USO DE SIMULAÇOES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FISICA: ANALISE DAS MUDANÇAS CONCEITUAIS NO ENSINO DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO

## USO DESIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINODE FÍFÍSICA: ANÁNÁLISEDAS MUDANÇAÇAS CONCEITUAIS NO ENSINO DE QUANTIDADEDEMOVIMENTO

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Ana Lucia Figueiredo de Souza Nogueiraa (analuf@nortecnet.com.br) Luciano Soares Pedrosoa oa (lpedroso@univelox.com.br) Maria Inênês Martrtins a (ines@pucminas.br) Renato Kerleya ya (rkerley@uai.com.br)r) * Ronaldo Marchezinia ia (ronaldom@deii.cefetmg.br)

a PUC Minas - Programa de Mestrtrado em Ensino

## Resumo:

Interessados em verificar as possibilidades da utilização do computador em situações didátáticas nos propusemos a avaliar neste trabalho o se a utilizaçação de uma simulação é capaz de provocar r mudançnças conceituais nos alunos, levando-os do senso comum a um padrão de respostas mais elaborado. o. Para isto , , escolhemos dentro do conteúdo quantidade de movimento , , a temática da colisao inelálástica que possibilita, com certa facilidade, fazer alusão, às situações cotidianas . Para o desenvolvimento das simulações, optamos pelo uso do software Interactive Physics em função dos seus inúmeros recursos e interatividade , construímos duas situauações em que ocorrem colisões inelásticas unidimendsionais e preparamos um roteiro para aplicação o em laboratório de Informática . Escolhemos um grupo de 16 (dezesseis) alunos da primeira sésérie do ensino mémédio de uma escola Técnica do interior de Minas Geraisis, que nãnão havia tido, ainda, contato curricular com o conteúdúdo em foco. Os alunos foram submetidos a um pr é-teste contendo questoeoes qualitativas e quantitativas sobre o assunto, em seguida, utilizaram as simulações, seguindo instruções contidas no o roteiro previamente elaborado o e , finalmente, , foram submetidos a um pós-t-teste com questoes semelhantes às do pré-teste. Analisamos as respostas dadas nestes testes buscando identificar , , em dimensões e categorias de anánálise , os conceitos prévios dos alunos a respeito do tema. Verificamos uma sensível evolução dos alunos de um conhecimento espontâneo para um conhecimento mais formal, considerando a comparação entre as respostas nos dois testes. Esse fato nos conduz a aceitar como váválida a utilização desse tipo de simulação, desde que acompanhada da de um roteiro instrutivo o adequado à atividade proposta .

Palavras chave: simulação, mudança conceitual, informática no ensino

## 1. Introduçução

A partir de meados dos anos 90, verifica-se no Brasil um avançnço do uso da Internet e dos microcomputadores no ambiente educacional. Esses recursos apontaram novas possibilidades ao processo de ensino/aprendizagegem propiciando aos professores a oportunidade de buscarem um novo modo de ensinar e às escolas de inovarem-m-se, rompendo velhas estruturas com seus paradigmas já já enraizados. Em relação ao ensino de Física, a Informámática tem uma aplicação muito diversificada sendo utilizada em mediçições, gráficos, avaliações, apresentações, modelagens, animações e simulações .

Nossa compreens ao sobre o processo de aprendizado do aluno fundamenta-se nas idéias de Vygotsky 1 que, em sua teoria histórico-o-social, pressupoe que cada aluno, em sua interação social dentro e fora da escola, traz consigo uma sérérie de conhecimentos construíuídos. Estes conhecimentos, geralmente nãnão apresentam um formalismo que permite uma generalização, sendo aplicado em situa ções bem particulares, nãnão sendo considerado um conhecimento científífico. Eles s ão adquiridos pela interaçação do sujeito com o meio.

