SIMULAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE OSCILAÇÕES.

## SIMULAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE OSCILAÇÕES.

## PHYSICS TEACHING SIMULATION: A PROPOSAL FOR TEACHING OSCILLATIONS.

## Matheus Santos de Souza 1 , Frederico Salgueiro Passos 2 , Alex Emanuel Barros Costa 3

1 Secretara de Educação de Alagoas / SEDUC-AL, prof.matheusdafisica@gmail.com

2 Instituto Federal de Alagoas/Coordenação de Física/Campus Maceió, fspassos@ifal.edu.br

3 Instituto Federal de Alagoas/Coordenação de Física/Campus Maceió, alex.costa@ifal.edu.br

## Resumo

A utilização de simulações em sala de aula está cada vez mais frequente. Apesar dos desafios existentes, é possível trabalhar de forma com que os alunos se sintam agentes participativos no processo de ensino e aprendizagem. Este trabalho, tem por objetivo apresentar uma proposta de sequência didática para o ensino de oscilações com uso de simulações computacionais interativas desenvolvidas na biblioteca VPython. A sequência desenvolve-se ao longo de sete encontros, proporcionando uma abordagem abrangente e interativa para os discentes, integrando discussões, aulas expositivas e resolução de questionários. As simulações, num total de três, incorporadas em momentos-chave da sequência, visam criar uma ponte entre a teoria e a prática, permitindo aos alunos explorarem fenômenos oscilatórios de maneira mais envolvente e protagonista. A utilização de VPython como ferramenta pedagógica visa proporcionar uma experiência mais visual e prática, facilitando a compreensão dos conceitos relacionados às oscilações. Este trabalho contribui para o avanço do ensino de física, destacando a importância das simulações educacionais no processo de ensino e aprendizagem.

Palavras-chave : Ensino de Física; VPython ; Simulações; Sequência didática.

## Abstract

The use of simulations in the classroom is becoming increasingly common. Despite the existing challenges, it is possible to work in a way that students feel like active participants in the teaching and learning process. This work aims to present a proposal for a didactic sequence for the teaching of oscillations using simulations developed on the VPython platform. The sequence unfolds over seven sessions, providing a comprehensive and interactive approach for students, integrating discussions, lectures, and questionnaire resolution. The simulations, totaling three, incorporated at key moments in the sequence, aim to bridge the gap between theory and practice, allowing students to explore oscillatory phenomena in a more engaging manner. The use of VPython as an educational tool aims to provide a more visual and practical experience, facilitating the understanding of concepts related to oscillations. This work contributes to the advancement of physics education, emphasizing the importance of educational simulations in the teaching and learning process.

Keywords : Physics Teaching; VPython; Simulations; Didactic Sequence.

## Introdução

Diante dos desafios no ensino de física, Moreira (2021) aborda que muitas vezes colocamos culpa nas escolas por não terem laboratórios e materiais para realizar os experimentos, fato que não deixa de ser uma verdade, entretanto, mesmo quando há disponibilidade de espaço, as aulas de física estão sendo conduzidas majoritariamente sem atividades experimentais. A solução para amenizar essa situação é o uso de laboratórios virtuais, em que o discente pode fazer simulações, construir modelos computacionais, alterar variáveis em modelos preexistentes para observar o que acontece, ou seja, fazer experimentos remotos em um ambiente controlado.

Nesse contexto, o objetivo do trabalho é propor a utilização de simulações produzidas em VPython por meio de uma sequência didática, como ferramenta de simulação e experimentação computacional no ensino de física, especificamente no ensino de oscilações, que vai desde a conceitualização e a relação com o movimento circular uniforme, até as oscilações amortecidas. Sabe-se que a biblioteca virtual VPython é uma facilitadora no processo de ensino e aprendizagem de diversos assuntos de física em diferentes níveis (CRUZ, 2022). Além de introduzir os discentes do ensino médio na física computacional e dando-lhes a oportunidade de manipular simulações, ela tem uma grande potencialidade para melhorar a dinâmica em sala de aula.

