Simulações Interativas no Ensino de Conceitos de Eletromagnetismo.

## SIMULAÇÕES INTERATIVAS NO ENSINO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO

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## Luciano Soares Pedroso 1 Mauro Sérgio Teixeira de Araújo

1 Universidade Cruzeiro do Sul/ Programa de Doutorado em Ensino de Ciências e Matemática/Fundação de Ensino Superior de Passos, luciano@paraisonet.com.br

2 Universidade Cruzeiro do Sul/ Programa de Doutorado em Ensino de Ciências e Matemática, CETEC, mstaraujo@uol.com.br

## Resumo

Neste trabalho desenvolvemos um hiperdocumento construído com software livre com a finalidade de apoiar o ensino e a aprendizagem de conceitos de eletromagnetismo no Ensino Médio. A pesquisa envolveu a elaboração, produção e validação de um hiperdocumento que contém simulações interativas produzidas com o software EASY JAVA SIMULATIONS, fundamentadas nas concepções de aprendizagem significativa de David Ausubel. Foram considerados também os princípios fundamentais que caracterizam a hipermídia enquanto linguagem que permite o acesso não-linear à informação e a apresentação desta com a utilização dos recursos gráficos, sonoros, interativos e de animação do computador, e ainda suas implicações para as práticas de ensino. Encontramos evidências de que a diversidade de elementos de mídia auxiliou os alunos na compreensão dos conceitos, fixação do conteúdo e interpretação dos fenômenos. Observamos ainda que o hiperdocumento estruturado nas concepções de aprendizagem significativa de Ausubel ajudou no desenvolvimento de subsunçores para apoiar a aprendizagem, tornando esses alunos participantes ativos na aquisição de informações e construção de novos conhecimentos.

Palavras-chave: Simulações, software EJS, ensino de eletromagnetismo.

## 1. Introdução

A educação em Ciências e em especial em Física em nossas escolas de educação básica apresenta características que ao longo do tempo muito pouco tem mudado. Predomina ainda o ensino desvinculado da realidade das pessoas, descontextualizado historicamente, pautado na memorização e ministrado em uma concepção tradicional, na qual o professor, na condição de 'sujeito do processo", em aulas expositivas, apresenta e explica os conteúdos. Geralmente o aluno não consegue resolver situações que lhe é apresentada, utilizando-se de conteúdos trabalhados na escola. Como conseqüência constata-se o desencanto pela Ciência, a sensação de inutilidade daquilo que fora estudado, o desinteresse e a decepção em perceber que a Ciência estudada nas aulas é divorciada da sua realidade.

Nesse contexto, aproximadamente nas duas últimas décadas, verifica-se no Brasil um avanço do uso da Internet e dos microcomputadores no ambiente educacional (MEDEIROS, 2002). Esses recursos apontaram inovadoras possibilidades aos processos de ensino e aprendizagem, propiciando aos professores a oportunidade de buscarem um novo modo de ensinar e às escolas de inovarem-se, rompendo velhas estruturas. Em relação ao ensino de Física, a Informática tem uma aplicação muito diversificada, sendo utilizada em processo de medidas, elaboração de gráficos, avaliações, apresentações, modelagens, animações, vídeos e simulações.

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Nossa compreensão sobre o processo de aprendizado do aluno fundamenta-se nas idéias de Ausubel (1980) que tem sido referenciada em muitos trabalhos que consideram a tecnologia da informação e comunicação (TIC) no ensino e aprendizagem, sobretudo no ensino de Física. Essa teoria é compreendida por vários autores entre as teorias construtivistas cognitivistas. Moreira (1999), por exemplo, considera que Ausubel é:

- '[...] um representante do cognitivismo e, como tal, propõe uma explicação teórica do processo de aprendizagem, segundo o ponto de vista cognitivo, embora reconheça a importância da experiência afetiva. Para ele, aprendizagem significa organização e integração do material na estrutura cognitiva. Como outros teóricos do cognitivismo, ele se baseia na premissa de que existe uma estrutura na qual essa organização e integração se processam.' (Moreira, 1999, p. 152).

