Os textos originais para ensinar conceitos de mecânica

## Os textos originais para ensinar conceitos de mecânica

*Maria Christina Fernandes Bueno, Jesuína Lopes de Almeida Pacca

Instituto de Física da Universidade de São Paulo

## Resumo

O encantamento provocado pela leitura de livros como: "O nascimento de uma nova física" de I. Bernard Cohen, "Os estudos galilaicos" de Alexandre Koyré, "Galileu" de Antonio Banfi e "Duas novas ciências" de Galileu Galilei, entre outros, ocorreu, porque muitas das concepções dos alunos, chamadas de concepções espontâneas ou do senso comum, são bastante semelhantes às concepções dos "pensadores" do passado.

Esse encantamento foi o responsável pelo desenvolvimento deste trabalho, que tem como objetivo a proposta de uma seqüência de ensino para ensinar conceitos de mecânica, e como estratégia a conexão entre as concepções espontâneas dos estudantes e as dos seguintes "pensadores": Aristóteles, Benedetti, Galileu e Newton, visando a tomada de consciência no sentido de Bachelard, reflexão sobre diferentes formas de pensar, aprofundamento no significado de conceitos, identificação de obstáculos epistemológicos, a construção e incorporação de um novo conhecimento, no sentido de Vygotsky, o domínio dos conceitos científicos.

Apresentamos aqui a seqüência de ensino construída com um experimento simples, problemas qualitativos e trechos de textos originais, seus objetivos, a análise da sua aplicação com alunos do primeiro ano do Ensino Médio de uma escola pública estadual, os dados obtidos através dos registros escritos pelos alunos, a análise destes dados e os resultados obtidos.

Palavras -chaves: Concepções espontâneas, História da Ciência no ensino, Construção do conhecimento.

## Introdução

A partir do conhecimento das concepções dos alunos, a preocupação é como utilizálas no prosseguimento das aulas, com a intenção de ajudá-los a perceberem que suas explicações são incompletas, inadequadas ou até "erradas", do ponto de vista da Física que

queremos ensinar e convencê-los da necessidade de mudanças conceituais ou aproximação com os conceitos científicos estabelecidos.

Como construir com os alunos um novo conhecimento, quando eles já têm um conhecimento que geralmente não é o da Física?

Surgiu, então, a idéia de construir uma seqüência de ensino que conectasse as concepções dos alunos e dos "pensadores", utilizando trechos de textos originais como intervenção para tentar a construção de novos significados para os conceitos de força, movimento e gravidade por parte do aluno, visto que os resultados apontados por várias pesquisas referem-m-se à dificuldade em compreender esses conceitos e em utilizar as Leis de Newton na análise dos fenômenos físicos. Por exemplo, as concepções que dão conta da relação entre força e velocidade já aparecem na Física de Aristóteles e Benedetti; a concepção de velocidade e confusão com aceleração também podem ser atribuídas às concepções desses autores.

Essa conexão foi possível a partir de um experimento simples com um carrinho de laboratório, a resolução de problemas conceituais presentes na literatura, leitura e questionamento de trechos de textos originais.

Os experimentos, os problemas e os textos favorecem o diálogo entre professor aluno, aluno -aluno e aluno -"pensador". Os problemas e o experimento permitem que os alunos entrem em contato com suas idéias e as dos colegas, possibilitando assim, a conscientização de que eles têm tais idéias e que estas conseguem explicar um fenômeno físico com modelos alternativos.

O professor também fica ciente de que estas idéias precisam ser modificadas e procura meios para confrontá-las, utilizando o próprio experimento e os textos originais.

Muitas concepções dos alunos são semelhantes às dos "pensadores" que os escreveram. Os textos permitem que os alunos entrem em contato com uma linguagem diferente, mais consistente, mais coerente e mais abrangente do que as deles. Uma linguagem que faz o aluno pensar, um pensar mais profundo, na tentativa de entender o que o "pensador" estava pensando e perceber as semelhanças e diferenças entre suas idéias e as dos "pensadores".

Pensamos que o aluno, consciente de suas idéias, ao compreender estas outras idéias poderá se convencer de que elas explicam melhor o fenômeno estudado. Não adianta só dar

o resultado, só a formula, porque o aluno preferirá ficar com o que ele pensa, a sua concepção espontânea.

