DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE DE SIMULAÇÕES PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA

## DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE DE SIMULAÇÕES PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA

## DEVELOPMENT OF SIMULATION SOFTWARE FOR TEACHING MODERN PHYSICS

Miquéias de Mendonça dos Santos 1 , Rosália Luana de Oliveira Silva Melo 2 , Alex Emanuel Barros Costa 3 , Frederico Salgueiro Passos 4

1 Instituto Federal de Alagoas - Campus Maceió, mms19@aluno.ifal.edu.br

2 Universidade Federal de Alagoas - Campus A.C. Simões, rosalialuanaoliveira@gmail.com

3 Instituto Federal de Alagoas - Campus Maceió, alex.costa@ifal.edu.br

4 Instituto Federal de Alagoas - Campus Maceió, fspassos@ifal.edu.br

## Resumo

Os recursos tecnológicos podem auxiliar o docente em sua prática na sala de aula e, com um bom uso desses recursos, o processo de aprendizagem pode ser significativo. Baseado nisso, as simulações computacionais podem ser eficazes no processo de ensino-aprendizagem, pois podem proporcionar ao estudante uma visão mais concreta de um conteúdo por meio da visualização do fenômeno em questão. Assim, este trabalho tem como objetivo a construção de um software contendo simulações computacionais com o intuito de facilitar a compreensão dos fenômenos ópticos presentes nos experimentos da fenda dupla de Young e no experimento de Michelson-Morley. Para essa produção, foi utilizada a linguagem de programação Python, que apresenta a biblioteca Tkinter, usada para desenvolver interfaces gráficas, e a extensão VPython, que permite ao usuário programar simulações tridimensionais que podem ser utilizadas para demonstrar fenômenos físicos. Com isso, a construção do software de simulações foi dividida em duas etapas, a primeira para o desenvolvimento do software e a segunda para a construção das simulações. A partir do desenvolvimento deste recurso, sugere-se que ele possa ser eficaz no processo de ensino-aprendizagem de física.

Palavras-chave : Software; Simulações; VPython.

## Abstract

Technological resources can help teachers in their classroom practice and, with good use of these resources, the learning process can be meaningful. Based on this, computer simulations can be effective in the teaching-learning process, as they allow students to use this set of resources to gain a more concrete view of the content by visualizing the phenomenon in question. The aim of this work is to build software containing computer simulations in order to facilitate understanding of the optical phenomena present in Young's double slit experiments and the Michelson-Morley experiment. For this production, the Python programming language was used, which features the Tkinter library, used to develop graphical interfaces, and the VPython extension, which allows the user to program three-dimensional simulations that can be used to demonstrate physical phenomena. The construction of the simulation software was divided into two stages, the first for the development of the software and the second for the construction of the

simulations. Based on the development of this resource, it is suggested that it can be effective in the physics teaching-learning process.

Keywords : Software; Simulation; VPython.

## Introdução

Em 2020, com a decretação do estado de pandemia pela Organização Mundial da Saúde e a necessidade do isolamento social como medida para mitigar a disseminação da Covid-19, o âmbito educacional precisou adotar um novo modelo de ensino. Foi necessário migrar do ensino presencial para o ensino remoto. Professores precisaram recorrer às novas tecnologias (MOREIRA et al. , 2020) na busca por alternativas de atuarem à distância (COSTA; NASCIMENTO, 2020).

As Tecnologias Digitais de Informação e Comunicação têm um grande potencial pedagógico, pois apresentam uma maior interatividade na exposição de conteúdos (SOUSA; MIOTA; CARVALHO, 2011). Simulação computacional e ambiente virtual de aprendizagem são alguns dos recursos tecnológicos que podem ser explorados na potencialização do aprendizado.

De acordo com Monteiro (2021), a partir do avanço das tecnologias, novas estratégias educacionais têm viabilizado o espaço pedagógico nos ambientes virtuais. É perceptível que, no meio educacional, as novas formas de proporcionar uma melhor qualidade no processo de ensino-aprendizagem vem ganhando espaço. Sendo assim, é necessário que os docentes busquem estratégias educacionais, ao utilizarem as tecnologias em sala de aula, que corroborem com a promoção adequada dos recursos tecnológicos.

Durante a elaboração de uma sequência didática, o professor pode distribuir em etapas o desenvolvimento do conteúdo abordado em sala, podendo também utilizar vários recursos didáticos, como textos, gráficos, tabelas, entre outros (FRANCO, 2018). Baseado nisso, as sequências didáticas podem ser uma boa alternativa para o uso de recursos didáticos tecnológicos, pois abordam o processo de ensino de forma metodológica, organizada, sequencial e circunstancial de cada turma em específico, além de oferecer ao aluno um melhor conhecimento sobre as ferramentas tecnológicas voltadas à sua escolaridade.

