ELABORAÇÃO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS DE EXPERIMENTOS HISTÓRICOS PARA O ENSINO DE FÍSICA: ETAPAS DO PROCESSO COLABORATIVO DE UMA EQUIPE MULTIDISCIPLINAR

## ELABORAÇÃO DE SIMULAÇÕES VIRTUAIS DE EXPERIMENTOS HISTÓRICOS PARA O ENSINO DE FÍSICA: ETAPAS DO PROCESSO COLABORATIVO DE UMA EQUIPE MULTIDISCIPLINAR

## ELABORATION OF VIRTUAL SIMULATIONS OF HISTORICAL EXPERIMENTS FOR PHYSICS TEACHING: STAGES OF THE COLLABORATIVE PROCESS OF A MULTIDISCIPLINARY TEAM

Márcia da Costa 1 , Yago Henrique Pereira 2 , Murilo Crivellari Camargo 3 , Irinéa de Lourdes Batista 4 , Jacques Duílio Brancher 5

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

2 Universidade Estadual de Londrina / Departamento de Ciência da Computação / yago.henriquep@gmail.com

- 3

Universidade Estadual de Londrina / Departamento de Design / murilocrivellaric@gmail.com 4 Universidade Estadual de Londrina / Departamento de Física / irinea2009@gmail.com

5 Universidade Estadual de Londrina/ Departamento de Ciência da Computação/ jacques.brancher@gmail.com

## Resumo

Quando o foco é a aprendizagem dos alunos, deve-se levar em consideração a maneira como as simulações virtuais são planejadas, pois o uso de uma simulação pode apresentar os mesmos resultados de uma aula tradicional, caso não seja planejada com os adequados fundamentos educacionais e computacionais. Este trabalho apresenta parte dos resultados de um projeto de pesquisa de doutorado que tinha entre um dos objetivos investigar que etapas, no processo colaborativo de uma equipe multidisciplinar, podem ser identificadas na elaboração de simulações virtuais de experimentos históricos voltadas para o ensino de Física. Esse objetivo surgiu da necessidade de um estudo metodológico do desenvolvimento de um ambiente virtual que articulasse perspectivas da História da Ciência, da Teoria da Aprendizagem Significativa e de usabilidade de softwares voltadas para o desenvolvimento de simulações virtuais de experimentos históricos. O estudo do processo de elaboração das simulações virtuais se deu em comparação com os passos para o desenvolvimento de softwares educacionais sugeridos por Galvis (1992) e como resultado foram identificadas as seguintes etapas: elaboração de uma composição histórica, escolha dos experimentos, descrição dos experimentos, análise, projeto, desenvolvimento, avaliação por pares, abordagem piloto e disponibilização ao público. Essas etapas resultaram na elaboração de três simulações virtuais de experimentos históricos voltadas para o ensino de Física de Partículas.

Palavras-chave : Desenvolvimento de Software Educacional, Experimentos Históricos, Equipe Multidisciplinar.

## Abstract

When the focus is on the students' learning, one must take into account the planning of virtual simulations, because if they are not planned in accordance with the appropriate educational and computational principles, a computer simulation may achieve the same results as a traditional lecture. This work presents part of the results of a doctoral research project that had as one of its objectives the investigation of stages in the collaborative process of a multidisciplinary team in the elaboration of computational simulations of historical experiments, aimed at teaching Physics. This emerged from the need of a methodological study on the development of a virtual environment that connected perspectives from the History of Science, the Meaningful Learning Theory, and usability-oriented software for developing computer simulations of historical experiments. The study of the process took place in comparison with the steps for the development of educational software suggested by Galvis (1992) and, as a result, the following steps were identified: elaboration of a historical composition, selection of the experiments, description of the experiments, analysis, design, development, peer review, pilot testing and availability to the public. These steps resulted in the elaboration of three virtual simulations of historical experiments aimed at teaching Particle Physics.

Keywords : Educational Software Development, Historical Experiments, Multidisciplinary Team.

## Elaboração de Softwares Educacionais

Com a leitura de pesquisas científicas a respeito de simulações computacionais para o ensino de Física, percebe-se que pouco se discute a respeito do processo de elaboração de uma simulação computacional e em alguns casos não se especificam quais os objetivos pretendidos, em que teoria de aprendizagem estão fundamentados e se foram levados em consideração princípios de usabilidade de softwares.

No que se refere às metodologias para elaboração de um software educacional, não há um método ou técnica específica para ser adotada. Na literatura existem variados modelos de elaboração que se adaptam aos objetivos de diferentes tipos de softwares, usuários e equipes desenvolvedoras.

