Análise da inserção de atividades investigativas nas aulas experimentais em um curso de eletricidade e magnetismo no ensino superior

## ANÁLISE DA INSERÇÃO DE ATIVIDADES INVESTIGATIVAS NAS AULAS EXPERIMENTAIS EM UM CURSO DE ELETRICIDADE E MAGNETISMO NO ENSINO SUPERIOR

Jessica Fabiana Mariano dos Santos , Gláucia Grüninger Gomes Costa , 1 2 Tomaz Catunda 3

1 IFSC/USP, jessica.santos@usp.br

SEESP/ Escola Estadual Professor José Juliano Neto, gggcosta@gmail.com

IFSC/USP, tomaz@ifsc.usp.br

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## Resumo

Este trabalho apresenta uma análise dos resultados (quantitativos e qualitativos) obtidos por meio da reestruturação realizada nos roteiros experimentais do Laboratório de Física Geral III - Eletricidade e Magnetismo, oferecido pelo Instituto de Física de São Carlos aos alunos do campus USP/São Carlos. Ela foi motivada por uma pesquisa (COSTA; CATUNDA, 2008) feita com estudantes de quatro Universidades Públicas, usando um teste sobre circuitos elétricos simples, o qual mostrou que, mesmo após os cursos de Física III e Laboratório de Física III, apenas ~13% dos estudantes demonstram o conhecimento conceitual suficiente para analisar circuitos simples que não requerem cálculos. Desta forma, concluímos que a maior parte dos estudantes não apresenta uma aprendizagem significativa, embora consigam resolver problemas tradicionais. Para melhorar esse quadro, alteramos os roteiros experimentais, introduzindo experimentos baseados em investigação, nos quais os alunos são requisitados constantemente a confrontarem suas concepções prévias com a observação dos fenômenos físicos que se apresentam. Nesta reestruturação, discussão permeia todo o trabalho, os alunos fazem previsões, discutem-nas com seus pares (às vezes também com os instrutores), realizam os experimentos, observam, e se necessário reavaliam suas previsões. Geralmente, os experimentos qualitativos são realizados antes das medidas e análises quantitativas. Observamos que, com este tipo de abordagem há mudanças nas atitudes dos estudantes, demonstrando estarem mais dispostos a ter responsabilidade com sua própria aprendizagem. Em 2008/2012 comparamos os resultados do pré-teste com um pós-teste e observamos um aumento significativo de 13 para 47% no aproveitamento dos alunos.

Palavras-chave : Experimentos investigativos; Laboratório de Física; Circuitos Elétricos; Eletromagnetismo; Eletricidade.

## INTRODUÇÃO

As atividades experimentais constituem parte do currículo dos cursos de Ciências desde o fim do século XIX (BARBERÁ & VALDÉS, 1996). Surgiram como uma tentativa dos professores de auxiliar seus alunos a entender como poderiam ser aplicados os conhecimentos aprendidos nas aulas teóricas (IZQUIERDO, 1999). Transcorridos quase dois séculos, há um reconhecimento crescente dos pesquisadores da área, de que para preparar o aluno para o presente cenário , a 1

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ação pedagógica nas aulas experimentais, não deve ser pensada para que simplesmente ocorra a verificação de leis e teorias (ARAÚJO E ABIB, 2003).

Séré apud Carvalho (2003) argumenta que o laboratório didático, para favorecer a aprendizagem, deve atender a três objetivos: (a) o conceitual que deve enfatizar as relações entre a teoria e a prática; (b) o procedimental que busca o desenvolvimento do estudante sobre um determinado processo realizado no laboratório, sendo dele exigido o poder de decisão, de planejamento e de investigação e (c) o epistemológico que intenciona propiciar aos alunos situações experimentais.

