VIABILIZAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA EXPERIMENTAL EM TEMPOS DE COVID-19

## VIABILIZAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA EXPERIMENTAL EM TEMPOS DE COVID-19

## FEASIBILITY OF TEACHING EXPERIMENTAL PHYSICS DURING COVID-19 PANDEMIC

José Pedro Mansueto Serbena a , Margareth K.K.D. Franco b , Ney Pereira Mattoso Filho a , Fabiano Yokaichiya a , Milton Massumi Fujimoto a .

a Universidade Federal do Paraná, Departamento de Física - UFPR - Curitiba - PR - Brazil b Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN - São Paulo - SP - Brazil

## Resumo

No início de 2020 a pandemia de COVID-19 surpreendeu o mundo afetando todas as atividades presenciais, inclusive de maneira abrupta e impactante a Educação. Instituições de ensino, da pré-escola à universidade, foram injungidas a adotar métodos alternativos de ensino a fim de dar prosseguimento às suas atividades. O ensino remoto à distância (EAD) foi a maneira adotada pelos educadores para enfrentar esse desafio sem precedentes. A Universidade Federal do Paraná mais especificamente o Departamento de Física reagiu ao problema de forma ambiciosa e criativa, aproveitando como uma oportunidade para colocar em prática metodologias relacionadas ao ensino de disciplinas que eram praticadas unicamente de forma presencial, como a disciplina de Física Experimental. Este trabalho tem como objetivo descrever a implementação da disciplina de Física Experimental I na Universidade Federal do Paraná, promovida pelos docentes do Departamento de Física, de forma remota. Avaliamos o número de acessos como instrumento de medida de participação dos alunos e analisamos as estatísticas da disciplina nas várias engenharias.

Palavras chave : Ensino à distância, Física Experimental, Pandemia

## Abstract

At the beginning of 2020, the COVID-19 pandemic surprised the world, affecting activities that promote attendance, including abruptly and impacting Education. Educational institutions, from preschool to university, were required to adopt alternative teaching methods in order to continue their activities. Distance learning (DL) was the way adopted by educators to face this unprecedented challenge. The Federal University of Paraná, more specifically the Department of Physics, reacted to the problem in an ambitious and creative way, taking advantage of it as an opportunity to put into practice methodologies related to the teaching of disciplines that were only practiced in person, such as the discipline of Experimental Physics. This study aims to describe the implementation of the discipline of Experimental Physics I at the Federal University of Paraná, promoted by the professors of the Department of Physics, remotely. We evaluated the number of accesses as a measure of student participation and analyzed the statistics of the discipline in the several engineering courses.

Keywords : Distance learning, Experimental Physics, Pandemic

## Introdução

No Brasil haviam cerca de 1.800.000 brasileiros matriculados em alguma modalidade de Ensino a Distância (EAD), conforme o censo de 2018-2019 realizado pela Associação Brasileira de Ensino a Distância (ABED). Em 2018, das 13,5 milhões de vagas oferecidas para os cursos de educação superior, aproximadamente 7,1 milhões foram destinadas para EAD e 6,4 milhões para o ensino presencial, mostrando pela primeira vez que o número de vagas EAD foi maior que na educação presencial. Para 2019, o público EAD representou 43,8% do total de estudantes, que se iniciaram na educação superior [1].

Esta modalidade de ensino, que já era uma realidade em ascensão no Brasil, tornou-se a uma das soluções junto com a modalidade - ensino remoto, em grande escala em tempos de pandemia devido à Covid-19. No início de 2020, a educação, desde a educação básica ao ensino superior, interrompeu suas atividades presenciais, forçando educadores e alunos a se adaptarem ao uso de recursos tecnológicos para não interrupção do processo de aprendizagem. Antes da pandemia não se cogitava o ensino remoto ou a distância da disciplina de Física Experimental. Alguns cursos antes do surgimento da Pandemia planejavam introduzir metodologias alternativas de aprendizagem [2-7]. Além disso, o ensino adotando novas plataformas não é mera reprodução do modelo de ensino presencial porque envolve a criação de metodologias para adequação a uma realidade mais atual, mais ativa e colaborativa.

Neste trabalho apresentamos a elaboração e aplicação do curso essencialmente remoto no ensino da disciplina de Física Experimental 1, na Universidade Federal do Paraná (UFPR). Descrevemos o desempenho dos alunos, o alcance do material preparado e a percepção dos alunos após o fim do semestre. Reportamos também a preparação do experimento em seus amplos aspectos.

