TUTORIAIS EM FISICA E O SIGNIFICADO DA LEI DE COULOMB.

## TUTORIAIS EM FÍSICA E O SIGNIFICADO DA LEI DE COULOMB

## 1. INTRODUÇÃO

O ensino de Física no Ensino Médio, em geral, resulta em pouca compreensão do conteúdo estudado, levando os estudantes a memorizarem fórmulas sem perceberem na maioria das vezes ququalquer significado ou relação com seu cotidiano ou com as aplicações tecnológicas. Uma das razões desse fato é o modelo passivo de aprendizado fomentado nos ambientes tradicionais de ensino, em que os alunos raramente interagem produtivamente e onde o estitimulo é a nota e não o conhecimento. Neste modelo, os estudantes demonstram seu aprendizado resolvendo problemas padrão, mas freqüentemente não mudam como entendem o mundo a seu redor. O aluno só estuda às vésperas de prova para obter notas, ao invés de incorporar conhecimento, trabalha sozinho ao invés de articular idéias com seus colegas, aceita as informações ao invés de questioná-las criticamente e tenta adivinhar a visão de mundo do professor ao invés de repensar sua própria [1].

Nos cursos de Física Básica na Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), pudemos verificar que nossos estudantes recém-ingressos no curso superior, mesmo tendo sido aprovados no concurso vestibular, apresentam grande dificuldade para pensarem, discutirem e avaliarem de forma mais crítica e consciente as questões científicas.

Na tentativa de tornar os cursos de Física Básica da universidade mais produtivos, o Departamento de Física da UFJF em 2001 decidiu pela utilização , no curso de Física I , dos Tutorials in Introductory Physics (TIP), elaboradas pelo grupo de pesquisa em ensino de Física da Universidade de Washington, para abordar os pré-conceitos mais comuns [1]. Tipicamente, um tutorial apresenta uma seqüência de questões que levam o grupo a confrontar questões conceituais, muitas vezes seguindo uma dinâmica similar a um diálogo socrático[2].

Para investigar as concepções de estudantes do ensino médio, optamos por aplicar os TIP a estudantes deste nível e assim buscar modos de percepção de como os conteúdos científicos podem ser apreendidos e interpretados.

## 2. UM RELATO DA EXPERIÊNCIA COM ESTUDANTES DO ENSINO MÉDIO

O presente trabalho foi desenvolvido a partir de resultados obtidos pela aplicação de atividades a seis estudantes do ensino médio de escolas públicas do município de Juiz de Fora. Estes estudantes, inseridos num Programa de Iniciação Científica Junior desenvolvido na Universidade Federal de Juiz de Fora, apoiado pela FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa no Estado de Minas Gerais) e CNPq. Os estudantes eram orientados por professores da universidade e com a participação de acadêmicos de licenciatura em física que também auxiliavam nas orientações e aplicação de atividades. Um dos objetivos deste Programa é a integração de estudantes do ensino básico com a universidade e em particular um início de familiaridade com o processo de investigação científica.

Nos primeiros encontros com os bolsistas, foram desenvolvidos propositalmente de modo aleatório, uma série de experiências, demonstrações, análises fenomenológicas e matemáticas, discussões e debates, em sua maioria ligada a situações do cotidiano, utilizando conhecimentos científicos básicos. Estas atividades iniciais tinham como propósito levantar questões que poderiam nos auxiliar na busca de uma metodologia mais favorável a um

pretenso melhor dialogismo científico. Tópicos como propagação de calor, atrito, força, oscilações num pêndulo simples, estados físicos da água, elasticidade de molas e dinamômetros, conservação de energia, pressão e empuxo, foram trabalhados. Por meio destes primeiros procedimentos, tínhamos a expectativa de que os estudantes pudessem adquirir rotina de trabalho e desembaraço na com interpretação e análise de aspectos da investigação científica.

Tendo sido realizadas essa série de atividades, que são consideradas "padrão" no contexto de ensino nos currículos escolares, observamos nestes estudantes uma razoável dificuldade em perceber o verdadeiro significado de muitos conceitos trabalhados. Um satisfatório entendimento e domínio dos conteúdos científicos tratados dificilmente era constatado.

