos aparatos experimentais e etapas dos procedimentos experimentais, com isso os estudantes podem relacionar os acontecimentos históricos com as atividades que acabaram de desenvolver. A qualquer momento os estudantes podem retornar e realizar novamente alguma atividade, mas não podem pular passos. Isso garante que eles adquiram os conhecimentos prévios necessários para irem para as próximas etapas e possam testar hipóteses e tirar suas dúvidas antes de seguirem no desenvolvimento do experimento virtual.

## Resultados

No quadro 01 são expostas as unidades de análise e o número de registros das mesmas para todas as questões.

Quadro 01: Dados referentes às noções dos alunos em relação ao uso de simulações de experimentos históricos.

Fonte: as autoras.

A oitava questão estava relacionada à eventuais dificuldades ou confusões apresentadas na exploração das simulações. Por unanimidade os alunos responderam não ter tido nenhuma dificuldade na utilização das simulações.

Ao analisar os registros das unidades acima, percebe-se a aceitação dos alunos em relação a esse recurso, dada sua característica de ajudar a compreender experimentos históricos, ser eficiente na descrição de processos experimentais e ser didática (Questão 01). Isso está de acordo com o que a literatura já apresenta a respeito das simulações como um todo, são didáticas e por isso são atrativas em comparação com uma atividade de leitura, por exemplo. Além disso, as simulações conseguem representar processos experimentais que, por motivos variados, são de difícil execução em sala de aula (MARTINS; FIOLHAIS; PAIVA, 2003).

É possível perceber que as mensagens exibidas nas simulações foram significativas no processo de exploração das mesmas, à medida que os alunos acham que foram úteis, seja na correção dos erros ou para servir de guia na utilização das simulações (Questão 02). Isso sugere que as mensagens de erro cumprem um papel na aprendizagem dos alunos, quando se referem à aprendizagem pelos erros, na qual o ser humano aprende corrigindo seus erros.

Pelas respostas dos alunos nota-se que as simulações os ajudaram a entenderem o experimento (Questão 03). Três alunos consideram que as simulações complementam os textos, ilustram processos que são difíceis de imaginar apenas com a leitura. Cinco alunos entendem que as simulações ajudam a compreender o experimento como um todo, desde seu processo de execução até as possíveis dificuldades encontradas.

Em relação à questão 04 é possível perceber que a maioria dos alunos entende a contribuição das simulações associada a dois aspectos: a compreensão dos experimentos e a relação entre teoria e experimentação. Enquanto A7 afirma ter contribuído em sua aprendizagem, mas não explica como.

Quanto ao que chamou a atenção dos estudantes nas simulações, foram diversas as opiniões. Três alunos gostaram mais da parte experimental que foi simulada, outros três alunos indicaram a parte histórica das simulações, dois alunos citaram as mensagens contidas nos experimentos e a interação que isso proporcionou, pois, as simulações indicavam os erros e orientavam as tomadas de decisão

Os alunos expressaram diferentes justificativas, mas todos acreditam que esse tipo de simulação deveria estar presente nas salas de aula (Questão 06). A justificativa mais citada é o fato de promoverem o entendimento de fenômenos

físicos, que muitas vezes podem ser abstratos. Além disso, pode mostrar as dificuldades nos procedimentos experimentais. Dois alunos citaram a interação como uma justificativa para a inserção dessas simulações no ensino, argumento que a literatura apresenta como relevante para que os alunos se tornem ativos no processo de aprendizagem. Além disso, outras justificativas foram o acesso rápido, fácil e reprodução de experimentos que são inviáveis de reprodução real. Dois alunos disseram que seria interessante, mas não explicaram o motivo.

Todos os alunos gostariam de utilizar esse tipo de simulação novamente (Questão 07), seja para entender teorias, para obter uma relação entre os experimentos e a História da Ciência, por ser acessível e sem custo, por facilitar a exploração de experimentos que são difíceis ou inviáveis de montar e para utilizar na futura atuação profissional. As justificativas são variadas, mas percebe-se que as mais presentes estão relacionadas ao entendimento de teorias e à relação dos experimentos com a História da Ciência, sugerindo que esses fatores foram relevantes para eles e por isso gostariam de ter acesso a esse tipo de material novamente. Aliás, A3, A1 e A8 já tinham citado a parte experimental ou a parte histórica como fatores que mais lhe chamaram a atenção nas simulações. As outras justificativas estão relacionadas ao fácil acesso para utilização em sala de aula, na qual A9 reforça sua opinião a respeito do uso desse tipo de simulações, pois trata-se de uma maneira simples e rápida de apresentar os experimentos em sala. Enquanto A5 acredita que alguns experimentos são de difícil montagem e se perde tempo com isso, assim as simulações podem facilitar esse acesso.