De fato, para Ausubel (1980) o envolvimento do aluno no processo de aprendizagem demanda que este assuma um papel ativo, sua motivação para a investigação, exploração e compartilhamento de suas descobertas, procurando assim a construção significativa de seu conhecimento. Portanto, para o autor, aprendizagem significativa é um processo no qual uma nova informação é entrelaçada a um ponto relevante na estrutura cognitiva do aluno. A estrutura cognitiva para Ausubel (1980) é o conteúdo informacional organizado e armazenado por um aluno. Nesse sentido podemos supor que certo conteúdo previamente armazenado sobre o conceito de eletromagnetismo a ser trabalhado representará uma forte influência no processo de aprendizagem de um aluno, sendo necessárias três condições para objetivação da aprendizagem significativa, apresentadas em seguida:

- a) A predisposição do aprendiz para o relacionamento com o conteúdo apresentado. É nesse ponto que cabe ao professor buscar novas alternativas ao seu método de ensino, levando para a sala de aula atividades, exercícios e avaliações relevantes e que contemplem habilidades e competências interligadas ao mundo real despertando, assim, o interesse do aluno.
- b) A ocorrência de um conteúdo mínimo na estrutura cognitiva do aluno. Nesse caso, o professor deve identificar os organizadores prévios faltantes para a compreensão de determinado assunto e disponibilizá-los, para que o aluno consiga fazer todas as relações necessárias ao entendimento do conteúdo.
- c) O material a ser utilizado deve ser potencialmente significativo. Aqui, cabe ao professor organizar o material de modo a torná-lo significativo e incluir materiais e informações anteriores que sirvam de organizadores prévios.

Acreditamos, contudo, que o uso de outros recursos mediadores da aprendizagem é fundamental neste processo de aquisição de conceitos, principalmente das aulas experimentais no ensino de Física (HOSOUME, 1997). A partir da década de 90, com a popularização do uso do computador nos ambientes de trabalho, nas residências e também no ambiente escolar, diversos estudos têm sido feitos sobre a importância do uso da informática no ensino em geral e, principalmente, o uso das simulações no ensino de Física. Para Tavares e Santos (2003):

As animações interativas, construídas a partir da modelagem de situações físicas de interesse pedagógico, tem se mostrado adequadas para introduzir

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o estudante em conteúdos nos quais ele não está familiarizado. Pode-se criar uma representação real ou ideacional de um fenômeno físico, apresentar aos estudantes as características do fenômeno para a observação, além de serem sensíveis aos critérios individuais, onde o aprendiz pode agir na modificação das condições iniciais e observar as respostas, relacionar grandezas e outros atributos pertinentes ao fenômeno físico. (TAVARES e SANTOS, 2003, p. 134).

## Para Araujo e Veit (2004):

... as simulações computacionais com objetivos pedagógicos dão suporte a atividades exploratórias caracterizadas pela observação, análise e interação do sujeito com modelos já construídos. 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)

Em nossa proposta, desenvolvemos simulações envolvendo conceitos de eletromagnetismo que podem ser utilizados em sala de aula como complementação pedagógica à prática do professor, visando proporcionar uma aprendizagem significativa. Partindo da hipótese que as simulações podem provocar mudanças conceituais no aluno, possibilitando-lhe a evolução do senso comum para um conhecimento mais estruturado, desenvolvemos quatro simulações sobre a lei de Faraday e a lei de Lenz. Entendemos que os resultados da pesquisa possam servir de referência para a utilização de outras simulações, outros softwares e outros temas da Física. Ainda, em relação às simulações, Medeiros & Medeiros (2002) propõem que:

Qualquer simulação está 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 pressupõe, necessariamente, a existência de um modelo que lhe dá suporte e que lhe confere significado. As simulações podem ser vistas como representações ou modelagens de objetos específicos reais ou imaginários, de sistemas ou fenômenos. (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002, p. 79)

Em nossa pesquisa, convidamos um grupo de 32 alunos da 3ª serie do Ensino Médio do Colégio Paula Frassinetti de São Sebastião do Paraíso/MG, que ainda não tinham estudado curricularmente o assunto a ser trabalhado e também não conheciam os testes e as simulações propostas. Estes alunos estudam no matutino, são em sua maioria de classe média e possuem uma carga horária de quatro aulas semanais de Física.

Na fase inicial do projeto, verificamos que colocar os alunos frente a uma simulação, sem um roteiro de orientação não gerava resultado significativo na maioria dos alunos, pois eles rapidamente se cansavam ou ficavam dispersos. Esta observação fortaleceu nossa visão de que o uso das simulações não pode ser livre, levando o aluno a percebê-la como um jogo, com tentativas e erros aleatórios. Esse motivo levou-nos a caracterizar o uso das simulações acompanhadas de um roteiro ou guia que direcione o uso da simulação, esclareça a concepção de educação adotada e, ainda, indique qual relação o aluno estabelecerá com o recurso da

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informática. Assim, sugerimos a elaboração de guias de simulação para uso didático de software.