Identificado esse quadro, pensamos em buscar a melhor estratégia a ser aplicada para se tentar conseguir uma melhor aprendizagem para um determinado conteúdo científico. A aplicação de atividades tradicionais, como por exemplo, os roteiros de aulas de laboratório, consideradas como "receita de bolo", ou as aulas expositivas convencionais, de "cuspe e giz", com certeza não nos pareciam boas estratégias, principalmente porque parece ser consenso que estas têm produzido resultados pedagógicos pouco satisfatórios. Após buscarmos na literatura algumas propostas sugeridas por educadores e pesquisadores em educação e em ensino de ciências, que não citaremos aqui por não se tratar de objeto específico deste trabalho, optamos por buscar subsídios na metodologia dos Tutorials in Introductory Physics [3].

Entre os vários conteúdos tratados nos tutoriais, selecionamos a seção sobre Eletrostática, e em particular a "Lei de Coulomb". Utilizando fitas adesivas (do tipo durex e similares), bastão de material plástico e pedacinhos de papel, os estudantes eram conduzidos a seguir uma seqüência pré-determinada nos textos do tutorial de eletrostática.

Divididos em dois grupos de três componentes cada, os estudantes foram passo a passo desenvolvendo as atividades sugeridas no tutorial. Adotamos uma metodologia diferenciada para nosso trabalho; na nossa investigação não haveria aulas expositivas, como acontece nas aulas de Física Básica dos cursos de graduação da universidade. No nosso caso, os tutoriais passavam a ser discutidos diretamente, sem aulas expositivas, sempre sob a observação dos instrutores. Os estudantes eram orientados a discutirem entre si, e também incentivados a exporem suas concepções para os instrutores, que aí então participavam da discussão desenvolvendo um discurso socrático 2].

À medida que as discussões iam evoluindo, o grupo de instrutores ia percebendo a necessidade de interpretar de modo mais profundo as concepções, as falas, as conclusões es e as descobertas dos estudantes. Tornou -se imperioso a busca de uma referência teórica que nos permitisse buscar entender verdadeiramente o processo de aprendizagem que estava acontecendo.

Entre algumas teorias de apoio pedagógico, percebemos logo a importância de buscar apoio em alguma que favorecesse a prática da discussão científica, o modo de interação entre os atores da discussão e a interpretação dos códigos próprios da linguagem científica. Analisando as idéias dos russos Vygotsky e Bakhtin, julgamos que suas teorias poderiam nos auxiliar na interpretação dos resultados deste trabalho.

## 3. PROPOSTA DE UM REFERENCIAL TEÓRICO

Segundo Gaspar [4], a teoria de Vygotsky é uma teoria socio-o-interacionista: na qual o desenvolvimento mental do ser humano parte do inter para o intrapsíquico, ou seja, da interação social para interiorizar-se no indivíduo, em função, basicamente, da interiorização da

fala. É uma teoria em que "o desenvolvimento é uma responsabilidade coletiva, e a linguagem, uma das maiores ferramentas da humanidade". Assim é necessário dar uma atenção específica às questões de linguagem. Dessa forma buscamos completar nossa fundamentação teórica tomando também como referencial Bakhtin, principalmente em função de seu trabalho com análise estilística e crítica literária. Vemos forte relação com Bakhtin, quando ele argumenta, por exemplo, que "um pensamento realmente inovador não teria necessidade, para assegurar sua duração, de ser assinado por seu autor" [5].

Voltando em Vygotsky, percebemos a relevância da aplicação de seu conceito central para a compreensão do funcionamento psicológico que é o conceito de mediação. Mediação, em termos genéricos, é o processo de intervenção de um elemento intermediário numa relação, que deixa, então, de ser direta e passa a ser mediada por esse elemento. Ele distingue dois tipos de elementos mediadores: os instrumentos e os signos. Instrumento é algo que pode ser usado para fazer alguma coisa, ou buscado especialmente para um certo objetivo, como por exemplplo, o caso de um machado que corta mais e melhor que a mão humana; signo é algo orientado para o próprio sujeito, dirige-se ao controle de ações psicológicas, seja do próprio individuo, seja de outras pessoas. Os signos são ferramentas que auxiliam nos processos psicológicos.

