O uso da Informática na análise quantitativa de movimentos: uma atividade para alunos do ensino médio

## O Uso da Informática na Análise Quantitativa de Movimentos: Uma Atividade para Alunos do Ensino Médio

Schiel, Dietrich a

Guerrini, I. M.

b

Magalhães, M.G.M. c

Marega Jr., E.

d

a CDCC – USP – São Carlos e IFSC - USP - São Carlos b CDCC - USP – – São Carlos c UNESP - Rio Claro e IFSC - USP d d
IFSC - USP

## 1- Introdução

Este projeto está sendo desenvolvido por alunos e professores de quatro escolas públicas da região de São Carlos, sob a orientação da equipe do CDCC (Centro de Divulgação Científica e Cultural) - USP - São Carlos, promovendo as habilidades necessárias para desenvolver novas tecnologias na sala de aula [1]. As escolas parceiras participantes são: EE Cândido Portinari - Batatais; EE Tomas Watelly - Ribeirão Preto; EE Álvaro Guião - São Carlos e EE Juliano Netto - São Carlos.

A análise quantitativa de movimentos reais e dos obtidos em m laboratório é realizada utilizando o software SAM (Sistema de Análise Digital de Movimentos), desenvolvido pelo bolsista do CDCC, Edson Minatel (1998/99) no projeto Educadi, financiado pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), envolvendo os conceitos de mecânica gráfica (http://educar.sc.usp.br/fisica/fisica.html). É utilizada a linguagem m LOGO para simumular os movimentos filmados.

O compmputador na sala de aula pode ser uma ferramenta cognitiva para o aluno, criando-se um m ambmbiente de aprendizagem, tal que neste ambmbiente os alunos possam desenvolver habilidades em m um m contexto que fafaça parte da sua vida real [3], que haja aprendizagem m colaborativa [4], ativa, facilitada, e os alunos possam m construir a sua interpretação do mumundo real, interiorizando os conhecimentos e organizando-os.

A proposta desta pesquisa é verificar se o software educacional em m geral e o software SAM M em m particular estão sendo utilizados como uma ferramenta cognitiva para facilitar, motivar e ajudar o aluno na construção do seu conhecimento e a aprendizagem m da Linguagem LOGO para simumular os movimentos em m estudo, criando o ambmbiente de aprendizagem m descrito anteriormente.

## 2- Fundamentação Teórica

## 2.1 - Teorias de Aprendizagem

Duas teorias se destacam m como básicas para o desenvolvimento, seleção e uso do compmputador na educação [5]: uma com m base behaviorista e outra com m base construtivista.

Na visão behaviorista, o professor é visto como manipulador do ambmbiente de aprendizagem. As aulas são planejadas passo a passo, tal que haja estímumulo - resposta e reforço para atingir um m objetivo. A modificação do compmportamento do aluno é através do condicionamento. O ambmbiente de aprendizagem é estruturado rigidamente para que o aluno possa ser moldado para adquirir mumudanças desejáveis (aprendizagem). O aluno é um m receptor de conhecimento e o professor o transmissor.

Em m contraste à visão behaviorista, a visão construtivista vê a educação como inseparável da vida real. O papel do profefessor é monitorar o crescimento cognitivo e o amadurecimento do aluno, contribuindo para a construção pessoal do aluno [6]. De acordo com m Simon [7] a aprendizagem m construtivista é necessariamente ativa (desenvolvida com m base na experiência), acumumulativa, integrativa, reflexiva e os aprendizes determinam m os objetivos da aprendizagem .

- O aluno desenvolve a sua própria imagem m e usa isto para construir novo conhecimento, fundamentado no seu conhecimento anterior e habilidades [8]. A aprendizagem, segundo Kosman [9], é um m processo ativo e construtivo por meio do qual o aprendiz gerencia os recursos cognitivos disponíveis para criar um m novo conhecimento extraindo informações do ambmbiente.

Numa abordagem m piagetiana, a escola não apresenta desafios mais ampmplos ao aluno, pois o estágio diagnosticado e estabelecido corresponde à sua potencialidade de aprendizagem já determinado pelas características de seu estágio de desenvolvimento. Numa visão vygotskiana, levando em m consideração o conceito de zona proximal, a escola deve sempmpre oferecer ao aluno desafios variados pois o seu desenvolvimento não é estático, mensurável e nem m universal; está sempmpre em m um m processo dinâmico em m direção ao desenvolvimento das potencialidades individuais através da colaboração entre pares e dentro de um m contexto que permita a construção de conhecimentos [10].