Para contemplar os objetivos acima (principalmente o item b) vários pesquisadores (GIL-PÉRES et al, 2006; TAMIR, GARCIA, 1992; CARVALHO, 2010) têm apontado uso de metodologias investigativas como uma alternativa ao laboratório tradicional . Sokolloff (1997), por exemplo, propõe o uso de um ciclo de 2 previsões, observações, discussões e sínteses - ciclo PODS ou POE (TAO, 1999; CARVALHO, 2010) - para tornar os alunos mais conscientes de suas ações. Ao realizá-lo, pequenos grupos de estudantes, normalmente três, são solicitados a construir uma predição, sobre o que irá acontecer se alguma mudança for feita em um determinado experimento. Após o registro da previsão, os estudantes discutem as hipóteses levantadas com seus pares (escrevem e desenham esquemas que dão sustentação às suas ideias) e só então realizam o experimento, procurando observar se sua previsão inicial se confirma, ou, quais as reformulações devem ser feitas em seu modelo explicativo proposto inicialmente.

Acreditamos que a estratégia PODS, em muito contribui para o desenvolvimento do pensar cientificamente e para uma maior criticidade dos estudantes. O levantamento de ideias e a discussão inicial, normalmente ignorada no laboratório tradicional, contribuem para uma aprendizagem significativa , uma vez 3 que, ao adotá-la, procuramos dar oportunidade aos alunos de se exporem, escutarem os outros, explorarem os fenômenos envolvidos e aplicarem os conhecimentos desenvolvidos em novos contextos, em um processo que transforma os alunos em desenvolvedores de ideias.

Norteados por esta estratégia de ensino investigativo e pelas dificuldades de aprendizagem dos estudantes no estudo dos circuitos elétricos presentes na literatura (e em nossa vivência), tais como, concepções alternativas , dificuldades 4 conceituais, uso indiscriminado de termos referentes ao tema, entre outras;

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propusemos o uso do ciclo PODS no curso de Laboratório de Física Geral IIIEletricidade e Magnetismo e estamos investigando suas implicações no desempenho dos alunos (COSTA e CATUNDA, 2011).

Neste trabalho apresentaremos uma avaliação, segundo metodologias qualitativas e quantitativas, dos resultados da reformulação do material didático entre os anos de 2009 e 2012.

## O Laboratório de Física Geral III- Eletricidade e Magnetismo no Instituto de Física de São Carlos (IFSC)

O curso prático de Eletricidade e Magnetismo é oferecido a alunos de diversos cursos do campus de São Carlos (Química, Engenharia Civil, Ciência da Computação, entre outros) e consiste de seis aulas experimentais (quinzenais) de quatro horas cada sobre diversos tópicos relacionados ao tema (a apresentação sucinta do conteúdo abordado em cada prática está disponível em anexo). Os estudantes que o realizam são do terceiro semestre (alunos do 'perfil') e fazem, além do laboratório, um curso teórico de quatro horas semanais. Porém os dois cursos são independentes e normalmente os conteúdos são trabalhados, primeiramente, nas aulas práticas.

Nossa vivência tem nos mostrado que a maioria dos estudantes possui grande dificuldade em discernir entre o que pode ser inferido de uma observação experimental de um resultado esperado teoricamente e, com pouca frequência, utilizam aspectos qualitativos, para embasar suas conclusões experimentais. Na busca por alternativas para auxiliá-los a obter uma melhor compreensão destes aspectos, tão importantes na atividade experimental, nos anos de 2006 e 2007, Costa e Catunda (2008) realizaram um estudo sistemático, por meio de uma questão conceitual (usada como pós-teste), similar a aplicada por McDERMOTT (1991), para aferir o entendimento dos estudantes em circuitos elétricos simples. Neste teste, o aluno deve fornecer um ordenamento crescente do brilho de lâmpadas em circuitos elétricos (lâmpadas em circuitos em série, paralelo e misto). Os resultados evidenciaram que apenas uma pequena parcela dos estudantes (~13%) conseguiu de resolvê-la com justificativa correta, embora a grande maioria tenha sido aprovada nestes cursos.

Esses resultados nos forneceram fortes indicativos que era necessário realizar uma reestruturação no material e na metodologia adotada no curso. Reformulamos o material de apoio entregue aos estudantes (apostila de roteiros experimentais) inserindo atividades que usam a estratégia PODS e buscam: (a) aflorar os conhecimentos prévios, (b) auxiliar os alunos a refletir criticamente sobre o experimento proposto, por meio do teste de hipóteses e (c) ajudá-los a modificar ideias de eletricidade e magnetismo que divergem das aceitas cientificamente. Para tanto, a apostila que os alunos recebem consta de uma pequena parte teórica, questões qualitativas que devem ser respondidas antes de realizarem os experimentos, questões quantitativas e por fim uma lista de exercícios (PARKS, 2006) que serve para que os mesmos consolidem ou aperfeiçoem seus conhecimentos.

