SIMUPHOTON: UM SIMULADOR COMPUTACIONAL PARA O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## SIMUPHOTON : UM SIMULADOR COMPUTACIONAL PARA O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## SIMUPHOTON : A COMPUTATIONAL SIMULATOR FOR TEACHING PHOTOELECTRIC EFFECT

Caio Fernando Rocha Silva 1 , Rodrigo do Monte Gester , Mateus Gomes Lima 3 2

1 Universidade do Federal do Sul e Sudeste do Pará - UNIFESSPA - Faculdade de Física, caio@unifesspa.edu.br

2 Universidade do Federal do Sul e Sudeste do Pará - UNIFESSPA - Faculdade de Física, gester@unifesspa.edu.br

3 Universidade do Federal do Sul e Sudeste do Pará - UNIFESSPA - Faculdade de Física, mateus.lima@unifesspa.edu.br

## Resumo

Diante da variabilidade de Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs), no âmbito educacional, a utilização dos simuladores computacionais se destaca como um recurso pedagógico promissor para a práxis educativa, sobretudo no ensino de física, reduzindo, em muitos aspectos, as dificuldades na transmissão e visualização de conteúdos considerados como abstratos, como é o caso, por exemplo, do efeito fotoelétrico. Neste trabalho investigamos como uma simulação computacional, intitulada SimuPhoton, pode ajudar no processo de ensino e aprendizagem do conteúdo Efeito Fotoelétrico no ensino médio. Com este simulador é possivel manipular os principais parâmetros relacionados ao efeito fotoelétrico, oferecendo aos alunos e professores uma alternativa para o ensino deste importante conteúdo. A metodologia aplicada na pesquisa foi de caráter indutivo qualiquantitativa, ocorrendo a aplicação de questionários de sondagem de conhecimentos e a intervenção didático-pedagógica, com a inserção de atividades práticas. Para a intervenção didático-pedagógica, foi elaborada uma sequência didática baseada na metodologia dos Três Momentos Pedagógicos de Delizoicov (3MP), resultando num total de quatro encontros para o desenvolvimento das atividades propostas, tendo como foco a utilização do SimuPhoton. Os resultados evidenciam que os alunos aprovaram a simulação computacional, como uma ferramenta atraente para se aprender Física. Entretanto, sua utilização deve ser feita de forma planejada e associada a alguma outra metodologia de ensino, para que o processo de ensino-aprendizagem seja significativo.

Palavras-chave : Ensino de Física, Efeito Fotoelétrico, TICs, Simulação Computacional, Momentos Pedagógicos de Delizoicov.

## Abstract

Given the variability of Information and Communication Technologies (ICT's), in the educational scope, the use of computer simulators stands out as a promising pedagogical resource for educational praxis , especially in physics teaching, reducing, in many aspects, difficulties in the transmission and visualization of contents considered as abstract, as is the case, for example, of the photoelectric effect. In this work we aim to investigate how a computer simulation, called SimuPhoton , can help the teaching of the content of Photoelectric Effect in high school. With this simulator it

is possible to manipulate the main parameters related to the photoelectric effect, offering students and teachers an alternative for teaching this important content. The methodology applied in the research was of a qualitative and quantitative inductive character, with the application of knowledge survey forms and the didacticpedagogical intervention, with the insertion of practical activities. For the didacticpedagogical intervention, a didactic sequence was elaborated based on the methodology of Three Pedagogical Moments of Delizoicov (3PM), resulting a total of four meetings for the development of the proposed activities, focusing on the use of SimuPhoton . The results show that the students approved the computer simulation as an attractive tool to learn physics. However, its use must be made in a planned way and associated with some other teaching methodology, so that the teachinglearning process is significant.

Keywords : Teaching Physics, Photoelectric Effect, ICT's, Computational Simulation, Delizoicov Pedagogical Moments.