Nesta visão a aprendizagem m é localizada, isto é, precisa estar situada em m um m contexto rico, refletindo o mumundo real. É tambmbém m colaborativa no sentido de promover colaboração com m outros para mostrar perspectivas múmúltiplas de um m problema particular ao chegar a posições individuais [11].

## 2.2- O Uso do Computador no Processo Ensino/Aprendizagem

A aprendizagem m usando o compmputador, apresenta dois enfoques [12]: aprendendo do compmputador (ferramentas produtivas) e aprendendo com m o compmputador (ferramentas mentais).

## ¾ A Aprendendo do computador

- O compmputador é programado para o aluno adquirir conhecimentos ou habilidades préestabelecidas. Neste caso o compmputador está sendo usado como uma ferramenta produtiva, auxiliando o aluno a realizar uma tarefa, tornando-o mais produtivo.

Como exempmplo, temos:

- - Exercício e prática (drill and practice): mumuito usado nos anos 70 e 80 e ainda hoje, incorporava a visão behaviorista de Skinner de reforço de associações de estímumulo e resposta.

Os aprendizes resolviam m os problemas, entravam m com m as respostas e já tinham m uma realimentação da acuracidade da sua resposta, promovendo uma automaticidade. Ainda hoje este tipo de programa é usado para aprender línguas, memorizar informações, cursos na empmpresas, aprender compmputação e outros.

- - Tutorial: este programa tem m como finalidade responder às diferenças individuais na aprendizagem, fornecendo instrução de reforço, quando os alunos respondem m incorretamente. A limitação dos tutoriais é que os alunos adquirem m um m conhecimento pronto.
- -Sistemas Tutoriais Inteligentes (TI): desenvolvidos nos anos 80 e 90 por pesquisadores de Inteligência Artificial (IA) para ensinar a resolver problemas e adquirir conhecimento. O que é acrescentado ao Tutorial são modelos especialistas que descrevem m o raciocínio ou estratégias que um m especialista usaria para resolver um m problema.

## ¾ A Aprendendo com o computador

- O compmputador pode ser utilizado como uma ferramenta auxiliar na aprendizagem . Através de ferramentas mentais (mindtools) ou cognitivas, o aprendiz dentro de um m contexto real constrói seu conhecimento de uma forma intelectual (crítico, criativo, e pensamento de alta ordem) e social (cooperação). Estas ferramentas, mentais ou cognitivas são consideradas parceiras intelectuais porque melhoram m a capacidade de pensar do aluno ao contrário de ferramentas produtivas que só melhoram m a produção do aluno.

As ferramentas cognitivas que podem m ser usadas no processo de ensino/aprendizagem via compmputador são: planilhas, banco de dados, e-mail, Web, fórum m de discussão, programação de compmputador, hipermídia, hipertexto, e ambmbientes de aprendizagem envolvendo várias ferramentas. O autor apresenta várias ferramentas que, em m grau maior ou menor podem m ser usadas.

Um m ambmbiente de aprendizagem m pode ser criado, utilizando os recursos já citados anteriormente e mais: software que simumula o mumundo real fornecendo aos alunos uma experiência direta, envolvendo-os como aprendizes ativos e podendo fazer hipóteses e observar os efeitos destas hipóteses [13]. Outro recurso que pode ser utilizado é a aprendizagem m de uma linguagem m de compmputador como a linguagem m LOGO que é uma linguagem m de programação interativa para todas as idades com m recursos poderosos tais como métodos, recursão e a manipulação de programas como dados, fornecendo um m ambmbiente de programação interativo [14] [15].

## 3- Metodologia

Os movimentos reais ou os obtidos no laboratório (figuras 5 a 9) são filmados pelos alunos com m uma câmera de vídeo para registro do movimento e após a captura da imagem para o compmputador, utiliza-se o softftware SAM para a análise quantitativa deste movimento. Estas imagens podem m tambmbém m ser capturadas da televisão como mostra a figura 8.

Os movimentos filmados são os do cotidiano e os simumulados no laboratório tais como: m ovimento de um m carro na rua, movimento de uma pessoa andando, movimento de uma bola em m um m jogo de futebol, vôlei, tênis, ping-pong, movimento de uma bola em m queda livre, m ovimento de um m projétil, movimento de um m pêndulo e outros.