Em relação aos outros questionários e elaboração dos diagramas de Gowin, vale ressaltar que em questões e diagramas que explicavam o processo de elaboração da Teoria Eletrofraca os 09 alunos citaram os experimentos simulados como partes relevantes para a consolidação da teoria, enquanto apenas 01 dos alunos citou um experimento que fazia parte do processo e não foi simulado computacionalmente. Isso sugere que o fato de interagir com as simulações dos experimentos permitiu que esses experimentos fossem lembrados com mais facilidade no momento de explicar o desenvolvimento da teoria.

Além disso, os alunos foram questionados, na avaliação da Abordagem Didática, quanto a sua opinião em relação ao uso de experimentos históricos no ensino de Física e percebe-se que a maioria dos alunos (seis) relaciona o uso de experimentos históricos a um melhor entendimento da Natureza da Ciência e dos conteúdos científicos. Eles entendem que o uso de experimentos históricos pode ajudar a entender como os cientistas pensavam, qual era o contexto da época em que o conhecimento científico foi desenvolvido, bem como mostrar casos que desmistificam a ideia de que o processo de elaboração de conhecimentos é um caminho somente de glórias, em que tudo ocorre como planejado. Isso está de acordo com o que Chang (2011) considera como objetivos dos experimentos históricos para fins educacionais, que é a compreensão da prática experimental, de acordo com a natureza do conhecimento científico, ao passo que pode ajudar os alunos a entenderem que o conhecimento científico não é elaborado de um dia para o outro e que, como uma atividade humana, está passível de erros e imprevistos em seu processo de desenvolvimento.

Os outros três alunos também acham relevante sua utilização em sala de aula. Vale registrar a resposta do aluno A1, que citou ser a primeira vez que entrava em contato com atividades que envolviam experimentos históricos, o que mostra sua

pouca utilização em sala de aula e sugere a necessidade de investigações científicas a respeito de suas potencialidades em sala de aula.

## Considerações

No que diz respeito a simulação computacional dos experimentos históricos, considera-se positiva a impressão dos alunos em relação a essa maneira de abordagem da História da Ciência e da experimentação, uma vez que permitiram um melhor entendimento da Natureza da Ciência e dos conteúdos científicos, o que está de acordo com o objetivo dos experimentos históricos. Além do mais, registram que esse tipo de abordagem ajudou a entender como o experimento foi realizado e as dificuldades enfrentadas pelos cientistas, possibilitando uma visão realista do trabalho científico. Ainda em relação a esse aspecto, os alunos demonstraram interesse na parte histórica e prática do experimento e isso, assim como a predisposição ao uso das simulações, é um aliado para um ensino que visa a Aprendizagem Significativa .

Espera-se que este trabalho possa contribuir com outras investigações que compartilhem da mesma preocupação, no sentido de proporcionar resultados de pesquisas aplicadas, que evidenciem potencialidades e delimitações de propostas didáticas que envolvam o Ensino de Física por meio de História e Filosofia da Ciência e Teorias de Aprendizagem com ênfase construtivista.

## Referências

AUSUBEL, D. P. Aquisição e retenção de conhecimentos: Uma perspectiva cognitiva . Tradução: TEODORO, V. D. Editora Plátano, 1 ed. 2003.

BARDIN, L. Análise de Conteúdo . Lisboa: Edições 70, 1977.

BOGDAN, R. C.; BIKLEN, S. K. Investigações qualitativas em educação . Portugal: Porto Editora, 1994.

CHANG, H. How Historical Experiments Can Improve Scientific Knowledge and Science Education: The Cases of Boiling Water and Electrochemistry. Science &amp; Education , v.20, p. 317-341, 2011.

COSTA, M. Experimentos Históricos em Ambiente Virtual: uma Abordagem Histórico-didática a Respeito da Teoria Eletrofraca para o Estudo de Física de Partículas no Ensino Superior . 2019. 423 f. Tese de Doutorado em Ensino de Ciências e Educação Matemática, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2019.

GOWIN, D. B.; ALVAREZ, M. A. The art of educanting with V diagrams . Cambridge Universit Press, 2005.

MARTINS, A. J.; FIOLHAIS, C.; PAIVA, J. Simulações on-line no ensino de Física e da Química. Revista Brasileira de Informática na Educação , v.11, n. 2, 2003.

RIBEIRO JUNIOR. L. A; CUNHA, M. F; LARANJEIRAS. C. C. Simulação de Experimentos Históricos no Ensino de Física: Uma Abordagem Computacional das Dimensões Histórica e Empírica da Ciência na Sala de Aula. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 34, n. 4, 2012.

SOUZA, R. S.; SILVA, A. P. B; ARAUJO, T. S. James Prescott Joule e o equivalente mecânico do calor: reproduzindo as dificuldades do laboratório, Revista Brasileira de Ensino de Física , v.36, n.3, 2014.