A disciplina de Física Experimental 1 é oferecida semestralmente pelo Departamento de Física da UFPR para alunos (número de alunos maior que 300) inscritos nas graduações em Engenharia Química, Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, Engenharia Industrial Madeireira, Engenharia de BioProcessos, Engenharia de Produção e Engenharia Ambiental. Com uma dificuldade extra no regime presencial, a capacidade máxima é de 24 alunos por turma. Na forma remota, este curso, que foi ministrado no período de Maio à Agosto de 2021, em 12 semanas, contou com 509 alunos inscritos. A comparação dos resultados obtidos neste projeto com os resultados apresentados pelas turmas anteriores de forma presencial permitiu aos coordenadores das diversas graduações avaliarem a efetividade metodológica do ensino de forma remota. Ao final do semestre extraímos informações relativas a todas as plataformas utilizadas na disciplina, além de uma enquete para conhecimento da opinião dos alunos por meio de questionário, respondido de forma voluntária. Os resultados coletados foram significativos e contribuíram para avaliação estatística.

Este trabalho tem como objetivo descrever a implementação da disciplina de Física Experimental I na Universidade Federal do Paraná, promovida pelos docentes do Departamento de Física, de forma remota. Avaliamos o número de acessos como instrumento de medida de participação dos alunos e analisamos as estatísticas da disciplina nas várias engenharias.

## Funcionamento da Disciplina

Antes do problema relacionado às restrições de distanciamento social provocado pela COVID 19, as disciplinas de física experimental possuíam um caráter

essencialmente presencial, uma vez que a proposta pedagógica está diretamente relacionada à experimentação dos fenômenos físicos abordados pelos discentes. Os laboratórios didáticos de física utilizados nesta disciplina possuem equipamentos e infraestrutura física adequados para a execução das atividades práticas. Os experimentos eram realizados pelos próprios discentes sob orientação do professor, nas quais medidas de diferentes grandezas são realizadas e suas relações analisadas através dos conceitos teóricos também aprendidos nas disciplinas de física teórica. Além de abordar conteúdos relacionados à Física, abrangem-se também técnicas de medidas, construção e análise de gráficos, avaliação e propagação de erros, análises estatísticas simples, entre outros temas relacionados a atividades experimentais.

Os laboratórios didáticos comportam um número reduzido de estudantes por turma (no máximo 24 discentes), que são divididos em grupos de no máximo de 3 integrantes, para realizarem o experimento relativo a aula, coletarem seus próprios dados e fazerem as respectivas análises. Essa dinâmica pedagógica promove a interação entre professor-grupos, intergrupos e intragrupos, posto que boa parte do aprendizado se dá nos momentos de discussão e análise crítica, tanto dos dados coletados quanto dos resultados obtidos. Os professores buscaram também diferentes abordagens e metodologias para possibilitar o aprendizado dos conteúdos da disciplina pelos estudantes. Cada experimento tem suas particularidades, normalmente relacionadas à complexidade de execução e a necessidade de equipamentos específicos, que muitas vezes não são encontrados no cotidiano dos discentes.

Na Física Experimental I, os experimentos abordam conteúdos de Mecânica, Fluidos, Oscilações, Ondas Mecânicas e Termodinâmica. Tais temas permitem que se possam buscar meios de vivenciar fenômenos físicos através da experimentação fora do ambiente universitário, sem a necessidade de uso dos equipamentos específicos, utilizando materiais do cotidiano e procedimentos simples e seguros. Assim, desenvolveu-se uma proposta de disciplina baseada nos cursos de física experimental 'mão na massa' [8], na qual o discente deve realizar os experimentos seguindo as orientações dos professores da disciplina, coletar seus próprios dados e analisar os resultados à luz dos conceitos físicos discutidos nos materiais de apoio. Devido à diversidade de classes socais distintas dos participantes do curso, procurouse, desenvolver os experimentos de forma que pudessem ser realizados com materiais comumente encontrados, evitando a necessidade da aquisição de qualquer produto extra para uso específico na disciplina.