Para Vygotsky, o processo cognitivo de formação de conceitos no ser humano tem início na fase mais precoce da infância, mas só se estabelece na adolescência. O fator preponderante, além de outras funções intelectuais, é "o uso do signo, ou palavra, como meio pelo qual conduzimos nossas operações mentais, controlamos o seu curso e as canalizamos em relação à solução do problema que enfrentamos". A presença de um problema representado em geral pelas tarefas que o jovem enfrenta ao ingressar no mundo dos adultos, gjg é necessário para o surgimento de um pensamento conceitual, mas não suficiente. É preciso que o meio ambiente o desafie, faça novas exigências a seu intelecto, caso contrário o seu pensamento não atingirá os níveis cognitivos mais elevados ou os atingirá com grande atraso [4].

Bakhtin, por outro lado, aponta que para estabelecer diálogo, as pessoas precisam conhecer os signos da mesma maneira e que o processo de compreensão de um signo está vinculada à sua apreensão a partir de outros signos já conhecidos que surgem na interação social e constituem a consciência, impregnada de conteúdo ideológico, isto é, "a compreensão é uma resposta a um signo por meio de signo" [6].

Buscar entender conceitos refinando a linguagem significa investitigar aspectos que nos levam, por exemplo, a refletir o fato de que aprender a falar cientificamente também deve significar aprender a construir enunciados e não falar apenas palavras e símbolos isolados.

O desenvolvimento cognitivo, segundo Vygotsky, não popode ser entendido sem referência ao contexto social, histórico e cultural em que ocorre. Para ele, os processos mentais superiores (pensamento, linguagem, comportamento voluntário) têm sua origem em processos sociais; o desenvolvimento cognitivo é a conversão de relações sociais em funções mentais. Nesse processo, toda relação/função aparece duas vezes, primeiro em nível social e depois em nível individual, primeiro entre pessoas(interpessoal, interpsicológica) e após, no interior do sujeito(intrapessoal, intrapsicológica) [7]. O aprendizado deve levar outro fator em consideração abordado por Vygotsky, que seria analisar não só o nível de desenvolvimento real, ou seja, o que consiste em avanços cognitivos já consolidados pelo individuo (aquelas capacidades e funções que ele já domina completamente), mas também o nível de desenvolvimento potencial, isto é, sua capacidade de realizar tarefas com a ajuda de outras pessoas (mais experientes). Cabe aqui desenvolver a idéia mais original e de maior repercussão em termos educacionais da teoria de Vygotsky, que é o conceito de zona de desenvolvimento proximal, isto é, a distância entre o nível de desenvolvimento real e o nível de desenvolvimento potencial [8].

A seguir, passamos a inter-relacionar aspectos das idéias de Vygotsky e Bakhtin que podem ser interpretados levando em consideração dados observados nas atividades executadas.

## 4. DISCUSSÃO E ANÁLISE

Analisando as características deste trabalho, percebemos que as idéias de Vygotsky e Bakhtin parecem nos sugerir respostas com razoável adequabilidade, para podermos buscar estratégias que contribuam para uma melhor relação ensino-aprendizagem.

Observando então que as aulas puramente expositivas não têm gerado bons resultados na aprendizagem de ciências, notadamente em Física no ensino médio, fato corroborado, por exemplo, pelas baixas notas em muitos concursos vestibulares no Brasil, fomos motivados a investigar novos modos de aprendizagem.

Nossa metodologia buscou, através da aplicação dos tutoriais, uma seqüência de procedimentos que, ao invés de "depositar" conhecimentos na cabeça dos estudantes (como seria o caso das aulas expositivas), desafiou sua criatividade e imaginação ao manipular determinados "instrumentos", e assim ensaiar com lucidez e significação algumas conclusões científicas.

Inicialmente as interações elétricas foram investigadas nos processos de eletrização por indução e atrito, onde se começava a perceber uma certa "força" elétrica entre canudos, bastões, fitas adesivas, pedacinhos de papel, etc. Os estudantes percebiam que talvez alguma coisa estivesse se transferindo entre os artefatos; mas o que seria isso? Aqui a idéia de carga elétrica, por ser algo muito abstrato, não é trivial aparecer. No entanto, os efeitos da carga elétrica gerando atrações e repulsões, despertavam curiosidade. Esse parecia o momento ideal para se desenvolver a expressão da força entre cargas - - - a lei de Coulomb.