Utilizando o software SAM, o arquivo do filme com m extensão avi é mostrado quadro a quadro e os alunos podem m obter os dados referentes à posição do objeto, assinalando estas posições com m o "marcador" e medindo a distância com m uma "régua virtual". O intervalo de tempmpo entre um m quadro e outro é mostrado no próprio software. Sendo a captura, por exempmplo, realizada a 30 quadros/s, o tempmpo entre um m quadro e outro será 1/30 s.

Ao analisarem m as medidas quantitativas dos movimentos, os alunos, sob a orientação dos professores, vão descobrindo quando que um m movimento é acelerado ou não, unidimensional ou bidimensional, qual o tipo de trajetória (retilínea, circular ou parabólica).

Com m os valores dos parâmetros calculados (espaço, tempmpo, velocidade, aceleração e outros), os alunos preenchem m uma tabela on-line, programada em m linguagem m Perl (Practical Extraction and Report Language), que faz com m que os valores incorretos apareçam m vermelhos, dando oportunidade para os alunos corrigirem m estes valores. Simumultaneamente esta tabela é enviada ao professor distante (da equipe do CDCC), que discute, através de e-mail, os valores físicos encontrados.

Estamos na etapa do projeto onde os alunos aprendem m a programar estes movimentos em m linguagem m LOGO e a executar o programa sobre a imagem m bmp mp com m estrobo (figura 1) ou com m as posições assinaladas, obtida no SAM [16].

Figura 1 - Trajetória da "tartaruga" no LOGO (em m cinza) aproximadamente coincidente com m a trajetória da bola (em m preto)

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Para que os alunos do ensino médio possam m apreender os conceitos de onda, compmprimento de onda, freqüência e fazer analogia com m os conceitos de ótica geométrica (lentes, espelhos), foi realizado o estudo das ondas [2] em m uma cuba de onda utilizando o software SAM (figura 6). Novas imagens e inovações gráficas foram m obtidas como parte dos resultados do projeto formando um m Banco de Imagens para que alunos e professores que não possuam m equipamentos necessários possam m usufrfruir destas imagens, bem m como, para que outros alunos e professores possam m compmpartilhar r de suas experiências proporcionando uma atividade colaborativa.

## a) Capacitação dos professores

Como uma das propostas do projeto é a divulgação para professores da rede pública, portanto foram m realizados dois mini-cursos dentro do Programa ProCiências/FAPESP (Fundação de Ampmparo à Pesquisa do Estado de São Paulo), para a capacitação dos professores da rede: um m para catorze professores da região de São Carlos (figura 2), ministrado em m 1999 no CDCC (Centro de Divulgação Científica e Cultural); e outro para vinte e seis professores de São Paulo (figura 3), ministrado em m 2001 na PUC (Pontifícia Universidade Católica).

Figura 3 - Mini-curso para 26 professores da região de São Paulo.PUC - SP - ProCiências/FAPESP - Setembmbro/2001.

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Figura 2 - Mini-curso para professores da região de São Carlos. CDCC - USP - ProCiências/FAPESP - Julho/1999.

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Além m da divulgação do projeto, os professores fizeram m uma avaliação do mesmo, fornecendo uma re-alimentação para o projeto.

## b) Mini-curso para alunos do ensino público

Foi tambmbém m ministrado um m mini-curso para seis alunos da escola pública (figura 4) nas férias escolares em m 2001, no CDCC/USP, para verificar presencialmente as dificuldades que os alunos poderiam m ter na aplicação do projeto na sala de aula. Evidentemente os professores bolsistas durante o ano de 2001 puderam m avaliar com m mais elementos a impmplantação do projeto.

Figura 4- Mini-curso para alunos do ensino público. CDCC - USP - fevereiro/2001.

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## c) Banco de Imagens

As filmagens de diferentes movimentos elaboradas pelos professores e alunos das escolas públicas e pela equipe do CDCC estão armazenadas em m um m Banco de Imagens. A finalidade deste Banco de Imagens é a de compmpartilhar experiências entre alunos e professores de diferentes localidades proporcionando uma atividade colaborativa, bem m como, facilitar o acesso a estas imagens aos alunos e professores que não possuem m equipamentos necessários para a realização das filmagens. Com m o Banco de Imagens é possível utilizar o software SAM compmpartilhando imagens entre alunos e entre professores.