Concepções espontâneas - Esse conhecimento, anterior ao conhecimento escolarizado é conhecido sob várias nomenclaturas, como concepções espontâneas, alternativas, conceitos intuitivos ou do senso comum. Adotaremos na maioria das vezes concepções espontâneas.

Desde o final da década de 70, diversos pesquisadores, do mundo inteiro, vêm realizando estudos e chamando a atenção para um fator preponderante que impede um ensino e uma aprendizagem eficaz, que é o fato dos alunos já terem idéias formadas, modelos espontâneos, sobre assuntos ou conceitos que ensinamos nas aulas de Física.

Esses trabalhos (Viennot, 1979; Watts e Zylberstajn, 1981; Clement, 1982; Driver, 1989) revelaram que as concepções espontâneas, por estarem fortemente enraizadas no pensamemento dos alunos, constituem um obstáculo ao aprendizado de conceitos científicos, porque são extremamente resistentes aos novos conceitos.

Um dos resultados mais freqüentemente constatados nestas pesquisas é a relação direta entre força e velocidade, isto é, o movimento é sempre associado a uma força que o acompanha, cuja intensidade é proporcional à velocidade, F = aV, como modelo alternativo da mecânica na forma de pensar do aluno. Neste modelo alternativo:

- · A força é necessária para provocar e manter o movimento.
- · O movimento é sustentado por uma força interna ao objeto.
- · Forças são inventadas para justificar o movimento que continua diante de uma força contrária.
- · A força inventada é maior do que a força oposta.
- · Só existe força da gravidade na descida.
- · Na ausência de atmosfera não há gravidade.
- · Ação e reação desiguais quando há movimento.
- · Objetos inertes não podem ser origem de forças.

Este modelo alternativo é um obstáculo ao entendimento de força como interação entre dois corpos e à interpretação dos fenômenos através das leis de Newton.

Com o levantamento das concepções espontâneas dos alunos, reafirmamos que por serem conflitantes com as idéias da mecânica de Newton, são necessárias estratégias que permitam explorá-las para tentar, junto aos alunos, uma ruptura com esse conhecimento

espontâneo e aproroximá-los do conhecimento científico. Alguns dos autores que realizaram estudos sobre as concepções apresentam o uso da história e filosofia da ciência como uma forma de trabalhar explicitamente com estudantes tais concepções (Saltiel e Viennot, 1985; Gagliardi, 1988; Matthews, 1994).

## Trabalho desenvolvido

O trabalho se apóia na elaboração de um planejamento com detalhes das atividades para a sala de aula, desde os objetivos até os resultados esperados. Trabalhamos com a concepção de ensino que considera o o aluno protagonista da sua aprendizagem e o professor organizador e orientador deste processo. Numa perspectiva construtivista o ensino deve contemplar uma participação ativa dos alunos na construção dos conhecimentos na sala de aula, respeitando as suas concepções, considerando o crescimento cognitivo e o amadurecimento pessoal.

A parte mais difícil do planejar é como aproveitar e utilizar as idéias expostas pelos alunos durante as aulas. Como ouvir os alunos? Prestar atenção no quê? Valorizar o que da sua ua explicação?

Segundo Villani e Pacca (1997), uma das competências do professor ao elaborar seu planejamento pedagógico é produzir e/ou selecionar um conjunto de problemas, experimentos, textos e material pedagógico adequado à promoção de conflitos entre o conhecimento científico e o alternativo manifestado pelos alunos.

## O grupo de alunos e a seqüência de ensino:

Esta seqüência de ensino foi aplicada com 77 alunos do primeiro ano do Ensino Médio de uma escola pública estadual, no período da manhã, para ensnsinar o conceito de força e sua relação com o movimento, para futuramente ensinar as leis de Newton.

## O conteúdo de Física

Nomeamos esta seqüência de ensino de "Força - movimento", porque o objetivo final é que o aluno entenda profundamente a idéia de força a como interação entre dois corpos, para entender as Leis de Newton e poder resolver problemas qualitativos e quantitativos.

Iniciamos o ensino sobre força e as Leis de Newton qualitativamente, porque concentra a atenção do aluno em entender o fenômeno, estimulando o desenvolvimento de suas habilidades para refletir. O aluno percebe que a Física não é uma "aplicação

matemática", aprende que a Física trata de compreender e explicar a natureza e tem sua própria linguagem e seu próprio modo de pensar.

A seguir apresentamos a seqüência de atividades e estratégias.