De acordo com Squires e Preece (1996) e Tchounikine (2011), o termo 'software educacional' é usado para se referir a um software projetado especificamente para desenvolver atividades favoráveis a alcançar os objetivos pedagógicos, apoiar a aprendizagem e o ensino. Assim, alunos e professores podem ser beneficiados por essa alternativa que possibilita experiências novas e mais atrativas do que as oferecidas pelas abordagens tradicionais. O processo de desenvolvimento de um software educacional se diferencia de outros pelo fato de que, durante sua elaboração, a maneira como os alunos aprendem e os fatores de usabilidade devem ser levados em consideração (SQUIRES; PREECE, 1996).

Embora não exista um método específico de desenvolvimento, de acordo com Galvis (1992), são preservados os passos ou etapas de um processo sistemático para o desenvolvimento desses materiais ( análise, projeto, desenvolvimento, teste e ajuste, implementação ). No entanto, no caso de materiais educativos, é dada uma ênfase particular aos seguintes aspectos: a solidez da

análise, como ponto de partida; o domínio de teorias substantivas a respeito da aprendizagem e comunicação humana, como base para a concepção de ambientes educativos informatizados; a avaliação permanente e sob critérios predefinidos, em todas as etapas do processo, como meio de melhoria contínua do material; a documentação adequada e detalhada do que é feito em cada estágio, como base para a manutenção que o material exigirá ao longo de sua vida útil (GALVIS, 1992).

A parte de análise consiste em identificar um problema ou desafio educacional e analisar possíveis soluções que podem ser obtidas por meio da utilização de um software educacional, para, em seguida, desenvolve-lo. A etapa final da análise é a formação da equipe multidisciplinar que desenvolverá o software educacional.

Na etapa do projeto, são definidas algumas características relacionadas à análise efetuada. Nesse passo, são definidos os conteúdos que serão abordados, o público-alvo, a adequação do conteúdo ao público-alvo, os conhecimentos prévios necessários ao usuário, os aspectos da teoria de aprendizagem que nortearão a elaboração do software, os objetivos que se espera que os usuários alcancem com ele, quais as condições em que o usuário poderá utilizá-lo, quais as especificações técnicas que ele vai possuir, como avaliar o aprendizado do usuário, como ocorrerá a comunicação do usuário com o software, que estrutura de dados é necessária para que ele funcione, recursos humanos e financeiros, equipamentos e softwares que serão utilizados, características da equipe desenvolvedora etc. A fase final de um projeto consiste em elaborar um protótipo, fazer esboços no papel de cada um dos ambientes que serão usados.

A partir do protótipo, já é possível começar o desenvolvimento do projeto. Independentemente da estratégia seguida para produzir o material, é essencial que o desenvolvedor tenha que programar, de maneira estruturada e legível, bem como documentar seu trabalho. Isso permitirá, quando necessário, fazer o uso adequado do software educacional e adaptá-lo às novas necessidades. A fase de desenvolvimento não termina com a elaboração do software educacional, é preciso revisar, com base no projeto, se o que foi previsto foi implementado e se há necessidade de eventuais alterações.

Essa revisão pode ser feita, inicialmente, pela própria equipe. Mas é necessário que, ao final, ela passe pela avaliação de especialistas externos à elaboração do projeto, de preferência especialistas das diferentes áreas que compõem a elaboração do mesmo. Também se recomenda que esse teste seja feito com possíveis usuários desse software, pois eles são os únicos que podem decidir se esse recurso atingiu, ou não, os objetivos pretendidos.

Ao término do desenvolvimento, o processo passa pela fase do teste-piloto, no qual o software educacional é utilizado por uma amostra dos possíveis usuários desse material. Para realizá-lo adequadamente, é necessário preparar e administrar uma implementação didática, bem como analisar os resultados, a fim de obter evidências de que o software educacional está, ou não, cumprindo a missão para a qual foi desenvolvido. Segundo Galvis (1992), depois dessa etapa, de acordo com os resultados obtidos, pode-se abandonar o material devido aos resultados negativos, refazer o projeto, ou ajustar pequenos detalhes e disponibilizá-lo para o público-alvo e seguir para a próxima etapa que é denominada teste de campo, na qual é observado se o que foi notado no teste-piloto ainda prevalece. Essa fase vai além da disponibilização atualizada do software. Ela requer que se propiciem as

condições necessárias para seu uso adequado. Assim, encerra-se o ciclo de desenvolvimento do software educacional.