Fundamentado nisso, pode-se sugerir que dentre os recursos tecnológicos, as simulações computacionais, em específico, podem ser eficazes no processo de ensino aprendizagem, visto que a visualização por meio desse recurso pode propiciar ao aluno uma melhor compreensão do conteúdo. O uso de simulações computacionais como Phet , Tinkercad , entre outras, como ferramenta didática de aprendizagem resulta no aluno um avanço significativo em sua aprendizagem (SILVA; ROMEU; BARROSO, 2022). Então, explorar a parte visual por meio de simulações é de grande importância para a aprendizagem significativa.

Portanto, este trabalho visou a construção de um software de simulações computacionais, utilizando a linguagem de programação Python, contendo representações do experimento da fenda dupla de Young e experiência de Michelson-Morley, com o objetivo de facilitar a compreensão dos fenômenos de física moderna.

## Desenvolvimento do software

A interface foi desenvolvida através da biblioteca Tkinter da linguagem de programação Python. Nessa etapa produzimos a tela principal do programa, assim como janelas, botões e funções de cada um destes componentes. A tela principal, conforme apresentada na Figura 1, é composta por três botões: Simulações, Sobre e Sair.

Figura 1 Tela principal do software.

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Fonte: Autores, 2023.

O primeiro botão apresenta a função de executar a simulação, no qual é aberta uma nova janela, conforme apresentado na Figura 2 (a), com a opção do usuário escolher a simulação desejada: Fenda dupla ou Michelson-Morley.

Figura 2 (a) Funcionalidade do botão de simulações, (b) Funcionalidade do botão 'sobre'.

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Fonte: Autores, 2023.

O segundo botão da tela principal (botão 'Sobre'), quando acionado, abre uma nova janela com informações adicionais sobre os conceitos das simulações em questão (curto texto explicativo sobre fótons, interferência, ondas, partículas, entre outros), como mostra a Figura 2 (b). Ao escolher alguns dos conceitos mostrados na Figura 2 (b), o software exibe os textos explicativos, a Figura 3 mostra alguns dos textos.

Figura 3 Textos explicativos do software.

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Fonte: Autores, 2023.

## Desenvolvimento das simulações

As simulações foram desenvolvidas por meio da biblioteca VPython da linguagem de programação Python. Através desta biblioteca é possível criar objetos tridimensionais, de diversas formas geométricas, e associar movimentos a eles. A primeira simulação desenvolvida foi a fenda dupla de Young, ao executá-la a partir do software , uma nova janela é aberta exibindo a simulação, conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 Simulação da fenda dupla e o gráfico gerado pelo software .

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Fonte: Autores, 2023.

Na simulação, é possível ajustar a distância entre as fendas, exibir o gráfico de interferência e difração, de forma individual ou simultânea. Além disso, o gráfico plotado é interativo, assim o usuário pode ajustar os eixos, salvá-lo como imagem e ao passar o mouse no gráfico, é mostrado os pontos em cada posição. Ao ajustar a distância entre as fendas e executar a simulação o padrão de difração sofre alteração, conforme mostra a Figura 5:

Figura 5 Simulação da fenda dupla após aumentar a distância entre as fendas e o gráfico gerado pelo software com o eixo x ajustado.

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Fonte: Autores, 2023.

A segunda simulação desenvolvida foi a do experimento de Michelson-Morley, no qual também foi programada em Visual Python. Ao executar a simulação no software , é aberta uma nova janela, como mostra a Figura 6:

Figura 6 Simulação do experimento de Michelson-Morley.

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Fonte: Autores, 2023.

Nesta simulação também é possível interagir com o gráfico e alterar a distância dos espelhos, de tal forma que o padrão mostrado no anteparo sofra alteração, conforme mostra a Figura 7.

Figura 7 Simulação do experimento de Michelson-Morley após aumentar a distância dos espelhos.

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Fonte: Autores, 2023.

O programa precisa ser previamente instalado no computador por meio de um arquivo executável, sendo compatível apenas em sistema operacional Windows 8 ou superior. Para executar as simulações é necessário ter conexão à internet, contudo para executar de forma offline é preciso que o software seja executado pelo menos uma vez com acesso à internet, para posteriormente funcionar de forma offline . O arquivo do programa pode ser acessado através do link : Executável SSCEF.

## Aspectos diferenciais

De acordo com Moreira (2012) uma das condições para obter uma boa aprendizagem é a utilização de materiais potencialmente significativos. Com base nisso, o software desenvolvido visou utilizar recursos visuais em três dimensões, com o intuito de aproximar os fenômenos simulados da realidade. Além disso, as simulações possuem interatividade do usuário simultânea à execução, podendo proporcionar assim uma liberdade ao explorar o simulador, facilitando assim, a compreensão do fenômeno.