## A construção das simulações no VPython

O ambiente GlowScript é uma plataforma de uso gratuito e de acesso através do endereço https://www.glowscript.org/. Além da possibilidade de criação de simulações de visualizações e animações 3D, há inúmeros projetos já disponíveis que podem ser adaptados para fins didáticos conforme o planejamento e a necessidade do docente. As simulações desenvolvidas são salvas em nuvem e podem ser compartilhadas. Assim, o VPython propicia a realização de atividades de construção, ou seja, atividades em que os docentes/discentes podem formular seus próprios códigos, quanto permite a promoção de atividades de caráter exploratório, em que variáveis e parâmetros podem ter seus valores dinamicamente alterados, propiciando um ambiente de experimentação, observação, participativo e personalizado. (MEDEIROS; MEDEIROS, 2002).

A primeira consiste em um disco giratório com uma esfera presa à extremidade. Um feixe de luz ilumina o disco, e à medida que este gira, a sombra da esfera é projetada na parte inferior do aparato. É possível observar a relação entre o movimento circular uniforme e o movimento harmônico simples. Além disso, inclui funcionalidades interativas, tais como, um botão de executar/pausar e restaurar a simulação, e duas barras de rolagem para alteração da velocidade angular 𝜔 e o ângulo de fase inicial 𝜑଴ proporcionando um manuseio adequado para os usuários. No aparato é indicado um eixo de referência 𝑥 , a amplitude, e um display contando em segundos a partir do início da simulação.

Figura 1: Simulação 1, movimento circular e o MHS.

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Fonte: Autor, 2023. Disponível em: https://cutt.ly/Yw64rsKl .

A segunda simulação do conjunto, trata de uma esfera acoplada a uma mola, capaz de realizar um movimento harmônico simples. A simulação, da mesma forma da anterior, conta com botões de executar/pausar e restaurar, proporcionando maior controle ao usuário. Adicionalmente, são disponibilizadas três barras de rolagem, as quais permitem ajustar a constante elástica da mola 𝑘 , a massa 𝑚 da esfera e a amplitude da oscilação que permitindo ajustar de 0 a 10 unidades. No aparato, é possível visualizar em tempo real, através dos displays , o período da oscilação, a força, velocidade e aceleração do movimento. Como complemento, a partir do momento que é iniciada a simulação, três gráficos são gerados no decorrer do tempo (amplitude, velocidade e aceleração). Com isso, é possível analisar o comportamento da esfera através de gráficos, observando a mudança de amplitude, velocidade e aceleração a partir da mudança de parâmetros das barras de rolagem.

Figura 2: Simulação 2, oscilador harmônico.

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Fonte: Autor, 2023. Disponível em: https://cutt.ly/qw64td9J .

A terceira e última simulação envolve um bloco acoplado a uma mola, no qual está sob o regime de uma oscilação amortecida. A simulação abrange os três tipos de oscilações amortecidas - superamortecido, criticamente amortecido e subamortecido. Destaca-se a presença de uma barra de rolagem dedicada à modificação da constante de amortecimento 𝑏 para a definição do tipo de amortecimento, que pode ser alterada com valores de 0 até 20 . Na mesa em que o bloco de move, há uma linha de referência como sendo a posição 𝑥 = 0 .

Figura 3: Simulação 3, oscilações amortecidas.

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Fonte: Autor, 2023. Disponível em: https://cutt.ly/hw64tTEk .

Com as três simulações, podemos oferecer uma significativa contribuição ao ensino de Física, especialmente no tocante ao tema das oscilações. Essas ferramentas podem ser implementadas com sucesso em sala de aula, laboratórios ou até mesmo em oficinas, enriquecendo o aprendizado dos estudantes. Assim, um simulador computacional de qualidade deve proporcionar ao usuário, entre outros aspectos, uma experiência interativa robusta. Isso inclui a capacidade de inserir variáveis de maneira

dinâmica por meio de comandos de input, proporcionando um ambiente participativo e personalizado. (MEDEIROS; MEDEIROS, 2002).

