INVESTIGANDO OS ''TUTORIAIS EM FÍSICA INTRODUTÓRIA" NO ENSINO MÉDIO

## INVESTIGANDO OS 'TUTORIAIS EM FÍSICA INTRODUTÓRIA' NO ENSINO MÉDIO

## Diana Esther Tuyarot , Wagner da Cruz Seabra Eiras 1 2

1 Instituto Federal de Educação Sudeste de Minas Gerais, Campus Juiz de Fora, diana.tuyarot@ifsudestemg.edu.br

wagner.seabra@ifsudestemg.edu.br

## Resumo

A proposta é desenvolvida com a premissa da melhora na qualidade e proposição de novos materiais e metodologias no ensino de Física. O presente trabalho é o sétimo de uma série que vem sendo apresentada em diversos eventos. Utilizou-se material de ensino diferenciado para o desenvolvimento das aulas, assim como experiências de baixo custo e, nesta ocasião, acrescentamos a realização de experiências no Laboratório Didático de Física (LADIF). O material utilizado em sala de aula são os 'Tutoriais em Física Introdutória'(TFI), sendo este utilizado em diversas universidades e escolas do nosso pais e no exterior. A metodologia desenvolvida foi o engajamento interativo, onde os estudantes tem participação ativa na construçao do conhecimento. O trabalho está embasado nas teorias de Vygotsky e Bakthin enfatizando a interação e o diálogo como componentes fundamentais para gerar o crescimento pessoal e social do estudante. Esta forma de ensinoaprendizagem utiliza o conhecimento prévio o que é de grande importância para o desenvolvimento das habilidades. Para uma medida do sucesso da metodologia aplicamos o 'Force Concept Inventory' (FCI). A aplicaçao foi realizada após instrução da metade do curso. O curso é anual, portanto ainda faltam ser incorporados alguns conhecimentos. Compara-se os resultados do teste com os resultados onde o teste foi aplicado no Ensino Médio (BENEGAS, 2007), numa universidade (SILVA; SILVA; MANSOR, 2009) e também com uma turma de controle. Observa-se que em uma primeira aplicação do FCI, os estudantes submetidos aos TFI apresentaram rendimento superior em 70% das questões, em relação aos estudantes submetidos ao ensino tradicional. Conclui-se, portanto, que a utilização dos TFI apresenta-se como um importante instrumento para ser usado no ensino de Física do Ensino Médio.

Palavras-chave : Ensino de Física, Tutoriais, Engajamento Interativo.

## Introdução

As orientações gerais para a reformulação curricular do Ensino Médio, expressas na Lei de Diretrizes e Bases para a Educação (LDB) - Lei 9.394/96, são baseadas na concepção do Ensino Médio como etapa final da Educação Básica. Portanto, o Ensino Médio tem o objetivo de dar oportunidade a todos os cidadãos de consolidar e aprofundar os conhecimentos adquiridos no Ensino Fundamental.

Além disso, segundo a LDB, o Ensino Médio deve possibilitar a formação do educando como pessoa humana crítica e competente para prosseguir os estudos, garantindo a preparação básica para o trabalho e para a cidadania.

Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM) representam um novo perfil para o currículo a partir dos princípios definidos na LDB, apoiado em competências básicas para a inserção dos jovens na vida adulta.

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Os PCNEM conferiram a Física no Ensino Médio um novo sentido, qual seja,

a

'...da Física voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar da realidade.'(p.59)

Segundo o estudo encomendado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) visando maior inclusão da Física na vida do país, preparar as pessoas para viverem na sociedade contemporânea cada vez mais impregnada de novas tecnologias é fundamental para o pleno exercício da cidadania, permitindo distinguir entre os riscos e benefícios decorrentes da inovação tecnológica.

As novas orientações para a Física do Ensino Médio tem gerado, há vários anos, propostas inovadoras nos processos ensino-aprendizagem desta disciplina.

Segundo Pinho Alves (2006), o ensino de Física vem experimentando mudanças, com a intenção de melhor atingir os diferentes públicos aos quais é dirigido. Este esforço tem movimentado vários grupos de pesquisa, os quais estão modificando o instrumental utilizado, com o objetivo de tornar esse aprendizado mais significativo.

