RELATO DE UTILIZAÇÃO DE UM OBJETO VIRTUAL PARA O ESTUDO DE PROCESSOS TERMODINÂMICOS

## RELATO DE UTILIZAÇÃO DE UM OBJETO VIRTUAL PARA O ESTUDO DE PROCESSOS TERMODINÂMICOS

## Dioni Paulo Pastorio , Ricardo Andreas Sauerwein 1 2

1 Universidade Federal de Santa Maria, dionipastorio@hotmail.com

2 Universidade Federal de Santa Maria, r.sauer@ufsm.br

## Resumo

A tecnologia avança rapidamente, de modo que a sociedade vive os impactos deste avanço constantemente. Não podendo o ensino ficar alheio a essa realidade, o professor tem o papel de contribuir para a disseminação das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) no contexto escolar. Dentro deste contexto, este trabalho tem objetivo de apresentar uma experiência didática que faz uso de uma simulação computacional na disciplina de Física no Ensino Médio da rede estadual de ensino. Na experiência didática relatada neste trabalho, a coleta de informações ocorreu através do recolhimento, ao final da atividade, dos guias de resolução, que continham as mesmas perguntas do roteiro, porém com espaços nos quais os estudantes colocavam suas respostas. Através da avaliação das informações contidas nos guias de resolução e da análise dos comentários dos estudantes (contidos nestes guias), obtivemos resultados satisfatórios, fato que evidencia a necessidade de que trabalhos deste molde sejam reproduzidos em maior escala.

Palavras-chave : Ensino de Física; Tecnologias de Informação e Comunicação; Simulações Computacionais.

## Introdução

Vivemos em um momento onde o mundo presencia uma revolução nas comunicações através das TIC, que se tornam presentes a cada dia na vida das pessoas. Dentre os vários setores da sociedade, a educação é uma das áreas que está sendo afetada por esta onda tecnológica (Ferreira, 1998).

As metodologias didáticas adotadas pelos professores de Física em sala de aula têm sido foco de críticas e objeto de diferentes pesquisas no Brasil e no mundo. Tais metodologias colocam o aluno como um mero 'receptor' de conteúdos, que ainda assim, não possuem nenhuma conexão com o seu cotidiano.

Esta prática é conhecida como 'método tradicional' e tem como principal características o uso do quadro negro e giz, aliado a excessiva resolução de problemas. Como consequência, o aluno não observa o fenômeno físico envolvido, nem o relaciona com o seu cotidiano. Conforme (HEINECK, 2007):

Relativo ao ensino de Física, atualmente o modelo adotado por alguns educadores tende a obedecer ao método tradicional de simples repasse de conteúdos, com aulas à base de giz, quadro-verde e livro didático, [...] desvinculando os conteúdos de suas possíveis relações com os fatos do cotidiano, deixando de lado os aspectos fenomenológicos. (HEINECK, 2007).

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20 a 25 de janeiro de 2013

Tais práticas, tornam o assunto desagradável e incompreensível para boa parte dos aprendizes, resultando em um déficit na aprendizagem da maioria dos alunos.

Neste sentido, segundo Hestenes apud Santos (2006) a Física é uma ciência de caráter experimental, a qual apresenta conceitos abstratos, e apenas o uso do ensino tradicional, se torna inadequado, ou seja, quando os conceitos são apresentados através de uma metodologia unicamente verbal ou textual, costumam apresentar falhas no processo de ensino-aprendizagem.

Com este caráter experimental da Física, fica a necessidade da experimentação no ensino de Física. Então apresenta-se outro grande obstáculo: a escassez de recursos físicos e financeiros para a aquisição do material necessário para o desenvolvimento das atividades experimentais. Segundo dados de Comitê Gestor da Internet no Brasil, (2010) apenas 52% das escolas da rede pública apresentam laboratório de Física e 86% apresentam laboratório informática, com internet. A leitura destes números aponta para o uso gradativo de atividade que fazem uso de TIC no ensino, não apenas na referida disciplina, em virtude do déficit apresentado no numero de laboratórios apropriados. Devido a essa escassez outros aspectos também podem ser organizados para enfrentar este problema, nesse sentido, por exemplo, a utilização de laboratório de baixo custo, salientamos, porém, que a ênfase neste trabalho dar-se-á sobre o papel das simulações no ensino de Física.

