Avaliação do uso de simuladores no ensino de Circuitos de Capacitores

## Avaliação do uso de simuladores no ensino de Circuitos de Capacitores

Paulo Wichnoski, Reginaldo A. Zara

Universidade Estadual do Oeste do Paraná

Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas - Cascavel, PR

msn.paulo.mat@hotmail.com, razara@unioeste.br

## Resumo

A aprendizagem de conceitos relacionados à Física pode ser facilitada utilizando experiências virtuais durante o processo de ensino e aprendizagem uma vez que as simulações permitem ao estudante concentrar-se nos aspectos qualitativos do problema em contraste com a excessiva matematização da realidade física. Neste artigo é apresentado o relato de uma experiência de uso do pacote de simulações PhET (Physics Educational Technology) para o estudo das propriedades físicas de associações de capacitores submetidos a tensões elétricas por estudantes universitários do primeiro ano de graduação. A atividade foi desenvolvida junto aos alunos da disciplina de Física ingressantes no Curso de Ciência da Computação da Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Unioeste, Campus de Cascavel. A receptividade dos estudantes à atividade foi avaliada através da aplicação de um questionário. As respostas revelam que a iniciativa foi bem recebida pelos estudantes que se mostraram animados e motivados pelo uso de simulações computacionais como ferramenta auxiliar às aulas teórico/práticas.

Palavras-chave : Simuladores didáticos, Ensino de Ciências, Circuitos Elétricos

## Introdução

O ensino de Ciências, seja no ensino fundamental, médio ou superior, deve ser alicerçado na interdisciplinaridade e na contextualização com ênfase tanto aos conceitos básicos quanto à tecnologia envolvida, uma vez que a educação em ciências deve ter um enfoque amplo, o qual não se restringe apenas a discussões metodológicas, mas também culturais e tecnológicas. Muito embora o desenvolvimento tecnológico de sociedade atual tenha provocado a associação da tecnologia às ciências aplicadas a prática pedagógica de muitos professores de Ciências, especialmente nas áreas de Física, Química, Matemática e Biologia, ainda é baseada no quadro-negro e giz, com pouco ou nenhum uso de atividades experimentais ou de novas tecnologias de ensino. O uso do computador pode contribuir sobremaneira na educação devido à capacidade de apresentar ao estudante aspectos do conteúdo difíceis de serem visualizados. Com o uso do computador as possibilidades de implantação de novas técnicas de ensino são praticamente ilimitadas e hoje, o custo financeiro para implantação e manutenção de laboratórios de informática é relativamente baixo.

Existem muitas formas de utilizar a informática educativa no ensino de Ciências, especialmente softwares de simulação que podem ser de grande valia em sala de aula, principalmente nas escolas que não possuem laboratórios adequados. No entanto falta ainda compreensão da atual realidade do uso da informática no ensino de Ciências de nível médio, em especial, deve-se ter a clareza de que os

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30 de janeiro a 04 de fevereiro de 2011

experimentos virtuais não podem ser adotados como substitutos de atividades práticas em laboratório, mas como uma ferramenta auxiliar ao ensino.

A falta de compreensão de alguns princípios fundamentais da Física é uma realidade que vem sendo enfrentada atualmente tanto nas atividades didáticas na escola quanto no quotidiano. No caso específico do ensino de Física, segundo teóricos do desenvolvimento das matrizes de competências e habilidades na escola (BRASIL,2002), o professor deve desenvolver continuamente algumas competências, como o uso de novas tecnologias, que terão reflexo direto no trabalho com os alunos. Neste contexto o uso de simuladores em sala de aula auxilia no processo de ensino-aprendizagem uma vez que as simulações permitem ao estudante centrar-se na essência do problema, tornando mais eficiente a absorção dos conteúdos. Além disso, a utilização de simuladores permite o estudo de situações que, na prática, seriam difíceis ou até mesmo inviáveis de serem realizadas. O uso dessa ferramenta pelo educador pode também contribuir para a clareza, dinâmica e interatividade com o conteúdo, reforçando e fixando os conceitos aprendidos em aulas teóricas (PERRENOUD,2000; MEDEIROS,2002) e facilitando o desenvolvimento de atividades práticas de laboratório, imprescindíveis para o efetivo aprendizado de Ciências.

