Práticas Experimentais Investigativas no Ensino Médio: construção de um termômetro de coluna líquida

## Práticas Experimentais Investigativas no Ensino Médio: construção de um termômetro de coluna líquida

## Cleidson Santiago de Oliveira , James Alves de Souza , Marcos Pires Leodoro 1 2 3

1 E.E. Profª. Leonor Fernandes da Silva, cl-santiago@uol.com.br

## Resumo

Considerando os benefícios que a atividade prática investigativa pode trazer para o processo de ensino-aprendizagem de Física, desenvolvemos, neste trabalho, uma estratégia de ensino que explora a atividade experimental de forma mais aberta, numa perspectiva investigativa (AEI), e procuramos analisar alguns dados resultantes de sua aplicação em uma sala de aula do Ensino Médio público. Para tanto, escolhemos uma atividade comumente encontrada em diversos livros didáticos, que é a construção de um termômetro de coluna líquida e trabalhamos a mesma como AEI num processo de cinco etapas : i. Contextualização; ii. Provocação; iii. Planejamento; iv. Realização e v. Fechamento. A condução do processo de ensino foi pautada no referencial vigotskiano e os registros dos resultados foram feitos a partir de avaliações, questionários e diários das aulas elaborados pelo professor. Nesse sentido, a investigação desenvolvida se aproximou de uma pesquisa-ação. Levando em conta o contexto em que esta proposta foi aplicada, envolto por tantas situações adversas, podemos considerar os resultados obtidos como promissores, uma vez que identificamos a importância da interação entre os pares no processo investigativo de construção e calibração do termômetro, assim como a melhoria da motivação dos alunos.

Palavras-chave : Atividade experimental investigativa. Física térmica. Termômetro de coluna líquida.

## Introdução

A atividade experimental tem um importante papel no ensino de Ciências, particularmente de Física. Há na literatura específica um considerável número de trabalhos que apontam para os benefícios de envolver estudantes, tanto do nível básico como do nível superior, em trabalhos experimentais (ALVES e STACHAK, 2005; LABURÚ, 2006).

Nas últimas décadas, um número crescente de pesquisadores vem defendendo a ideia de que os benefícios podem ser ainda mais significativos quando as atividades experimentais são orientadas para a investigação (AEI). Para estes, em propostas experimentais dessa natureza, os alunos passam a ter um papel mais central no processo de aprendizagem, uma vez que se tornam responsáveis pela organização e planejamento da atividade (BORGES, 2002). Cabe a eles escolher os materiais mais apropriados, decidir qual o procedimento mais adequado, elaborar e testar hipóteses, identificar problemas e propor soluções, interpretar e discutir resultados com seus parceiros e elaborar relatórios sobre a atividade realizada. Dessa forma, além de facilitar a aprendizagem de conceitos, as AEI também

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20 a 25 de janeiro de 2013

contribuem para o desenvolvimento de procedimentos e atitudes científicas (CACHAPUZ et al., 2005; SARAIVA-NEVES, CABELLERO e MOREIRA, 2006).

Acreditando nos benefícios que uma atividade prática dessa natureza pode trazer para o processo de ensino-aprendizagem de Física, mas, também, conscientes de que qualquer iniciativa inovadora não está livre de dificuldades, desenvolvemos, neste trabalho, uma estratégia de ensino que explora a atividade experimental de forma mais aberta, numa perspectiva investigativa, e procuramos analisar alguns dados resultantes de sua aplicação em uma sala de aula do Ensino Médio (EM). Para tanto, escolhemos uma atividade comumente encontrada em diversos livros didáticos, que é a construção de um termômetro de coluna líquida. Este possibilita a abordagem de vários conceitos de física térmica além de ser acessível aos alunos do EM.

## Contexto da aplicação da proposta

O trabalho foi realizado no primeiro semestre letivo de 2010 com uma turma de alunos do 2º ano do EM, período noturno, em uma escola da rede pública estadual localizada no interior de São Paulo. Ele foi parte de uma investigação, conduzida pelo autor, num Programa de Pós-Graduação strictu sensu na modalidade de Mestrado Profissional em Ensino de Ciências Exatas. Tendo em vista o propósito dos programas de mestrado profissional que contempla a elaboração e aperfeiçoamento de produtos educacionais por professores, este trabalho se aproximou metodologicamente da pesquisa-ação.