Cabe ainda lembrar, que não é função das simulações substituir o laboratório experimental no ensino de Física, as mesmas funcionam como ferramenta de auxilio as aulas expositivas e podem se tornar atividades de estudo, desde que bem manipuladas pelo docente.

Assim, nos deparamos com um momento de revisão da educação escolar, de seu papel e seu alcance e de como as TIC se apresentam como uma importante 1 ferramenta nesta evolução.

## Descrição do trabalho desenvolvido

A simples existência dessas novas tecnologias num processo didáticopedagógico, não o torna mais rico, estimulante, desafiador e significativo para o aluno. Não saber adequar o uso pedagógico das novas tecnologias, significa permanecer no ensino tradicional, usando novos e emergentes recursos. Por isso, propomos o uso de simulações computacionais , aliadas a um planejamento aberto, 2 o qual proporciona ao aluno a tomada de decisão a cada etapa da atividade. Essa ideia também é defendida por (SANTOS, SANTOS e FRAGA, 2002):

'Com o avanço tecnológico computacional, os usos de métodos de aprendizado tradicionais tornam-se ineficientes e inadequados. A demanda por uma solução moderna e eficaz leva-nos ao conceito de software educacional. O desenvolvimento de um sistema que crie um ambiente no qual o usuário seja capaz de modelar, visualizar e interagir com a simulação proposta baseada em experimentos da Física real poderia ser considerado como uma solução para suprir esta demanda. Tal sistema seria uma

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ferramenta complementar para o estudo da Física, desde que através dele seja possível a realização de experimentos 'virtuais" com a finalidade de esclarecer e reforçar o conhecimento teórico da Física'.

O desenvolvimento de simulações computacionais para o ensino de Física vem aumentando consideravelmente dia após dia. Isso é verificado a partir da existência de inúmeros portais ou bibliotecas digitais que os trazem em versão de apoio a alunos e professores, para que possam ser usados de maneira gratuita pelas escolas brasileiras.

Dentre os principais sites de acessos a esses objetos virtuais (OV) de ensinoaprendizagem destacam-se o Rived (www.rived.mec.gov.br), o Phet Colorado (www.phet.colorado.edu.com), o Banco Internacional de Objetos Educacionais (www.objetoseducacionais2.mec.gov.br) e o Portal do Professor (www. portaldoprofessor.mec.gov.br). Contudo, existem projetos de desenvolvimento destes recursos em diversas universidades e grupos de pesquisas no Brasil. Neste âmbito destacamos o projeto Graxaim, desenvolvido na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), num eixo de pesquisa no Grupo Métodos e Processos de Ensino e Aprendizagem em Ciências (MPEAC). 3

No projeto Graxaim, a confecção de tais recursos é iniciada a partir de uma pesquisa em torno das necessidades apresentadas no contexto do ensinoaprendizagem de Física. Neste sentido, eles são desenvolvidos em torno da apresentação de dados para futuro tratamento matemáticos, através de um software adequado, neste caso o Octave (isso vem na contrapartida da maioria dos objetos 4 virtuais (OV) disponíveis que sempre apresentam a análise dos dados no próprio recurso).

A simulação computacional escolhida é chamada de Laboratório Virtual de Termodinâmica (disponível em http://www.graxaim.org/gmt/oa/termo/termolab.html em 17/06/2012). A interface gráfica do objeto em sua tela inicial está reproduzida na Figura 01:

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Figura 01: Interface inicial da simulação computacional (disponível em http://www.graxaim.org/gmt/oa/termo/oagmt.html).

Demonstrando todas as suas funcionalidades/potencialidades, a simulação tem a interface apresentada na Figura 02:

Figura 02: Interface da simulação computacional com visualização total das ferramentas. (disponível em http://www.graxaim.org/gmt/oa/termo/oagmt.html).

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Este aplicativo representa um laboratório de Física virtual e dispõe de ferramentas que propiciam ao aluno, simular um acontecimento real. As ferramentas disponíveis variam de objetos de medidas (que medem volume, temperatura, pressão e energia interna), passando por objetos e até sistemas físicos.