## Atividade 1: Experimento com um carrinho

É uma atividade para explorar as concepções dos alunos sobre força e movimento, compreendê-las e confrontá-las, com a intenção de ajudá-lo no entendimento das Leis de Newton. Procuramos tratar o conceito de força e sua relação com o movimento, ou seja, se a força que age num corpo é constante, a velocidade deste varia durante o movimento e este movimento é acelerado. Esta idéia é contrária à idéia do aluno que pensnsa que se a força é constante, a velocidade é constante e o movimento é uniforme.

A experiência é iniciada com uma questão:

O que é necessário para tirar o carrinho do repouso? Por quê?

As questões seguintes dependem da resposta dada pelos alunos.

## Atividade de 2: Problemas especiais

Esta é uma atividade de resolução de dois problemas qualitativos, sem a preocupação do certo ou do errado, são problemas que permitem a exposição das concepções espontâneas dos alunos sobre força e movimento.

- 1 -Um garoto lança uma bola de aço diretamente para cima. Desprezando quaisquer efeitos da resistência do ar, qual (is) é (são) a (s) força (s) que atuam sobre a bola até que volte ao solo.
- 2 -Uma bola de golfe em jogo é observada viajando através do ar, percorrendo uma trajetória similar à que aparece tracejada na figura. Qual (is) força (s) está (ão) agindo sobre a bola durante o vôo todo?

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Questionamentos possíveis:

Tem gravidade na subida? O que acontece com a força do jogador durante a subida? Como a bola conseguiu essa a força?

Procuramos com essa atividade que os alunos se expressem, dialoguem, compartilhem e troquem idéias e se convençam de uma explicação mais coerente e abrangente.

Tipos de respostas obtidas:

## Para o problema 1

"Quando a bola é lançada a força vem da mão, que joga ela e é uma força constante, porque vai continuar a mesma força da mão, quando estiver subindo, mas quando desce é porque ela perde a força e é puxada pela gravidade. Quando a força da mão termina, ela pára de subir e a gravidade a puxa para baixo".

## Para o problema 2

"A força da tacada dura até que ela está na metade do trajeto e começa a descer do outro lado onde está o buraco. Quando desce não tem força nenhuma".

## Atividade 3: Trechos de textos históricos

Esta é uma atividade de leitura e entendndimento dos textos. A atividade é constituída de trechos de textos de Aristóteles, Benedetti, Galileu, isto é, do personagem Sagredo, que trata da questão que nos interessa neste ponto e trechos de textos de Newton.

A atividade explora as concepções científíficas de força, movimento e gravidade ao longo do tempo, com a intenção de ajudar o aluno na construção do seu conhecimento.

Com esta atividade queremos perceber o grau de concordância do aluno com os textos, fazer o aluno pensar, refletir, se conscientizar da própria concepção e assim, tornar possível a incorporação de um novo significado ao conceito de força e gravidade.

## Questionamento

- · Qual frase chamou sua atenção? Por quê?
- · Quais as semelhanças e as diferenças existentes entre suas idéias sobre força e grgravidade e as do texto?
- · Como cada autor resolveria o problema da bola lançada verticalmente para cima?
- · Como Newton resolveria o problema da bola de golfe?

## Aristóteles

...Se se trata do movimento "natural", essa causa, esse motor é a própria natureza do corp rpo, a sua forma, que procura reconduzi-lo ao seu lugar; é ela que conserva o movimento. Um movimento não natural exige, ao invés, para toda a sua duração contínua

de um motor exterior unido ao corpo. Separe-se o motor do móvel, e o movimento igualmente parará.

## Benedetti

...Qualquer corpo grave quer ele se mova natural ou violentamente, recebe em si mesmo um ímpetus, uma impressão de movimento, de tal maneira que, separado da virtude movente, continua a mover -se por si mesmo durante um certo lapso de tempo.

## Galileu (Sagredo)

...Enquanto considero que, no grave lançado para cima, a força imprimida pelo agente diminui continuamente, força essa que, ao ser superior à força contrária da gravidade, eleva-o; quando as duas forças tenham alcançado o estado de equilíbíbrio, fazem com que o móvel deixe de ascender e passa para o estado de repouso, no qual o ímpeto imprimido não foi aniquilado, mas extinguiu-se apenas aquela parte que excedia a gravidade do móvel e que o levava para cima. Continuando depois a diminuição dedeste ímpeto externo e, conseqüentemente, passando o excesso para a parte da gravidade, começa a queda, mais lenta devida á oposição da força impressa, boa parte da qual subsiste ainda no móvel. Porém, como ela também diminui continuamente, sendo sempre superada em maior proporção pela gravidade, nasce disso a contínua aceleração do movimento.

