UTILIZAÇÃO DE UM LABORATÓRIO VIRTUAL NO PROCESSO ENSINO-APRENDIZAGEM DA FÍSICA: EXPERIÊNCIA COM O SEGUNDO ANO DO ENSINO MÉDIO

## UTILIZAÇÃO DE UM LABORATÓRIO VIRTUAL NO PROCESSO ENSINO-APRENDIZAGEM DA FÍSICA: EXPERIÊNCIA COM O SEGUNDO ANO DO ENSINO MÉDIO

Aluizio Torres da Silva 1 , Shalimar Calegari Zanatta 2

1 Professor de Física da rede Estadual do Paraná/ Colégio Est. Bento Munhoz da Rocha Neto - Paranavaí, e-mail atorres@seed.pr.gov.br

2 UNESPAR- Campus FAFIPA/Departamento de Ciências, e-mail shalicaza@yahoo.com.br

## Resumo

Este trabalho relata os resultados da aplicação de recursos computacionais para o ensino dos conceitos de Termodinâmica. Trata-se de um trabalho desenvolvido em 2012 através do Programa de Desenvolvimento da Educação - PDE/SEED. Os alunos participantes cursavam o segundo ano do Ensino Médio do Colégio Estadual Professor Bento Munhoz da Rocha Neto, situado na região noroeste do Paraná/Paranavaí. A justificativa para a implantação deste trabalho está relacionada ao fato de que, apesar do computador fazer parte da vida dos nossos alunos, este instrumento vem sendo utilizado apenas para redes sociais, jogos, filmes, etc. Como resultado, verificamos um número restrito de alunos que manuseiam adequadamente recursos oferecidos pelos programas de textos, gráficos, tabelas, apresentações, etc. Em função disto, este trabalho visa despertar o interesse do aluno através do uso de simulações computacionais disponíveis na rede mundial de computadores e, a partir daí elaborar relatórios, gráficos e tabelas como metodologia de trabalho e como processo de avaliação. Os conteúdos da Termodinâmica foram escolhidos em função das dificuldades dos alunos com relação a aprendizagem dos conceitos envolvidos. Para avaliarmos a eficácia da metodologia, aqui empregada, aplicamos um questionário investigativo acerca dos conceitos envolvidos pela termodinâmica. As análises das respostas destes questionários, aplicados antes e posteriormente a aplicação deste projeto de ensino mostraram que houve um alto índice de apropriação dos conceitos e melhoras significativas na interpretação das relações entre as grandezas envolvidas. É digno de nota que os alunos, participantes do projeto, já haviam estudado os mesmos conceitos pelos métodos tradicionais de livros e exercícios.

Palavras-chave : Termodinâmica, PDE, simulações, laboratório virtual.

## Introdução

Se por um lado vivemos numa sociedade em processo acelerado de desenvolvimento tecnológico, por outro a educação encontra seu maior desafio: despertar o interesse científico dos nossos alunos no sentido de despertá-lo para a observação e interpretação dos fenômenos físicos. Especificamente, o ensino dos conceitos relacionados à Física não tem sido uma tarefa fácil. Os motivos podem ser diversos, tais como, a falta de preparo dos professores, metodologia inadequada, falta de interesse dos alunos, conceitos complexos e abstratos, a necessidade de utilização da matemática no manuseio das grandezas físicas (LUCKESI, Carlos Cipriano, 2005). Além disso, a Física lida com materiais que, muitas vezes, estão fora do alcance dos sentidos dos seres humanos, tais como, partículas subatômicas, corpos com altas velocidades, etc. A situação apontada, frequentemente, faz com

