O USO DO PYTHON NO ENSINO DE FÍSICA: UMA CARACTERIZAÇÃO A PARTIR DE EVENTOS DA ÁREA

## O USO DO PYTHON NO ENSINO DE FÍSICA: UMA CARACTERIZAÇÃO A PARTIR DE EVENTOS DA ÁREA

## THE USE OF PYTHON IN TEACHING PHYSICS: A CHARACTERIZATION BASED ON EVENTS IN THE AREA

Lucas Queiroz Galvão 1 , Suiane Ewerling da Rosa 2

1 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/lucas.g5847@ufob.edu.br

2 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/suiane.rosa@ufob.edu.br

## Resumo

O presente trabalho objetiva realizar um levantamento de trabalhos que discutem o python no Ensino de Física nos principais eventos da área nos últimos dez anos, de modo a caracterizar as possibilidades de aplicação e limitações presentes, assim como a motivação para o crescente número de publicações. Metodologicamente, este trabalho constitui-se de uma pesquisa de natureza qualitativa e bibliográfica, sendo o corpus de análise constituído de 13 trabalhos. Como resultados, destaca-se, principalmente, duas caracterizações gerais: i) Modelagem e Simulação Computacional; e ii) Robótica Educacional. De maneira geral, foram encontradas potencialidades associadas a um maior engajamento dos estudantes, trabalho interdisciplinar, abordagem de diversos fenômenos naturais e praticidade no uso do python. Como limitações a serem superadas, foi identificado o pouco tempo para a realização das atividades e as condições estruturais das escolas. As potencialidades encontradas apontam para o motivo do aumento de publicações referentes ao objeto de estudo nos últimos anos.

Palavras-chave : Ensino de Física; TIC; Python.

## Abstract

The present paper aims to carry out a survey of publications that discuss python in Physics Teaching in the main events of the area in the last ten years, in order to characterize the application possibilities and present limitations, as well as the motivation for the growing number of publications. Methodologically, this paper is a qualitative and bibliographic research, and the analysis corpus consists of 13 works. As a result, two general characterizations stand out: i) Modeling and Computer Simulation; and ii) Educational Robotics. In general, potentialities associated with greater student engagement, interdisciplinary work, approach to various natural phenomena and practicality of use of python were found. As limitations to be overcome, the short time to carry out the activities and the physical conditions of the schools were identified. The potentialities found are possible reason for the increase in publications referring to the object of study in recent years.

Keywords : Teaching Physics; ICT; Python.

## Encaminhamentos Teóricos

Atualmente, com o aumento exponencial de novos recursos tecnológicos e sua influência direta nas diversas esferas sociais, tornou-se inegável a importância de agregar às aulas de Física discussões e atividades associadas às Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC 1 ), seja por fazerem parte da realidade da maioria dos estudantes, seja por apresentarem possibilidades de superação de um ensino tradicional, com aulas mecanizadas, centradas no professor e pouco interativas (FIOLHAIS; TRINDADE, 2003). Essa importância vem ganhando destaque na pesquisa em Ensino de Ciências, tornando-se um campo de estudos relativamente consolidado - correspondente às TIC. No atual período, marcado pela pandemia do novo coronavírus (SARS-CoV-2) em que as atividades presenciais se tornaram inviáveis, as TIC se fizeram essenciais para dar continuidade às atividades educacionais, implicando em um considerável aumento de trabalhos no Ensino de Física que discutem suas potencialidades e limitações a partir de diferentes propostas e aplicações (JAIME; FILHO; LEONEL, 2021)

Em meio a essas possibilidades, destacam-se práticas relacionadas à programação, que permitem ao usuário uma maior liberdade de criação de softwares associados a conceitos científicos se comparado a ambientes gráficos 'préprogramados', a exemplo do Modellus e PhET. Segundo Giordan (2005), a linguagem de programação é a responsável pela transposição do fenômeno estudado da realidade para o computador (ambiente virtual), o que torna tal transposição limitada apenas pelas possibilidades de utilização da linguagem, enquanto que, em ambientes 'pré-programados', o fenômeno é limitado pelas ferramentas do próprio ambiente. Nesse sentido, utilizar a programação para a construção de modelos físicos implica na necessidade de conhecer as suas características e comportamento de forma mais significativa.