Uma dificuldade encontrada que despertou nossa atenção foi a interpretação do texto da lei de Coulomb, na tradução para o português do tutorial: "a lei de Coulomb diz que a força elétrica entre duas cargas pontuais atua ao longo da linha de conexão entre os dois pontos". ............ "a magnitude da força em uma das cargas é proporcional ao produto das cargas e é ininversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas". Na primeira citação a linha de conexão entre os dois pontos, induziu os estudantes a representarem a força entre as cargas apenas dentro do seguimento de reta entre elas. Isso denota a importância da correta utilização da linguagem [6].

Na segunda citação o termo magnitude parecia gerar certa dificuldade de interpretação, desviando o verdadeiro propósito da tarefa que era entender o fenômeno, e não se prender apenas a termos ortográficos.

A expressão matemática da lei de Coulomb foi representada de modo original por um estudante, que representou a força elétrica por "m" (de magnitude) e as cargas elétricas por "c" (de cargas), mostrando que é possível se trabalhar com um "código próprio"; isisto mostra a importância de serem bem acordados os "signos" utilizados pela ciência.

Percebemos logo a necessidade de iniciar um processo de discussão que levasse a uma linguagem comum no tratamento dos fenômenos estudados. Passamos a investigar um modelo para essa discussão e achamos em Vygotsky uma resposta para o desenvolvimento destes debates, na sua definição de "mediação". No processo de "mediar", o instrutor passa a intervir na relação, levando o educando a um certo desequilíbrio de sua zona de desenvolvimento real para sua zona de desenvolvimento potencial, ou seja, fazendo agir sua zona de desenvolvimento proximal.

A importância do mediador está no tratamento dos signos próprios de cada área de conhecimento, e nesse aspecto a linguagem ocupa papel fundamental na dialética científica. O significado de palavras específicas da Física, que aparecem com freqüência em eletrostática, como interação, magnitude, carga, sentido, direção, entre outras, mostra como a característica

polissêmêmica de termos científicos pode se tornar um grande obstáculo ao entendimento verdadeiro e significativo da codificação científica. A mediação entre instrutor e estudante e até a mediação entre os próprios estudantes, que muito nos surpreendeu quando foi susurgindo naturalmente, nos fez perceber como as buscas de significados de termos científicos e fórmulas podem ser "desvendadas" através desse "diálogo mediador". Esse diálogo só será bem sucedido se o tratamento da linguagem for bem articulado, no sentido de de que os termos a serem tratados sejam bem esclarecidos, possibilitando uma troca de pontos de vista, uma espécie de um "diálogo consensual".

Na determinação da força resultante sobre uma carga elétrica, devido a ação de outras cargas, os estudantes perceberam que se deveria utilizar alguma ferramenta matemática mais abrangente; é como se houvesse a necessidade natural de um "desenho" destas forças. Então a idéia de vetores foi surgindo como uma saída para se poder bem representar as características das interações entre as cargas elétricas. Desenvolveu-se uma rica troca de informações, onde o conceito de vetores e sua utilização nesse caso foram bem compreendidos.

Com a evolução das discussões fomos percebendo uma espécie de diferença de modos de aprendizazagem, já que cada estudante se manifestava de maneira singular. Isso nos levou a pensar em aplicar um instrumento que pudesse gerar uma categorização para esses modos de aprendizagem.