Como no ambiente normal de sala de aula o professor tem sob sua orientaçação um grande núnúmero de alunos sua atuação na zona proximal fica bastante restrita, prprincipalmente se ele utiliza apenas aulas expositivas como forma de interação com seus alunos. O uso de outros recursos mediadores é fundamental neste processo. o. Desde a dédécada de 60 discute -se a importância das aulas experimentais no ensino de FíFísísica no Brasil. A partir da dédécada de 90, com a popularizaçação do uso do computador nos ambientes de trabalho, nas residências e também no ambiente escolar, diversos estudos tetem sido feitos sobre a importância do uso da informámátática no ensino em geral, e principalmente te o do uso das simulações no ensino de Física. Para Tavares s e Santos (2003):

"A "As animaçações interativas, construídídas a partir da modelagem de situações fífísísicas de interesse pedagógógico, tetem se mostrado adequadas para introduzir o estudante em conteúdos nos ququais ele nãnão está familiarizado. Pode-s-se criar uma representação real ou ideacional de um fenômeno fífísísico, apresentar aos estudantes as caracterírísísticas do fenômeno para a observação, alélém de serem sensísívíveis aos critérios individuais, onde o aprendiz pode agagir na modificação das condiçições iniciais e observar as respostas, relacionar grandezas e outros atributos pertinentes ao fenômeno fífísísico " . (TAVARES e SANTOS, 2003, 3, p. 134)))).

## Para Araujo e Veit (2004)

" " as simulações computacionais com objetivos pedagógicos os dão suporte a atividades exploratórias caracterizadas pela observação, análise e interação do sujeito com modelos já consnstruídos. A modelagem computacional aplicada ao ensino de Física é desenvolvida em atividades expressivas, caracterizadas pelo processo de construção do modelo desde

sua estrutura matemática até a análise dos resultados gerados por ele." (ARAUJO e VEIT, 2004, p. 9)

Vieira (1998) trabalha a relação entre o uso da informámática e o ensino abordando o que Vygotsky afirma ser os M Mediadores de Cultura, desenvolvendo pesquisas relacionando o uso de simulações e a zona de desenvolvimento proximal. Partindo da hipótese que as simulações podem provocar mudançnças conceituais no aluno, possibilitando-lhe a evolução do senso comum para um conhecimento mais formal, o autor realizou sua pesquisa verificando, com sucesso, , sua real aplicabilidade

No presente trabalho , propomos, de maneira anánáloga, , uma simulação o sobre colisao inelálásástica pressupondo que os resultados da pesquisa possam m servir de referêrência papara a utilização de outras simulações, outros softwares e outros temas da Físísica. Ainda , em relação às simulações , Medeiros & & Medeiros (2002) propõem que :

" "qualquer simulação está tá baseada em um modelo de uma situação real, modelo este, matematizado e processado pelo computador, a fim de fornecer animações de uma realidade virtual. A construção, portanto, de uma simulação computacional pressupoe, necessariamente, a existetenencia de um modelo que lhe dá dá á suporte e que lhe confere significado.As simula ções podem ser vistas como representaçõções ou modelagens de objetos específíficos reais ou imaginários, de sistemas ou fenômenos. " " (MEDEIROS e MEDEIROS , 2002, p. 79)

Na fase inicial do projeto, verificamos que colocar os alunos frente a uma simulação, sem um roteiro de orientação nanao gerava resultado significativo na maioria dos alunos, pois eles enxergavam as simulações como jogos e rapidamente se cansavam m ou ficavam dispersos. Esta observação fortaleceu nossa vis ao de que o uso das simulações nanao pode ser livre, levando o aluno a percebêbê-la como um jogo, com tentativas e erros aleatórios. Nosso entendimento é é de que o o uso das simulações deve ve vir acompanhado do de um roteiro ou guia que nanao só direciona o uso da simulação, como também esclarece a concepçpção de educaçação adotada e, ainda quaual relaçação o aluno estabelecerá com o recurso da informática. Assim, apontamos para a elaboração de guias de simulação para uso didático de software .

O ensino do o conteúdo referente ao o momento linear e sua conservação ou quantidade de movimento, termo usado no ensino médio , , apresenta um grau de dificuldade muito grande pois os alunos costumam misturar conceitos, associando grandezazas mesmo quando uma não interfrfere na outra, usando uma grandeza no lugar de outra e , também , , porque as situauaçações que envolvem esse tema são difíceis de serem reproduzidas em aulas experimentais.