Segundo o PCN+ (BRASIL,2002) hoje há computadores nas escolas, ligados ou não à internet, mas não são integralmente aproveitados no processo de ensino e aprendizagem. Enquanto os professores acostumados a lidar com as tecnologias de informação e comunicação transitam com bastante desenvoltura pelo cenário educacional que incorpora essas tecnologias, há muitos outros que não se sentem à vontade para utilizar essas ferramentas, seja por falta de tempo, de capacitação ou da inexistência de atividades que lhes possam servir de incentivo e exemplo. Durante o período de setembro de 2009 a agosto de 2010 vem sendo desenvolvido um trabalho de iniciação científica cujo objetivo é produzir um acervo de roteiros e atividades utilizando o pacote de simulações PHET (PhET, 2010, WIEMAN, 2008, FILKENSTEIN, 2005) e disponibilizar um tutorial contendo orientações de uso e de construção de experimentos virtuais para uso dos estudantes da disciplina de Física dos cursos ligados às Ciências Exatas e Tecnológicas da Unioeste (Universidade Estadual do Oeste do Paraná) bem como de professores e estudantes das escolas da região. Este tutorial visa prover material auxiliar para uso desta nova tecnologia aplicada ao ensino de circuitos elétricos.

Neste artigo é apresentado um estudo sobre a receptividade dos alunos da disciplina de Física do Curso de Ciência da Computação para o uso de um destes roteiros como ponto de partida para o estudo das propriedades físicas de associações de capacitores submetidos a tensões elétricas. A atividade aqui descrita faz parte do acervo que vem sendo construído e constitui um exemplo de aplicação do material produzido.

## Metodologia

Atualmente existem diversos softwares , muitos deles de uso livre que podem ser utilizados no ensino de Ciências. Neste trabalho vem sendo utilizado o pacote PHET- Interactive Simulations que é uma iniciativa da Universidade do Colorado é está disponibilizado na Internet através do sítio http://phet.colorado.edu/index.php e

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pode ser livremente utilizado. As simulações deste pacote são interativas e permitem ao usuário estabelecer conexões entre fenômenos reais e a ciência básica, através da formulação de seus próprios questionamentos. Neste artigo é relatada a experiência do uso de simulações pelos alunos para o estudo de associações de capacitores submetido a tensões elétricas. Esta atividade faz parte de um acervo de experiências virtuais que vem sendo produzido como atividade de iniciação científica e que está sendo disponibilizado aos estudantes da disciplina de Física do Curso de Ciência da Computação antes da total disponibilização à comunidade externa à Unioeste. Desta forma, com base nas sugestões fornecidas pelos estudantes e nas observações feitas durante a execução das atividades os ajustes necessários poderão ser incluídos no material.

A metodologia adotada no desenvolvimento da atividade descrita envolve três componentes:

- ƒ Preparação teórica dos assuntos a serem abordados, com a escolha de circuitos de associações de capacitores comuns nos livros texto tradicionalmente adotados nas disciplinas;
- ƒ Implementação das simulações e elaboração de roteiros de aplicação de atividades para os problemas selecionados;
- ƒ Acompanhamento do uso do roteiro pelos estudantes da Unioeste através da aplicação de questionário de avaliação.

Foram selecionados problemas que envolvem associações de capacitores em série, em paralelo e associações mistas de capacitores. Após as aulas teóricas os estudantes resolveram os problemas selecionados de duas formas: usando o experimento virtual e tomando como base o roteiro disponibilizado e de forma totalmente algébrica, conforme os exercícios sugeridos pelos livros texto.