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20 a 25 de janeiro de 2013

que os estudantes se sintam entediados ou cheguem mesmo a odiarem o estudo da Física. Estamos diante de uma geração de alunos que exibem suas curiosidades para questões voltadas a programas de televisão, jogos virtuais, celulares, etc. Neste contexto, podemos destacar a presença do computador na vida desses jovens. Este recurso está presente na vida dos nossos estudantes, quer seja nas suas casas, em estabelecimentos comerciais próprios para este fim ou nas escolas. No entanto, observamos uma enorme dificuldade dos alunos quando necessitam do computador para formatar um trabalho, ou seja, é notória a dificuldade em utilizar programas para editar textos, gráficos e tabelas. É aqui que encontramos uma lacuna entre o saber comum e o saber formal e o uso do computador. A escola pode escolher este recurso para despertar o interesse do aluno, para chamar à atenção aos fenômenos da Ciência em geral e, ainda utilizá-lo dentro de uma concepção crítica. É importante ressaltar aqui que a concepção empirista-indutivista, está fortemente relacionada com a metodologia empregada pelos professores de Física. Esta concepção encontra forte apelo entre os livros didáticos, que atribuem o desenvolvimento da Ciência com a observação e a experimentação através do 'método científico'. O 'método cientifico' ou a 'investigação científica' é a metodologia frequentemente apresentada pelos livros de Ciências, responsável pelo seu desenvolvimento (OSTERMANN, Fernanda e SILVEIRA, Fernando Lang, 2002). De acordo com esta concepção a Ciência pode ser definida como um método rígido e organizado, onde os resultados do processo recebem atenção especial. No entanto, ressalta-se que a descoberta das leis que tratam da Física Quântica e teoria da Relatividade Geral e Restrita, no inicio do século XX, só foram possíveis porque se rompeu com o método indutivo (SILVEIRA, Fernando Lang, 2004). Adotar uma concepção específica acarreta uma postura particular no ensino da Física e, de acordo com Popper, o conhecimento é uma modificação do conhecimento anterior. Desta forma, o ensino poderá ser mais eficiente se o professor conhecer as teorias que seus alunos possuem e apresentar argumentos que as derrubem, além de apresentar a teoria oficial juntamente com seu debate crítico. De acordo com a metodologia apresentada por Popper o professor deve apresentar um profundo conhecimento a cerca dos modelos teóricos bem como da historia da Ciência.

Diante do quadro exposto, este trabalho relata a metodologia empregada neste projeto, desenvolvido durante o Programa de Desenvolvimento da Educação (PDE), sempre enfatizando a liberdade dos alunos em levantar hipóteses e testá-las através dos aplicativos utilizados e disponíveis na rede mundial de computadores. O projeto de Desenvolvimento da Educação - PDE é um projeto de iniciativa do governo do estado do Paraná, o qual tem por objetivo qualificar o professor através de estudos teóricos e experiências vivenciadas, com a intenção de buscar alternativas que superem problemas da escola em que atua e da educação paranaense, identificados durante o exercício da profissão e, estabelecido formalmente durante a elaboração do Projeto de Intervenção Pedagógica. Desta forma, relatamos os resultados da aplicação de como recursos virtuais podem conectar os conceitos estabelecidos pela realidade atual com o mundo não experimentado. As imagens reproduzidas pelos 'softwares' disponíveis atuam como um complemento ao uso das linguagens verbal, escrita e da Matemática. Assim, os usos das tecnologias digitais são potenciais instrumentos que podem auxiliar e intermediar o processo de ensino-aprendizagem, dissolvendo parte da abstração e, permitindo o aluno a investigar suas hipóteses. Soma-se a isto, o uso dos computadores para o desenvolvimento de relatórios, tabelas e gráficos como

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resultados da síntese da interpretação das grandezas relacionados com as grandezas termodinâmicas. Ou seja, o computador pode também ser utilizado para fazer a avaliação diagnóstica da aprendizagem. O conteúdo da termodinâmica foi escolhido em função do alto índice de dificuldades na interpretação dos conceitos que envolvem suas grandezas e suas relações. Além, claro da dificuldade de testar suas hipóteses através de praticas experimentais. Salienta-se que o objetivo final era que os alunos interpretassem adequadamente os conceitos envolvidos nas leis da termodinâmica, relacionando as grandezas entre si, inclusive as grandezas envolvidas na teoria cinética dos gases, tais como pressão e volume. Ou seja, a lei zero da termodinâmica, estabelece que a temperatura é uma grandeza obtida através do equilíbrio térmico entre dois ou mais corpos em contato. A primeira lei estabelece o princípio de conservação da energia e identifica a contribuição da variação da energia interna ( Δ U) como uma nova forma de energia e, a segunda lei estabelece a impossibilidade de se construir máquinas térmicas ou refrigeradores perfeitos (NUSSENZVEIG, H. Moysés, 1997).

