ANÁLISE DE UM TUTORIAL INVESTIGATIVO DIGITAL DE DINÂMICA NO ENSINO MÉDIO.

## ANÁLISE DE UM TUTORIAL DIGITAL INVESTIGATIVO DE DINÂMICA NO ENSINO MÉDIO.

## Douglas Vilela , Josimeire Julio 1 2

- 1 Universidade Federal de São Carlos/ Departamento de Física, douglascarlosvilela@gmail.com
- 2 Universidade Federal de São Carlos/ Departamento de Metodologia de Ensino, josimeire@ufscar.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta de investigação dos potenciais e das perspectivas da aplicação de um tutorial digital de física para o Ensino Médio em uma escola pública. Os tutoriais são materiais de ensino produzidos pelo Grupo de Pesquisa em Ensino da Universidade de Washington. A partir da tradução e adaptação para o ensino médio brasileiro realizada no Colégio Técnico da UFMG elaboramos uma adaptação digital para um conteúdo específico da física: Dinâmica. Aplicamos o tutorial em uma turma do 2 o ano de uma Escola Técnica da cidade de São Carlos - SP. No período de aplicação dos tutoriais, realizamos inserções em sala de aula e em laboratório de informática. As atividades foram realizadas numa perspectiva investigativa e colaborativa, recursos digitais como animações e simulações auxiliaram na participação ativa dos estudantes.O trabalho foi realizado em duplas e trios, criando um ambiente de discussão diante das dúvidas. No final, foi possível resgatar informações essenciais para a pesquisa com os cadernos de atividades digitais e com depoimentos realizados pelos alunos via e-mail.

Palavras-chave : Tutorial Investigativo, Pesquisa no Ensino de Fìsica, Simulações e Animações de Física,

## Introdução

A partir do final da década de 70 encontramos na literatura um grande número de pesquisas direcionadas para a elaboração de atividades de ensino de física relacionadas ao desenvolvimento do pensar científico dos estudantes (McDermott,1976;1980;1987;1991). Essas pesquisas pontuam as deficiências e limitações dos métodos tradicionais de ensino de física. Uma das limitações mencionadas remete à passividade dos alunos em sala de aula, onde os estudantes pouco são estimulados intelectualmente ao longo das aulas McDermott (1991). Outra deficiência se refere às dificuldades dos alunos em relacionar equações com os gráficos e conclui que os exercícios comumente oferecidos não desenvolvem essa habilidade nos alunos McDermott, Rosenquist e Lee (1987). Para promover um ensino de física que supere essas deficiências, McDermott e colaboradores desenvolveram diversos trabalhos de elaboração e aplicação de materiais instrucionais investigativos por mais de 20 anos (McDermott,1976;1980;1987;1991). Esses matérias trazem como perspectiva proporcionar aos alunos uma maior participação nas atividades de sala de aula e aprimorar o desenvolvimento do pensamento científico. Estes serviram de fonte essencial para desenvolvimento desta pesquisa que aqui apresentamos.

Outra fonte que norteia este trabalho são as conclusões das pesquisas elaboradas por Hestenes (1992) a partir do desenvolvimento do Inventário de Forças (Hestenes,1992; Hestenes, Halloum, 1995) . Esse FCI se trata de um inquérito sobre conceitos de força. Uma coletânea feita por ele e pesquisadores da Universidade do Arizona, no qual há diversas questões que versão sobre força e que os alunos

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20 a 25 de janeiro de 2013

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apresentam dificuldades em se guiar pelo raciocínio científico e acabam sendo levados ao pensamento aristotélico de impulso Hestenes (1987). Hestenes e Halloum (1995) destacam o fato de que é amplamente aceito que ao desenvolvermos um entendimento de uma nova situação e/ou evento nos basearmos por aquilo que já conhecemos. O processo de aquisição do conhecimento envolve o uso de analogias, modelos abstraídos de situações familiares e linguagens representativas. Ao buscarmos os pré conhecimentos dos alunos, podemos analisar como eles pensam e fazem analogias com o que ja conhecem. Normalmente eles recorrem ao que ja sabem, e muitas vezes ao senso comum. No entanto, alguns alunos podem ter elaborado anteriormente o pensar científico durante suas vivências escolares.

Wieman (2007) entende que aprender o pensar científico é aprender a pensar em uma situação nova ou não familiar. No entanto, devemos nos preocupar com a quantidade de situações novas que são propostas aos alunos. O pensar científico demanda uma estruturação e tempo para que o aluno possa desenvolvê-lo de forma concreta. Devemos considerar que na metodologia do ensino tradicional há muito conteúdo novo sem estrutura e sem tempo hábil que permita o aluno desenvolver o pensar científico.