## Metodologia

Esta investigação caracteriza-se na perspectiva da pesquisa qualitativa de cunho interpretativo, conforme a caracterização de Bogdan e Biklen (1994). Os passos metodológicos aqui descritos são parte de um projeto maior e, neste trabalho, serão explicitados os procedimentos que permitiram que se identificassem etapas no processo de elaboração de simulações virtuais de experimentos históricos que pudessem guiar futuras elaborações.

Em um projeto dessa abrangência, no qual se fazem necessários vários conhecimentos para que as etapas sejam concluídas, houve a necessidade, devido ao prazo de uma pesquisa de doutorado e das habilidades e competências dos envolvidos, de compor uma equipe multidisciplinar, uma vez que seriam indispensáveis componentes das áreas de Física, Ensino, História da Ciência, Computação e Design para o desenvolvimento do software educacional pretendido.

Essa colaboração reflete uma elaboração coletiva, na qual todos os integrantes eram consultados e ouvidos para que os objetivos e conflitos fossem alcançados e resolvidos. Isso exemplifica o caráter colaborativo na construção de conhecimentos científicos, pois a Ciência não é feita por 'gênios solitários' - trata-se de uma construção humana, sujeita a erros, acertos, influências e cooperações.

A equipe responsável pelas áreas de Física, Ensino e História da Ciência (FEHC) foi composta por duas integrantes que possuem uma formação acadêmica que lhes permite gerenciar essas áreas do projeto. A equipe responsável pelas áreas de Computação e Design (CD) foi gerenciada por um professor do Departamento de Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina, que se disponibilizou a participar do projeto como parte de seu projeto de Pósdoutorado. Essa equipe foi composta pelo professor, por um programador e um designer, ambos alunos de mestrado em Ciência da Computação. Assim ficou composta a equipe responsável pelo desenvolvimento das simulações.

Não existe uma metodologia específica para a elaboração de simulações virtuais de experimentos históricos para o Ensino de Física. No entanto, esse trabalho pode ser guiado por teorias específicas das áreas que compõem esse desafio. Por exemplo, ao tratar de experimentos históricos, leva-se em consideração sua definição e tipologia, bem como a metodologia de Historiografia da Ciência para elaborar uma narrativa histórica dos experimentos.

Nesse trabalho, foram levadas em consideração características das tipologias definidas por Heering (2005), Chang (2011) e Metz e Stinner (2007), segundo os quais os experimentos históricos reproduzidos podem representar, da forma mais fiel possível que se conseguir, os experimentos originais e/ou os fenômenos físicos por eles abordados. Além, ainda, de serem auxiliados por uma narrativa histórica que permite a interação do estudante por meio da experimentação que, nesse caso, se desenvolve com a simulação computacional.

Por se tratar de um software educacional, desde o início foram implementados aspectos da Teoria de Aprendizagem Significativa, levando em consideração os conhecimentos prévios dos alunos, fornecendo organizadores prévios, promovendo a diferenciação progressiva nas etapas de cada experimento e,

sempre que possível, a consolidação de conteúdos à medida que os usuários fossem explorando as simulações (AUSUBEL, 2003).

Em relação a área de design e programação, foram seguidos princípios de usabilidade de softwares para que a experiência dos usuários com a interface fosse a mais amigável possível (SQUIRES; PREECE, 1996). Além do mais, optou-se por uma programação estruturada, que levasse em consideração padrões comuns às três simulações. Isso facilita o trabalho do programador e também familiariza o usuário com as interfaces, pois elas seguem o mesmo padrão. As simulações foram programadas em Unity 3D, com representações gráficas em 2D ortogonal, para facilitar o entendimento dos elementos e, por conseguinte, a lógica de execução dos experimentos.

A seguir são descritas as fases identificadas durante o processo de desenvolvimento das simulações e também as dificuldades encontradas no processo, que em futuras elaborações podem ser evitadas.

## Resultados

Ao final do processo de elaboração das simulações virtuais de experimentos históricos, após adotar diferentes metodologias para atender requisitos didáticos, técnicos, de conteúdo e históricos, inspirado no ciclo de desenvolvimento de Galvis (1992), é apresentada a seguir uma sequência de etapas para o desenvolvimento das simulações de experimentos históricos, com base na experiência de desenvolvimento da equipe.