Dentre as diversas linguagens de programação existentes para a utilização em aulas de Física, o python ganha destaque devido à sua sintaxe simples e robusta adequada à iniciantes na programação. Outro destaque são as suas bibliotecas com aplicações matemáticas e científicas capazes de torná-la uma linguagem própria para a ciência (BORCHERDS, 2007). Em adição, a Tiobe 2 a considerou a linguagem de programação mais utilizada no mundo no início de 2022, denotando o seu alcance em diversas atividades.

No entanto, ainda que muitas sejam as vantagens associadas ao python, é importante destacar os desafios associados ao trabalho com a programação, em especial na educação básica, visto que os professores e estudantes precisam conhecer às noções de programação, como estruturas condicionais e de repetição. Logo, práticas que associam o Ensino de Física ao python exigem que o professor destine um tempo da aula de Física, que já é reduzida, para ensinar aos estudantes a lógica de programação e a sintaxe da linguagem utilizada. Outro desafio associado a essas práticas é a condição estrutural das escolas, visto que é necessária uma sala de informática com computadores de qualidade para a instalação e uso do

python. Assim, destacamos também a importância de ambientes 'pré-programados' para as aulas de Física, como os citados anteriormente, tendo em vista os desafios associados a práticas que utilizam à programação.

Portanto, com vista a essas considerações, faz-se necessário uma análise crítica do python no Ensino de Física de modo a discutir os desafios e possibilidades de seu uso em práticas educativas. Considerando esses aspectos, este trabalho, de natureza qualitativa e bibliográfica (GIL, 2008), objetiva analisar o uso do python nos principais eventos associados ao Ensino de Física, apontando as potencialidades e limitações presentes nos trabalhos. Para tanto, eles são organizados a partir de um quadro e, em seguida, é discutida a sua caracterização de forma mais detalhada nos resultados.

## Metodologia

Definido o objetivo deste trabalho, apresentaremos o levantamento de trabalhos, realizado no início deste ano, que contemplam a linguagem de programação python como estratégia didático-pedagógica no contexto de práticas educativas do Ensino de Física. Como corpus de análise, foram considerados trabalhos publicados nos últimos dez anos nos dois principais eventos nacionais da área de Ensino de Física, a saber: Simpósio Nacional de Ensino de Física (SNEF) e Encontro de Pesquisa e Ensino de Física (EPEF). A escolha do recorte dos últimos dez anos se refere justamente ao crescente uso do python nesses anos, conforme explicitado no gráfico da Tiobe (ver link na nota de rodapé anterior). Com isso, selecionamos trabalhos autoidentificados no título, resumo, palavras-chave, e/ou quando necessário na introdução, a palavra python e que contemplasse uma proposta ou prática educativa (Quadro 1).

Quadro 1: Levantamento de trabalhos com ênfase no python

Como resultado do levantamento, obtivemos um total de 13 trabalhos: 1 do EPEF e 12 do SNEF, mais particularmente 10 trabalhos do XXIV SNEF (2021) - que corresponde a uma das motivações do presente trabalho, dado o considerável aumento de trabalhos no último ano. Com vista ao levantamento, foi possível identificar dois agrupamentos associados a esses trabalhos: (i) Modelagem e Simulação Computacional; e (ii) Robótica Educacional. Os agrupamentos foram selecionados a partir da leitura e análise das práticas educativas.

## Resultados e Discussão

Os trabalhos serão abordados de acordo com cada grupo identificado na metodologia, caracterizando seus aspectos específicos, quais os seus resultados, possibilidades de aplicação e desafios.

## Modelagem e Simulação Computacional

A Modelagem e Simulação Computacional (M-SC) correspondem a práticas que utilizam de modelos para a abordagem de determinadas situações. No entanto, ainda que apresentem muitas semelhanças, cabe destacar que são práticas relativamente diferentes, pois 'o termo modelização costuma ser utilizado quando a ênfase é dada à programação do modelo, ao passo que a simulação se refere a

situação em que o modelo é uma 'caixa negra'', sem a necessidade de uma equação diferencial 'mas sim de um esquema algorítmico' (FIOLHAIS; TRINDADE, 2003, grifo dos autores). Em diversos trabalhos, essa diferença é pouco discutida e as práticas associadas a elas são, em muitas ocasiões, abordadas de forma semelhante, englobando-as na mesma categoria de M-SC.