A pesquisa realizada visa determinar se o uso de simulações que envolvem a quantidade de movimento e as colisões completamente inelásticas é capaz de provocar mudanças conceituais nos alunos.

## 2. DESCRIÇÃODO TRABALHODESENVOLVIDO

## 2.1. O software e as simulações

Utilizamos o software Interactive Physics em função de de seus inúmeros recursos que permitem construir simulações que se aproximam de uma situações s reais e com m alto grau de interatividade. Embora com esse software o usuáuário possa criar suas simulações, optamos por solicitar aos alunos que interagisissem com um aplicativo o previamente elaborado com roteiro adequado ao conteúdo em questão. o. Isto porque o intuito da pesquisa é avaliar a capacidade que uma determinada simulação tem de provocar mudançnças conceituais no aluno e, nesse sentido, os os estudantes escolhidos nãnão haviam tido, até é então, contato com o conhecimento formal a respeito da quantidade de movimento e das leis que regem a colisão entre os corpos. Uma utilizaçação mais ampla do software exigiria este domínínio, fazendo parte de uma outra pesquisa sobre a utilização de softwares no ensino de FíFísica.

Optamos pela quantidade de movimento unidimensional l pela necessidade de delimitar um m conteúdo, e pela facilidade de encontrarmos situações do cotidiano, que poderiam servir de estímulo a este estudo. Durante as as duas simulações elaboradas o aluno se deparava com uma tela do seguinte tipo:

Figura 1: tela de uma das simulações

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Na simulação 1 os peixes movem-m-se em sentidos contrárários e o peixe menor será engolido pelo maior, sendo que o o aluno pode vavariar a massa e a velolocidade dos peixes , acompanhando o resultado de sua proposta através do movimento em si, atravévés de dados numéméricos ou analisando gráfáficos disponibilizados em tela . Na segunda simulação, o o aluno teve e acesso aos mesmos recursos, porém nestste caso o os peixes movem-m-se no mesmo sentido.

## 2.2. Roteiro de utilizaçação do software:

No roteiro de utilização da simulação, reservamos alguns minutos para que o aluno explorasse livremente a simulação e se familiarizasse com os principais comandos.Em seguida sugerimos que ele atribuiuisse valores determinados para a massa e velocidade do peixe azul (maior) e para a massa e velocidade do peixe vermelho (menor). Foi i pedido, entãtão, que ele observavassse os diferentes tipos de gráficos e o resultado numémérico das quantidades de movimimento dos peixes antes e depois de um engolir o outro (colisão). Instruiuiu -se o aluno para que observavasse e a quantidade de movimento dos peixes no decorrer do tempo. Os dados coletados deveriam ser r anotados em uma tabela existente no roteiro.O procedimento dedeveria ser r repetido para diferentes s velocidades e massas. Foi também pedido ao aluno o que avaliasse e as forças que atuavam m nos peixes durante o processo. Todo o procedimento é é repetido na simulaçação 2, na qual os peixes se movem no mesmo sentido.

## 2.3 Participantes da pesquisa:

Participou da pesquisa um um grupo de 16 alunos da 1 a serie do ensino mémédio da Escola Técnica de Formação Gerencial de SaSao Sebastiaiao do Paraíso/MG (ETFG), que ainda nanao tinham visto , curricularmente, , o assunto a ser trabalhado o e , também não o conheciam os testes e as simulações. Estes alunos estudam em horárário integral, são em m sua maioria, de classe média e , , possuem m uma carga ga horária de três aulas semanais de Física..

## 2.4 Aplicação da Proposta:

O desenvolvimento da pesquisa se deu da seguinte forma: primeiro aplicou-u-se um pré-t-teste, em sala de aula, durante 50 minutos, , ao grupo de alunos selecionados. A seguir, no laboratório o de informá tica, com a ajuda de um roteiro previamente elaborado, durante 50 minutos, os alunos trabalharam individualmente e puderam interagir com as simulaçações. A terceira etapa , ocorreu na semana seguinte, , foi a aplicação do pópós-t-teste e também teve a dururação de 50 minutos.