No Brasil as dificuldades são próximas, mas ainda há outras como Borges (2006) retrata que é crescente o interesse em currículos e estratégias que incentivem os estudantes a se envolverem em exercícios de construção, avaliação e revisão de modelos explicativos e que estimulem a pensar qualitativamente.

Este trabalho apresenta uma reestruturação e adaptação para um ambiente digital dos tutoriais de McDermott e Shaffer (1998) e Hestenes, Wells e Sackhamer (1992). Para a reestruturação e adaptação do tutorial foram utilizadas como fontes de consulta os tutoriais mencionados acima e também o material desenvolvido pelo Colégio Técnico da UFMG adaptado pelos professores: Dr. Arnaldo Vaz e Dr . a Josimeire Julio ambos do Grupo INOVAR da UFMG. Outras fontes de consulta para a adaptação do tutorial para o ambiente digital foram recursos digitais como animações e simulações. A inserção desses recursos digitais no processo de ensino de física mostrou-se eficiente quando aplicados em conjunto com outros materiais intrutivos digitais de termodinâmica e óptica (Belloni, Christian e Dancy, 2002; 2003).

## O tutorial digital

A lógica na qual o tutorial digital é concebido pode ser dividida em duas partes: A primeira parte são questões baseadas no FCI de Hestenes (1992) que visam mobilizar os alunos com problematizações acerca do conceito de força; A segunda é baseada em problemas de investigação onde os alunos colocam em prática diferentes linguagens (descritiva, analítica e diagramática) para desenvolverem estratégias e alcançarem soluções.

As linguagens propostas na segunda parte do tutorial são desenvolvidas em conjunto possibilitando a construção de um alicerce estratégico para o pensar científico dos alunos. Essas linguagens são habilidades úteis para que os alunos busquem um raciocínio baseado nos conceitos e nas estratégias. Sem elas os alunos recorrem à matematização e fórmulas McDermott (1991).

A linguagem descritiva, é um procedimento no qual os alunos podem recorrer para descreverem um fenômeno ou um conceito que eles concebam através da escrita.

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Outra linguagem na qual eles podem sustentar a elaboração do raciocínio científico é a linguagem analítica onde eles associam alguns fenômenos através de simulações e animações. Essas animações e simulações são concebidas para serem exploradas pelos alunos. Elas não oferecem uma resposta de imediato, é necessário analisá-las de acordo com a problematização (Belloni, Christian e Dancy, 2002; 2003).

A terceira linguagem é a representação das grandezas vetoriais existentes nos problemas através de diagramas de força. O diagrama de força permite o aluno aplicar as leis de newton conceitualmente sob forma de uma linguagem (Hestenes, Halloum, 1995). Assim, ao interpretar um fenômeno dado num problema eles poderam aplicar essa habilidade como uma estratégia inicial de solução de um problema.

Contudo, para que eles desenvolvam o pensar científico, eles podem associar as três linguagens em busca de soluções. Ou seja, ao interpretarem o problema podem descrever melhor com base no que ja sabem, podem diagramatizar os vetores associando o fenômeno às leis de newton e podem verificar as diferentes possibilidades de padrões nas animações . Esta dinâmica é uma tentativa de 1 realizar um processo de investigação.

Essa alternativa digital vem sido explorada com êxito em atividades investigativas como nos mostram (Belloni, Christian e Dancy, 2002 ; 2003). Ao associarem simulações e contextualizá-las, os alunos investigam as diferentes possibilidades de um problema físico ocorrer. Isso alimenta o caráter investigativo da atividade e proporciona um desenvolvimento do pensar científico onde a busca do entendimento, analogia e da compreensão do fenômeno sobrepõe a busca dos resultados numéricos.

## Objetivo

O objetivo desta proposta foi identificar as potenciais contribuições nas estratégias de solução de um problema e no desenvolvimento do pensar científico dos alunos diante de uma atividade investigativa num tutorial digital.

Em busca disso, aplicamos os tutoriais com relação as seguintes área da física: Dinâmica. Os tutoriais são concebidos num ambiente digital, utilizando como plataforma o software Microsoft Office OneNote . Além disso, utilizamos discussões 2 em grupos durante as atividades para proporcionar aos alunos um ambiente onde fosse possível interagir com outros alunos submetidos ao tutorial e concomitantemente essas discussões serviram de alicerce à pesquisa.

## Metodologia

Com o apoio e auxílio do professor da turma realizamos um convite de participação aos alunos para que pudessem experienciar uma atividade baseada no mesmo conteúdo que estavam vendo em sala de aula.

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Excluído: também

As atividades foram desenvolvidas com os alunos do segundo ano do ensino médio de uma escola técnica pública de São Carlos - SP. Estas foram então aplicadas presencialmente, durante a aula do professor da turma de 2º ano como atividades complementares ao currículo padrão da escola.

