DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL SOBRE TERMODINÂMICA BASEADO NA MODELAGEM COMPUTACIONAL QUANTITATIVA

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## DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL SOBRE TERMODINÂMICA BASEADO NA MODELAGEM COMPUTACIONAL QUANTITATIVA

Laércio Campostrini de Souza a, c (lcampostrini@yahoo.com) Rovilson de Oliveira Mota b, c (rovilsonmota@yahoo.com.br) Mariana Rampinelli (mariramp@yahoo.com.br) c Laércio Ferracioli (laercio@cce.ufes.br ) c

- a Colégio SESI/Centro de Ensino Magnus

b Colégio Humboldt c Universidade Federal do Espírito Santo

## RESUMO

Os avanços de novas tecnologias estimulam o estudo sobre a sua integração ao processo de ensino-aprendizagem. Nesse contexto, esse trabalho relata o processo de estruturação, desenvolvimento e avaliação de um Modulo Educacional sobre Termodinâmica a partir dos conceitos de modelos e modelagem e modelagem computacional.

## 1 - INTRODUÇÃO

Os atuais avanços da tecnologia de informação e comunicação e da tecnologia da imagem provocam transformações nas formas de comunicação, nos processos produtivos, na organização do trabalho e na conseqüente formação de recursos humanos. Portanto, torna-se natural o estudo dessas transformações no contexto educacional a partir de elaboração de atividades e estratégias para integrar tais tecnologias ao cotidiano escolar (Ferracioli, 2003; Rampinelli & Ferracioli, 2004).

Desse modo, esse artigo relata o processo de estruturação, desenvolvimento e avaliação de um Módulo Educacional a partir de conceitos de modelos e modelagem computacional durante a realização da disciplina Informação, Ciência e Tecnologia no Ensino de Ciência oferecida pelo Departamento de Física da Universidade Federal do Espírito Santo durante o semestre 2003/2.

## 2 - CONTEXTO

A disciplina Informação, Ciências e Tecnologia no Ensino de Ciências , pertencente à grade curricular do Curso de Física dessa Universidade, tem uma carga horária semanal de 5 horas divididas em 2 horas de teoria e 3 horas de atividades práticas. As aulas teóricas incluem a abordagem de fundamentos psicopedagógicos e enfoques teóricos sobre o processo de ensinoaprendizagem relacionados à integração da tecnologia de informação e comunicação e tecnologia da imagem no processo educacional bem como sua integração em sala de aula. As aulas práticas incluem a estruturação, desenvolvimento e implementação de um projeto que é apresentado e avaliado no final do semestre. Todas as atividades da disciplina são desenvolvidas por duplas de estudantes estabelecidas no início do semestre.

## 3 - A PROPOSTA DE PROJETO

A proposta de projeto da disciplina para o semestre 2003/2 foi a do desenvolvimento de um módulo educacional baseado na integração da modelagem computacional quantitativa. Um modelo pode ser descrito como a representação de fenômenos que pode ser feita através de papel e lápis ou da utilização de tecnologia da informática (Camilleti & Ferracioli, 2001). No contexto educacional

a modelagem computacional pode ser utilizada como estratégia para a promoção da evolução conceitual de estudantes (Ferracioli, 2001).

Para o desenvolvimento do módulo educacional foi escolhido o ambiente de modelagem computacional STELLA que é um ambiente que possibilita a construção de modelos através de conexões de ícones que representam níveis, taxas, conversores e conectores sem que seja necessária a utilização de fórmulas matemáticas. Na construção do modelo, esses ícones simulam variáveis que podem crescer ou decrescer ao longo do tempo. O ambiente STELLA permite também a exploração e análise dos modelos através de saídas gráficas e de tabelas. STELLA é o acrônimo de 1 S ystem T hinking E xperimental L earning L aboratory with A nimation , em português, Laboratório de Aprendizagem Experimental com Animação baseado no Pensamento Sistêmico , é um ambiente de Modelagem Computacional baseado nos Princípios de Sistemas - vide Forrester (1968).

## 4 - DESENVOLVIMENTO DO PROJETO: MÓDULO EDUCACIONAL SOBRE TERMODINÂMICA

A escolha do tema do módulo educacional foi baseada nos resultados de alguns estudos que apontam que os conceitos de temperatura, calor e energia interna são de difícil entendimento por parte de estudantes e professores (e.g. Driver et al, 1994; Ferracioli, 2001). Desse modo, o módulo educacional desenvolvido delineou uma proposta de trabalho baseada nesses conceitos e buscou na modelagem computacional quantitativa uma alternativa para explora-los. O desenvolvimento do projeto foi dividido em duas fases.

## 4.1 O Procedimento Experimental

Inicialmente foi realizado o experimento do resfriamento de uma certa quantidade de água aquecida até a ebulição: com o auxílio de um termômetro de mercúrio, foi anotada a temperatura da água em intervalos regulares de um minuto até a massa de água atingir o equilíbrio térmico com o ambiente. De posse desses dados foi construído um gráfico em papel milimetrado.