No pré-teste as questoes de 1 a 4 eram dissertativas e referiam-m-se a uma situação e em que dois meninos em um supermercado empurravam um carrinho de compras de forma a colidirem frontalmente. A questão 5 era fechada e referia-se a colisão frontal e completamente inelálástica de duas naves espaciais com m quantidades de movimentos diferentes (o o aluno deveria marcar o sentido de movimento do movimento das naves apópós ós a colisão, podendo optar por voltar, parar ou avançnçar). A questãtão 6 era dissertativa e pedia para o aluno explicar a resposta dada na questãtão anterior . Na a questãtão 7 trabalhava-se a colisão de dois carrinhos de brinquedo em que era fornecida a massa e a velocidade de cada um (o o aluno deveria marcar uma figura que correspondesse ao o movimento dos carrinhos após a colisão e justificar sua resposta) . A questão 8 trabalhou com a colisão de dois discos

de mesma massa e velocidades diferentes (o o aluno deveria marcar a opção que representava a trajetórória dos discos apópós a colisãsão, sem necessidade de justificar) . A questãtão 9 referia-a-se a colisão de uma partícula com outra inicialmente em repouso o (o o aluno tinha que desenhar a trajetórória das partítícículas apópós a colisão). Em todas as questoeoes, as colisoes eram completamente inelálásticas.

O pós-teste foi composto de sete questoes sendo que apenas a primeira delas continha uma pergunta objetiva , mas com justificativa obrigatória . N Nesta questão havia a uma figura com doiois peixes, como na simulaçao. Noutra a questão, uma figura representando o a colisao de um carro A se movimenta para a direita com carro B, inicialmente parado o (o aluno deveria desenhar r a trajetórória dos carros apópós a colisão) . Na questatao 4 tínhamos dois astronautas em repouso um , , em relação ao outro o e o o astronauta A arremessa horizontalmente e para a direita uma mochila para o astronauta B (o o aluno deveria descrever o movimento do astronauta B apópós agarrar a mochila)a) . Na a questao 5 são apresentadas três figuras que representam a seqüqüência ia de um movimento: a primeira mostra Tarzan saltando preso a um cipó. ó. A segunda Tarzan n no meio do caminho e mostra sua macaca Chita, saltando ao seu encontro. A terceira mostra Chita agarrada a Tarzan, ainda no ar, preso ao cipó. São colocadas três perguntas s (tabuladas como mo questões 5, 6 e 7) 7) Qual é a condição para que, imediatamente apópós o impacto da Chita com o Tarzan, os dois movam-m-se para a direita? Qual é é a condiçição para que, imediatamente após o impacto da Chita com o Tarzan, os dois fiquem em repouso? o? Qual é a condiçição para que, imediatamente após o impacto da Chita com o Tarzan, os dois movam-m-se para a esquerda?

## 3. Resultados obtidos:

Como as respostas continham justificativas, julgamos importante ao invés s de simplesmente classificá-á-las s como corretas ou incorretas , proceder a uma ma a anánálise dede conteúdo conforme pressupõe Bardin (1992) . Procedemos a um estudo pormenorizado do o dadas respostas dos alunos, buscando inferirir, a partir de suas considerações, dimensões e categorias de análise. As respostas as foram classificadas em duas dimensões: na na primeira , focalizamos a relação entre as grandezas, , enquanto que na segunda dimensão nos concentramos na análise conceitual das respostas .

Na tabela 1, apresentamos essas categorias, com exemplos de respostas fornecidas pelos alunos. A A identificação "P "PRQ2A4 " , por exemplo, significa que estamos considerando a resposta dada pelo "a"aluno 4 à ququestão 2 no préré-teste". Nos gráficos 1 e 2 são mostrados as frequências das respostas dos alunos em cada categoria de análise, no pré-teste e no pósteste, respectivamente.

Tabela 1: Categorias d da dimensão 1 (relação entre grandezas), c com exemplos de respostas dos alunos , no pré -t-teste e no pós-teste

Os resultados de de e classificação o das respostas do pré e pós-testes são apresentados, a seguir, respectivamente, , nos gráficos 1 e 2. 2.