- O local de aplicação deste projeto foi um grupo de alunos do 2º ano do Ensino Médio do Colégio Estadual Professor Bento Munhoz da Rocha Neto, de Paranavaí, Paraná. Todos os alunos, da referida turma foram convidados, no entanto, apenas 15 alunos participaram do projeto até sua aplicação final.

## Termodinâmica

Historicamente, as leis da termodinâmica foram obtidas como leis empíricas, de natureza fenomenológica. Somente mais tarde, com a formulação da teoria cinética dos gases , precursora da teoria atômica da matéria, é que se procurou a explicação microscópica das leis da termodinâmica (HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl, 1992).

.As três leis em que a termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de limitações, proibições ou definições de conceitos que, segundo a Física, estão estabelecidas pela natureza. De acordo com esse código:

- · É proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se transforme em energia não aproveitável;
- · Calor é uma forma de energia em trânsito;
- · Existe uma grandeza macroscópica, denominada temperatura, que apresentará o mesmo valor a qualquer corpo quando em contato entre si;
- · São proibidos ainda quaisquer dispositivos que se movimentam continuamente, sem consumo de energia, como o moto-perpétuo;
- · É proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frios para os mais quentes. A transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos atinjam o mesmo estado térmico;
- · É impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode ser alcançado.

De acordo com as Leis de Diretrizes e Bases da Educação do Estado do Paraná (PARANÁ, 2008), o aluno deve compreender as definições das grandezas termodinâmicas e relacioná-las entre si, inclusive diferenciar as grandezas

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macroscópicas, tais como: temperatura, pressão e/ou volume que definem o estado macroscópico de um gás, considerado ideal, das grandezas microscópicas associadas. É igualmente necessário que o aluno compreenda o problema da medida de temperatura, o conceito de gás ideal e o diferencie do gás real, além de compreender os motivos necessários de se estabelecer esta definição.

Diferenciar e conceituar calor e temperatura corretamente constitui o alicerce para a compreensão das leis da termodinâmica. Estas leis empíricas (obtidas pela observação) foram completadas quando se compreendeu que existe uma flecha temporal ditando a ordem permitida para as trocas de calor entre dois sistemas em contato.

## Implementação

Os alunos foram encaminhados para a sala de informática onde foi explicado a dinâmica do projeto, salientando a importância da permanência de cada um para fins de aprendizagem e investigação. Foi explicado que o projeto inteiro constituía-se de 8 encontros com duração de quatro horas aulas cada um numa frequência de 1 encontro semanal. Ainda no primeiro encontro os alunos foram convidados a responder um questionário diagnóstico (contendo 15 questões - veja abaixo) sobre o conhecimento prévio do conteúdo que seria trabalhado (todos os alunos participantes do projeto aceitaram responder o questionário). Estes questionários foram recolhidos e não mais comentados em sala de aula. Os alunos foram incentivados a procurarem sítios didáticos com aplicativos que envolvessem conceitos de termodinâmica. Foi permitido que eles trocassem endereços entre os colegas de modo que pudessem escolher um aplicativo interessante.

Para cada encontro seguiu-se uma dinâmica razoavelmente padrão: o aluno tinha liberdade para buscar aplicativos interessantes e relacionados com uma grandeza termodinâmica definida pelo professor no inicio da aula. Além disso, o professor também sugeria alguns endereços. Foi permitido aos alunos levantarem de seus lugares para verificar os aplicativos encontrados pelos colegas de modo a eleger o mais interessante. A observação do comportamento de cada grandeza termodinâmica, acompanhada pelo aplicativo, era seguida de registro de conclusões onde ia se modelando as concepções envolvidas. As grandezas da Termodinâmica foram sendo trabalhadas simultaneamente com as simulações computacionais, estas sendo utilizadas principalmente como respostas de hipóteses para explicação de fenômenos observados. A metodologia não seguiu nenhuma ordem para a apresentação dos conceitos O quarto encontro foi marcado com uma dificuldade extra. Foi pedido para que os alunos usassem um editor de texto para formatar um texto envolvendo todas as conclusões anteriores como um resumo geral dos conceitos discutidos. Posteriormente foi pedido para que eles relacionassem matematicamente algumas grandezas observadas nos aplicativos e a partir desses dados confeccionassem gráficos que representassem estes conceitos utilizando qualquer programa de gráficos. O resultado foi surpreendente: a dificuldade em usar um editor de texto ou um programa de gráficos foi maior do que a dificuldade de relacionar as grandezas termodinâmicas. Os alunos tiveram que receber orientações básicas para realizarem as tarefas apontadas.