Como se trata da simulação de um experimento histórico, a primeira fase foi elaborar a composição histórica a respeito da unificação eletrofraca. Todos os procedimentos dessa fase foram desenvolvidos considerando metodologias de pesquisa em História da Ciência, utilizando, na medida do possível, as fontes primárias e seguindo os princípios da Composição Histórica, inteligibilidade, valores cognitivos e fidedignidade. Em termos de reprodução de experimentos históricos, foi considerado tanto a definição de experimentos históricos quanto os cuidados para obtenção dos detalhes que fariam parte das descrições desses experimentos. A principal dificuldade enfrentada nessa etapa foi a seleção de fontes primárias que fornecessem informações suficientes para a descrição do processo de elaboração da teoria eletrofraca e que também descrevessem com detalhes os experimentos envolvidos. Essa dificuldade foi contornada buscando um número maior de fontes primárias, secundárias e terciárias que pudessem ser consultadas para a construção da composição histórica, indicação de referências primárias e, posteriormente, para a descrição dos experimentos.

Em seguida foram escolhidos os experimentos que seriam abordados, de acordo com a indicação da literatura e com as limitações impostas pelas fontes de informação de cada experimento, pois quando não é possível encontrar informações a respeito de um experimento sua simulação se torna inviável. Desse modo, um dos experimentos indicados na literatura não foi simulado computacionalmente, pois não havia, na literatura consultada, descrições suficientes para o processo de elaboração de uma simulação virtual.

A próxima etapa foi a descrição detalhada de cada um dos experimentos. Para isso, se fez necessária a utilização do maior número possível de fontes primárias que apresentassem informações detalhadas do procedimento

experimental, fotografias dos equipamentos, vídeos e esquemas que podiam descrever o processo empírico desenvolvido pelos cientistas. Essa descrição precisa englobar um alto nível de detalhamento para que a equipe de programação e design entenda o processo e tenha materiais confiáveis para começar seu trabalho. Nesse processo, para reunir o maior número de informações a respeito dos experimentos, foram consultadas fontes primárias, secundárias e terciárias, bem como sites de universidades, institutos e laboratórios de pesquisa, pois a maioria dos registros de mídia não estavam presentes nas fontes primárias.

Com todas essas informações em mãos é possível dar início ao projeto, desde que tenha sido montada a equipe multidisciplinar. Como trata-se de um projeto que envolve múltiplas capacidades, se o desenvolvedor não possuí todas elas, faz-se necessário que outras pessoas colaborem no projeto. Feitas as descrições, foi realizada a análise e elaboração do projeto que resultou no primeiro protótipo das simulações.

Nessa fase de elaboração, consideraram-se os requisitos didáticos, de conteúdo e técnicos, ou seja, foram incluídos aspectos da Teoria de Aprendizagem Significativa, os conteúdos que seriam abordados de acordo com o público-alvo e os detalhes técnicos de interface e interação que as simulações deveriam atender. Esse protótipo foi analisado pela equipe e em seguida deu-se início ao processo de desenvolvimento por meio da codificação e aprimoramentos de design, sempre em diálogo com a equipe para esclarecer procedimentos e aprovar as elaborações técnicas de programação e design.

Assim, surgiu a primeira versão das simulações virtuais dos experimentos históricos escolhidos. Essas simulações foram revisadas pela equipe e em seguida passaram por um processo de validação externa, feita por especialistas e possíveis usuários. Paralelo a esse processo, também foi dado início à abordagem-piloto, pois em alguns casos pode não haver tempo hábil para esperar o resultado das avaliações externas para, então, fazer as aprimorações e a abordagem-piloto. Dessa forma, as avaliações externas e a abordagem-piloto ocorreram ao mesmo tempo e seus resultados foram avaliados para considerar possíveis aprimorações. A abordagem-piloto foi composta pela elaboração e aplicação de uma Abordagem Didática para utilizar as simulações em um contexto para o qual foram planejadas. Após a análise da abordagem-piloto e das avaliações externas foram retomados os diálogos com a equipe para realizar as adequações necessárias e preparar o material para a disponibilização ao público 1 .

Neste caso, como resultado das etapas: elaboração de uma composição histórica, escolha dos experimentos, descrição dos experimentos, análise, projeto, desenvolvimento, avaliação por pares, abordagem piloto e disponibilização ao público, obteve-se três simulações virtuais de experimentos históricos que podem ser utilizadas para o ensino de tópicos de Física Moderna.

Também convém ressaltar os ganhos e dificuldades na colaboração multidisciplinar. Entre os ganhos está, sem dúvida, o resultado de um trabalho que reflete critérios relevantes para atender as necessidades de um software educacional, pois o ambiente virtual projetado atende critérios de ensino (planejado com base na Teoria de Aprendizagem Significativa), conteúdo (explora conteúdos

científicos de Física de Partículas), contextualização (aborda conteúdos de Física Moderna e Contemporânea, HFC e multimeios de representação) e técnicos (assimila princípios de usabilidade, padrões de programação e interface gráfica). Critérios esses que foram atendidos e desenvolvidos pelos especialistas em cada competência e isso, sem dúvida, favoreceu a qualidade do resultado.