São partes integrantes do Banco de Imagens as figuras 5 a 9 exibidas abaixo. O Banco de Imagens está disponível na Internet, no site do SAM [16]. Neste site tambmbém m são encontrados os manuais do software SAM e da câmera de vídeo, a fundamentação teórica, os programas dos movimentos em m linguagem m LOGO, os roteiros experimentais e as tabelas online .

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Figura 5 - Movimento de uma pessoa andando na

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rua.

Figura 7 - L Looping.

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Figura 6 - Medidas - cuba de ondas.Figura 8 - L Looping g - estrobo.

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Figura 9 - Movimento de uma bola de futebol

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## 4- Avaliação do projeto

- O projeto está em m avaliação contínua elaborada a partir de Magalhães [17] onde foram aplicados métodos de avaliação quantitativos - através de questões fechadas - e qualitativos através de questões abertas. Na análise dos dados quantitativos fofoi utilizada a escala Likert de 5 pontos, onde 1 - Muito Fraco, 2 - Fraco, 3 - Médio, 4 - Bom m e 5 - Muito Bom m [17]. As avaliações realizadas no decorrer do projeto foram m as seguintes:
- a) Avaliação diagnóstica dos alunos das escolas públicas para levantar as concepções espontâneas dos alunos de espaço, tempmpo, velocidade e dos pré-requisitos de matemática necessários para o desenvolvimento do conteúdo.
- b) Avaliação do projeto pelos professores dos mini-cursos.
- c) Avaliação formativa dos alunos e dos profefessores das escolas públicas participantes, relacionada à utilização do software em m sala de aula, dificuldades apresentadas, apreensão dos conceitos científicos dos alunos e outros.

## 5. Análise dos resultados

- a) A avaliação diagnóstica mostrou que os alunos apresentam m falta de pré - requisitos em m matemática.
- b) Dificuldades para acessar a Internet e poucos compmputadores nas escolas.
- c) O ambmbiente de aprendizagem m utilizando o software, considerando as atividades desenvolvidas pelos professores nas escolas públicas participantes, foi avaliado parcialmente, e foi observado que o aluno fica motivado, procurando interpretar o mu mundo real porque os movimentos analisados fazem m parte do seu cotidiano, facilitando a aprendizagem m das concepções científicas [18], indicando que o software pode ser uma ferramenta cognitiva para o aluno.
- d) A figura 10 mostra dados quantitativos obtidos durante a Avaliação Formativa do Curso utilizando o SAM para 33 alunos da E.E. Tomas Whately de Ribeirão Preto-SP [19].

## Exemplo:

Vbola/cam

po

=Vbola/câm

era

+Vcâmera/cam

po

=

= 6,95 / (4/15) + 0,68 / (4/15)

V bola/cam po ~ 26,0 m/s = 96,0 km/h

Figura 10 - Avaliação do Uso do Software SAM pelos alunos da E.E. Tomas Whately, Ribeirão Preto-SP [19].

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- e) Os dados qualitativos obtidos da Avaliação do Software SAM pelos professores das escolas públicas mostraram m que, para os quatro professores das escolas públicas, além m do software possibilitar o estudo de situações do cotidiano do aluno facilitando a aprendizagem, sentiram-se entusiasmados com m a captura de imagens e o recurso de estrobo permitido pelo SAM. A figura 11 mostra os resultados quantitativos obtidos na mesma avaliação, onde 1- Muito Fraco, 2 Fraco, 3 - Médio, 4 - Bom m e 5 - Muito Bom m [20].

Figura 11 - Avaliação do Software SAM pelos 4 p professores participantes do projeto, no ano de 2001 [20].

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- f) Os dados qualitativos obtidos na Avaliação aplicada no mini-curso do SAM mostraram m que os professores da região de São Paulo, participantes do Programa ProCiências-FAPESP, acharam m que seria necessário mais tempmpo para o minicurso. Com m relação ao SAM, gostaram m de suas ferramentas e do fato de trabalhar com m imagens reais. A fifigura 12 exibe os dados quantitativos sobre o Softftware SAM obtidos de 12 questionários respondidos durante a Avaliação aplicada no m ini-curso do SAM, ministrado para 26 professores da região de São Paulo participantes do Programa ProCiências, nas dependências da PUC/SP, onde 1 Muito Fraco, 2 - Fraco, 3 - Médio, 4 - Bom m e 5 - Muito Bom m [21].