Realizamos a pesquisa concomitantemente as aulas de física, as quais abordavam a mesma temática do tutorial (força). Primeiramente, nos servimos das aulas como fonte motivadora para os alunos e, num segundo momento, embarcamos nelas a possibilidade de implementar os tutoriais com o intuito de colaborar na compreensão do conteúdo por parte dos alunos.

Tivemos em perspectiva o engajamento dos alunos com os tutoriais e desta forma analisamos atentamente as resoluções dos tutoriais digitais em conjunto com o que for discutido por eles durante a realização das atividades e trocas de e-mail.

Para esclarecer quais e como foram as atividades aplicadas, exemplificamos aqui duas partes.

## Atividade 1: Explorando as pré concepções.

Na primeira parte do tutorial constam algumas questões que versão sobre temáticas da dinâmica newtoniana.

Testes conceituais. Vamos propor aqui para você diversos testes conceituais que giram em torno da dinâmica, de forma mais clara, são as interações entre forças que atuam num mesmo corpo. Os casos devem ser analisados como: Verdadeiro ou Falso. Justifique com suas palavras de forma sucinta

- É necessário uma força constante para manter um objeto em movimento retilíneo uniforme em uma determinada direção?
- Um objeto com movimento retilíneo vertical constante para cima deve ter atuando sob ele uma força com o mesmo sentido?

## Atividade 2: Modelando o raciocínio

Na segunda parte do tutorial digital elaboramos uma discussão mais ampla do raciocínio qualitativo e representacional com propostas investigativas que exigam o desenvolvimento dos alunos de um conjunto de habilidades como: diagramas de força, e equacionamento matemática das forças.

Temos uma figura que ilustra uma situação problematizadora e decorrente dela questões para os alunos refletirem e desenvolverem as habilidade para solucionarem os problemas.

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Figura 3 - Problema retirado do tutorial digital onde mostra a proposta de uma atividade investigativa.

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- 1. Quais evidências você tem para a existência de cada uma das forças do seu diagrama?
- 2. Que observação pode ser feita para que você determine a magnitude relativa das forças que agem sobre o livro?
- 3. E se inclinássemos a superfície onde se encontra o livro, como serão decompostas as forças? Elas se comportaram da mesma forma proposta no início?
- 4. Desenhe o diagrama de força para o bloco em movimento constante subindo o plano inclinado.
- 5. Nomeie as forças, explicando sua origem.
- 6. Se adicionarmos ao bloco uma força de atrito contrária ao movimento. Como ficaria o novo diagrama de força? Desenhe as forças nomeando cada uma delas.
- 7. Verifique as representações que você realizou no simulador que se encontra no sítio http://www.walter-fendt.de/ph14br/inclplane\_br.htm e compare com seus resultados. Comente sua análise e justifique os seus resultados.

## Os Resultados

A partir da análise dos arquivos digitais nos quais os alunos desenvolveram as atividades podemos corrigi-las e pontua-las segundo um gabarito realizado previamente. Posteriormente podemos tirar algumas conclusões dos resultados e associar aos resultados que ja foram obtidos pelos autores (McDermott, Goldberg 1987; McDermott, 1991; Hestenes, Halloum, 1995; Hestenes, 1987). As impressões que os alunos tiveram da atividade também serviram de análise dos resultados aqui apresentados pois consideramos importante a visão dos alunos diante de uma dinâmica alternativa na sala de aula. Os resultados dos tutoriais estão dividos em duas partes: Pré-Concepções e Atividades Investigativas respectivamente nas tabelas 1 e 2. No final encontramos alguns relatos dos alunos de onde posteriormente concebemos algumas conclusões.

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Tabela 1 - Valores quantitativos de acertos, erros e incompletos na 1ª Parte da atividade.

Tabela 2 - Valores quantitativos de acertos, erros e incompletos na 2ª Parte da atividade.

Com base nos dados da tabela verificamos um resultado positivo na atividade 1 onde os alunos verificam suas pré-concepções (vide Tabela1). Percebemos que todos os alunos completaram o questionário. Isso mostra um engajamento na atividade uma vez que nenhum grupo deixou de agir diante do proposto.

Os dados do segundo gráfico encontramos uma maior dificuldade na execução dos exercícios devido o número de atividades incompletas. Percebemos

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disso que o desenvolvimento das habilidades as quais o tutorial se propõe a fazer e o pensar científico demanda um tempo maior de realização. Há também a afinidade e assimilação dos alunos com relação ao ambiente digital que exige um tempo para ocorrer pois a possibilidade de verificação via simulação e troca de conhecimento com os colegas para desenvolver o raciocínio científico demanda um tempo muito maior. (Belloni, Christian e Dancy, 2002 ; 2003)

## Comentários dos alunos

Abaixo temos algumas impressões dos alunos realizadas após a aplicação das atividades. Não foi realizada nenhuma pergunta específica para a obtenção das respostas. Apenas foi solicitado aos alunos que comentassem livremente sobre a atividade.