- O objetivo da investigação era: a) contribuir para que o ensino de Física seja mais motivador e significativo para os alunos; b) contribuir para que o processo de ensino-aprendizagem de Física promova o estudante a sujeito investigativo ; c) abordar, no ensino de Física, além dos conceitos, procedimentos e atitudes ; d) promover o ensino de Física que possibilite, aos alunos, uma visão mais participativa do fazer científico ; e) implementar e avaliar, de maneira efetiva, a atividade investigativa no ensino de Física na escola média pública.

No período em que o trabalho foi realizado, a turma possuía trinta e nove alunos matriculados. Desses, trinta e quatro frequentaram as aulas de maneira mais assídua. A média de idade desses estudantes é de dezesseis anos sendo que, praticamente, a metade deles trabalhava durante o dia.

Como a escola não apresenta espaços apropriados, como laboratórios ou salas com bancadas para realização de atividades experimentais, a maior parte do trabalho foi desenvolvido em sala de aula. Não havia aulas extras de laboratório. Todo o desenvolvimento do trabalho, aulas teóricas e práticas, foram adaptadas para serem trabalhadas em apenas duas aulas de Física semanais com duração de quarenta e cinco minutos cada.

## Apresentação da proposta

A construção de um termômetro de coluna líquida por alunos do EM consiste numa atividade prática bem interessante, já que envolve vários conceitos de física térmica, como, por exemplo: temperatura, calor, condutividade térmica, equilíbrio térmico, dilatação térmica, calibração de termômetros e elaboração de escala termométrica. Compreender tais conceitos é fundamental para a escolha dos

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materiais e acessórios mais adequados para a construção do termômetro (OLIVEIRA e SOUZA, 2011).

De outro modo, montar, calibrar e observar o funcionamento de um termômetro pode consistir numa boa oportunidade para os alunos compreenderem melhor os conceitos de física térmica. Logo, a articulação entre o compreender e o fazer é dinâmica.

Ao planejar a AEI, procuramos atentar para que ela apresentasse um grau de dificuldade adequada aos alunos e que eles tivessem o embasamento teórico necessário à realização de uma prática investigativa. Assim, a atividade experimental foi proposta para os estudantes após o desenvolvimento dos conteúdos necessários para subsidiá-los na prática investigativa e a partir de cinco etapas: i. Contextualização ; ii. Provocação; iii. Planejamento; iv. Realização e v. Fechamento.

Considerando a importância que a interação social entre os alunos e entre eles e o professor exerce no contexto da aprendizagem, conforme estudos vigotskianos (MOREIRA, 1999; VIGOTISKI, 2007), o trabalho em grupo, mediado pelo professor, foi valorizado durante toda a aplicação da proposta. Nas etapas i e v, o trabalho foi conduzido no grande grupo (interação professor-classe) e nas etapas ii, iii e iv ele foi desenvolvido em pequenos grupos (interação aluno-aluno). 1

Fazemos, a seguir, a descrição das etapas da AEI:

## i. Contextualização

Nesta primeira etapa, foi apresentada aos alunos a importância da construção e do aperfeiçoamento dos termômetros no meio científico, sua utilidade para a sociedade e, também, o funcionamento desses aparelhos. Para que houvesse um envolvimento maior dos estudantes e eles, então, manifestassem aquilo que já sabiam sobre os termômetros e medida de temperatura, realizou-se diversas perguntas tais como: 'Vocês já usaram um termômetro?' 'Com que , finalidade?' 'Que tipos de termômetros vocês já viram?' 'Por que é importante , , medir a temperatura?' 'Vocês saberiam dizer quando o primeiro termômetro foi , construído?' , 'Que fatores motivaram a construção desse aparelho?' 'Como , funcionam os termômetros de coluna líquida?' .