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## Metodologia

Nossa experiência com o ciclo PODS tem nos mostrado ser uma metodologia interessante, e que pode ser empregada como uma avaliação diagnóstica e formativa, uma vez que nos fornece ideias típicas dos alunos sobre o tema em estudo (concepções espontâneas) e contribui para que, durante a elaboração dos relatórios, ocorra a reelaboração de explicações causais (ETKINA; WARREN; GENTILE, 2006; CARVALHO, 2010).

Para avaliarmos os possíveis benefícios na aprendizagem, ocasionados pelas reformulações realizadas neste curso de Laboratório, utilizamos os dados obtidos com os diferentes instrumentos utilizados durante o curso: (a) pré-teste (aplicado na aula inaugural) e pós-teste (aplicado ao final do curso), (b) relatórios elaborados a cada prática e (c) questionário qualitativo respondido pelos alunos, nos fornecendo suas impressões sobre a relevância das mudanças que realizamos para a aprendizagem.

## Resultados

## Análise do pré-teste e do pós-teste

A avaliação quantitativa da aprendizagem ocorreu por meio de testes, enfocando principalmente o tema de circuitos elétricos, que julgamos ser central no curso. Nos anos 2008-2012 foram feitos pré e pós-testes. Tipicamente, o resultado médio dos estudantes (~250/ano) para a questão que requereu o ordenamento crescente do brilho de lâmpadas em circuitos elétricos simples (série, paralelo e misto) foi de 15% no pré-teste e ~47% no pós teste. No ano de 2012, além deste teste, aplicamos o teste Determining and Interpreting Resistive Electric Circuit Concepts Test - DIRECT (ENGELHARDT, 2004), que apresenta diferentes circuitos elétricos e investiga diversos tópicos destes circuitos, tais como, diferença de potencial, corrente, curto circuito, entre outros.

Para a análise de nossos resultados utilizamos os cálculos sugeridos por Hake (HAKE,1998; COLETTA; PHILLIPS; STEINERT, 2012), que na procura de uma medida da efetividade na promoção do entendimento conceitual, definiu que esta poderia ser o ganho normalizado pelo ganho máximo possível como uma medida, ou seja,

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onde Si e Sf são as pontuações iniciais e finais, ambas expressas em porcentagens.

Em sua análise aferiu o engajamento de 60 classes, classificando-as como: tradicional, modesto engajamento interativo e alto engajamento interativo. Nas turmas classificadas como tradicionais o resultado foi g ~ 0,23 ± 0,04. Os melhores resultados foram obtidos com as turmas de maior engajamento interativo, com g ~ 0,48 ± 0,14. No caso do engajamento interativo o valor médio de g é duas vezes maior, com uma maior dispersão de valores, variando entre 0,3 a 0,7.

Aplicando esta medida no nosso curso obtivemos um gmédio = 0,37 (com Si=0,15 e Sf =0,47) com uma dispersão bastante grande dos resultados (nossos valores de g variam entre 0,11 a 0,80).

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Já a análise dos dados referentes ao teste DIRECT, para as cinco turmas que o realizaram como pré e pós-teste no ano de 2012, nos forneceram os seguintes resultados (Tabela 01).

Tabela 01. Desempenho dos estudantes no teste DIRECT

- ∗ Ο Δ g representa o desvio padrão obtido para cada turma.

Coincidentemente, para o teste DIRECT, também obtivemos um gmédio ~0,37, que assim como o anterior, encontra-se no intervalo que caracteriza um engajamento interativo maior do que o obtido nos cursos com metodologia tradicional.