## Simulações computacionais e o ensino de Física

A presença das TICs é perceptível nas mais diferentes áreas do contexto humano e apresenta potencialidades para promover mudanças nas relações do cotidiano refletindo, também no processo de ensino e aprendizagem. Neste aspecto, para Abreu e Abreu (2015), nota-se uma presença cada vez maior da informática no contexto educacional nos últimos anos, o que facilita o acesso das pessoas à educação, a partir de ambientes de ensino virtuais que possibilita aos alunos um maior engajamento entre si, mesmo a longas distâncias, favorecendo a troca de informações e experiências, além de permitir aos professores condições de desenvolver trabalhos, discussões e processos de pesquisa que promovem um ambiente de ensino e aprendizagem mais significativo, envolvendo de forma ativa os alunos nesse processo.

Marcia da Costa (2017) ressalta que a utilização de tais TICs promove um ensino mais abrangente e eficiente, resolvendo alguns problemas do ensino tradicional, sobretudo no ensino de física. Ainda de acordo com a autora, o emprego de tais tecnologias ainda é alvo de debate nos principais centros de formação de professores.

Diversas TICs fazem parte do cotidiano de muitos estudantes e professores. Mas é notável como tais recursos ainda não foram incorporados de forma efetiva no processo de ensino e aprendizagem de física que é caracterizado, em muitos casos, somente pelo uso de equações e conceitos, onde o professor é o agente ativo no processo de ensino e aprendizagem, sendo que as aulas se configuram de forma bastante abstrata, fugindo em muitos casos do interesse dos alunos e não contribuindo para uma aprendizagem significativa (ROSA e ROSA, 2005).

Medeiros e Medeiros definem simulações computacionais como:

...modelos computacionais que operam em representações matemáticas via linguagens de programação e que tem como finalidade fornecer animações que imitam situações e fenômenos reais ou imaginários. (Medeiros, 2002, pag. 79)

Barbosa e colaboradores (BARBOSA, GOMES, et al ., 2017) afirmam que o uso de simuladores no ensino de ciências permite que o saber científico seja potencializado, pois permite que professores de física possam trabalhar com seus

conteúdos de forma mais lúdica e que as relações entre causa e efeito entre as variáveis envolvidas possam ser melhor entendidas, ampliando a capacidade de imaginação e intuição dos alunos.

Apesar das inúmeras vantagens, a introdução dos simuladores não pode ser pensada como um fim para promover um ambiente de aprendizagem, ou substituir integralmente a figura do professor durante o processo, sua utilização não dever ser interpretada como um meio para tal finalidade, na mesma medida que requer alguns cuidados em sua inserção.

Outro ponto a ser considerado é a inserção dos conteúdos de física moderna e contemporânea (FMC) no Ensino Médio (EM). Diante das poucas alternativas de simuladores para o ensino dos conteúdos de física moderna, especificamente o Efeito Fotoelétrico, da dificuldade de visualização de conceitos acerca do tema e da constante imersão dos alunos diante das chamadas TICs é que Filho (2010) considera que a utilização e pesquisas sobre uso e produção desta ferramenta pedagógica apresenta considerável relevância na área do ensino, envolvendo essa temática.

Tomando essas considerações e a importância que o Efeito Fotoelétrico tem em aplicações tecnológicas de uso cotidiano (sensores e produção de energia, por exemplo), para o próprio desenvolvimento da física enquanto ciência, das dificuldades relacionadas ao ensino e das poucas alternativas de simuladores sobre esse tema, podemos afirmar que estes são elementos que se destacam como motivadores para a produção da presente ferramenta pedagógica para o ensino de temas relacionados.

## Os três momentos pedagógicos de Delizoicov

A inserção dos simuladores no ensino de física deve ser realizada de forma consistente e entendida como uma parte de um processo metodológico-pedagógico. Com base nisso, concepções didática-pedagógicas que proporcionam uma quebra de paradigma no ensino de física devem ser consideradas, como é o caso da metodologia dos Três Momentos Pedagógicos (3MP).

A dinâmica metodológica dos 3MP apresentada por Delizoicov e Angotti (DELIZOICOV e ANGOTTI, 1990) resumem-se em: Problematização inicial, Organização do Conhecimento e Aplicação do Conhecimento.