Além disso, o intercâmbio de conhecimentos permitiu que os diferentes membros da equipe adquirissem conhecimentos multidisciplinares, no qual especialistas da equipe FEHC passaram a entender aspectos técnicos referentes à área de programação e Design e os especialistas da equipe CD (computaçãodesign) tiveram a oportunidade de conhecer um pouco a respeito dos experimentos que estavam sendo simulados e de princípios de Aprendizagem Significativa que norteavam as atividades. Sem comentar da experiência do trabalho em equipe, que exige um esforço mútuo e proporciona o intercâmbio de conhecimentos.

Em termos financeiros, foi feita uma estimativa dos gastos que seriam necessários para programação e design. Trata-se de uma estimativa, pois um orçamento detalhado para este projeto só seria possível com o planejamento e cronograma detalhados, a definição clara das atribuições e um cálculo de horas. Dessa forma, para as atribuições de design seria necessário um investimento aproximado de R$ 5.000 a R$ 8.000. Enquanto a parte de programação exigiria um investimento em torno de R$ 20.000 a R$ 45.000. Isso mostra o ganho financeiro que é alcançado por meio das parcerias entre as diferentes áreas.

No entanto, essa colaboração interdisciplinar também apresenta dificuldades, a primeira delas é a comunicação. Dado que a equipe é composta por integrantes de diferentes áreas científicas, é comum a dificuldade de comunicação. Nessa investigação, percebeu-se que esse processo é ainda mais complicado quando é feito entre a equipe FEHC e o programador, pois há uma lacuna entre o que a equipe FEHC deseja e o que o programador entende que a equipe deseja. Esse impasse foi amenizado com a ajuda do profissional de design, que procurava representar, graficamente, o que a equipe FEHC pretendia e com os conhecimentos técnicos, conseguia estabelecer um diálogo mais eficiente.

Outra dificuldade relatada pelos integrantes foi a constante mudança de requisitos ao longo do processo, como por exemplo, a inserção de novas funcionalidades, a criação de um tutorial, créditos da equipe, adaptação do software em três idiomas, entre outros. Devido ao fato desse processo ter ocorrido em meio ao desenvolvimento, isso acarretava mudanças em etapas que já haviam sido cumpridas. Assim, recomenda-se uma gestão de requisitos bem estruturada, para que não sejam cometidos erros ou equívocos nos processos de mudança.

## Conclusão

A elaboração das simulações virtuais se fez possível devido ao trabalho colaborativo da equipe multidisciplinar, de maneira que seria impossível obter o resultado alcançado sem essa colaboração. Esse processo envolveu o comprometimento entre os membros da equipe com o projeto e se desenvolveu durante todo o período de doutoramento, indicando não ser uma tarefa trivial e que depende do compromisso, colaboração e paciência de todos os membros da equipe.

- O acompanhamento desse processo permitiu que se detalhasse um encaminhamento metodológico do trabalho colaborativo para a elaboração de

simulações virtuais de experimentos históricos voltados para o ensino. Espera-se que esse detalhamento do trabalho em equipe contribua com futuras pesquisas da área de Ensino de Física e áreas afins, uma vez que essas abordagens ainda são pouco investigadas.

Desse modo, dentre as aprendizagens desse processo, que podem auxiliar futuras pesquisas, cabe citar as etapas identificadas e o que foi necessário para que elas fossem cumpridas, a exemplo: a necessidade de diversificadas fontes de informação para a elaboração da composição histórica e a descrição dos experimentos, uma descrição bem detalhada dos experimentos para facilitar o trabalho de design e programação, a sugestão de que haja a participação do designer desde o início do projeto e que os requisitos das simulações sejam bem planejados para otimizar tempo e trabalho de programação e design.

Evidencia-se que o resultado alcançado na elaboração das simulações, em termos de qualidade, foi obtido devido à contribuição de ambas as áreas e que essa colaboração resultou em ganhos intelectuais para ambas as equipes, economia de recursos financeiros e em um recurso didático para o ensino de Física de Partículas, agregando conhecimentos físicos, históricos, didáticos, de design e programação, que pode ser utilizado na formação inicial ou continuada de professores e, com as devidas adaptações, também em nível de Ensino Médio. Além disso, os desafios enfrentados por ambas as equipes forneceram oportunidades de aperfeiçoamento profissional.

## Referências

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