## 4.2 Construção do Módulo Educacional

Na seqüência foi iniciado o processo de construção de um modelo baseado na 1ª Lei da Termodinâmica e seguindo os passos de construção apresentados na disciplina. Ao final deste processo que envolveu uma série de reconstruções do modelo inicial, chegou-se ao modelo final mostrado na Figura 01 que representa o fenômeno estudado experimentalmente.

Figura 01: Modelo da 1ª Lei da Termodinâmica Construído no Ambiente de Modelagem Computacional STELLA

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O ambiente de modelagem computacional STELLA permite que, além do modelo, seja construída uma interface gráfica para auxiliar a exploração do modelo. Desse modo, foi desenvolvido o módulo educacional cujo objetivo principal foi confrontar o gráfico gerado com os dados coletados durante a experiência realizada com o gráfico ideal gerado pelo próprio modelo

construído no ambiente STELLA e, a partir daí, levar o estudante a refletir sobre as diferenças observadas.

## 5- TRABALHANDO COM O MÓDULO EDUCACIONAL

A interface inicial do módulo educacional apresenta um menu principal contendo a descrição do objetivo do módulo, um botão que leva a uma página com Aspectos Teóricos abordando os conceitos envolvidos e outro botão que leva para uma página de Atividades de Modelagem . Nesta última página o usuário encontra mais três botões: um primeiro que o leva para a construção do modelo a partir do qual explora, passo-a-passo, o processo de construção do modelo, um segundo que o leva para modelo já pronto e um último que o leva para uma página de simulação do modelo onde o usuário pode alterar valores e, após simulação, comparar os resultados obtidos

.

Figura 02: Página de Simulação: os botões à direita auxiliam na execução do modelo, os botões na parte inferior permitem a alteração de valores das variáveis do modelo e os mostradores à esquerda exibem a variação de algumas grandezas consideradas relevantes.

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## 6- RESULTADOS

No fim do semestre, o Módulo Educacional foi avaliado por uma comissão constituída por 2 professores do Departamento de Física dessa Universidade e 1 professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro, além do professor da disciplina e demais duplas da disciplina. Ao todo, cada um dos 12 itens da avaliação recebeu 7 notas, que variam numa escala de 1 (ruim) até 5 (bom). A Tabela 01 mostra a média dessas avaliações.

Tabela 01: Avaliações dos Aspectos Computacionais e de Interface e dos Aspectos Educacionais Módulo Educacional

As

simulações

são bem articuladas com os

objetivos do Módulo?

Existem algum erro conceitual no Módulo

Educacional?

Qual sua nota final para o Módulo

Educacional?

4,8

4,5

4,1

Os Aspectos Computacionais avaliam a facilidade de trabalho com o Módulo Educacional a partir de sua implementação e design enquanto os Aspectos Educacionais avaliam o uso do Módulo como um instrumento pedagógico.

## 7 - CONCLUSÕES

O desenvolvimento desse projeto de integração da tecnologia da informática no contexto educacional revelou a necessidade da articulação de novos conceitos, tais como, os de modelos e modelagem computacional para que o módulo final não represente uma atividade de simples navegação. No desenvolvimento desse módulo os estudantes tiveram de aprender a utilizar o ambiente de modelagem computacional escolhido e buscar o melhor design para o módulo e trabalhar com suas próprias concepções alternativas sobre os conceitos de Termodinâmica envolvidos. Considerando o resultado das avaliações bem como a discussão sobre o modulo educacional é importante ressaltar a importância do contínuo processo de avaliação no sentido de se buscar os objetivos inicialmente propostos.

## 8 - REFERÊNCIAS

CAMILETTI, G. &amp; FERRACIOLI, L. (2001) A Utilização da Modelagem Computacional Quantitativa no Aprendizado Exploratório de Física. Caderno Catarinense de Ensino de Física , Florianópolis, 18(2).

DRIVER, R.; SQUIRES, A.; RUSHWORTH, P &amp; WOOD-ROBISON, V. (1994) Making Sense of Science . London: Routledge.

FERRACIOLI, L. (2003) Anais do IV Seminário sobre Representações e Modelagem no Processo de Ensino-Aprendizagem . Vitória, ES: Mabor.

FERRACIOLI, L. (2001) Aprendizagem, Desenvolvimento e Conhecimento na Obra de Jean Piaget: Uma Análise do Processo de Ensino-Aprendizagem em Ciências. Revista Brasileira de Estudos Pedagógicos , 80 (194): 5-18.

FORRESTER, J. (1968) Principles of Systems . Cambridge, MA: MIT Press.

RAMPINELLI, M. &amp; FERRACIOLI, L. (2004) A integração de um Ambiente de Modelagem Computacional Quantitativo no Estudo do Fenômeno de Colisões. Anais de IX Encontro Nacional de Pesquisa no Ensino de Física . Belo Horizonte, MG.