A proposta do conteúdo da disciplina de Física Experimental I na forma remota foi dividido em dois blocos: teórico e experimental. O bloco teórico consistiuse de 3 semanas acadêmicas, nas quais são abordados os temas construção e análise de gráficos, ajuste de reta pelo método dos mínimos quadrados, linearização de gráficos, medidas e incertezas e propagação de erros. Esse conteúdo também é ministrado na disciplina presencial e fornece as ferramentas para a análise de dados na disciplina. Durante o ensino remoto estes tópicos foram transmitidos aos alunos através de aulas gravadas, encontros síncronos e atividades assíncronas realizadas no ambiente virtual de aprendizado Moodle - UFPR Virtual. Ao final deste bloco, na semana 4, foi aplicada uma avaliação com questões programadas via Moodle: a 'Prova 1'.

Na disciplina na forma presencial eram abordados 8 experimentos, sendo um por semana. No formato de ensino à distância, o bloco experimental durou 8 semanas, consistindo em 4 experimentos com 2 semanas de duração cada. A diminuição do número de experimentos e o aumento da sua duração foi decidido pelos

docentes da disciplina, baseado no fato dos estudantes realizarem os experimentos sem a orientação presencial de um supervisor (professor ou monitores), com os materiais disponíveis. No entanto, os experimentos foram escolhidos, de tal forma que abrangessem as mesmas metodologias de análise empregadas nos experimentos, no regime presencial. Os experimentos abordados foram: 'Queda Livre' (semanas 5 e 6), 'Movimento Parabólico' (semanas 7 e 8), 'Molas' (semanas 9 e 10) e 'Pêndulo Simples' (semanas 11 e 12). A Tabela 1 mostra a distribuição das atividades por semana do curso.

De maneira geral, cada experimento possui dois rótulos denominados: 'Sala de Estudo' e 'Mãos à Obra'. Dentro do rótulo 'Sala de Estudo' encontra-se o material didático, as videoaulas, materiais de apoio e de estudo, bibliografia recomendada, material complementar (links para experimento no youtube, tutoriais) e instruções para o experimento. Dentro do rótulo 'Mãos à Obra' o aluno tem acesso a exercícios e tarefas a serem resolvidos online e a possibilidade de upload do relatório referente ao respectivo experimento.

Mais especificamente, nos dois primeiros experimentos parte da coleta de dados foi feita utilizando-se o software livre Tracker [9], com auxílio de celular para a gravação do experimento e/ou computador para a análise dos dados. Nos dois últimos experimentos a proposta envolvia menos recursos tecnológicos e puderam ser feitos utilizando somente réguas e cronômetros. Em todos eles foram sugeridos a utilização de objetos do cotidiano como, por exemplo, esferas, limão (fruta redonda), molho de chaves, espiral de caderno, entre outros.

## Descrição dos experimentos

Queda livre: O experimento 'Queda Livre' foi dividido em duas partes: (a) o tempo de queda de dois objetos foi medido sete vezes, uma análise estatística das incertezas foi realizada e a aceleração gravitacional local estimada; (b) o movimento de queda livre foi filmado com uma câmera digital (do celular, por exemplo), o vídeo foi transferido a um computador (pode ser feito inclusive no celular, diretamente no site do desenvolvedor) e, através do software livre Tracker, uma tabela da posição em função do tempo foi obtida, permitindo estimar a aceleração gravitacional local através de uma análise gráfica.

Movimento Parabólico: O experimento sobre 'Movimento Parabólico' foi conduzido de maneira análoga ao experimento de Queda Livre, mas o objetivo foi determinar a velocidade inicial do objeto lançado horizontalmente de uma superfície (como por exemplo, uma mesa). Neste experimento o aluno precisava construir um sistema lançador que conferisse a mesma velocidade a cada lançamento.

Molas: O experimento 'Molas' foi dividido em duas partes, ambas com o objetivo de determinar a constante de uma mola caseira (foi sugerido utilizar uma espiral de caderno): (a) estática, diferentes objetos 'padrões' de massa inferida (por exemplo: moedas de 1 real cuja massa é determinada pela Casa da Moeda) foram suspensos, a deformação da mola foi medida; (b) dinâmica, o sistema massa mola foi posto para oscilar, medindo-se o período de oscilação, para diferentes massas suspensas. Em ambos os casos foi feita uma análise gráfica.

Pêndulo Simples: O experimento 'Pêndulo Simples' foi dividido em duas partes: (a) consistiu em montar um pêndulo simples (sugeriu-se amarrar um molho de chaves a um barbante e este ao vão da porta) e medir o período de oscilação em amplitudes pequenas (<10 graus) variando-se o comprimento do pêndulo; (b)

consistiu em variar o ângulo inicial do pêndulo medindo-se o período de oscilação (de 10 em 10 graus até 70 graus). Em ambos os casos foi feita uma análise gráfica e o objetivo foi determinar a aceleração gravitacional local.