Figura 12 - Avaliação do Software SAM pelos professores da região de São Paulo participantes do Programa ProCiências-FAPESP [21].

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## Agradecimentos

Agradecemos aos professores bolsistas da Rede de Ensino Público participantes do Projeto: Marco Aurélio Pillegi de Souza, Pedro Antonio Jucosky, José Alexandre Machado e Maria Fernanda do Carmo Gurgel; ao apoio da FAPESP e à equipe do CDCC.

## Referências Bibliográficas

- [1] Glennan, T. K. &amp; Melmed A. F Fostering the Use of Educational Technology: Elements of a National Strategy. RAND, Santa Monica, CA (1996).
- [2] Physical Science Committee (PSSC). Física Parte II. I. Livros Técnicos e Científicos (1965).
- [3] Hewit, J.; Brett C. &amp; Scardamaglia, M. Design Principles for Support of Distributed Processes. Available on the WWW at: httptp://csile.oise.on.ca/abstracts/distributed/
- [4] Khan, B. H., ed. Web-Based Instruction. Educational Tecnology Publications, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1997).
- [5] Forcier, R. C. The Computer as Educational Tool - Productivity in Problem Resolving . Prentice Hall, inc. 2 nd ed. (1999).
- [6] Villani, A. &amp; Pacca, J.L.A. Construtivismo, Conhecimento Científico e Habilidade Didática no Ensino de Ciências. Rev. Fac. de Educ. 23 (1-2) (1997).
- [7] Simon, P. R. J. Construtive Learning: The Role of the learner. In: Duffy, T. M., Perry, D. J. (Eds). Constructivism m and The Tecnology of Instruction - A Conversation. (1993).
- [8] Duffy, T. M. &amp; Jonassen, D. H. (ed.) Constructivism m and the Tecnology of Instruction . Lawrence Erlbaum m Associates Publishers, Hillsdale (1992).
- [9] Kosman, R. B. L Learning with Media. Review of Educational Research, 61 (2) (1991).
- [10] Lucena, M. Teoria Histórico-Sócio-Cultural de Vygostky e sua aplicação na área de tecnologia educacional. Tecnologia Educacional. 26 (141) (1998).
- [11] Duffy, T. M. &amp; Cunningham , D. J. Constructivism m Impmplications for the Design and Delivered of Instruction. In: Jonassen, D. H., ed. Educational Communications and Tecnology. Macmillan Library Reference, New York (1996).
- [12] Jonassen, D. H. Compmputers in the Classroom m - Mindtool for Critical Thinking. Ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey (1996).
- [13] Schank, C.K. &amp; Edelson, D. J., A Role for All in Education: Using Technology to Reshape Education. J. of Artif. Intellig., Winter (1990).
- [14] Muller, J. The great Logo Adventure - Discovering Logo on and off the computer . Doone Publications, Madison, Al, USA (1997).
- [15] Papert, S. L Logo: Computadores e Educação. São Paulo, Brasiliense (1988).
- [16] http://educar.sc.usp.br/sam m - Software para Análise de Movimentos - SAM.
- [17] Magalhães, M. G. M. Estudo e Avaliação de Educação à Distância utilizando a Tecnologia WWW. W. Dissertação de Mestrado. São Carlos, Instituto de Física, Universidade de

São Paulo, (1997).

- [18] Schiel, D. Rede de Ensino de Física à Distância - Parte II. Análise Quantitativa de Movimentos: Uma atividade para alunos do Ensino Médio. Relatório FAPESP (2001).
- [19] Magalhães, M. G. M. A Avaliação Formativa do Curso utilizando o SAM pelos alunos. São Carlos. Relatório Técnico CDCC-USP, 2 (2001).
- [20] Magalhães, M. G. M. Avaliação do SAM pelos professores das escolas do projeto Análise Quantitativa de Movimentos/FAPESP. São Carlos. Relatório Técnico CDCC-USP, 3 (2001).
- [21] Magalhães, M. G. M. A Avaliação do mini-curso e do Software SAM pelos professores do Programa ProCiências/FAPESP. São Carlos. Relatório Técnico CDCC-USP, 4 (2001).