Na Problematização Inicial são apresentadas situações do cotidiano dos alunos, acerca de um dado tema. Consiste em um diálogo com objetivo de despertar o senso crítico no aluno, visando relacionar o estudo de um conteúdo com situações reais que eles conhecem ou já presenciaram, mas que não conseguem interpretar de forma completa ou corretamente, porque, provavelmente, não dispõem de conhecimentos científicos suficientes.

A Organização do Conhecimento Físico relevante para o entendimento acerca da temática deve ser feita de forma sistemática sob orientação do professor, em que definições, conceitos, relações e leis apresentadas de forma introdutória, agora devem ser aprofundados.

Durante a Aplicação do Conhecimento, o professor deve elaborar atividades que objetivem capacitar os alunos a articular os conhecimentos trabalhados na construção do conhecimento, com as situações apresentadas na problematização inicial ou, também, com fenômenos que apresentam alguma ligação com os conceitos apresentados

## Produção e descrição do simulador computacional

O SimuPhoton 1 foi desenvolvido em sua totalidade utilizando o software de modelagem 3DBlender ® . Blender é um software de código aberto e gratuito que reúne uma diversidade de recursos computacionais avançados para a produção de imagens tridimensionais, edição de fotos, vídeos, animações, texturização, composição, renderização, criação de ambientes virtuais, modelagem e aplicações interativas em 3D, como jogos e apresentações (BLENDER).

Ao abrir o programa SimuPhoton temos a janela inicial apresentada na figura 01 que dispõe de um menu de navegação à direita. Neste menu temos a opção de escolher o menu/item Fundamentos Teóricos , por exemplo, onde é apresentado de maneira breve, o contexto histórico e conceitual do efeito fotoelétrico, podendo servir de suporte teórico em uma pesquisa inicial sobre o conteúdo a ser trabalhado.

Figura 01: Janela inicial do SimuPhoton.

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Fonte: Dados do Autor.

Na opção Simulador é apresentado o ambiente de simulação do efeito fotoelétrico, conforme ilustrado na figura 02. Os parâmetros que podem ser variados são:

Figura 02: Tela da Simulação. Os números em amarelo indicam os parâmetros que podem ser variados.

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Fonte: Dados do Autor.

- 1Comprimento de onda: Doze valores discretos e definidos da radiação incidente, indo do infravermelho (IV) ao ultravioleta (UV);

- 2Intensidade da Luz: Ajusta a intensidade da radiação sobre a placa, podendo ser variada de 0% a 100% com intervalos de 10%;
- 3DDP: Seletor responsável por estabelecer uma diferença de potencial entre a placa emissora e a receptora do efeito fotoelétrico. Ele pode ter seu valor configurado de -5V à 5V, controlando, assim, o sentido de deslocamento dos fotoelétrons ejetados;
- 4Material da Placa: Apresenta a possibilidade de escolha do material da placa emissora no efeito fotoelétrico. Os materiais disponíveis para a simulação são: Sódio, Zinco, Cobre, Platina, Cálcio e Magnésio;
- 5Energia dos fótons: Exibe o valor da energia de cada fóton incidente sobre a placa emissora em unidades de elétron-volt ( eV ), de acordo com a hipótese de Einstein da Luz, dada em termos da constante de Planck;
- 6Energia dos elétrons: Exibe o valor da energia cinética dos elétrons emitidos, após a interação da radiação eletromagnética incidente com o material da placa emissora;
- 7Gráfico: Exibe a curva característica do efeito fotoelétrico, de acordo com o elemento químico para a placa emissora escolhido;
- 8Elétrons ejetados: Representação lúdica do elétron emitido, após a absorção de energia do fóton incidente. A velocidade desses elétrons depende do comprimento de onda escolhido e do valor de DDP.