## Newton

- ...Uma força imprimida é uma ação exercida sobre um corpo a fim de alterar seu estado, seja de repouso, ou de movimento uniforme em linha reta.

Essa força consisiste apenas na ação, e não permanece no corpo quando termina a ação.

- ...Uma força centrípeta é aquela pela qual os corpos são dirigidos ou impelidos, ou tendem de qualquer maneira, para um ponto como centro.

São forças deste tipo; a gravidade, pela qual os corpos tendem para o centro de Terra; o magnetismo, pelo qual o ferro tende para a magnetita; e aquela força, seja ela qual for, pela qual os planetas são continuamente desviados dos movimentos retilíneos - - os quais, em caso contrário, eles perseguiriam e obrigados a revolucionar em órbitas curvilíneas.

## Resultados

Algumas respostas dos alunos que participaram das atividades:

## Grau de concordância com os autores

"A parte certa é a que diz que a força impressa é o que leva um corpo a mudar o seu estado (movimento ou repouso), também já havia pensado na frase (no conceito que ela traz) e novamente digo que a diferença é que eu não saberia explicar com tanta sabedoria".

"Penso igual a Galileu quando diz que a força de um agente faz um objeto subir, porque consegue exercer uma força maior que a da gravidade".

"Concordo que a força é uma ação exercida sobre um corpo, é apenas ação".

## Nova forma de pensar

"Vai haver contato entre a mão e a bola, nessa ação vai ser exercida a força, mas só nesse instante. A bola vai para cima, a gravidade a puxa para baixo, fazendo a bola voltar".

"O problema do golfe é semelhante ao da bola, pois quando lançamos ela para cima, além da força de nossa mão que foi exercida no contato, há a força da gravidade que atrai ela para baixo. No No golfe a força ocorre no momento do toque do taco na bola. Quando a bola está subindo a velocidade diminui e ocorre o movimento retardado, por causa da força da gravidade que atrai a bola pra terra, no ponto mais alto a velocidade é zero e na descida ocorrrre o movimento acelerado pela força da gravidade na bola.

Antes dizíamos que a velocidade era constante e só pára no seu destino, também dizíamos que a força da bolinha diminuía na descida".

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Durante e após as atividades desenvolvidas, incluindo duas avaliações, constatamos a partir dos registros feitos pelos alunos que uma parte considerável deles:

- · Conseguem defender suas idéias com bons argumentos e coerência.
- · Relacionaram as suas formas de pensar com as idéias presentes nos textos.
- · Adquiriram uma nova forma de pensar, a de Newton.
- · Romperam com idéias do senso comum e incorporaram os conceitos de força e de gravidade, aceitos hoje.
- · Compreenderam o que não haviam compreendido a respeito de um corpo continuar em movimento retilíneo uniforme, na ausência de força agindo sobre ele.
- · Convencerammse de que um corpo inanimado como a mesa pode exercer força sobre outro corpo e que a força da gravidade age num corpo sobre qualquer superfície.

## Alguns exemplos:

"Não há nenhuma força sobre o foguete, ele permanece na mesma velocidade, descendo reto". "Existe a força da gravidade, pois ela (a bola) não desgrudou da mesa, e a força da mesa sobre a bola, porque ela (a mesa) está sustentando a bola".

## Conclusões

Concluímos que para uma participação mais ativa e produtiva dos alunos nas atividades desenvolvidas, o experimento deveria vir após a leitura dos textos de Aristóteles e Benedetti, porque ele ajuda a confrontar e conflitar tanto as concepções dos alunos quanto as dos autores, de que o movimento é sempre associado a uma força que o acompanha, cuja intensidade é proporcional à velocidade, F = aV. Depois viriam os textos de Galileu, ainda com a idéia do ímpetus representada pelo personagem Sagredo, visto que parte dos alunos têm esta idéia e por fim viria o texto de Newton.

A partir da análise das respostas dadas pelos alunos, percebemos que mesmo entre aqueles que participaram ativamente das atividades ainda existem alguns que continuam com dificuldades em compreender que um corpo pode continuar em movimento, mesmo na ausência de força, como no movimento uniforme. Ainda têm dificuldades em representar as forças num corpo e também continuam dizendo que o corpo tem força.

## Referências

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