Utilizando a modelagem e a simulação computacional no estudo dos gases ideais e reais

## Utilizando a modelagem e a simulação computacional no estudo do comportamento dos gases

a

*Osvaldo Balen [obalen@ucs.br] Paulo Augusto Netz [netz@dalton.iq.ufrgs.br] b a Defq Ucs/PPGCIM Ulbra b PPGCIM Ulbra

## Resumo

Relata-se um estudo referente à verificação se o uso de ferramentas de modelagem e simulação computacional possibilita aprendizagem e compreensão dos conceitos associados ao comportamento dos gases ideais e sua comparação com os gases reais. O estudo foi realizado com alunos matriculados nos cursos de Licenciatura Plena em Química, Engenharia Mecânica, Engenharia Química e Tecnologia em Automatização Industrial. Apresentam-se os resultados obtidos, identificando-se o perfil e a evolução conceitual dos alunos.

Palavras chave: modelagem e simulação; níveis de representação; aprendizagem; sistemas gasosos.

## Introdução

Estudos mostram que os estudantes apresentam dificuldade na integração e compreensão dos conceitos associados aos processos físicos e químicos. Conforme Gabel, 1988, Johnstone (1993) citados por Wu, Krajcik e Soloway (2001) os conceitos físico-químicos podem ser aprendidos através de três níveis de representação: sensorial (macroscópico), atômico-molecular (microscópico) e simbólico (equações, relações de proporção, algoritmos). As dificuldades dos estudantes podem ter como causa as suas interpretações pessoais dos fenômenos, as concepções alternativas, que resultam de suas experiências no cotidiano ou a sua inabilidade de compreender o modelo e passar de um nível de representação a outro quando busca interpretar o processo que descreve o fenômeno.

Várias pesquisas (Lin, Chen, Lawrenz (2000); Camiletti e Ferraciolli (2001), Trindade e Fiolhais (2001)) têm demonstrado que novas tecnologias proporcionam a criação de ambientes que possibilitam a aprendizagem significativa dos conceitos associados ao conhecimento cientifico particularmente em Física e Química e apontam situações de insucesso dos alunos na aprendizagem relacionada com a formação de modelos conceituais incorretos. As novas tecnologias provêem ferramentas que oportunizam a criação de ambientes de aprendizagem que estendam as possibilidades das tecnologias antigas. Uma ferramenta que tem demonstrado potencial expressivo como recurso para visualizar informações complexas é o microcomputador (Esquembre, 2000). O uso do computador possibilita aos estudantes dos diferentes níveis de ensino emergir em um ambiente virtual e interagir com modelos que possibilitam a aprendizagem significativa dos conceitos associados aos processos físico-químicos.

A partir dessas considerações elaboramos um projeto com o objetivo geral de verificar se o uso de ferramentas de modelagem e simulação computacional auxilia o estudante na aprendizagem e compreensão de conceitos associados ao modelo de gás ideal e na sua comparação com o comportamento dos gases reais. O projeto da pesquisa teve como meta identificar os níveis do perfil conceitual e as características do modelo apresentado pelo aluno na explicação das características das propriedades microscópicas e m acroscópicas de um sistema

gasoso, e verificar em que medida o uso de sistemas de modelagem e simulação computacional permite a aprendizagem significativa dos modelos de gases ideais e reais.

## Metodologia

A ferramenta de modelagem e simulação computacional escolhida foi o software Modellus; de acordo com Veit & Teodoro (2001) e Esquembre (2002) o Modellus é classificado como uma ferramenta de modelagem, simulação e cálculo que possibilita o estudo de fenômenos e processos físicos e químicos os quais podem ser descritos através de modelos matemáticos.

Para aplicação da ferramenta Modellus, foi elaborado um guia onde foram descritas as atividades de compreensão e uso do programa. O guia foi construído adotando-se a metodologia da estratégia P.O.E. (Predict, Observe, Explain) (White & Gunstone, 1992), considerando as concepções dos estudantes e a perspectiva de identificar o perfil conceitual (Mortimer, 2000). Após o desenvolvimento da modelagem matemática e da simulação computacional avaliamos se a compreensão dos conceitos importantes para o estudo do fenômeno é influenciada pelo uso destas ferramentas computacionais e da estratégia P.O.E. A modelagem e a simulação computacional foram ferramentas utilizadas para explorar conceitos fundamentais para o estudo dos gases como (1) as leis que descrevem o estado macroscópico de um gás ideal; (2) a inclusão de parâmetros que descrevem a atração e a repulsão entre as moléculas; (3) identificar a forma dos gráficos que relacionam as variáveis de estado do sistema gasoso. As questões constantes dos instrumentos foram elaboradas tomando como referencial seis conceitos que focalizam as interrelações entre os níveis de representação dos processos.