Questões como essas não só ajudaram na contextualização do conteúdo como também serviram para instigar o envolvimento e a participação dos estudantes no debate, gerando uma motivação inicial que é imprescindível para o engajamento dos alunos na atividade. Como muitas informações a esse respeito eram desconhecidas pelos estudantes, encerramos essa primeira etapa sistematizando as idéias discutidas e apresentando outras informações que pudessem contribuir para motivá-los.

## ii. Provocação

Assim como em qualquer outra estratégia de ensino, a contribuição da atividade experimental para a aprendizagem dependerá, em parte, do quanto os alunos estão motivados e interessados dentro da sala de aula. Nesse sentido é

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importante que o experimento a ser proposto apresente um 'formato cativante' , de modo que seja potencialmente motivador (LABURÚ, 2006).

Para satisfazer essa demanda apresentamos a AEI aos alunos como um desafio. Discutimos com eles sobre a possibilidade de se construir, em sala de aula, com materiais de baixo custo e facilmente encontrados no comércio ou em casa, um termômetro de coluna líquida que permitisse medir a temperatura ambiente, por exemplo, de maneira semelhante a um termômetro comercial.

Nesse momento, a turma foi organizada e dividida em grupos menores, de acordo com a afinidade entre eles, para debater a construção de um termômetro e esquematizar sua montagem. Para isso, foram consideradas as partes de um termômetro de coluna líquida, ou seja, o bulbo, o tubo capilar, a substância termométrica e a escala termométrica. Em seguida, cada grupo apresentou aos demais colegas sua proposta discriminando os materiais a serem utilizados e as etapas da montagem.

Uma vez feita a provocação, o próximo passo foi orientar um pouco mais a atividade, cuidando para que ela mantivesse seu caráter motivador.

## iii. Planejamento

Após a exposição dos esquemas prévios da construção do termômetro apresentamos, aos estudantes, um guia experimental aberto que desenvolvemos especialmente para eles. O guia contém apenas aspectos gerais do experimento, já que os detalhes teóricos e procedimentais fariam parte do trabalho de investigação dos alunos. Além dos conceitos envolvidos nesse contexto, discutimos e apresentamos os diversos materiais que poderiam ser utilizados na construção do termômetro. A escolha dos materiais, as etapas e todo o planejamento da montagem ficaram a cargo de cada grupo. Caso contrário, a proposta tenderia à tradicional 'receita de bolo' .

Como era fundamental que a motivação gerada pelo caráter desafiador da atividade perdurasse nas etapas subsequentes, as quais exigiriam maior esforço intelectual para resolução dos problemas que certamente apareceriam durante a experimentação, procuramos instigar os estudantes com questionamentos do tipo: 'Que fatores influenciam no funcionamento de um termômetro de coluna líquida?', 'Que intervalo de temperatura esse termômetro pode registrar?', 'Qual(ais) líquido(s) pode(m) ser utilizados como substância termométrica?', 'Quanto o líquido deve se expandir no interior do tubo capilar?', 'Qual deve ser a capacidade do frasco, que fará o papel de bulbo do termômetro, para que o líquido não entorne pelo tubo capilar e impossibilite a construção da escala?', 'Qual deve ser o procedimento para a construção da escala?' etc.

Nessa etapa, conduzimos a atividade orientando o trabalho nos grupos e dando suporte às investigações dos alunos, mas sem interferir diretamente nas escolhas e decisões do grupo.

## iv. Realização

Uma vez estudada e debatida a construção do termômetro, cada grupo decidiu quais materiais iriam utilizar e saiu em busca destes para dar início à montagem do aparelho.

Apesar do estudo prévio sobre o comportamento térmico das substâncias e das discussões e orientações ocorridas nas etapas anteriores, já era previsto que

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alguns grupos tomariam decisões e fariam escolhas equivocadas, até porque era a primeira vez que eles estavam tendo contato com esse tipo de abordagem. Mesmo assim, deixamos que cada grupo construísse o seu termômetro de acordo com o planejamento que fizeram. Por uma questão de tempo, propusemos que a montagem do equipamento fosse feita fora do horário de aula. Durante as aulas, ocorriam as discussões e a calibração do termômetro.