## Detalhamento da Atividade

Esta atividade consistia em um complemento à aula de Física (ministrada pelo professor da rede publica de ensino) sobre processos termodinâmicos. Primeiramente, fizemos uma breve revisão sobre os conceitos envolvidos para o estudo, as aplicabilidades e as dificuldades dos alunos no entendimento dos conteúdos. A atividade descrita detalhadamente neste trabalho, teve a duração aproximada de cento e vinte minutos, na qual participaram vinte e três estudantes das turmas da segunda série do Ensino Médio.

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Em seguida, foi proposta aos estudantes a seguinte situação-problema : 5 'Como faço para aumentar a temperatura de um sistema mecânico sem 'esquentar' o sistema?'.

Para auxiliar e guiar os alunos na interação com a simulação educacional disponibilizou-se a cada, um roteiro ilustrado na Figura O3.

Enquanto os estudantes realizavam a atividade, coube a minha orientação para que fizessem a tarefa proposta, compreendendo os conceitos, leis e fenômenos físicos a ela associados. É importante lembrar que uma atividade de estudo deve sempre ter a orientação de um professor, para garantir que os principais objetivos sejam atingidos. É fundamental haver este direcionamento pois, conforme afirma Carvalho

Temos sempre alunos ou salas que não se interessam em responder e é preciso tomar cuidado, pois os alunos têm uma 'inércia de trabalho' bastante grande e, se não há a cobrança do professor, perde-se muito tempo em classe, até que a atenção do grupo volte-se para a resposta às questões. (Carvalho et al. apud De Bastos, 2006, p. 317)

## Atividade: Processos Termodinâmicos

## Situação-Problema:

Como faço para aumentar a temperatura de um sistema mecânico sem transferir energia na forma de calor para o sistema envolvido?

Roteiro para Resolução da Situação-Problema utilizando a Simulação Computacional 'Laboratório Virtual de Termodinâmica' e o Aplicativo Octave

PASSO 1: Clicando sobre as opções 'Gás 1', 'Sistema Mecânico 1', 'Termômetro' e 'Manômetro', e em seguida aproximando-os para que fiquem conectados, de modo que o 'Manômetro' fique congelado, e clique no botão iniciar. A partir disso discuta:

- a) Como ocorreu a variação de temperatura no processo de expansão do gás?
- b) Como ocorreu a variação de temperatura no processo de compressão do gás?
- c) Qual a relação existente entre volume e temperatura?
- d) Observe o manômetro. Porque isso ocorre? A que tipo de processo se refere?
- e) Anote os dados referentes a um intervalo de tempo de cinco segundos, para volume e temperatura. Insira os dados no Octave e 'plote 'o gráfico 'V x T'. Observe e discuta sobre a curva. 6
- PASSO 2: L ibere o botão 'Manômetro' e desligue a botão 'Termômetro'. Discuta:
- f) Como ocorreu a variação de pressão no processo de expansão do gás?
- g) Como ocorreu a variação de pressão no processo de compressão do gás?
- h) Qual a relação existente entre volume e pressão?
- i) Porque isso ocorre? A que tipo de processo se refere?
- j) Anote os dados referentes a um intervalo de tempo de cinco segundos, para volume e pressão. Insira os dados no Octave e 'plote'o gráfico 'V x P'. Observe e discuta sobre a curva.

PASSO 3: Clique sobre a opção 'Limpar' e em seguida, 'Sim'. Clicando sobre as opções 'Gás 2', 'Sistema Mecânico 1', 'Termômetro' e 'Manômetro', e em seguida aproximando-os para que fiquem conectados, de modo que o 'Manômetro' fique congelado, e clique no botão iniciar. A partir disso observe o enunciado das letras a,b,c,d,f,g,h,i novamente e discuta:

l) É possível observar e concluir, no PASSO 1 e PASSO 3, que o gás não constitui-se da mesma molécula? Qual a diferença entre eles?

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20 a 25 de janeiro de 2013

PASSO 4: Levando em consideração o que foi estudado nesta simulação educacional, responda a pergunta correspondente a situação-problema.