O ensino do conteúdo referente ao eletromagnetismo apresenta um grau de dificuldade muito grande, pois os alunos costumam misturar conceitos, associando grandezas mesmo quando uma não interfere na outra, usando uma grandeza no lugar de outra e, também, porque as situações que envolvem esse tema são muitas vezes difíceis de serem demonstradas em aulas experimentais.

Desse modo, a pesquisa realizada tem como objetivo determinar se o uso de simulações que envolvem o estudo de Eletromagnetismo é capaz de provocar mudanças conceituais nos alunos, permitindo-lhes a construção de uma aprendizagem significativa.

## 2. Descrição do trabalho desenvolvido

## 2.1. O Software, as Simulações e o Modelo Inspirador

Utilizamos o software Easy Java Simulations em função de seus inúmeros recursos que permitem construir simulações que se aproximam de um modelo físico e com alto grau de interatividade. Embora com esse software o usuário possa criar suas simulações, optamos por solicitar aos alunos que interagissem com simulações previamente elaboradas e com roteiro adequado ao conteúdo em questão. Isto porque o intuito da pesquisa é avaliar a capacidade que essas simulações têm de provocar mudanças conceituais no aluno e, nesse sentido, os estudantes escolhidos não haviam tido, até então, contato com o conhecimento formal a respeito do Eletromagnetismo e de suas leis. Uma utilização mais ampla do software exigiria este domínio prévio, fazendo parte de outra pesquisa sobre a utilização de softwares no ensino de Física.

Optamos pelo Eletromagnetismo pela necessidade de delimitar um conteúdo e pela facilidade de encontrarmos situações do cotidiano que poderiam servir de estímulo a este estudo. Para a elaboração das simulações, em função da análise realizada sobre o livro do GREF (1998), optamos pela sua utilização exaustiva como modelo inspirador de proposta de ensino-aprendizagem complementada com recursos pedagógicos alternativos. Os recursos de texto e simulações foram inspirados no livro do aluno sobre Eletromagnetismo (GREF - Leituras de Física páginas 53 a 76) conforme ilustrados no quadro apresentado a seguir:

Quadro 01: Figuras do GREF inspiradoras das simulações.

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Durante o uso das simulações elaboradas neste trabalho, o aluno se deparava com telas do seguinte tipo:

Figura 1 -Experimento de Oersted.

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A simulação representada pela figura 1 possui um alto grau de iconicidade e possibilita a verificação do sentido do campo magnético gerado ao redor do fio. Ao inverter o sentido da corrente gerada pela pilha, o aluno observa a bússola indicando a inversão do sentido do campo magnético.

Já na figura 2 apresentamos a lei de Faraday e Lenz onde o aluno pode aproximar o ímã da bobina e verificar a proporcionalidade quanto ao número de espiras, velocidade de aproximação ou afastamento do ímã e a indicação do amperímetro, bem como o surgimento de linhas de indução do campo magnético opondo-se ao campo magnético do ímã, além da possibilidade de variação do número de espiras e a troca do galvanômetro por uma lâmpada.

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Figura 2 -Lei de Faraday-Lenz.

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## 2.2 Roteiro de utilização do software

No roteiro de utilização da simulação, reservamos alguns minutos para que o aluno explorasse livremente as simulações e se familiarizassem com os principais comandos. Após esse processo de familiarização, o aluno deveria seguir rigorosamente as instruções contidas nos roteiros.

## 2.3 Aplicação da Proposta

- O desenvolvimento da pesquisa se deu aplicando-se inicialmente ao grupo de alunos selecionados um pré-teste (L1) em sala de aula, durante 50 minutos. A seguir, no laboratório de informática, com a ajuda de um roteiro previamente elaborado, durante 100 minutos os alunos trabalharam individualmente e puderam interagir com as simulações. A terceira etapa ocorreu na semana seguinte e contemplou a aplicação do pós-teste (L2) e também teve a duração de 50 minutos.

Como as respostas dadas ao pré-teste e ao pós-teste continham justificativas, julgamos importante ao invés de simplesmente classificá-las como corretas ou incorretas, proceder a uma análise de conteúdo conforme pressupõe Bardin (1992).