Os grupos que não conseguiram construir adequadamente os termômetros foram assistidos pelo professor no debate das dificuldades, busca das soluções para os problemas identificados e replanejamento da construção do dispositivo, promovendo as melhorias necessárias para o seu funcionamento.

Após a calibração do termômetro, os alunos fizeram algumas medidas de temperatura com os respectivos aparelhos e compararam com as temperaturas obtidas com um dispositivo comercial. Essa comparação possibilitou a discussão sobre a precisão e as limitações do termômetro que construíram. A figura 1 mostra os termômetros construídos por um dos grupos de alunos (grupo II) em dois momentos: (a) primeira versão, apresentando vários problemas e (b) segunda versão, com os problemas solucionados após o trabalho investigativo dos estudantes.

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Figura 1: Termômetros construídos pelo grupo II. (a) Termômetro com problemas (não funcionou). (b) Termômetro calibrado e funcionando.

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## v. Fechamento

Encerramos a atividade com uma explanação sistematizada onde retomamos os conceitos envolvidos no desenvolvimento do trabalho, assim como as dificuldades e as soluções encontradas pelos estudantes para os problemas que surgiram durante a sua realização. Essa discussão nos permitiu explicitar aos alunos

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algumas habilidades que eles conseguiram desenvolver durante a atividade. Também discutimos como a construção dos termômetros comerciais evoluiu no decorrer dos anos, para que os alunos percebessem que as dificuldades enfrentadas pelos cientistas e inventores se assemelham, em parte, às suas ao construírem o termômetro. Além disso, procuramos chamar a atenção dos estudantes para a relação existente entre Ciência (conceitos, leis e teorias) e Tecnologia (construção e desenvolvimento de instrumentos, aparelhos etc.) e como o desenvolvimento de ambas está diretamente correlacionado.

## Instrumentos de avaliação dos alunos adotados e subsidiários da coleta de dados

Após a exposição, propusemos algumas questões aos alunos, as quais foram resolvidas em sala de aula e, também, a elaboração de um relatório como tarefa de casa. Ambas as atividades foram realizadas em grupo e consistiram em meios para a avaliação da aprendizagem dos estudantes. Outra ferramenta utilizada para analisar principalmente as interações e os avanços, além da aprendizagem, de cada grupo de estudantes durante as atividades foi a elaboração de diários detalhados de aulas feitos pelo professor após o encerramento de cada aula. Para analisar a impressão deixada por esta proposta de trabalho nos aprendizes solicitamos que eles respondessem individualmente um questionário de opinião ao final de todo o trabalho. Todos estes instrumentos foram subsidiários para a análise dos dados e conclusões da investigação.

## Resultados da investigação

Apesar de vivenciarmos a dificuldade de aplicarmos projetos, como o nosso, no sistema público de ensino, fundamentalmente no período noturno, conseguimos estabelecer resultados positivos evidenciados na pesquisa, que incluem: um maior interesse dos alunos em sala de aula, menor índice de indisciplina, participação mais ativa dos alunos, inclusive daqueles considerados apáticos e/ou com maiores déficits de aprendizagem, mudança no papel do professor no processo de ensinoaprendizagem (de transmissor a mediador) e maior apreço dos estudantes pela Física.

Por outro lado, as questões propostas aos estudantes após a realização da AEI mostraram que nem todos os conceitos de física térmica abordados na atividade foram plenamente compreendidos pelos alunos. O quadro 1, abaixo, apresenta uma dessas questões com as respostas dadas por dois dos sete grupos de trabalho. Nota-se que o grupo III associa a dilatação do álcool a um aumento no volume de suas moléculas - e não ao afastamento entre elas, provocado pela elevação do grau de agitação dessas moléculas ao ganharem energia térmica. O grupo VII, por sua vez, associa a condutividade térmica com a 'transmissão de temperatura' entre sistemas.

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Quadro 1: Respostas dos grupos III e VII à questão 7 do questionário proposto aos alunos.