As instruções dos experimentos, tanto de execução como de análise de dados, foram dadas através de roteiros escritos, aulas gravadas e encontros síncronos. Como atividade de preparação para a realização dos experimentos foram produzidos questionários denominados 'Roteiros de Estudos' abordando parte dos conceitos físicos teóricos envolvidos. Foi recomendado que o Roteiro de Estudos fosse a primeira atividade a ser realizada antes de cada experimento. Ao final de cada experimento os alunos realizaram o 'Questionários de Verificação' para aferir se as habilidades referentes aos procedimentos de análise de cada experimento foram atingidas pelos alunos. Esses questionários contabilizaram frequência e nota. Adicionalmente, frequência e nota também foram contabilizadas através da cobrança de um 'storyboard' e de um 'minirelatório' produzido pelo discente, demonstrando a execução do experimento/coleta e análise do fenômeno físico. Dessa forma, procurouse incentivar o acesso semanal dos estudantes ao curso, permitindo que a forma de avaliação fosse mais próxima de uma avaliação continuada. Ao final foi deixado um espaço para os participantes tecerem comentários/sugestões/críticas quanto a forma como a disciplina foi organizada.

Tabela 01 - Distribuição das atividades exercidas por semana

As videoaulas contêm informações sobre o conteúdo teórico que embase o experimento bem como detalhes de execução e análise. A pré-visualização de videoaulas como prática pedagógica se alinha à metodologia ativa de ensino, fazendo o aluno assumir o protagonismo no processo de aprendizagem. O aluno pode escolher a hora mais conveniente para assisti-las, ditar seu próprio ritmo durante a visualização, repeti-las quantas vezes julgar necessário e realizar suas anotações. As videoaulas são sucintas, com 20 a 30 minutos de duração em média, contendo os conceitos fundamentais dos experimentos e explicação da montagem dos mesmos. Ao todo, foram produzidas 07 videoaulas abrangendo os sete módulos da disciplina (Tabela 01). Essa distribuição correspondeu a uma carga horária de cerca de uma videoaula por semana mais uma semana de atendimento para tirar dúvidas e interagir com os alunos.

## Atendimento aos alunos

Durante as 12 semanas, havia um contato semanal do professor com a turma através de uma sala virtual no ambiente da plataforma Moodle do UPFR-Virtual, nos respectivos horários das aulas. A sala virtual era feita pelo link da "E-Aula RNP". Nestas reuniões os alunos poderiam retirar dúvidas sobre os questionários e apresentar as dificuldades/dúvidas que estavam tendo para a realização das atividades. Como a resolução que regia as atividades de ensino remoto no regime emergencial não permitia a cobrança de frequência nas atividades síncronas, a presença dos alunos era espontânea. Além disso, em algumas turmas haviam monitores, onde os alunos poderiam entrar em contato para esclarecer dúvidas e pedir algum auxílio/dica, em horários alternativos.

## Resultados

A Figura 1 mostra o número total de acessos (18 turmas) dentro da plataforma da disciplina por semana. É possível observar que o número de acessos (Hits) por página, por semana está diretamente ligado as atividades empreendidas pelos discentes. Podemos observar um maior engajamento dos alunos na sexta semana de aula, levando a 100.205 Hits, quando ocorreu a entrega das tarefas, roteiros, storyboards e relatórios relativos ao primeiro experimento.

No início do curso, como previsto, houve maior busca por informações sobre a organização do curso, como 'Apresentação' (Apostila Apresentação, Ficha2informação de como será o curso, Cronograma). Nas 4 primeiras semanas que envolvem o acesso as Aulas teóricas de 1-3 mais Prova, apresentou uma média de 57.370 Hits para as 18 turmas. Observamos que o número de Hits em todos os experimentos é menor na primeira semana (semana 5,7,9 e 11) do que na segunda semana (semanas 6,8,10 e 12), quando os estudantes entregam os relatórios e storyboards e resolvem online as tarefas e questionários. Verificamos que o primeiro módulo 'Queda Livre' foi o mais acessado durante o curso (semana 5 e 6), enquanto que o último módulo 'Pêndulo' foi o menos acessado (semana 11 e 12). Acreditamos que existam duas razões para este resultado: (i) o módulo 'Pêndulo' exigiu mais o estudante, (ii) os estudantes que já haviam obtido nota para passar na disciplina acabavam por não acessar (Hits) o último módulo.