No levantamento realizado, foram encontrados 10 trabalhos associados a esta categoria: Trabalho (T) 1 e do T5 ao T13. Ou seja, todos os trabalhos correspondentes a este tópico são associados ao SNEF, com níveis de prática referentes à educação básica, especialmente ao ensino médio. Dentre esses trabalhos, 6 são caracterizados como do tipo Modelagem Computacional (MC) (1, 9, 10, 11, 12 e 13) e 4 como do tipo Simulação Computacional (SC) (5, 6, 7 e 8), traçando diálogos entre essas especificidades. Para uma melhor contextualização dos trabalhos, será realizada uma descrição de suas práticas e propostas educativas, de modo a salientar as suas características e relação com a M-SC.

No T1, os autores apresentam os resultados obtidos durante a etapa inicial da efetivação de uma proposta didático-pedagógica que traz como objetivo associar os conteúdos ministrados na disciplina de Física com a criação de jogos através da linguagem de programação python. Nele, o foco é na criação dos modelos físicos a partir da linguagem de programação para o desenvolvimento de jogos, trabalhando os conceitos de cultura, atitude e intencionalidade lúdica. Como resultado, foi identificado um maior engajamento dos estudantes na realização das atividades. No entanto, foram encontrados desafios associados às condições estruturais da escola para a realização da proposta, como falta de computadores e espaço adequado.

Em se tratando do T5, é discutida a construção e uso de SC do oscilador harmônico simples, oscilador harmônico amortecido e oscilador perpendicular por meio do python em conjunto com a sua biblioteca gráfica vpython, inserindo figuras geométricas tridimensionais em sua interface para a construção dos modelos. Na efetivação da proposta, os autores descreveram resultados associados ao trabalho coletivo, maior engajamento dos estudantes e desenvolvimento da interdisciplinaridade entre Física e Informática. De forma semelhante, o T6 também discute uma proposta de construção do oscilador harmônico simples por meio do python juntamente com o vpython, mas ainda sem implementação em aulas de Física. Entretanto, enquanto o T5 enfatiza os modelos trabalhados, o T6 discute as potencialidades e limitações da linguagem para a construção de SC de forma geral.

No T7, é apresentado um SC de movimento balístico com resistência do ar, focando na discussão do modelo físico. Para tanto, foram exploradas as bibliotecas do python matplotlib, numpy e tkinter para a plotagem de gráficos e construção da interface, bem como o tracker para a gravação dos experimentos. Já o T8 apresenta um SC de descarga de capacitor feito com um aplicativo web que utiliza o python. O SC é também capaz de criar gráficos por meio da biblioteca matplotlib, facilitando a visualização do comportamento do problema abordado.

No T9, é discutida uma proposta de programação em python com abordagem em matéria ativa a partir do modelo Vicsek para o comportamento de partículas em uma caixa. Umas das vantagens da prática é que ela pode ser realizada em smartphones , sem a necessidade de uma sala com computadores. Já no que se refere ao T10, é apresentada uma proposta para o ensino de cinemática a partir da simulação de um carro e um trem em movimento. Nesse caso, é utilizado o

plugin PyGame, que contém funções interativas capazes de facilitar o desenvolvimento das interfaces gráficas.

No T11, os autores abordam uma integração curricular entre a Física e a Informática a partir da construção de modelos associados à cinemática por meio do python em conjunto com a biblioteca gráfica turtle. Para a MC, foi realizada a abordagem do movimento uniforme e uniformemente variado. Como resultados, foi possível identificar um maior engajamento dos estudantes, recebendo avaliações positivas tanto na disciplina de Física quanto na disciplina de Informática. Em um levantamento realizado por meio de um questionário, os estudantes responderam, na maior parte dos casos, que a relação entre a Física e a Informática ajudou a compreender aspectos específicos de cada uma de forma interdisciplinar.