Ao final do sétimo encontro os alunos voltaram a responder o questionário diagnóstico, com as mesmas 15 questões iniciais. No oitavo encontro os alunos que participaram do grupo de estudo puderam apresentar o conteúdo de Termodinâmica

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para outras turmas do Colégio, que não tiveram oportunidade de fazerem parte do projeto.

## Questionário diagnóstico do conteúdo de Termodinâmica.

- 1- Assinale a opção correta sobre o conceito de temperatura.
- ( ) temperatura e calor são sinônimos.
- ( ) temperatura é o aumento de calor que o corpo sente.
- ( ) é sensação térmica de quente e frio.
- ( ) é um estado de agitação das moléculas do corpo.
- 2- Equilíbrio térmico ocorre:
- ( ) entre corpos com temperatura iguais.
- ( ) entre corpos com temperatura superior ao ponto de ebulição da água.
- ( ) entre corpos com temperatura diferente,
- ( ) entre corpos com temperatura muito baixa.
- 3- Calor é:
- ( ) a diferença entre duas fontes com temperatura diferente.
- ( ) é energia estacionária entre dois corpos com temperatura diferente.
- ( ) é energia em movimento entre dois corpos com temperatura diferente.
- ( ) é a sensação de temperatura elevada.
- 4- Cite as escalas termométricas que você conhece.
- 5- Fale sobre o funcionamento de um termômetro.
- 6- Pressão mede:
- ( ) o número de partículas dentro do recipiente.
- ( ) o choque das partículas com a parede do recipiente.
- ( ) a velocidade das partículas dentro do recipiente.
- ( ) a força do choque entre as partículas.
- 7- Uma expansão isotérmica é;
- ( ) quando ocorre a volume constante.
- ( ) quando ocorre a pressão constante.
- ( ) quando ocorre a temperatura constante.
- ( ) quando ocorre troca de temperatura entre sistema.
- 8- Uma compressão adiabática é:
- ( ) quando o sistema perde calor para o meio ambiente.
- ( ) quando o sistema recebe calor do meio ambiente.
- ( ) quando ocorre troca de calor no sistema.
- ( ) quando há troca de calor do sistema com o meio.
- 9- Quando uma transformação ocorre à pressão constante, é denominada de:
- ( ) isobárica.
- ( ) isotérmica.
- ( ) isométrica.
- ( ) isocórica.

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- 10- Quando uma transformação ocorre, a temperatura constante, é denominada de:
- ( ) isobárica.
- ( ) isotérmica.
- ( ) isométrica.
- ( ) isocórica.
- 11- A lei da termodinâmica que está diretamente relacionada com a conservação de energia é:
- ( ) a lei zero da termodinâmica.
- ( ) a primeira lei da termodinâmica.
- ( ) a segunda lei da termodinâmica.
- ( ) a transformação cíclica de um gás.

12- A lei da termodinâmica que estabelece o sentido da transformação de energia em processos naturais é:

- ( ) a dos gás perfeito.
- ( ) a primeira lei da termodinâmica.
- ( ) a segunda lei da termodinâmica.
- ( ) a transformação cíclica de um gás.
- 13- Qual a definição de uma máquina térmica?
- 14- As máquinas que convertem trabalho em calor são:
- ( ) motor a combustão.
- ( ) motor elétrico.
- ( ) freezer, geladeira e ar condicionado.
- ( ) forno de micro-ondas.