Segundo a autora, há três etapas básicas nos trabalho com a análise de conteúdo:

- 1 - A pré-análise: a organização do material, quer dizer de todos os materiais que serão utilizados para a coleta dos dados, assim como também outros materiais que podem ajudar a entender melhor o fenômeno e fixar o que a autora define como corpus da investigação, que seria a especificação do campo que o pesquisador deve centrar a atenção.
- 2 - A descrição analítica: nesta etapa o material reunido que constitui o corpus da pesquisa é mais bem aprofundado, sendo orientado em princípio pelas hipóteses e pelo referencial teórico, surgindo desta análise quadros de referências, buscando sínteses coincidentes e divergentes de idéias.
- 3 - Interpretação referencial: é a fase de análise propriamente dita. A reflexão, a intuição, com embasamento em materiais empíricos, estabelecem relações com a realidade aprofundando as conexões das idéias, chegando se possível à proposta básica de transformações nos limites das estruturas específicas e gerais. É onde o pesquisador apoiado nos resultados brutos procura torná-los significativos e válidos.

## 3. Resultados obtidos

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Na apresentação dos resultados, faremos uma análise comparativa dos levantamentos conceituais, realizados antes e depois da manipulação das simulações pelo aluno, procurando articular os resultados com o referencial teórico. Embora nosso trabalho de pesquisa não se restrinja à investigação quantitativa da aprendizagem, considera os resultados dos escores para perceber se as simulações produzidas com o software EJS possibilitaram uma evolução conceitual de eletromagnetismo segundo os preceitos da Aprendizagem Significativa de Ausubel.

Procedemos a um estudo pormenorizado das respostas dos alunos, nesse trabalho, em apenas duas das nove questões propostas, buscando inferir a partir de suas considerações dimensões e categorias de análise. As respostas foram classificadas em duas dimensões: na primeira, focalizamos a relação entre as grandezas físicas, enquanto que na segunda dimensão nos concentramos na análise conceitual das respostas.

As respostas dos alunos foram agrupadas em categorias de síntese sendo que a identificação 'L1Q2A3' significa a resposta do aluno 3 à questão 2 no préteste e 'L2Q2A3' significa a resposta do aluno 3 à questão 2 no pós-teste.

## 3.1 Análise dos gráficos com respostas dos alunos

Questão 1: Um imã foi fixado em uma folha de papel sobre uma mesa conforme mostra a figura a seguir. Imagine que foi solicitado que você aproximasse uma bússola apoiada na folha de papel em várias posições em torno do imã, tracejadas na figura. Desenhe a agulha da bússola nas várias posições indicadas na figura.

Figura 3 : Questão proposta pelo GREF . Fonte: GREF: Eletromagnetismo. (2005, p. 158)

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Figura 4: Direção e sentido do campo magnético criado ao redor de um ímã.

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Notamos, pela figura 4, que houve uma melhora substancial nas respostas dos alunos, pois no L1 90% desses alunos analisaram a questão proposta levando

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em consideração o campo elétrico gerado ao redor de uma carga. Já na figura 6 do L2Q6A8, percebemos que o aluno, para responder a questão, traçou as linhas de campo magnético do ímã e depois posicionou corretamente a bússola. A melhora significativa observada nessa resposta deve-se à simulação demonstrada na figura 7. As figuras 5 e 6 representam o desenho de um aluno nos dois levantamentos bem como uma das simulações disponíveis durante a aplicação do material. Observa-se claramente que o aluno desenhou, em L1, considerando o conceito de campo elétrico e que em L2 passou a observar o campo magnético!

Figura 5: L1Q6A8

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Figura 6: L2Q6A8Figura 7: Simulação que demonstra as linhas de indução do ímã.

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Na simulação representada pela figura acima, realizada após o L1, o aluno pode manipular virtualmente uma bússola nas proximidades do ímã, verificando o sentido e a direção do campo magnético.

Questão 2: Na experiência montada a seguir, o fio de um circuito passa sobre a agulha de uma bússola. Com a chave C aberta, a agulha alinha-se como mostra a figura 1. Fechando-se a chave C, a agulha da bússola assume nova posição (figura 2).

Figura 8: Fio e bússola: figura 1 com chave aberta e figura 2 com chave fechada.

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Como você explicaria esse movimento da agulha da bússola a partir da corrente elétrica estabelecida no circuito?

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Figura 8: Corrente elétrica gerando campo magnético.