No entanto, foi possível visualizar alguns avanços, sobretudo no que se refere à aprendizagem procedimental e atitudinal, tais como aplicação dos conteúdos estudados na execução do experimento, investigação dos problemas e propostas de soluções, exposição e discussão de idéias com os colegas, respeito ao posicionamento do próximo, busca pelo consenso nas decisões e melhor convivência entre eles tanto dentro quanto fora da sala de aula.

Outro destaque foi o aprendizado do trabalho coletivo. No início da atividade, o professor encontrou dificuldade para formar os grupos, devido à divergência entre alguns alunos e também a falta de vivências da turma com esse tipo de trabalho, mas no decorrer da atividade o desempenho dos grupos foi melhorando, sendo que um deles (grupo IV) chega a comentar no relatório: ' O principal fator desse trabalho, foi que aprendemos a trabalhar em grupo...' . Vale lembrar que nas tradicionais aulas expositivas, esses tipos de aprendizagens geralmente são negligenciados.

Também consideramos relevante a boa aceitação dos alunos pela proposta de ensino, uma vez que a estrutura das aulas passou a ser bem diferente das habituais. A grande maioria deles se manifestou afeiçoada à proposta e desejosa pela sua continuidade. O quadro 2 apresenta alguns comentários feitos pelos alunos, ao responderem o questionário de opinião após o encerramento do trabalho.

Quadro 2: Opiniões de alguns alunos sobre a AEI realizada.

## Comentários de alguns estudantes sobre a realização da AEI expressos no questionário de opinião.

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## Considerações finais

Os resultados da investigação demonstram que a estratégia de ensino proposta neste trabalho pode trazer contribuições relevantes para o processo de ensino-aprendizagem, mesmo em contextos pouco favoráveis.

As AEI possibilitaram uma nova dinâmica na sala de aula, bem diferente das tradicionais aulas de Física.

Enquanto os alunos deixaram de ser meros expectadores da aula tornandose sujeitos ativos no processo de ensino-aprendizagem, manifestando aquilo que sabiam sobre o assunto tratado, externando suas concepções prévias, discutindo como resolver o desafio proposto, organizando e planejando a atividade experimental com base em suas hipóteses, construindo o experimento, debatendo os problemas e propondo soluções etc, o papel do professor deixou de ser apenas o de transmitir conteúdos tornando-se o de mediar às múltiplas interações do processo: aluno-conteúdo, aluno-aluno, classe-professor. Nesse sentido, a AEI concretiza a proposta socioconstrutivista vigotskiana.

No que concerne a aprendizagem de conceitos, os resultados obtidos nos forneceram subsídios para continuar e aprimorar a aplicação da proposta a fim de que, futuramente, possamos obter resultados ainda melhores.

## Referências

ALVES, V. C.; STACHAK, M. A importância de aulas experimentais no processo de ensino aprendizagem em Física: 'Eletricidade'. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 16., 2005, Rio de Janeiro. Resumos... Rio de Janeio: CEFET, 2005. p. 1 - 4. Disponível em:

&lt;http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0219-3.pdf&gt;. Acesso em: 22 mai. 2010.

BORGES, A. T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 19. n. 3, p. 291-313, dez. 2002.

CACHAPUZ, A et al. A necessária renovação no ensino das ciências . São Paulo: Cortez, 2005. 263 p.

LABURÚ, C. E. Fundamentos para um experimento cativante. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 23, n. 3, p. 382-404, dez. 2006.

MOREIRA, M. A. Teorias de Aprendizagem . São Paulo: EPU, 1999. 194 p.

OLIVEIRA, C. S.; SOUZA, J. A. Professor, por que meu termômetro não funciona?. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 28, n. 2, p. 435-467, ago. 2011.

SARAIVA-NEVES, M.; CABALLERO, C.; MOREIRA, M. A. Repensando o papel do trabalho experimental, na aprendizagem da Física, em sala de aula - um estudo exploratório. Investigações em Ensino de Ciências , Porto Alegre, v. 11, n. 3, p. 383-401, dez. 2006.

VIGOTSKI, L. S. A formação social da mente . 7. ed. São Paulo: Martins Fontes, 2007. 182 p.

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