Entretanto, pelas mais variadas razões, muitas escolas continuam a desenvolver a Física através do ensino tradicional, baseado em aulas expositivas onde os conteúdos são tratados de forma excessivamente abstrata e distantes da realidade do aluno, baseando-se na mera transmissão de informações. Neste ensino tradicional, o aluno assume um papel passivo na aprendizagem onde o estímulo é a nota e não o conhecimento. Ao aluno cabe as tarefas de memorizar fórmulas e resolver grande quantidade de problemas padrões, que raramente auxiliam na compreensão do mundo ao seu redor (BARROS, 2004). Segundo este autor, no modelo passivo de aprendizagem os alunos adotam, entre outras estratégias, trabalhar sozinhos sem articular idéias com seus colegas e aceitar as informações sem questionar e/ou críticar.

Para superar este modelo passivo de aprendizagem, o modelo de ensino ativo enfatiza a relação do aluno com o processo de construção de seu próprio conhecimento. Neste processo, ao professor cabe orientar o aluno, oferecendo-lhe material cientificamente desenvolvido para que resolva as suas dificuldades de aprendizagem (BENEGAS,2007).

Pesquisadores da Universidade de Washington, com a intenção de desenvolver o pensamento crítico do estudante acerca do conhecimento relacionado à Física (MCDERMOTT; SHAFFER, 1998), desenvolveram e aplicaram a metodologia de aprendizagem ativa dos Tutoriais em Física Introdutória (TFI). Tipicamente, um tutorial apresenta uma sequência de questões que levam o grupo de alunos a confrontar questões conceituais, onde a interação e o diálogo desempenham um papel fundamental.

No Brasil há diversos grupos que utilizaram este material em forma reduzida ou isolada, utilizando parte do material e envolvendo poucos estudantes. Pode-se citar Barros (2001,2004), e Valle et al (2006). Estas aplicações foram realizadas no Ensino Médio e Superior.

Para o desenvolvimento de parte do programa de mecânica newtoniana, envolvendo os conceitos de força, velocidade e aceleração, no Instituto Federal de

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Educação, Ciência e Tecnologia - Campus Juiz de Fora (IF Sudeste MG - Campus Juiz de Fora), utilizou-se a metodologia de aprendizagem ativa com a aplicação dos TFI.

Os objetivos gerais para os cursos do IF Sudeste MG - Campus Juiz de Fora incluem, dentre outros, o desenvolvimento de ferramentas cognitivas tais como raciocínio abstrato, lógico, dedutivo e aplicado; a compreensão da Física como ciência inserida num contexto cultural, histórico e presente no cotidiano do aluno.

Este trabalho tem o objetivo central de avaliar a aplicação dos Tutoriais em Física Introdutória no Ensino Médio no desenvolvimento dos princípios fundamentais da mecânica newtoniana em duas turmas do primeiro ano do ensino profissional e tecnológico de nível médio do IF Sudeste MG - Campus Juiz de Fora.

## Metodologia de ensino

Parte do programa de mecânica newtoniana do Ensino Médio, correspondendo aos conceitos de força, velocidade e aceleração, foi desenvolvido em três turmas do primeiro ano do ensino profissional e tecnológico de nível médio dos cursos de Mecânica (1MEC), Informática (1INF) e Eletromecãnica (1ELM) do IF Sudeste MG - Campus Juiz de Fora, com um número de alunos de 38, 35 e 35 alunos por sala, respectivamente.

Para a turma 1ELM, considerada como turma controle (TC), as atividades em sala de aula e no Laboratório Didático de Física (LADIF) foram desenvolvidas predominantemente na forma tradicional.

Para as turmas 1MEC e 1INF utilizou-se material de ensino diferenciado para o desenvolvimento das aulas, assim como experiências de baixo custo e realização de experiências no LADIF. O material utilizado em sala de aula foram os Tutoriais em Física Introdutória (TFI) (TUYAROT, 2009) e (TUYAROT, 2010).