## Análise dos relatórios

A literatura nos apresenta trabalhos (BEICHNER, 1990; REDISH &amp; WILSON, 1993) que evidenciam a importância da interatividade entre o material instrucional e o aluno para que ocorra aprendizagem, assim ao elaborarmos os roteiros investigativos, por meio da estratégia POE, procuramos construir questões que necessitassem de constantes reflexões e discussões para serem respondidas. Deste modo, os relatórios, desenvolvidos pelos estudantes durante a realização das práticas, mostraram-se um importante instrumento avaliativo. Por meio deles foi possível verificarmos como as ideias trazidas pelos alunos podem ser utilizadas para auxiliá-los a compreender e propor novos modelos explicativos para os experimentos realizados, como no exemplo a seguir, em que apresentamos a previsão, a observação/discussão elaborada por um grupo ao responder uma questão do roteiro experimental em que deveriam comparar o brilho de um circuito com uma única lâmpada, com o de um circuito com duas lâmpadas associadas em paralelo (Quadro 01), quando estes são alimentados por uma fonte de tensão V0 (V0~8V) de resistência interna desprezível .

Quadro 01 : Resposta de um grupo de estudantes à questão que compara o brilho de uma lâmpada (L1) com o de duas lâmpadas associadas em paralelo (L2 e L3), sendo L1, L2 e L3 lâmpadas idênticas.

Previsão

'Ao se conectar duas lâmpadas em paralelo o brilho será

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## Análise dos questionários qualitativos

A avaliação qualitativa sobre as mudanças ocorridas na metodologia do curso foi realizada por meio de uma questão dissertativa, no qual os estudantes escreveram se e como as alterações ocorridas na apostila (a estratégia POE, a presença de experimento e exercícios qualitativos, etc.) influenciaram na sua aprendizagem. A boa percepção das mudanças pode ser observada através das falas dos alunos:

O registro e a descrição das previsões foram importantes, pois nos fazem pensar em como os fenômenos ocorrem antes de analisarmos o que realmente acontece, fazendo com que o aluno pense no que acontece e não simplesmente utilize equações... Os experimentos qualitativos permitem ao aluno fugir um pouco do rigor matemático, fazendo com que o mesmo preste mais atenção no fenômeno e não se preocupe em apenas coletar dados. (Aluno A).

Comparando com a minha experiência anterior, as práticas foram muito mais didáticas e motivantes, principalmente por causa da presença de instrumentos qualitativos (que eram a maioria) e por causa da possibilidade da discussão com os membros do grupo... Em geral, meu engajamento foi maior do que com a realização de um laboratório tradicional. (Aluno B)

As discussões em grupo nos possibilitam pensar de uma forma diferente do que estamos pensando e chegamos a resposta certa com mais facilidade. (Aluno C).

## Conclusões

Por meio do trabalho que estamos realizando com este novo material, observamos que os experimentos de laboratório baseados em investigação são, realmente, mais interessantes para o envolvimento dos estudantes nas discussões, capacitando-os a utilizar mais altos níveis de habilidades de pensamento do que o observado com os roteiros tradicionais. Quando os estudantes usam os métodos de investigação, eles demonstram estarem mais dispostos a ter responsabilidade com suas próprias aprendizagens, como pudemos observar nos relatos dos próprios alunos. Assim, acreditamos que a compreensão dos conceitos se torna mais sólida.

Consideramos o resultado g = 0,37 razoável. Este valor está dentro do intervalo obtido por Hake para cursos com engajamento interativo intermediário (0,3&lt;g&lt;0,7), entretanto ele é menor que o valor médio observado por ele (g =0,48). É importante realçar que as modificações (introduzindo as atividades investigativas) foram feitas apenas no curso de laboratório enquanto o curso teórico correspondente (Física III, com carga horária duas vezes maior) não foi alterado. Outro ponto interessante que pudemos observar é que os estudantes no pós-teste utilizaram justificativas conceituais que foram praticamente inexistentes no pré-teste (COSTA; CATUNDA, 2008). Nos seus depoimentos os estudantes se mostraram favoráveis a utilização da estratégia POE, mesmo esta exigindo um tempo maior para a realização dos experimentos. Vale ressaltar que a necessidade de realizarem

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o ciclo PODS, não prejudicou o cumprimento do programa da disciplina e não requereu modificações na estrutura do curso, contribuindo com sua implementação.

## Referências

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BARBERÀ, O. &amp; VALDÉS, P. El trabajo práctico en la enseñanza de las ciencias: uma revisión . Enseñanza de las Ciencias , v.14, n.3, p. 365-379, 1996.