15- Nos carros novos que circulam nas cidades e rodovias, a conversão da energia proveniente do combustível utilizado em energia útil (aquele que faz o veículo se mover), é aproximadamente de:

- ( ) 10%
- ( ) 20%
- ( ) 30%
- ( ) 50%
- ( ) 100 %

Os resultados, obtidos pela análise dos questionários, mostraram que a dinâmica utilizada foi eficiente para a melhoria da compreensão dos conceitos envolvidos. É digno de nota que quando as questões envolviam frases copiadas de livros textos, o índice de acerto era maior. Ou seja, os alunos apresentaram maior facilidade para decorar as definições, mas quando estas eram aplicadas numa observação de algum fenômeno que a envolvia o índice de acerto foi praticamente nulo. O gráfico abaixo resumo os resultados obtidos.

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## Considerações finais

Já nos primeiros encontros foi visível a mudança na linguagem dos alunos, utilizando os termos adequados com suas respectivas unidade de medidas. A conversão entre as unidades de medidas também foi facilmente incorporado ao grupo como regra natural para trabalhar com as grandezas termodinâmicas.

As simulações facilitaram a interpretação das grandezas e suas relações, sem o envolvimento direto da matemática, pelo menos neste primeiro momento. Durante a implementação do projeto, foi observado algumas curiosidades que não ocorrem no dia a dia de sala de aula, principalmente com a disciplina de Física. Abaixo está elencado algumas delas:

- · Alunos ficaram envolvidos com o conteúdo por um longo período de tempo, algumas vezes se esquecendo do intervalo para o recreio.
- · Os alunos se empenharam em fazer tarefas, como gráficos, conclusões e tabelas.

Este trabalho proporcionou várias discussões pelo GTR (GRUPO DE TRABALHO EM REDE - disponível no portal: http://www.educacao.pr.gov.br/), o que enriqueceu a prática docente. Alguns professores utilizaram alguns dos aplicativos disponíveis aqui, em sua aula e relataram que o laboratório virtual é uma ferramenta extremamente prática, pois proporciona um ambiente seguro e muito próximo do universo real. Trabalhar com pressão e temperatura, em um laboratório real, se torna complicado pelo número grande de alunos e o risco de ocorrer acidente é muito grande. Com o uso da simulação é possível visualizar os mesmos resultados sem riscos de acidentes.

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Por outro lado, os resultados mostraram que os alunos apresentam maior facilidade de assimilação dos conceitos que envolvem a termodinâmica quando estão manuseando as grandezas nos aplicativos utilizados. Foi uma experiência gratificante, principalmente se elas forem planejadas e selecionadas com critérios claros e específicos. Apesar das simulações não substituírem um laboratório real, podem auxiliar o professor em determinados conteúdos de difícil visualização e compreensão para o aluno. A simulação não explora o conteúdo trabalho na sua totalidade.

## Agradecimentos

Agradecemos a Fundação Araucária e a Fundação de Apoio a FAFIPA pelo apoio financeiro e a SEED (Secretaria de Educação do Estado do Paraná) pela oportunidade de capacitar os professores da rede estadual de ensino.

## Referências

LUCKESI, Carlos Cipriano. Avaliação da aprendizagem escolar . 17 ed. São Paulo: Cortez. 2005.

OSTERMANN, Fernanda, Da SILVEIRA, Fernando Lang. 'A insustentabilidade da proposta indutivista de 'Descobrir a Lei a partir de resultados experimentais'. Caderno Catarinense de Física, Florianópolis, v. 19, n. especial, pág 7-27, junho 2002.

SILVEIRA, Fernando Lang. A filosofia de Karl Popper e suas implicações no Ensino de Ciências. Cad. Brasileiro de Ensino de Física, vol. 21, N. 1, pág. 1-15, abril, 2004.

NUSSENZVEIG, H. M., Curso de Física Básica - Vol. 2, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo (1981).

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert e WALKER, Jearl. Fundamentos de Física : Termodinâmica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 1992.

PARANÁ. Secretaria de Estado da Educação do Paraná. Diretrizes Curriculares da Educação Básica: Ciências, 2008. Disponível: www.diaadia.pr.gov.br&gt;. Acesso em: 15/08/2010.

Sítios utilizados neste projeto:

http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/portuguese/simulacoes.html

http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/modules/mydownloads\_ 08/viewcat.php?cid=2

http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p\_sim\_tp.html

www.oocities.org/br/saladefisica3/.../isometrica.htm

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html

www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

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