## A metodologia da intervenção didática-pedagógica

- O desenvolvimento deste trabalho foi realizado basicamente em duas etapas. A primeira com a produção do simulador computacional em si e a segunda, onde foi observado e analisado o efeito do uso deste simulador em um ambiente real de ensino, em conjunto com a metodologia dos 3MP de Delizoicov.
- A intervenção didática-pedagógica foi executada conforme a sequência organizada no quadro 01. O locus da intervenção foi o Instituto Federal do Pará (IFPA), campus industrial, localizado na cidade de Marabá, no Sudeste Paraense, com uma turma de 22 alunos do terceiro ano do EM.
- A metodologia para a análise da intervenção apresentou um caráter qualitativo, pela natureza da abordagem de um estudo de caso que se baseou nas impressões dos alunos durante o processo. E quantitativo, ao considerar a avaliação objetiva da intervenção, quanto aos aspectos técnicos, pedagógicos e quanto ao conteúdo, como propõem alguns autores (VIEIRA, 1999).

Quadro 01 - Organização dos Três Momentos Pedagógicos com foco temático: Efeito Fotoelétrico . 2

Fonte: Dados do Autor.

## Resultados e discussões

A avaliação da intervenção didática, segundo os 3MP de Delizoicov, e do simulador SimuPhoton foi realizada através de um questionário, contendo uma questão subjetiva, em que vinte e dois alunos expressaram suas opiniões acerca da metodologia utilizada e do próprio simulador, além de outro questionário objetivo, contendo sete perguntas a respeito da experiência de cada aluno com o simulador.

A questão realizada foi: Quais são suas impressões a respeito das aulas com uso de simuladores? Destaque, se possível, pontos positivos e negativos da utilização desse tipo de recurso e se você tem preferência, ou não, por esse tipo de metodologia.

As respostas subjetivas dessa pergunta foram agrupadas em três categorias, com os respectivos padrões avaliativos e seus percentuais sintetizados no quadro 02.

Quadro 02: Padrões das respostas subjetivas.

Para a avaliação das respostas objetivas acerca do simulador foi utilizado um questionário objetivo contendo sete perguntas (quadro 04), em que os alunos escolhiam as opções apresentadas no quadro 03:

Quadro 03: Espectro com as possíveis repostas para avaliação do simulador.

Quadro 04: Avaliação da experiência de uso do SimuPhoton .

## Conclusão

Neste trabalho, utilizamos o simulador computacional SimuPhoton , um simulador gratuito, com o objetivo de auxiliar o ensino da Física Moderna e Contemporânea no nível médio, abordando o tema Efeito Fotelétrico, sendo uma proposta alternativa de recurso pedagógico para professores e alunos da educação básica.

A partir dos resultados apresentados, consideramos que o simulador propiciou um ambiente de aprendizagem relevante, dentro do contexto da metodologia didático-pedagógica dos 3MP. Percebemos que os alunos tiveram uma nova visão a respeito das aulas de física, indo além de problemas tradicionais que em sua maioria correspondem a memorização de equações e utilização em exercícios mecânicos, sem uma significação dos conceitos ou relação com aplicações cotidianas. Esta prática pedagógica permitiu mostrar que o conteúdo apresentado se faz importante quanto sua aplicabilidade, além de tornar as aulas mais dinâmicas, dialogadas e centradas na figura do aluno como construtor do seu conhecimento.

A utilização de simuladores no ensino de física pode contribuir de maneira significativa para o processo de ensino-aprendizagem, podendo, se bem direcionado e tomando os devidos cuidados, trazer muitos benefícios, além de se tornar um recurso pedagógico motivador, dando aos alunos a possibilidade de explorar conceitos de forma dinâmica, em relação aos meios tradicionais.

## Referências

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BARBOSA, C. D. et al. O uso de simuladores via smartphone no ensino de física: O experimento de Oersted. Scientia Plena , v. 13, n. 1, 2017. ISSN 13. 10.14808 / 2017.012712.

BLENDER. Blender features. Blender Org . Disponivel em: &lt;https://www.blender.org/ features/&gt;.

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DELIZOICOV, D.; ANGOTTI, J. A. Física . São Paulo: Cortez, 1990.

FILHO, G. F. D. S. Simuladores computacionais para o ensino de física básica: uma discussão sobre produção e uso (Dissertação de Mestrado) . UFRJ. Rio de Janeiro. 2010.

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VIEIRA, F. M. S. Avaliação de software Educativo: Reflexões para uma análise Criteriosa. Disponivel em: &lt;www.edutec.net/Textos/Alia/Misc/edmagali2.htm&gt;.