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CARVALHO, A.M.P. As práticas experimentais no ensino de Física. In: CARVALHO, A.M.P.(coord.) Ensino de Física , São Paulo: Cengage Learning, 2010. 158p. Coleção Ideias em Ação. Vários Autores.

CARVALHO, W.L.P.; CORDEIRO, M.A.M.; CHICARINO, A.G.G. et al. O laboratório didático e o desenvolvimento do conhecimento pedagógico do conteúdo de professores de Química , São Paulo: Ed. UNESP, 2003.

COLETTA V. P.; PHILLIPS, J. A.; STEINERT, J., FCI Normalized Gain, Scientific Reasoning Ability, Thinking In Physics, And Gender Effects, AIP CONF. PROC . 1413, 23 (2012); doi: 10.1063/1.3679984

COSTA, G. G. G.; CATUNDA, T. Investigação das dificuldades conceituais dos estudantes sobre circuitos elétricos. In: ENCONTRO DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA, 11, 2008, Curitiba. Resumos ... Curitiba, 2008.

ENGELHARDT, P.V.; BEICHNER, R.J. Students' understanding of direct current resistive electrical circuits, American Journal of Physics , v.72, n.1, p. 98 - 115, Jan 2004.

ETKINA, E.; WARREN, A.; GENTILE, M. The Role of models in physics instruction, Phys. Teach. , v. 44, n.1, p.34 - 39, Jan. 2006.

GIL-PÉREZ, D. et al. Papel de la Atividade Experimental en la Educación Científica . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 23, n. 2: p.157-181, ago. 2006.

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MOREIRA, M.A.; MASINI, E. F. S. Aprendizagem Significativa: A Teoria de David Ausubel, São Paulo: Centauro, 2011.

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PARKS, B. Research-inspired problems for electricity and magnetism, American Journal of Physics , v.74, n.4, p. 351 - 354, 2006.

REDISH, E.F.; WILSON, J.M. Student programming in the introductory physics course: M.U.P.P.E.T. American Journal of Physics , v.61, n.3, p.222-232, Mar. 1993.

SOKOLOFF, D. R. ;THORNTON, R. K. The Physics Teacher , v. 35 , n.6, p. 340-342 , 1997.

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TAO, P. K.; GUNSTONE, R. F. The process of conceptual change in force and motion durin computer-supported physics instruction. Journal of Research Science Teaching , v. 36, n.7, p. 859-882, Julho 1999

## Apêndice

## Conteúdo das práticas:

Prática 1 - Introdução aos Circuitos Elétricos (corrente e brilho de lâmpadas idênticas, circuitos série e paralelo, uso do multímetro, etc.) na qual os estudantes desenvolvem definições operacionais para circuitos completos, necessárias para todas as outras práticas a serem realizadas no curso.

Prática 2 - Circuitos de Corrente Contínua: potência elétrica através do brilho de diferentes lâmpadas, fonte real (com resistência interna), diodos o funcionamento de um divisor de tensão, a limitação na corrente de um gerador de tensão elétrica (resistência interna de uma fonte), uso de diodos e LEDs como indicadores do sentido da corrente e o comportamento de resistores especiais (LDR).

Prática 3 - Capacitores: estuda do processo de carga e descarga de um circuito RC através de diversos experimentos qualitativos. Utiliza-se supercapacitores (C~0,1 F) de tal forma que a constante de tempo é de alguns segundos e o processo pode ser visualizado através do brilho das lâmpadas.

Prática 4 - Osciloscópio e aplicações - noções de corrente alternada, circuito RC no osciloscópio e aplicação na retificação da tensão.

Prática 5 - Medidas de Campos Magnéticos e Estudo de um Dipolo Magnético: experimento de Oersted, medida do campo magnético da Terra com um par de bobinas de Helmholtz e indução eletromagnética (qualitativo).

Prática 6 - Circuitos RLC, Transientes e Ressonância: relação entre curva de ressonância (variando a frequência senoidal de entrada) e a oscilação livre (transiente excitado c/ onda quadrada). Verificar que as duas frequências são aproximadamente iguais.

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