A metodologia utilizada foi o engajamento interativo que pressupõe um papel ativo por parte dos estudantes, deslocando-o do processo de memorização para a compreensão e, ao mesmo tempo, ajuda o estudante a pensar sobre o próprio processo de seu aprendizado (BARROS et al, 2004). Segundo estes autores, o método de engajamento interativo são mais efetivos na construção e compreensão dos conceitos Físicos.

Sobre a metodologia do engajamento interativo, pode-se citar o trabalho de Schepper (2007). Uma das principais características do engajamento interativo é o envolvimento dos estudantes nas atividades, o que enriquece sobremaneira o aprendizado (TUYAROT; SCHEPPER, 2008).

Como fundamento teórico-epistemológico utlizamos as teorias de Vygotsky e Bakthin, que enfatizam a interação e o diálogo como base para o crescimento pessoal e aquisição de conhecimentos (FREITAS, 2002).

Uma das importantes conclusões de Vygotsky (2000, 2001) foi de que o desenvovimento cognitivo é resultado da apropriação cultural, em cuja concepção a linguagem é um exemplo de habilidade desenvolvida socialmente e adquirida quase exclusivamente pela interação entre sujeitos. É na interação entre o sujeito menos capaz e outro mais capaz que ocorre o desenvolvimento cognitivo.

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## Para Oliveira (1995)

'O ser humano cresce num ambiente social e a interação com outras pessoas é essencial a seu desenvolvimento'.

Questionando a prática na sala de aula, Freitas (2002) faz reflexões acerca da construção do conhecimento:

'Alunos e professores participam de uma construção compartilhada do saber. Na sala de aula não há lugar para o ensinar e o aprender de forma isolada'.

## Metodologia de pesquisa

Para avaliar a metodologia de ensino desenvolvida, utilizamos o Force Concept Inventory (FCI).

O FCI foi proposto e desenvolvido por Hestesnes, Wells e Swackhamer (1992) no início da década de 90 e tem sido utilizado amplamente por vários outros professores e pesquisadores. O FCI corresponde a um questionário do tipo múltiplaescolha que contém 30 questões da mecânica clássica newtoniana, envolvendo os conceitos de força,velocidade e aceleração. Em cada questão, os estudantes são apresentados a alternativas de resposta com as idéias de senso comum e a uma alternativa com o conceito newtoniano correto. Dessa forma, as alternativas que apresentam as idéias de senso comum têm o objetivo de atrair os estudantes que têm concepções baseadas nas experiências cotidianas e de despertar dúvidas nos estudantes que pensam newtoniamente, mas que sentem-se inseguros quando na utilização destes conceitos para interpretar fenômenos do cotidiano. A análise das opções incorretas de cada uma das 30 perguntas, proporciona uma detalhada distribuição dos conceitos prévios dos estudantes, de sua importância absoluta e também de sua importância relativa (BENEGAS, 2007).

Para uma melhor interpretação e análise do FCI, utilizamos a decomposição do FCI em seis dimensões conceituais, propostas por Hestenes, Wells e Swackhamer (1992), adaptado por Savinaimen e Scott (2002) e apresentado por Silva, Silva e Mansor (2009).

Existe um volume expressivo de trabalhos publicados por professores e pesquisadores que adotaram o FCI como teste diagnóstico (PIEKARZ, 2003).

Barros et al (2004) utilizaram o FCI para analisar o método de engajamento interativo no ensino de Física I para alunos do curso de Física da Universidade Federal de Juiz de Fora e mostraram uma melhora do desempenho dos alunos se comparada aos desempenhos típicos dos alunos instruídos pelos métodos convencionais.

Silva, Silva e Mansor (2009) aplicaram o FCI para analisar as concepções de mecânica newtoniana dos alunos da disciplina 'Introdução à Mecânica Clássica', ministrada para alunos de Licenciatura em Física do primeiro semestre letivo de 2008 de um Instituto Superior da cidade de São Paulo e concluiram que o FCI é um instrumento que pode ser utilizado para avaliar a evolução conceitual dos alunos ao longo de um curso de mecânica.