- A1: Nós gostamos da atividade e julgamos muito interessante. Porém acreditamos que houve falta de mais aulas com o estagiário para conseguirmos realizá-las de modo realmente satisfatório.
- A2: As aulas no laboratório foram muito produtivas. Consegui fazer mais atividades do que faço em sala de aula ainda mais com ajuda dos amigos. Sem dúvida as simulações ajudaram a realizar os exercícios pois facilitaram a observação.
- A3: Acreditamos que algumas simulações não deram certo porque em algumas atividades acabou ficando difícil inserir as ferramentas necessárias , o que acabava por nos desestimular a continuar os exercícios. Em outras atividades a simulação colaborou na resolução pois era mais fácil trabalhar com ela perto das outras.
- A4: Parte dos exercícios fizemos em conjunto, não fizemos tudo, poderia ter mais tempo pra fazer a atividade. Ela feita no laboratório foi legal. As animações deixam as atividades mais legais. Discuti bastante com meus colegas mais ainda temos dúvidas.
- A partir dessas impressões podemos destacar alguns pontos interessantes na realização da atividade. Os alunos mostram identificação com as animações e simulações na construção do conhecimento, com exceção de A3 que considerou difícil, o que acabou por desestimulá-lo. Isso mostra que o amplo universo de alunos que podem ser submetidos à um tutorial deve se ter cuidado com a inserção das simulações e animações para que estas possam beneficiar a mobilização e não desestimular.

Constatamos que com a união de grupos de dois a três alunos diante de um computador proporcionamos oportunidades para que eles articulassem suas idéias e seus entendimentos com os colegas, assim como para ouvirem, lerem e discutirem as idéias dos outros. Esse formato tem um efeito de desenvolver o pensamento diante de um problema, podendo discutir os conceitos e elaborar o pensar científico McDermott (1991).

Outra questão importante a se considerar nas impressões é o destaque dos alunos na ausência de tempo para trabalharem nos tutorias e desenvolverem o pensar científico. Devido o curto prazo de inserção na escola e a dinâmica rápida do currículo escolar, as aulas acabaram e muitos alunos não realizaram todas as atividades como consta na Tabela 2.

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Pontuamos que o desenvolvimento das habilidades ao qual este trabalho se propõe a fazer, bem como a finalidade mister de desenvolver o pensar científico exige envolvimento e tempo tanto pela análise ja feita por (McDermott ,1976; 1991; Hestenes, Halloum, 1995) como pelos dados e relatos aqui apresentados.

Desse modo, vemos como profícuo os investimentos em pesquisas e desenvolvimentos de aplicações e de materiais instrutivos investigativos com a característica de construir e desenvolver o pensar científico dos alunos.

## Referências

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potenciais e as perspectivas da aplicação de um tutorial digital de física para o Ensino Médio

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. Tal tutorial teve sua criação e adaptação digital de um conteúdo específico da física: Dinâmica. Aplicamos o tutorial para uma turma do 2 ano do Ensino Médio o

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de uma Escola Técnica

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pública da cidade de São Carlos - SP. No período de aplicação do tutorial desta pesquisa realizamos inserções em sala de aula e em laboratório de informática. Os alunos dispunham, incluso no tutorial, de recursos digitais como animações e simulações para auxiliá-los a desenvolver estratégias para solução de problemas, algo ausente no ensino tradicional. Para colaborar com esse carater investigativo o trabalho foi realizado em duplas e trios, criando um ambiente de discussão diante das eventuais dúvidas. No final foi possível verificar o acréscimo nos acertos dos exercícios e no número de exercícios completos. Foi possível também resgatar informações essenciais para a pesquisa com as impressões dos alunos via troca de email e depoimentos realizados em sala de aula.

Pensando nisso, nos propomos em estruturar essa metodologia investigativa e o tempo para que os alunos pudessem desenvolver estratégias para relacionarem os novos conceitos e as novas habilidades?

Esta é a principal motivação para a realização desse trabalho. E este

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e adaptação desses a um ambiente digital no qual abordamos o conteúdo de dinâmica, que pertence a uma das frentes da Física, a mecânica, presente no currículo básico do Ensino Médio.

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Figura 1- Exemplo do desenvolvimento da linguagem de diagrama de forças retirado do livro Tutorials in Introductory Physics de Lillian McDermott e Peter Shaffer, 1998.

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