A seguir é descrito um exemplo de problema abordado e resolvido pelos estudantes, envolvendo um circuito de capacitores associados em paralelo.

Problema-exemplo: Dois capacitores, C1 = 50,0 mF e C2 = 120,0 mF estão conectados em paralelo e a combinação é conectada a uma bateria E = 9,00 V conforme ilustrado na figura abaixo.

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Utilizando o simulador de circuitos, responda:

- a) Qual a diferença de potencial em cada capacitor (medida com o voltímetro)?

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- b) Qual a carga armazenada em cada capacitor?
- c) Qual a capacitância equivalente da combinação?
- d) Após resolver o problema utilizando o simulador, explique como calcular de forma algébrica os valores das cargas em cada capacitor a partir do capacitor equivalente. Apresente os diagramas dos circuitos obtidos em cada etapa da resolução.

Utilizando o simulador disponibilizado no PhET em particular o aplicativo ' Circuit Construction Kit (AC+DC) ' o circuito pode ser facilmente montado arrastando-se os componentes encontrados na barra lateral. De maneira simplificada, o circuito montado terá o seguinte aspecto:

Figura 1: Circuito de capacitores associados em paralelo construído no simulador. Os sinais e as densidades de cargas em cada placa dos capacitores estão indicados. O Voltímetro disponibilizado pelo aplicativo é usado para medir as voltagens em cada capacitor.

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Dessa forma o usuário pode visualizar o circuito e, munido das ferramentas de medições disponíveis no aplicativo, obter os dados que o ajudarão na resolução do exercício proposto.

Além do exercício exposto acima, foram propostos diferentes circuitos de capacitores associados. No Quadro I abaixo são mostrados os outros circuitos investigados nesta atividade. Em todos eles o objetivo é encontrar a carga no capacitor e a diferença de tensão elétrica entre suas placas, uma vez que a partir destas informações outras propriedades podem ser investigadas.

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Quadro I: Circuitos de capacitores associados utilizados na atividade.

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## Resultados e Discussão

As atividades descritas foram efetuadas por um grupo de 33 alunos da disciplina de Física ministrada aos ingressantes no Curso de Ciência da Computação da Unioeste, Campus de Cascavel, e foram realizadas no primeiro semestre letivo de 2010. Após a realização das atividades foi apresentado aos estudantes um questionário de avaliação sobre o andamento da atividade. O objetivo do questionário era obter informações relativas a dois aspectos: a receptividade dos estudantes ao uso do simulador e a opinião dos alunos sobre o uso desta ferramenta como auxiliar ao processo de aprendizagem. O Quadro II apresenta o questionário apresentado aos alunos e as respostas obtidas. Os números expressos nas colunas de 1 a 5 indicam, em termos percentuais, a quantidade de respostas a cada afirmativa.

## Quadro II - Questionário apresentado e respostas obtidas (%).

Prezado (a) aluno (a)

Gostaríamos de saber sua opinião a respeito das atividades desenvolvidas com o simulador de circuitos do projeto PHET. Para tanto, solicitamos que responda o questionário a seguir, indicando o grau de concordância com as afirmações por meio da escolha de um número. Caso você discorde totalmente da afirmação

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assinale a coluna 1 mas se você concorde totalmente com a afirmação assinale a coluna 5 . Os números intermediários podem ser utilizados para diferentes graus de concordância, por exemplo: 2 para discordo parcialmente, 3 para indiferente e 4 para concordo parcialmente.