## Proposta da Sequência Didática

A sequência está dividida em sete encontros e possui uma característica de uma metodologia exploratória e investigativa das simulações, aulas expositivas e resolução de questionários. Ela vai se concretizando através dos encontros com no mínimo uma hora e no máximo duas horas, no qual será possível os discentes explorar de forma individual todas as simulações e garantir um aprendizado de forma motivadora e curiosa.

No primeiro encontro deverá inicialmente fazer um pré-teste com os alunos, no qual será possível identificar as lacunas existentes. O pré-teste (Apêndice 1) deverá abordar questões como: o que você entende por movimento oscilatório? Você tem em mente o que caracteriza um movimento oscilatório no seu dia a dia? Se um corpo tem uma massa maior, você acha que ele oscila mais rápido ou mais lento? Um corpo oscilando, vai permanecer oscilando perpetuamente?

A partir das respostas desses questionamentos, o(a) professor(a) preparará uma aula expositiva em slide abordando conceitos de frequência, frequência angular, amplitude e período. Vale destacar que deve garantir a fidelidade máxima das respostas dos alunos para que a preparação da aula seja com base nos dados apurados.

No segundo encontro, haverá a aula expositiva no qual o(a) professor(a) abordará todos os conceitos, com exemplos do dia a dia, explicando o que é período, frequência, frequência angular e amplitude sanando todas as dúvidas da turma.

Já com os conceitos apresentados e as dúvidas sanadas, no terceiro encontro será aberto no projetor a simulação 1. O professor explicará o significado de ângulo de fase e da frequência angular de forma bem sucinta. O objetivo a partir desse momento, será fazer com que os discentes coloquem a 'mão na massa' e comecem a manipular a simulação para responderem um Questionário (Apêndice 2) proposto. Será disponibilizado o link para todos da turma e eles deverão responder a partir da manipulação da simulação as perguntas do Questionário 1.

A partir do Questionário 1, os discentes descobrirão que o período é o mesmo tanto para o movimento circular, quanto para o movimento da sombra. E que com o desafio de manipulem a barra de rolagem da frequência angular, possam identificar que quanto maior a frequência angular, mais rápida é o giro da esfera vermelha e a oscilação sombra. E, consequentemente, demorará menos tempos para completar o ciclo, ou seja, o período é menor. Dessa forma, eles aprenderão que o movimento circular uniforme está relacionado com o movimento harmônico simples que a frequência da esfera vermelha é a mesma frequência da sombra. Além disso, poderão aprender que modificando a fase e a frequência, a amplitude do movimento será sempre a mesma, pois, essa grandeza não depende dessas variáveis.

No quarto encontro, será a hora de analisar somente a sombra da esfera vermelha da simulação 1. Será disponibilizada a simulação 2, possuindo outros parâmetros a serem analisados como a massa, a constante elástica, a amplitude, velocidade, aceleração e força. O docente disponibilizará o link da simulação 2, disponibilizará também o questionário 2 (Apêndice 3) e os discentes a partir da manipulação da simulação responderão as perguntas propostas.

No quinto encontro o professor responderá todo o questionário 2 (Apêndice 3) para melhor fixação do conteúdo e fará a análise de gráficos com relação a amplitude, velocidade e aceleração. Demonstrando que quando a velocidade é nula, a aceleração é máxima e vice-versa, demostrará também que quando a esfera se encontra em amplitude máxima, a velocidade é nula.