## Desenvolvimento da pesquisa

Após o desenvolvimento de parte do programa de mecânica newtoniana do Ensino Médio, envolvendo os conceitos de força, velocidade e aceleração, foi aplicado o teste diagnóstico FCI em três turmas do primeiro ano do ensino

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profissional e tecnológico de nível médio dos cursos de Mecânica (1MEC), Informática (1INF) e Eletromecânica (1ELM).

Nas turmas 1MEC e 1INF foram utilizados os TFI e na turma 1ELM o programa foi desenvolvido como no ensino tradicional, sendo que esta última turma foi considerada como turma controle (TC).

A figura 01 compara os resultados da aplicação do teste diagnóstico FCI nos grupos de alunos das turmas 1MEC, 1INF e TC.

Figura 01: Teste diagnóstico FCI

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Numa primeira análise da figura 01, observamos que os alunos de pelo menos uma das duas turmas submetidas aos TFI obtiveram um rendimento superior em 70% das questões em relação a turma de controle TC.

Como exemplo, transcreve-se a seguir a questão 4 do teste diagnóstico FCI:

- 4. Um caminhão grande colide frontalmente com um carro pequeno. Durante a colisão,
- (A) o caminhão exerce uma força maior no carro do que o carro exerce no caminhão.
- (B) o carro exerce uma força maior no caminhão do que o caminhão exerce no carro.
- (C) nenhum deles exerce força no outro; o carro se destroça simplesmente porque entra na frente do caminhão.
- (D) o caminhão exrce uma força no carro mas o carro não exerce uma força no caminhão.
- (E) o caminhão exerce a mesma força no carro que o carro exerce no caminhão

.

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Esta questão está associada a terceira dimensão conceitual proposta por Hestenes, Wells e Swackhamer (1992), referente a 3 Lei de Newton. Para o a estudante, baseando-se no senso comum, é razoável pensar que o corpo de maior massa exercerá uma maior força. Entretanto, a alternativa correta é a letra (E). Dos estudantes avaliados, 63% da turma 1MEC e 66% da turma 1INF responderam a questão corretamente, contra 32 % de acertos correspondentes a turma TC.

Em 30% das questões os alunos da turma de controle TC obtiveram um melhor rendimento. Na sua maioria, estas questões referem-se a habilidade em identificar as forças atuantes em um corpo e de interpretar uma grandeza física vetorialmente, habilidades estas normalmente enfatizadas do ensino tradicional, visando a preparação dos alunos para os exames vestibulares.

Como exemplo, transcreve-se a seguir a questão 9 do teste diagnóstico FCI:

USE A AFIRMAÇÃO E O DIAGRAMA ABAIXO PARA RESPONDER ÀS PRÓXIMAS QUATRO QUESTÕES (8 A 11).

O diagrama mostra uma bola de sinuca deslizando com velocidade constante v0 do ponto 'a' ao ponto 'b' ao longo de uma linha reta sobre uma superfície horizontal sem atrito. Forças exercidas pelo ar são desprezíveis. Você está olhando de cima para a bolinha. Quando a bola chega no ponto 'b', ela recebe uma 'pancada' horizontal instantãnea na direção da seta mais grossa. Se a bolinha estivesse em repouso, a 'pancada' teria colocado a bolinha em movimento com velocidade vk na direção da pancada.

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A velocidade da bola logo depois que ela recebe a 'pancada' é:

- (A) igual à velocidade v0 que ela tinha antes de receber a 'pancada'.
- (B) igual à velocidade vk que ela recebe da 'pancada' e é independente da velocidade v0.
- (C) igual à soma aritmética das velocidades v0 e vk.
- (D) menor que ambas as velocidades v0 e vk.
- (E) maior que ambas as velocidades v0 e vk, mas menor que a soma aritmética destas duas velocidades.

Esta questão, está associada a primeira dimensão conceitual proposta por Hestenes, Wells e Swackhamer (1992), referente a Cinemática. Para a resolução desta questão é necessário que o estudante compreenda a velocidade como grandeza vetorial caracterizada por módulo, direção e sentido e saiba utilizar a adição vetorial de velocidades. A alternativa correta é a letra (E). Dos estudantes avaliados, 18% da turma 1MEC e 40% da turma 1INF responderam a questão corretamente, contra 56% de acertos correspondentes a turma TC.