Referente ao T12, o seu destaque é a MC para a construção de um oscilador harmônico amortecido a partir do python. Nesse caso, o foco do trabalho se deu na discussão do modelo e suas equações matemáticas, buscando facilitar a interpretação do problema para futura utilização no Ensino Médio. Já o Trabalho 13, com ênfase também na MC, apresenta um circuito RLC em série, mostrando a sua evolução com e sem o fator amortecimento. Para tanto, foi utilizada a biblioteca matplotlib para a plotagem dos gráficos, explicitando a diferença nas curvas com e sem o fator de amortecimento.

Com vista a descrição realizada, percebe-se que as possibilidades de se trabalhar com o python no Ensino de Física se manifestam em diferentes propostas (sem implementação: T6, T7, T8, T9, T10, T12 e T13) e aplicações (implementadas: T1, T5 e T11), tendo em vista o grande número de bibliotecas que o python disponibiliza. Dentre essas bibliotecas, destaca-se o numpy para utilização de equações matemáticas, o matplotlib para a plotagem de gráficos, o vpython para a inserção e manipulação de figuras 3D e o tkinter para a criação de interfaces gráficas. Outro ponto de destaque são as áreas trabalhadas que, apesar de se concentrarem na mecânica, não se limitam apenas a ela.

No que tange ao contexto atual, os trabalhos apresentados no XXIV SNEF (2020) enfatizaram a importância de práticas associadas às TIC no contexto da atual pandemia, tendo em vista as necessidades do ensino remoto. Nesse sentido, os autores argumentam sobre o possível impacto do uso do python no Ensino de Física, dado as mudanças acometidas pelo atual cenário. Outrossim, o Trabalho 9 e 10 também destacaram as propostas como alinhadas com as discussões presentes na Base Nacional Comum Curricular (BNCC), explicitando novamente as suas potencialidades.

Finalmente, com relação à discussão da linguagem de programação, exceto pelo T6, os demais abordaram suas características de forma a apenas salientar as suas vantagens, ignorando suas possíveis limitações, como o fato de ser uma linguagem de baixo nível e o pouco tempo destinado para ensinar a sua sintaxe. Tal aspecto evidencia a necessidade um olhar crítico atento também à linguagem de programação associada às práticas educativas, uma vez que ela é a responsável pela transposição do fenômeno para o ambiente virtual (GIORDAN, 2005).

## Robótica Educacional

As atividades de robótica são, em geral, associadas ao uso de plataformas de prototipagem eletrônicas acopladas com sensores e atuadores para, a partir da

linguagem de programação, realizarem determinadas funções. Dentre eles, talvez a mais conhecida seja Arduino devido às suas possibilidades de aplicação. Segundo Mendes (2019), características como baixo custo, programação simples e limpa, o fato de ser multiplataforma e ter o software e hardware open source e extensível fazem do Arduino uma plataforma com grandes potencialidades para a área.

No levantamento realizado, foram encontrados 3 trabalhos que envolviam a robótica: T2, T3 e T4. Em todos os casos, foi utilizada a plataforma Arduino para a efetivação das práticas, acoplando outros dispositivos a ela para a captação das informações e processamento dos dados. Doravante, faremos uma breve descrição dos trabalhos, de modo a explicitar as características associadas ao uso do python.

No T2, os autores apresentam a aplicação de um programa computacional autoral desenvolvido em python para três diferentes experimentos: pêndulo simples, carga e descarga de um capacitor e absorção de radiação eletromagnética. Para a sua efetivação, eles trazem uma proposta de robótica ao projeto, tendo em vista que o programa é executado, a partir da linguagem python, no Arduino em conjunto com seus sensores e atuadores. Já no T3, com o intuito de potencializar o ensino da astronomia observacional em espaços não formais, os autores apresentam uma TIC, denominada de Projeto Estrelar, capaz de explorar o céu noturno a olho nu. O Projeto Estrelar é composto por um motor fixo, um motor móvel, um Arduino Uno, um laser, um computador e um programa desenvolvido em python com o auxílio da biblioteca AstroPy. Dentre os 13 trabalhos, esse é o único com ênfase na educação superior. Referente ao T4, os autores propões a criação de uma estação meteorológica com o Arduino, composto por um sensor que mede temperatura, pressão, umidade e altitude e um sensor para medição da intensidade radicação ultravioleta. Com esses sensores, os autores argumentam ser possível programar uma estação meteorológica básica para ensinar física, mais particularmente a Física da Atmosfera.