## 5. DESDOBRAMENTOS

Com a aplicação da metodologia proposta nos Tutorials in Introductory Physics, tínhamos a pretensão de mostrar que as idéias da lei de Coulomb poderiam vir a ser melhor compreendidas pelos estudantes. Talvez porque a metodologia sugerida pelos tutoriais permitisse mais diálogo, mais reflexão e mais tempo de trabalho abordando um determinado tema. Para avaliarmos os resultados até então alcançados, optamos em aplicar uma avaliação bem tradicional. Resolvemos utilizar como instrumento o que denominamos uma "prova surpresa", isto porque os estudantes não tinham sido avisados, porque queríamos medir o seu grau de compreensão até aquele momento. Tal "prova" constava de duas questões, a primeira abordando a afirmação de dois estudantes sobre a resultante das forças sobre uma carga elétrica teste, oriunda da ação de três cargas iguais, e num outro caso a ação da força sobre esta carga teste devido a uma única carga, tal qual estava descrito no texto do tutorial. A segunda questão relacionava variações de intensidade de cargas elétricas e de distâncias entre estas, tendo sido fornecida a expressão matemática da lei de Coulomb. Queríamos explorar a capacidade dos estudantes em analisar situações conceituais, que era objetivo da primeira questão, e também sua habilidade em resolver situações puramente "matemáticas", a a ser aferida na aplicação da segunda questão. Cinco dos seis estudantes inseridos no processo participaram da referida avaliação.

Na análise das respostas deste "instrumento surpresa", verificaríamos, como já previsto, em função da dinâmica bastante produtiva nas seções de discussões, que suas respostas mostraram -se satisfatórias. Todos perceberam com relativa clareza a aplicação e fundamentação da lei de Coulomb, mostrando um bom entendimento sobre sua essência. Porém algumas características diferenciadas nos modos de respostas dos estudantes chamaram nossa atenção. Percebemos que havia maneiras muito próprias dos estudantes expressarem suas concepções. Claramente detectamos perfis bem característicos e distintos, o que nos levou a propor uma "categorização" de tais perfis.

Abaixo esboçamos nossa proposta de categorização:

## Categoria 3

## Descrição do fenômeno

No que denominamos de categoria 1, um estudante utilizou o que rotulamos um modelo matemático padrão, ao operar com a expressão matemática da lei de Coulomb dentro dos procedimentos normalmente exibidos na sala de aula. Numa categoria 2, 2, exibida por dois estudantes, estes utilizaram o que denominamos de modelo matemático próprioio, quando de certa maneira inventaram e operaram com uma fórmula própria e valores numéricos simulados. A categoria 3, que chamamos de descrição do fenômeno, mostra uma maneira bastante detalhada, porém praticamente sem simbologia matemática, das interpretatações, das relações matemáticas e da compreensão do que o instrumento solicitava.

Em função destes resultados preliminares, pretendemos investigar mais profundamente esta tendência de modos de aprendizagem. Talvez até identificando novas categorias, em fufunção de possíveis desdobramentos desta investigação. Nosso objetivo a seguir é aumentar o número de estudantes a serem submetidos à aplicação da metodologia dos Tutorials in Introductory Physics. Iremos dar continuidade a esta linha de trabalho, na certeza de oferecer interessantes subsídios para continuar mapeando a compreensão dos modos de pensar de nossos estudantes na complexa relação ensino-aprendizagem de ciências.

## 6. BIBLIOGRAFIA

- [1] J. Acácio de Barros, J. Remold, Glauco S.F. da Silva e J.R. Tagliati, E Engajamento Interativo no Curso de Física I da UFJF, F, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 26, n.1, p.63-69(2004). [2] A.B. Arons, A A Guide to Introductory Physics Teaching g (John Wiley & Sons, New York and Toronto, 1990).
- [3] L.C. McDermott, P. S. Shaffer, Physics Education Group of the Department of Physics, University of Washington, Tutorials in Introductory Physics s (Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1998), Preliminary edition.
- [4] A. Gaspar, Museus e Centros de Ciências - - Conceituação e Proposta de um Referencial Teórico, o, Tese de Doutorado, Faculdade de Educação, USP, 1993.
- [5] M. Tereza de A. Freitas, Psicologia e Educação: Um Intertexto, Ed. Ática, 2002.
- [6] M. V. Bakhtin, Marxismo e Filosofia da Linguagem - - São Paulo: Hucitec, 1988.

[7] M. A. Moreira, Aprendizagem Significativa: Um Conceito Subjacente - - Encontro Internacional sobre Aprendizagem Significativa. Burgos, Espanha, 15 a 19 de setembro, 1997. [8] L. S. VYGOTSKY, Y, P Pensamento e Linguagem. São Paulo: Martins Fontes. 1987.