PASSO 5: Cite alguma aplicação tecnológica, que você conheça, de um processo termodinâmico relativo ao estudado.

Figura 03 : Roteiro entregue aos estudantes para guiá-los na atividade.

## Resultados obtidos

A atividade de estudo exemplificada no item anterior foi elaborada com o objetivo de que os estudantes, guiados pelo roteiro e mediados pelo objeto virtual e pelo aplicativo Octave, respondessem corretamente alguns aspectos conceituais e desenvolvessem aspectos atitudinais relacionados aos processos termodinâmicos, mais especificamente, os que seguem:

- - Aspecto 1: No item 'a' do passo 1, a temperatura decresce, enquanto o volume aumenta, em uma expansão isobárica.
- - Aspecto 2: No item 'b' do passo 1, a temperatura cresce, enquanto o volume diminui, em uma expansão isobárica.
- - Aspecto 3: Nos itens 'c' do passo 1 e 'h' do passo 2, reconhecer que no primeiro item são variáveis diretamente proporcionais e inversamente proporcionais.
- - Aspecto 4: No item 'd' do passo 1, discutir o processo termodinâmico referido, definindo-o como uma compreensão/expansão isobárica.
- - Aspecto 5: Nos itens 'e' do passo 1 e 'j' do passo 2, coletar os dados referentes ao volume e temperatura, e volume e pressão de forma correta.
- - Aspecto 6: Nos itens 'e' do passo 1 e 'j' do passo 2, 'plotar' o gráfico de interesse de forma correta, e discutir em torno de sua dependência descrita no Aspecto 03. Ainda, analisar a função matemática correspondente ao gráfico.
- - Aspecto 7: No item 'f' do passo 2, a pressão diminui, enquanto o volume aumenta, em uma expansão isotérmica.
- - Aspecto 8: No item 'g' do passo 2, concluir que a pressão aumenta, enquanto o volume diminui, em uma compressão isotérmica.
- - Aspecto 9: No item 'i' do passo 2, reconhecer este processo como isotérmico.
- - Aspecto 10: No passo 3, item 'l', reconhecer o gás usado inicialmente como monoatômico e o gás usado posteriormente (segundo processo) como diatômico.
- - Aspecto 11: No passo 4, indicar que é possível variar a temperatura de um sistema físico sem transferir calor para a mesma. Para isso é necessário que o estudante trabalhe com a mudança de outras variáveis, como pressão e volume.
- -Aspecto 12: No passo 5, relacionar o fenômeno observado na simulação computacional com alguma aplicação tecnológica que faça parte do cotidiano do estudante.

Ao concluir a atividade, e de posse do guia de resolução, podemos fazer a análise quantitativa da atividade. O resultado está descrito na Tabela 01. Na coluna da esquerda, temos o número de correspondente a cada aspecto, enquanto que nas colunas do meio e da direita, respectivamente, temos o número de estudantes que responderam corretamente ou não o fizeram, os pontos principais da atividade, listados nos respectivos itens analisados.

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Tabela 01: Análise quantitativa em relação aos aspectos principais da atividade.

A análise destes números mostra importantes resultados referente ao uso do OV em atividades didáticas no ensino de Física. Com relação aos aspectos conceituais e atitudinais observados, os melhores resultados se deram nos itens 5 e 8, onde todos os estudantes atingiram com êxito a solução pedida. Outros itens que tiveram resultados satisfatórios foram 1,2,4,5,7,8 e 9, onde o percentual de aproveitamento variou de 87% a 95%.

Esse aproveitamento considerável na resolução da atividade (nestes itens observados) escancara a grande utilidade de atividades que fazem uso de TIC, em atividades de sala de aula. Além disso, a expectativa e o entusiasmo dos alunos no desenvolvimento da aula são aspectos que devem ser considerados como um fato positivo, e também devem ser aproveitados em futuras atividades.

Porém, alguns dados geram uma necessária preocupação, como por exemplo, no que se refere aos itens 6 e 10, aproximadamente 48% dos estudantes não conseguiram completar a atividade. Segundo os comentários dos alunos e a partir das observações realizadas, a matemática apresentou-se como grande empecilho e ainda, o aplicativo Octave gerou dificuldades relacionadas às linhas de comando.