Os simuladores encontrados durante o desenvolvimento deste trabalho referente aos fenômenos abordados -, não possuem visualização tridimensional como, por exemplo, as simulações do site do Phet Colorado , sendo apenas possível interagir com a simulação. Além disso, outros simuladores que possuíam uma visualização tridimensional, não continham a interatividade simultânea com a simulação como, por exemplo, as simulações do Perimeter Institute . Também, não foi encontrado nenhum simulador que gerasse gráficos interativos.

Portanto, o software desenvolvido neste trabalho abrange uma grande possibilidade de recursos e funções, sendo possível visualizar em 3D, interagir e plotar gráficos interativos, potencializando assim, a ferramenta didática produzida. Dessa maneira, os recursos disponíveis na simulação poderão potencializar o processo de ensino aprendizagem.

## Considerações finais

Por meio do uso de bibliotecas do Python, Tkinter e VPython, desenvolvemos um software educacional capaz de simular dois experimentos tradicionalmente presentes em discussões de Física Moderna: o experimento da fenda dupla de Thomas Young e o interferômetro de Michelson-Morley.

Com isso, sabendo que Franco (2018) constata os recursos didáticos sendo essenciais na elaboração de uma organização sequencial pedagógica, pode-se concluir que a utilização do software desenvolvido, juntamente a uma adequada sequência didática, poderá facilitar o processo de ensino-aprendizagem, em especial, no que tange o ensino de Física Moderna.

Dessa maneira, com o uso dos simuladores desenvolvidos, o aluno pode ter uma melhor compreensão dos fenômenos por meio da visualização 3D e interatividade das simulações. Podendo, assim, ser considerado um material capaz de potencializar o ensino-aprendizagem, já que Moreira (2012) afirma a obtenção da aprendizagem significativa também por meio de materiais didáticos auxiliares.

Além disso, poderá auxiliar o docente em sua aula, facilitando assim como os conteúdos são abordados, uma vez que o uso adequado de ferramentas tecnológicas possui um grande potencial pedagógico, como Silva et al. (2022) destacou.

## Referências

COSTA, A. E. R.; NASCIMENTO, A. W. R. Os desafios do ensino remoto em tempos de pandemia no Brasil. In : VII Congresso Nacional de Educação, 2020, Campina Grande. Anais VII CONEDU -Edição Online . Disponível em: https://editorarealize.com.br/artigo/visualizar/69217. Acesso em 12 abril 2024.

FRANCO, D. L. A importância da sequência didática como metodologia no ensino da disciplina de Física moderna no Ensino Médio. Revista Triângulo , Uberaba-MG, v. 11, n. 1, p. 151-162, 2018. DOI: 10.18554/rt.v0i0.2664. Disponível em: https://seer.uftm.edu.br/revistaeletronica/index.php/revistatriangulo/article/view/2664. Acesso em 12 abril 2024.

MONTEIRO, F. F. Análise de uma experiência híbrida no ensino de Física 1. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 43, p. e20200315, 2021. Disponível em: https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0315. Acesso em 12 abril 2024.

MOREIRA, M. A. O que é afinal Aprendizagem significativa? Aula Inaugural do Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais, Instituto de Física, Universidade Federal do Mato Grosso, Cuiabá-MT, 2010. Qurriculum, La Laguna, Espanha , 2012. Disponível em: http://moreira.if.ufrgs.br/oqueeafinal.pdf. Acesso em 19 abril 2024.

MOREIRA, M. E. S. et al. Metodologias e tecnologias para educação em tempos de pandemia COVID-19. Brazilian Journal of Health Review , v. 3, n. 3, p. 6281-6290, 2020. Disponível em:

https://ojs.brazilianjournals.com.br/ojs/index.php/BJHR/article/view/11584. Acesso em 12 abril 2024.

SILVA, C M. S.; ROMEU, M. C.; BARROSO, M. C.S. Uso de simulações computacionais em aulas de Física: uma Revisão Sistemática de Literatura (RSL). Revista Insignare Scientia-RIS , v. 5, n. 3, p. 243-263, 2022. Disponível em:

https://doi.org/10.36661/2595-4520.2022v5n3.12664. Acesso em 12 abril 2024.

SOUSA, R.P.; MIOTA, F.M.C.S.C.; CARVALHO, A.B.G. Tecnologias digitais na educação . 21 ed. Campina Grande: Editora da Universidade Estadual da Paraíba, 2011. Disponível em: https://books.scielo.org/id/6pdyn. Acesso em 12 abril 2024.