No sexto encontro o professor iniciará a aula expositiva explicando os casos de oscilações com amortecimento e mostrando a funcionalidade da constante de amortecimento b. Deverá mostrar os tipos de amortecimentos, como o bloco se comporta em cada simulação. Após isso, divulgará o link da simulação 3 e os discentes deverão manipular a barra de rolagem da constante de amortecimento 𝑏 identificando e discutindo o valor da constante b que melhor se enquadra nos casos de subamortecidos, criticamente amortecidos e superamortecidos. Deverão responder o Questionário 3 (Apêndice 4).

O sétimo encontro é opcional. Nele o docente poderá fazer um teste final (Apêndice 5), repetir algumas perguntas do pré-teste com acréscimo de perguntas relacionadas a abordagem em sala de aula. O sétimo encontro é dito como opcional, pois caberá ao professor o modo de avaliar os alunos, haja vista que todo o processo

de construção de conhecimento abordado na sequência didática pode ser caracterizado como uma avaliação contínua.

Todos os Apêndices podem ser consultados em: https://cutt.ly/qw64tCZE .

Tabela 1: Resumo da proposta da sequência didática.

Fonte: Autor, 2024

## Discussão

De acordo com Andrade (2016), o emprego de simulações revela-se uma ferramenta de imenso potencial no contexto da aprendizagem em física, matemática e ciências em geral. Isso se deve à sua capacidade única de proporcionar aos alunos uma experiência mais tangível e interativa com os conceitos em estudo, facilitando, assim, o processo de construção do conhecimento.

Segundo Silva (2021), as principais características das simulações computacionais são a imersão, a interatividade e a manipulação decorrentes das ações do estudante tal como no mundo real. Estudantes passam a interagir, podendo criar uma representação real e muito próxima do ideal de um fenômeno físico, modificando as condições iniciais e observando as respostas, relacionando grandezas e outros parâmetros.

A proposta de sequência não foi testada diretamente junto ao público-alvo, mas a sugestão de aplicação abarca os princípios de uma experimentação virtual que possa auxiliar o professor dentro da sala de aula e ao mesmo tempo, através da investigação dos estudantes ao longo das aplicações, proporcionar um ambiente controlado de

experimentos, na medida em que os discentes participantes têm acesso ao código e aos próprios ajustes que a simulação já contempla.

Dessa forma, o conjunto de simulações apresentadas neste trabalho, é de muita relevância para o ensino de oscilações no componente curricular Física. São simulações interativas que dão a oportunidade de os discentes manipularem os parâmetros e observarem em tempo real a mudança do comportamento da simulação podendo questionar, buscar soluções, raciocinar e comparar resultados.

## Conclusão

Ensinar e aprender Física envolve conceitos e conceitualização, modelos e modelagem, atividades experimentais que façam sentido (MOREIRA, 2021). Por isso, o trabalho desenvolvido poderá contribuir para o ensino e aprendizagem de Física, especialmente no tema de oscilações. Que este trabalho possa alcançar os professores de educação básica como um motivador na sua prática docente. Mesmo se a realidade em que estão inseridos não possibilitem o desenvolvimento de toda sequência didática, que ao menos possam trabalhar alguns encontros, algumas simulações.

## Referências

CRUZ, C., GALVÂO, L., ROSA, S., SANTANA, W. O uso do python na construção de simuladores computacionais: proposições e potencialidades para o ensino de Física. Caderno Brasileiro De Ensino De Física , 2022. 39 (1), 204-237.

ANDRADE, M. E. Simulação e modelagem computacional com o software Modellus: Aplicações práticas para o ensino de física. São Paulo. Editora Livraria da Física, 2016.

MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, p. 77-86, 2 jun. 2002.

MOREIRA, M. A. Desafios no Ensino Da Física. Revista Brasileira de Ensino de Física. Ed 43, 2021.

SILVA, N. T. C. Flutua ou não flutua? por que os corpos flutuam? uma experiência usando o vpython . E-book VII CONEDU (Conedu em Casa) - Vol 03. Campina Grande: Realize Editora, 2021. p. 1122-1140.