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Podemos inferir das respostas dos alunos que a utilização das simulações trouxe benefícios para o entendimento sobre a descoberta feita por Oersted em 1820. Ao serem empregados para melhorar a atenção, apoiar o raciocínio e auxiliar a visualização e interpretação de fenômenos, os elementos desse tipo de mídia colaboram para a ocorrência de aprendizagem significativa por tenderem a estimular o estabelecimento de relações intencionais entre os conceitos a serem assimilados e a estrutura cognitiva do aluno. Algumas respostas dadas pelos alunos são reproduzidas a seguir:

'Quando a chave C está aberta passa por ela uma corrente elétrica onde os elétrons se alinham, já com a chave fechada os e- (elétrons) vão se movimentar.' (L1Q7A12)

'A agulha se movimenta por que com a chave C fechada haverá uma passagem de corrente elétrica gerando um campo magnético e a agulha ficará de acordo com os vetores desse campo.' (L2Q7A12)

'A agulha se movimenta de acordo com o campo magnético quando se fecha a chave.' (L2Q7A13)

Figura 9: Simulação da primeira experiência de Oersted.

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A simulação representada pela figura acima possui um alto grau de iconicidade e possibilita a verificação do sentido do campo magnético gerado ao redor do fio. Ao inverter o sentido da corrente gerada pela pilha, o aluno observa a bússola indicando a inversão do sentido do campo magnético.

A qualidade das respostas dadas a essa questão, no L2, demonstra que a iconicidade e a interatividade conduzem os alunos a uma aprendizagem significativa.

## 4. Conclusões

Em nosso trabalho propomos estratégias que possibilitassem a utilização de um software livre como ferramenta para a promoção da aprendizagem significativa de conceitos de eletromagnetismo. Confirmamos o que a literatura defende no que diz respeito à importância dos conceitos prévios do aluno para a realização do

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processo ensino-aprendizagem de forma significativa a partir de conjunto de situações-problema exploradas via simulação de modelos, ambientados em páginas HTML.

A utilização das simulações com alto grau de interatividade, como aquelas demonstradas no quadro 1, e ambientadas em arquivo HTML mostrou-se como um viés metodológico adequado para operacionalização das atividades de sondagem, investigação e construção de conceitos.

Nas condições em que foi feita a pesquisa percebemos que o domínio conceitual e capacidade de aplicação ou abstração dos conceitos dos alunos em situações diversas não coexistem no mesmo nível cognitivo, mas que são complementares, pois diante da constatação dos índices dos escores obtidos nos dois levantamentos, considerando as nove questões, tendem a refletir um baixo ganho conceitual desses alunos quando o aspecto focado é o percentual de 'respostas certas' no L2 em relação ao L1. Contudo, se o foco passar a ser a comparação qualitativa dos domínios conceituais expressos pelas qualidades das respostas antes e depois da manipulação do material, passa-se a notar uma melhora relativa mais significativa, isto é, mais facilmente percebida.

## 5. Referências

ARAÚJO, Ives Solano; VEIT, Eliana Angela. Uma Revisão da literatura sobre Estudos Relativos a Tecnologias Computacionais no Ensino de Física. Revista ABRAPEC , v. 4, n.3, p. 5-18, maio/ago. 2004.

AUSUBEL, David Paul; NOVAK, Joseph Donald; HANESIAN, Helen. Psicologia Educacional . Rio de Janeiro: Editora Interamericana,1980.

BARDIN, Laurence. Análise de Conteúdo . Lisboa: Edições 70, 2000.

GREF. Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Física 3: Eletromagnetismo . São Paulo: EDUSP, 2005.

GREF. Grupo de Reelaboração do Ensino de Física . Leituras de Física: Eletromagnetismo . Instituto de Física - USP, 1998. Disponível em: &lt;http://www.bibvirt.futuro.usp.br/textos/exatas/fisica/gref/gref\_index.html&gt; Acesso em 25 jun. 2010.

HOSOUME, Yassuko; TOSCANO, Carlos; MARTINS, Junior. Eletromagnetismo GREF: novas formas e conteúdos. In: XII SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 12. Belo Horizonte, Anais... , São Paulo: SBF, 1997.

MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide. Questões Epistemológicas nas iconicidades de representações visuais em livros didáticos de Física. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências . v. 1, n. 1, p. 103-117, jun. 2001.

MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide. Possibilidades e limitações das Simulações Computacionais no Ensino de Física. Revista Brasileira do Ensino de Física , São Paulo, v. 24, n. 2, p. 77-86, Jun., 2002.

MOREIRA, Marco Antonio. Aprendizagem significativa . Brasília: Editora UnB, 1999.

TAVARES, Romero; SANTOS, José Nazareno. Organizador prévio e animação interativa. In: INTERNATIONAL MEETING ON MEANINGFUL LEARNING MARAGOGI, 4, 2003, Alagoas. Anais… , Alagoas: UFPB, 2003.

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