Gráfico 1: Freqüqüência , por questão e por categoria de análise, e, na dimensão 1 do do pré -teste

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Gráfico 2: Freqüência, a, por questão e por categoria de análise , na dimensão 1 do do pós-teste

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Os gráficos anteriores nos permitem observar uma concentração de respostas nas Categorias que relacionam velocidade e massa e, praticamente, desaparecem as respostas das categorias "outras". Esse fato nos indica que houve melhora na identificação das variáveis relevantes do movimento.

Quanto à dimensão conceitual as respostas foram classificadas como força proporcional à velocidade e força proporcional ao trabalho e ao impulso. Como força proporcional a velocidade foram consideradas as respostas nas quais o aluno julgou que quanto maior fosse força maior seria a velocidade do corpo ou em respostas onde ele usou o conceito de força no lugar do de velocidade e vice-e-versa. Como f força proporcional ao trabalho e ao impulso foram assumidas as respostas nas quais o aluno associou a força ao trabalho ou ao impulso, não fazendo distinção entre os conceitos. Nos gráficos 3 e 4 são mostrados, para cada questão, as frequências das respostas dos alunos em cada uma das categoria de análise, no pré-teste e no pós-teste, respectivamente.

Gráfico 3: Freqüência por questão e por categoria de análise na dimensão 2 no pré -t-teste

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Gráfico 4: Freqüência por questão e por categoria de análise na dimensão 2 no pós-t-teste

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Uma comparação entre os gráficos os 3 e 4 nos permitem observar que no pós-teste diminuem as respostas f força proporcional ou igual a velocidade o que indica que ocorreu, de um lado , um avanço conceitual, mas houve , de outro lalado, , um acréscimo na identificação entre força e impulso e trabalho . Esse resultado nos levou a analisar com cautela as questões do pós-teste , , em comparação com as do pré-teste , verificanando que dadas nove questões do pré-teste apenas uma delas utiliza termos que indicam uma ação do personagem do enunciado da questão " ...um empurra ... (PRQRQ1)" enquanto que no pós-teste entre as sete questões, quatro indicam ação dos personagens utilizando termos como "...A lança um objeto...(POQ3)" ou " ...massas iguais, são lançados ... (POQ4) e "...salta, agarrando-o-se a ele... (P(POQ5a; POQ5b e POQ5c). Essa a pode ser r a razão desse aumento nas relações entre força e impulso. Apesar desse aspecto, f foi possível observar, claramente, um avanço na linguagem das respostas conforme exemplificado a seguir:

- "porque o carrinho de 80g tem a massa maior e o impacto causado...." (PRQ7A9) ? " quando a massa e a velocidade de Chita..... Qm = m.v..."(P(POQ7A9)
- "esquerda para direita. Porque o carrinho de João possui massa maior" " (PRQ1A15) ? " porque a quantidade de movimento do peixe..." (POQ1A15)

"se moverao para direita.....carrinho de JoJoao ser mais grande.....possui uma massa maior.... assim é o carrinho de Pedro que sofre uma reaçao maior" (PRQ1A4) ? "porque a quantidade de movimento...." (POQ1A4)

"se a força do carrinho 2 for maior,..." (PRQ2A6) ? "a massa e a velocidade da macaca ser maior...." (POQ7A6)

## 4 . Conclusões:

De fato, umuma análise inicial dos pós-testes aplicados aos mesmos alunos, nonos mostra uma visível melhora no nível das respostas dos alunos que apresentam uma redução na correlação inicial entre força e velocidade e um aumento na correlação massa-velocidade como determinantes na quantidade movimento de um corpo. Percebe-se também uma argumentação consciente, relacionando os fenômenos à quantidade de movimento.

Nesta anánálise percebemos que os conceitos espontâneos se mantem em algumas respostas, o que nos indica a a necessidade de utilizarmos, na formação dos alunos, , variados tipos de recursos . É É preciso ter clareza de que apapenas as simulações nãnão bastam como recurso para o o ensino do conteúdo prproposto aos alunos de primeira sésérie. Entretanto, as as simulações podem ser usadas para iniciar a discussao sobre um m tema já já á que o mostra de maneira lúlúdica ou como balizador do aprendizado do já já que oferece a possibilidade de tratá-á-lo de forma qualitativa e quantitativa .

## 5. Referêrências

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