Diferentemente da M-SC, que possuía algumas propostas com aplicação, todos os trabalhos associados à robótica referem-se a propostas ainda sem implementação. No entanto, os autores fizeram apontamentos importantes quanto ao trabalho com o Arduino, como o baixo custo, maior interesse para os estudantes e a vantagem em se trabalhar em projetos. Por outro lado, esses apontamentos também convergem para uma mesma limitação discutida anteriormente: com essas práticas, os estudantes não precisam aprender apenas a linguagem de programação, mas também os próprios conceitos da robótica, necessitando de um tempo maior para a efetivação das práticas.

Para finalizar, questões referentes à discussão das limitações do python e do Arduino se fazem ausentes nos trabalhos associados à Robótica, demonstrando necessidade de olhares críticos quanto aos meios utilizados para a concretização das práticas, em especial, na educação básica. Assim, conclui-se, a partir do levantamento realizado, que essa é uma área ainda mais recente para o uso do python se comparado à M-SC, tendo em vista o pequeno número de trabalhos nela associados aos eventos de Ensino de Física.

## Considerações Finais

O uso do python no Ensino de Física demonstra diversas potencialidades para aplicações nas aulas, como evidenciado ao longo do levantamento realizado nos principais eventos da área. Um fato de destaque do levantamento é o crescente número de trabalhos no último SNEF (2021), explicitando o interesse de pesquisas na área de TIC em avaliar suas potencialidades e limitações. Dentre eles, o trabalho evidenciou potencialidades associadas a um maior engajamento dos estudantes, trabalho interdisciplinar, abordagem de diversos problemas e facilidade no uso da linguagem, enquanto que o pouco tempo destinado para a realização das atividades e as condições físicas das escolas se mostraram limitações a serem superadas.

Para além disso, cabe destacar que as propostas sem aplicação discutiam potencialidades e limitações que se alinharam aos resultados obtidos em propostas com aplicação, ainda que sejam em baixo número. Nesse sentido, é possível concluir que o uso do python em práticas educativas do Ensino de Física ainda é um estudo recente, mas que já tem recebido atenção por parte de pesquisadores da área. No entanto, também cabe destacar as limitações do presente trabalho em termos de delineamento do lócus de pesquisa, tendo em vista a análise de apenas dois eventos, ainda que sejam eventos de grande relevância para a área.

## Referências

BORCHERDS, P. H. Python: a language for computational physics. Computer Physics Communications , p. 199-201, fev. 2007.

CARMO, C.; CASTRO, P.; AMAZONAS, J.; MARIALVA, M.; AMAZONAS, J. Aplicativo web para produção gráfica da descarga de um capacitor. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA (24, 2021, online). Anais… Sociedade Brasileira de Física, 2021.

FIOLHAIS, C.; TRINDADE, J. Física no computador: o computador como ferramenta no ensino e na aprendizagem das Ciências Física. Revista Brasileira de Ensino de Física , [ S. l. ], v. 25, p. 259-272, 3 set. 2003.

GIORDAN, M. O Computador na Educação em Ciências: Breve Revisão Crítica acerca de Algumas Formas de Utilização. Ciência & Educação , v. 11, n. 2, p. 279304, 2005.

GIL, Antonio Carlos. Métodos e técnicas de pesquisa social . 6. ed. São Paulo: Atlas, 2008. 220p.

JAIME, D.; FILHO, L.; LEONEL, A. Ensino de Física em tempos pandêmicos: um olhar para a fala dos estudantes de uma escola da rede federal. Revista Tecnologias Educacionais em Rede , v.2, n. 2, p. 1-20, 2021.

MENDES, E. A. Usando o Arduino e a linguagem python no Ensino de Física . Monografia (Licenciatura em Física) - Faculdade de Ciências, Universidade Federal do Ceará. Fortaleza, 54 p. 2019.

PYTHON SOFTWARE FOUNDATION. Python . [ S. l. ], 2001. Disponível em: <https://www.python.org/>. Acesso em: 15 jan. 2022.