Outra questão analisada é a questão 18 do teste diagnóstico FCI:

A figura abaixo mostra um garoto balançando numa corda, inicialmente de um ponto mais alto que A.

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Considere as seguintes forças distintas:

- 1. Uma força para baixo devido à gravidade.
- 2. Uma força exercida pela corda apontando de A para O.
- 3. Uma força na direção do movimento do garoto.
- 4. Uma força apontando de O para A.

Qual das forças acima estão agindo sobre o garoto na posição A?

(A) Somente 1.

- (B) 1 e 2.
- (C) 1 e 3.
- (D) 1,2 e 3.
- (E) 1, 3 e 4.

Nesta questão, está associada a quinta dimensão conceitual proposta por Hestenes, Wells e Swackhamer (1992), referente a tipos de forças. Nesta dimensão avaliam-se forças de contato (força normal, força de atrito e tração), forças em fluídos (resistência do ar) e forças de campo (força gravitacional). A alternativa correta é a letra (B). Dos estudantes avaliados, 8% da turma 1MEC e 14% da turma 1INF responderam a questão corretamente, contra 44% de acertos correspondentes a turma TC.

Apesar da turma TC ter melhor rendimento nestas questões, o rendimento referente a questões que relacionam conceitualmente as grandezas força e velocidade e aquelas que avaliam conceitualmente as Leis de Newton foi menor que nas turmas submetidas aos TFI.

A figura 02 compara os resultados da aplicação do teste diagnóstico FCI nos grupos de alunos do 1MEC, 1INF e o resultado aproximado pós-instrução do mesmo teste diagnóstico dos alunos do segundo ano polimodal que receberam instrução completa dos conceitos de mecânica (AmJPhys), aplicado por Benegas (2007).

Figura 02: Teste diagnóstico FCI

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Na figura 02, observamos que aproximadamente 25% das respostas dos alunos investigados tem percentual próximo dos alunos do segundo ano polimodal (AmJPhys).

A figura 03 compara os resultados da aplicação do teste diagnóstico FCI nos grupos de alunos do 1MEC, 1INF e os resultados da aplicação do mesmo teste diagnóstico em grupos de estudantes de Licenciatura em Física de uma instituição de Ensino Superior da cidade de São Paulo (SILVA; SILVA; MANSOR, 2009). Os dados correspondem a aplicação antes e depois da instrução no caso dos licenciandos em Física e uma aplicação após a instrução para os alunos do ensino técnico profissional e tecnológico de nível médio.

Figura 03: Teste de diagnóstico FCI

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Na figura 03, observamos que 80% das respostas de nossos estudantes estão em um nivel intermediário em relação as respostas dos estudantes universitários. Considerando que os universitários já passaram pelo ensino médio, mostra que nossos estudantes tiveram um desempenho superior aos alunos instruídos.

## Conclusões

Na utilização dos TFI, os estudantes se mostraram motivados no processo ensino-aprendizagem, pois estimularam o 'pensar crítico' entre os educandos.

Foi observado um grande interesse, por parte dos alunos, frente às atividades realizadas sob este enfoque na sala de aula e no laboratório.

O fato dos temas serem abordados com esta metodologia, estes mostraramse úteis nas atividades em sala de aula, pois quebraram a monotonia das aulas exclusivamente expositivas que, na maioria das vezes, torna o aprendizado cansativo.

Portanto, a utilização dos TFI como material alternativo nas aulas de Física do Ensino Médio se mostra muito promissor já que, como observado nesta investigação, o desempenho dos estudantes cresce significativamente.

Futuramente, pretendemos aplicar o FCI no final do curso de mecânica nas turmas investigadas em nossa escola, para calcular o ganho que os estudantes tiveram ao longo do ano. Além disso, pretendemos analisar o resultado do FCI,

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questão por questão, para poder propôr e utilizar novas estratégias de ensino nas dimensões conceituais onde o rendimento não tenha sido satisfatório.

Agradecemos o senhor David Koch, Ph.D, pelas valiosas informações acerca do FCI.

## Referências

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