Figura 01- Número de acessos (Hits) das 18 turmas por semana

<!-- image -->

Figura 02- Comparação de acessos (Hits) dos alunos por curso

<!-- image -->

## Conclusão

A transmissão e propagação de doenças infecciosas emergentes, como a Covid-19, dependem significativamente das atividades humanas presenciais. Até o momento ainda estamos lidando com a pandemia e é um desafio prever quando ela acabará. No entanto é possível enfrentar a doença ou reduzir o risco de sua transmissão e propagação mudando o comportamento humano. Por isso, o ensino à distância pode ser visto como uma opção tão eficiente quanto ao ensino presencial e os resultados apresentados neste artigo confirmam esta tendência. A pandemia minimizou o estigma com relação ao modelo de ensino remoto, como a falta de conhecimento, falta de experimentação e resistência à inovação. Os alunos foram instigados a utilizar mais a imaginação para realização dos experimentos sem a intervenção do professor ou possíveis monitores, e sem o suporte técnico de um

laboratório. Uma das grandes desvantagens durante as aulas remotas, foi a verificação, pelos professores, do diagnóstico sobre o grau de compreensão dos estudantes ser na maioria das vezes impraticável, o que contrapõe a versão tradicional da aula presencial expositiva, onde é possível perceber questões relevantes sobre o entendimento do assunto exposto. No entanto, o uso de avaliações semanais envolvendo resolução de tarefas e questionários online e entrega de minirelatórios relacionados aos experimentos, assim como a documentação da montagem e da execução do experimento (através de storyboards) e contato através de e-mails e videoconferências, permitiram minimizar a desvantagem infringida pela ausência da interação presencial.

Neste estudo verificamos: (1)- que a escolha das melhores tecnologias como ferramenta para o ensino é fundamental para a melhor difusão do assunto, (2)- que os programas inclusivos a cada curso são muito importantes, (3)- a importância da apresentação previa de um calendário, (4)- a importância da definição de regras claras de avaliação para os alunos. Ratificando as recomendações publicadas pela Unesco sobre ensino a distância. Estamos cientes da contribuição deste artigo para a discussão do tópico do ensino à distância referente a aprendizagem de Física experimental. Acreditamos que com retorno das aulas presencias grande parte do material didático utilizado de maneira remota será aproveitado de modo que este tipo de avaliação possa melhorar ainda mais a qualidade do curso.

## Agradecimentos

Ao Professor Celso de Araújo Duarte pela solidariedade e gentileza na troca de informações sobre as turmas de Física Experimental I, nas quais ele lecionou.

## Referências

- [1] ASSESSORIA DE COMUNICAÇÃO SOCIAL DO INEP. Ensino da distância se confirma como tendência . Brasília: Ministério da Educação,2020. Disponível em: https://www.gov.br/inep/pt-br/assuntos/noticias/censo-da-educacao-superior/ensinoa-distancia-se-confirma-como-tendencia . Acesso em: 10.Mai.2022.
- [2] THEOBALD, E.J. et al . Active learning narrows achievement gaps for underrepresented students in undergraduate science, technology, engineering, and math. PNAS, n.117, p. 6476-6483, 2020.
- [3] BERGMANN, J.; SAMS, A..The flipped classroom. CSE , n.17, p.24-26, 2014.
- [4] MAZUR, E.. Peer Instruction:A User's Manual . New Jersey: Prentice Hall, 1997.
- [5] MAZUR, Eric. Principles &amp; Practice of Physics .London:Pearson Education, 2015.
- [6] ZHANG, P.; DING, L.; MAZUR, E.. Peer Instruction in introductory physics: A method to bring about positive changes in students' attitudes and beliefs. Phys. Rev. Phys. Educ. Res . n.13, p.010104-1-9, 2017.
- [7] ARAÚJO, I.S.; MAZUR, Eric.. Instrução pelos colegas e ensino sob medida: uma proposta para o engajamento dos alunos no processo de ensino-aprendizagem de Física, Cad. Bras. Ens. Física. n.30, p.362-384, 2013.
- [8] Colóquios do IF UFRJ: Cursos de Física Experimental mão-na-massa durante a Covid, https://www.youtube.com/watch?v=RZBklt-Dj2E, Acesso em 14/09/2021.
- [9] BROWN. Tracker , 2022. Video analysis and modeling tool. Disponível em: https://physlets.org/tracker/. Acesso em: 10.Mai.2022.