Desenvolvemos o estudo com estudantes universitários regularmente matriculados nos cursos de bacharelato e licenciatura plena em química, engenharias mecânica e química e em tecnologia em automatização industrial. O grupo experimental (denominado A+B) , formado por 46 estudantes foi avaliado antes, durante e após a aplicação da a tividade computacional orientada por um tutorial. Um grupo formado por 30 estudantes (denominado de grupo C) respondeu ao teste após o estudo da unidade sobre gases em aula expositiva dialogada.

As respostas foram classificadas nas seguintes categorias CT - compreensão total, quando o aluno respondeu de acordo com o modelo aceito pelo formalismo da física e da química; CP compreensão parcial, quando a resposta foi parcialmente correta, apresentando falhas nos conceitos ou na interpretação gráfica do sistema; nessa categoria incluímos as concepções alternativas dos estudantes; CE, concepção errônea; quando o aluno respondeu utilizando argumentos sem nexo; NC, nenhuma compreensão ou indefinido quando o estudante não respondeu. A metodologia adotada na análise seguiu a utilizada em diversas pesquisas no ensino de ciências, destacando-se Lin, Cheng & Lawrenz (2000) e Barnea e Dori (2000).

Também foi feita a classificação das respostas em termos da identificação do perfil conceitual dos alunos, baseado nas categorias propostas por Mortimer (2000) para identificar os conceitos dados a sólidos, líquidos e gases. Usamos as categorias substancialista e atomista clássica para classificar as respostas dadas pelos alunos a questões que envolviam a descrição do comportamento microscópico dos gases.

Através dos resultados quantificados, foi analisada a compreensão e a evolução dos conceitos pelos estudantes através de comparações (entre momentos e entre grupos) e testes de correlações entre os conceitos.

## Resultados

A análise dos resultados para identificar o perfil conceitual dos alunos indica a predominância da concepção substancialista -os 'grãos' da matéria que constitui o gás apresentam as mesmas propriedades do corpo, numa analogia entre os mundos macroscópico e microscópico, nos diferentes estados físicos do material. Resultados semelhantes foram encontrados por Niaz e Robinson (1992) apud Niaz (2000) num estudo realizado com estudantes de um curso universitário preparatório para engenharia e ciências. O citado estudo indica que os estudantes apresentam desempenho baixo quando solicitados a responderem a questões conceituais.

Através de testes estatísticos para amostras pareadas, analisamos se houve diferença entre dois momentos (pré-teste e pós-teste) para o grupo formado pelos estudantes do grupo experimental. Os resultados desse teste mostram que não houve diferença significativa (p > 5%) para o conceito C1. Verifica-se que houve melhoria no desempenho do grupo na resposta dada as questões correspondentes aos conceitos C3: Interações intermoleculares e comportamento macroscópico; C4: Efeito da pressão no volume: diferenças entre gás ideal e gás real; C5: Construção de isotermas de sistemas gasosos e C6: Interações e não idealidade: o gás liquefeito de petróleo armazenado nas condições ambientais, indicando que o uso do tutorial possibilitou aprendizagem.

A tabela 1 mostra que o desempenho dos grupos A e B apresentou acréscimo na média no pós-teste e que esta média foi superior à média do grupo C.

Tabela 1

Quadro comparativo das médias obtidas nos testes aplicados aos grupos A, B e C

## Conclusão

Os resultados apresentam evidências de que o uso das ferramentas de modelagem e simulação nos procedimentos de ensino possibilita a aprendizagem dos modelos de gás ideal e de gás real. A análise dos dados indica uma diferença significativa na compreensão dos conceitos após a realização das atividades de model agem e simulação computacional, quando comparado com os resultados obtidos pelo grupo ao qual não foi aplicada a estratégia. É possível que os resultados dependam da combinação da estratégia P.O.E. com o guia de estudos elaborado.

Podemos concluir que, quando são utilizados métodos e técnicas adequadas de ensino, o estudante constrói seu conhecimento independente de apresentar ou não concepções alternativas, ou ainda conviver com ambas as concepções.

## Referências bibliográficas

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LIN, HUANN-SHYANG., CHEN, HSIN-JU., LAWRENZ, FRANCES. The assessment of students and teachers' understanding of gas laws. Journal of Chemical Education. Vol.77, n.2. pp.235-238, february, 2000.

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NETZ, PAULO A.; ORTEGA, GEORGE GONZÁLEZ. Fundamentos de FísicoQuímica: uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas. Porto Alegre: Artmed, 2002.

NIAZ, MANSOOR. A rational reconstruction of the kinetic molecular theory of gases based on history and philosophy of science and its implications for chemistry textbooks. Kluwer Academic Publishers. Instructional Science. Vol.28. pp.23-50, 2000.

VEIT, E.A.; TEODORO, V.T. Modelagem no ensino/aprendizagem de física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol.24(2), pp.87-96, junho 2002.

## ANEXO 1

Captura de tela do programa Modellus mostrando (a) a construção das isotermas de um gás ideal, de um gás onde predominam as interações repulsivas e de um gás real que são comprimidos na temperatura ambiente e (b) construção das isotermas de um gás real em temperaturas próximas da temperatura do ponto crítico do sistema.

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