Transparece a necessidade de que em futuras atividades, uma breve revisão sobre os comandos do aplicativo matemático seja abordada no início da aula, para minimizar os erros e facilitar o desenvolvimento da mesma.

## Conclusões

Neste trabalho, ressaltamos o uso de atividades de estudo de Física mediadas por simulações computacionais como complemento ou até mesmo alternativa ao laboratório didático, visto que a maioria das escolas não possui um laboratório de Física em boas condições, mas a maior parte delas possui um bom laboratório de informática.

O uso deste tipo de atividade no ensino de Física apresenta fatores de interesse, a saber:

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- · Permitir aos estudantes coletarem uma grande quantidade de dados rapidamente;
- · Permitir aos estudantes gerarem e testarem hipóteses;
- · Engajar os estudantes em tarefas com alto nível de interatividade;
- · Envolver os estudantes em atividades que explicitem a natureza da pesquisa científica;
- · Apresentar uma versão simplificada da realidade pela destilação de conceitos abstratos em seus mais importantes elementos;
- · Tornar conceitos abstratos mais concretos;

Por fim, é importante ressaltar que o ato educativo deve ser focalizado de uma forma holística em múltiplas possibilidades trazidas pela realidade de seus alunos, pela interação humana e, também pelas simulações. Computadores são excelentes alternativas, mas de qualquer forma não deve substituir o professor. É preciso ter em conta que a educação não é algo que envolve apenas o repasse de informação. Educar consiste, igualmente, em fazer as pessoas pensarem sobre a informação e a refletirem socialmente, ou seja, criticamente ( a respeito do que?). E é papel do professor fazer essa conexão de maneira correta, e fazer com que o aluno esteja engajado com a atividade, exigindo dele uma aprendizagem ativa e participativa, interagindo com a situação-problema.

A simples navegação num universo de informação em rede não se traduz numa aprendizagem efetiva, sendo necessário da parte do aprendente um envolvimento nas atividades e tarefas em curso; por outras palavras, supõe uma atitude de abertura à participação ativa. (DIAS, 2005, p. 2)

Espera-se que propostas que façam uso deste tipo de metodologia apareçam gradativamente com maior frequência nas salas de aula das escolas de nosso país. Não temos dúvidas, que a utilização de metodologias mais condizentes com a realidade de nossos alunos proporcionará uma aprendizagem de qualidade e de interesse para os mesmos.

## Referências

ARAÚJO, R. S.; BARROS, S. de S.; LOPES, A. M. de A. ¿Como usar software de simulación en clases de Física? Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 17, n. 1, p. 50-66, abr. 2000.

DE BASTOS, F. da P. et al. Mediação tecnológica livre e iniciação à docência em Física. In: 1º SIMPÓSIO DE ENSINO DE FÍSICA E DE MATEMÁTICA: PRÁTICAS DOCENTES INOVADORAS. Unifra. Santa Maria/RS: 2010.

Comitê Gestor da Internet no Brasil - 2010. Disponível em www.cetic.br/educacao/2010 acesso em 01/07/2012.

DIAS, P. Desenvolvimento de objetos de aprendizagem para plataformas colaborativas. In: VII CONGRESSO IBEROAMERICANO DE INFORMÁTICA EDUCATIVA. Monterrey (México): 2005. Disponível em: http://www.niee.ufrgs.br/eventos/RIBIE/2004/plenaria/plen3-12.pdf. Acesso em: 30 junho. 2012.

FERREIRA, V. F. As Tecnologias interativas no ensino . Quim. Nova. 21, 780, 1998.

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HEINECK, R. et. al. Software educativo no ensino de Física: análise quantitativa e qualitativa. Rev. Iberoamericana de Educación. N 42/6, OEI, maio de 2007.

SANTOS, R. TIC's uma tendência no Ensino da Matemática , 2006. Disponível em http://WWW.meu artigo.brasilescola.com/educação/tics. Acesso em 15/06/12.

SANTOS, A. V. dos; SANTOS, S. R. dos e FRAGA, L. M. Sistema de realidade virtual para simulação e visualização de cargas pontuais discretas e seu campo elétrico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, (p. 185-195). São Paulo: 2002.

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