Na análise das respostas pode-se perceber a boa aceitação por parte da maioria dos alunos quanto à utilização do programa de simulação PHET na resolução de exercícios e na compreensão dos conceitos físicos, expressa pelo elevado percentual de respostas assinaladas nas assertivas 4 e 5 das afirmativas 1, 2 e 3. Também é importante ressaltar que grande parte dos estudantes concorda que os simuladores continuem sendo utilizados nas aulas de Física sobre circuitos elétricos (afirmativa 7) o que confirma a boa receptividade expressa anteriormente. As respostas dadas na afirmativa 6 chama a atenção: embora concordem que a simulação prévia do problema os auxilie na resolução e interpretação dos conceitos físicos abordados os alunos afirmam que, caso o a ferramenta de simulação não

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fosse utilizada, a resolução do problema proposto seria feita da mesma maneira e de forma independente. Na verdade, estas respostas refletem o tipo de abordagem essencialmente teórica que vem sendo feito tradicionalmente na disciplina (seja em nível superior ou nas escolas de ensino médio de onde estes alunos provêm) quando se estuda componentes de circuitos: os estudantes são treinados a resolver os problemas de circuitos de forma totalmente algébrica, com pouco ou nenhum contato com simulações ou experimentos. Por outro lado, os alunos concordam que a montagem do circuito no simulador facilita a interpretação do problema (afirmativa 1), da solução (afirmativa 2) e fornece base para a resolução algébrica do problema (afirmativas 3 e 4). As respostas dadas à afirmativa 5 merece maior atenção. Grande parte dos alunos assinalou como resposta a coluna 4 ou 5 indicando boa concordância com a afirmação de que o uso da ferramenta de simulação elucidou dúvidas conceituais sobre aspectos teóricos do conteúdo. Porém, a concordância parcial com a afirmação é muito maior com a concordância total. Além disso, ressalta-se que o nível concordância total coincide com o nível de indiferença. Os fatores que levaram a estes níveis de resposta não são claros e podem ter duas interpretações (não exclusivas). Uma causa técnica ligada à falta de familiaridade dos alunos com a ferramenta de simulação o que dificulta o uso de todas as funcionalidades disponíveis e a exploração adequada da ferramenta, e outra causa ligada ao processo de ensino/aprendizagem que os alunos vêm atravessando ao longo de sua trajetória escolar: os alunos são treinados a resolverem os problemas de forma teórica/algébrica com pouca ou nenhuma conexão com experimentos limitando-se a esta forma de 'aprendizagem' sem estímulo à criatividade e à exploração de suas próprias hipóteses e com a conseqüente produção de conhecimento.

Os resultados desta primeira experiência sugerem que os estudantes consideram o simulador como uma ferramenta auxiliar que pode ser utilizada durante o processo de aprendizado. Com isso a iniciativa deve ser estendida a outros tipos de circuitos elétricos e a outras turmas. Isto permitirá que a avaliação mais rigorosa sobre o uso dos simuladores possa ser efetuada.

- É importante ressaltar que o uso dos simuladores não deve substituir atividades experimentais em laboratório (na qual nas quais foram observadas dificuldades dos alunos em transpor os diagramas de circuitos para um circuito experimental real), mas ser usada como complemento tanto das aulas teóricas quanto das experimentais, constituindo uma importante ferramenta de apoio ao ensino e à aprendizagem.

## Conclusões

Este artigo apresenta o relato de uma experiência com o uso de simuladores para o ensino associações de capacitores. A iniciativa foi bem recebida pelos estudantes que se mostraram animados e motivados pelo uso de simulações computacionais como ferramenta auxiliar às aulas teórico/práticas para o estudo de circuitos. Embora as simulações possam ser utilizadas como suporte ao ensino teórico não deve substituir as atividades experimentais necessárias para a boa formação dos estudantes. Durante o segundo semestre letivo de 2010 outras atividades de simulações estão programadas, especificamente circuitos de resistores em corrente contínua. Além disso, está programada a extensão da

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iniciativa para disciplinas de outros cursos afetos a Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Unioeste de forma a obter melhor avaliação do impacto que a adoção desta ferramenta de suporte ao ensino sobre a aprendizagem.

## Agradecimentos

À Fundação Araucária pelo apoio financeiro através de bolsa de Iniciação Científica - PIBIC/Fundação Araucária/Ações Afirmativas

## Referências

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