UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE PHUN PARA A CRIAÇÃO DE SIMULAÇÕES DE FÍSICA

## UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE PHUN PARA A CRIAÇÃO DE SIMULAÇÕES DE FÍSICA

Ronaldo Cristino Mariano , Pablo Ramón Batista Oliveira , Francisco Herbert 1 2 Lima Vasconcelos 3 , Rodrigo Franco Cavalcante , Mairton Cavalcante Romeu 4 5

1 Instituto UFC Virtual, e-mail: ronaldoifce@gmail.com

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Universidade Federal do Ceará, e-mail: ramonnfisica@gmail.com

3

Instituto UFC Virtual, UFC, e-mail: Herbert@virtual.ufc.br

4 IFCE, e-mail: rfcavalcante2009@hotmail.com

5 Instituto UFC Virtual, IFCE, UFC, e-mail: mairtoncavalcante@gmail.com

## Resumo

O presente artigo aborda a utilização de simulações computacionais no ensino e aprendizado de Física com a utilização do software Phun. A Metodologia aplicada se baseia na teoria de aprendizagem significativa de David Ausubel, teoria esta que enfatiza a aprendizagem cognitiva, que é o resultado da interação entre o conhecimento previamente adquirido (armazenado em sua estrutura cognitiva) com as novas informações. Preocupado com as dificuldades no ensino e na aprendizagem de Física, este trabalho tem como finalidade a apresentação dessa ferramenta de criação de simulações neste ramo da ciência, a demonstração de suas ferramentas e mostrar dois exemplos didáticos na parte de mecânica: o primeiro demonstrando a queda de dois corpos, um em queda livre e outro sobre um fluido; e o segundo é um exemplo de colisões unidimensionais entre dois corpos de mesma massa ou de massas diferentes. Nestes exemplos serão mostrados os conceitos físicos neles presentes, a fim de fornecer ao professor de Física mais um aliado, para auxiliar na compreensão e visualização desses conceitos estudados. As duas simulações mostradas no presente artigo representaram bem os conceitos físicos aplicados e apresenta uma fácil manipulação para sua criação, ou seja, não necessitam de um conhecimento prévio de programação e sim do conhecimento de Física e a criatividade para manipular os objetos.

Palavras-chave : Simulador educacional, phun, Física, ensino, interatividade.

## Introdução

As dificuldades dos alunos em relação à disciplina de Física são notórias, dificuldades essas que começam no ensino médio e estendem-se ao ensino superior. Uma das justificativas apresentadas por alguns alunos é a forma na qual os conteúdos são transmitidos em sala de aula, que em grande parte não são feitos paralelos com a realidade e sendo de difícil compreensão e assimilação dos conceitos, consequentemente fazendo com que os estudantes adotem o método de memorização de equações sem a identificação de seu significado. Adotando esse tipo de atitude, as informações acabam se perdendo tempos depois, nesse caso após as avaliações. Os Parâmetros Curriculares Nacionais - PCNs posicionam-se a favor da mudança desse modo de ensino de Física, como veremos na citação:

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20 a 25 de janeiro de 2013

Muitas vezes o ensino de Física inclui a resolução de inúmeros problemas, onde o desafio central para o aluno consiste em identificar qual formula deve ser utilizada. Esse tipo de questão, que exige, sobretudo, memorização, perde sentido se desejamos desenvolver outras competências. 1

Com a finalidade de solucionar esse problema, o computador tornou-se uma ferramenta indispensável para o processo de ensino e aprendizagem de Física. Diversos recursos multimídia como simulações, vídeos, imagens entre outros vem sendo de grande ajuda na visualização, associação e compreensão dos conceitos físicos abordados em aula, fornecendo ao professor uma forma bem eficaz de fazer um paralelo dos conceitos estudados com a realidade. Os PCNs defendem este tipo de abordagem:

Trata-se de construir uma visão da física que esteja voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade. Nesse sentido, mesmo os jovens que, após a conclusão do ensino médio não venham a ter mais qualquer contato escolar com o conhecimento em Física, em outras instancias profissionais ou universitárias, ainda assim terão adquirido a formação necessária para compreender e participar do mundo em que vivem. 1

Motivados por este contexto que o Instituto UFC Virtual trabalha com pesquisa e produção de material didático como recursos de interatividade e visualização com a finalidade de contribuir na melhora do processo de ensinoaprendizagem de Física. Este trabalho destina-se a apresentar o software Phun que é uma das ferramentas que são capazes de realizar a criação de simulações desse ramo da ciência. A principal justificativa da escolha desse software é que além de ser gratuito, o que favorece seu uso em escola pública, este apresenta uma fácil manipulação de criação das situações físicas, possibilitando enfim que o aluno ou professor se atente apenas aos conceitos físicos e não exigindo um conhecimento prévio de programação. Software este que está sendo incrementado na implantação de simulações a serem incorporadas nas aulas de Física nos cursos semipresenciais das licenciaturas em Física e Química promovidos pelo Instituto UFC Virtual no ambiente SOLAR, como também, a sua aplicação nos cursos da modalidade de Educação de Jovens e Adultos - EJA no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará - IFCE. Neste trabalho será demonstrado o processo de criação de simulações na parte de mecânica, como também discutir a respeito dos conceitos físicos existentes no mesmo.

## Aprendizagem Significativa

A teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel define que a 2 aprendizagem pode ocorrer a partir de conteúdos que os indivíduos já possuem em sua estrutura cognitiva. Essa estrutura representa todo o conteúdo de informações que são armazenados pela pessoa e são igualmente organizados em qualquer modalidade do conhecimento.

Nesta teoria, o conhecimento prévio (armazenado na estrutura cognitiva) utilizado para a aprendizagem de um novo conceito é chamado de subsunçor . O processo que faz a relação entre os subsubçores existentes com o novo conhecimento é definido como ancoragem . Segundo essa teoria, quanto mais o

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subsunçor é utilizado, mais este se desenvolve tornando-se capaz de armazenar uma gama maior de conceitos e jamais retornará a seu tamanho original.

De acordo com Ausubel, a aprendizagem mecânica é aquela na qual o conteúdo a ser aprendido não consegue relacionar-se ao pré existente, ou seja, as novas informações são aprendidas sem a interação com as existentes em sua estrutura cognitiva. Dessa forma, acaba ocorrendo o processo de decorar e tempos depois este conhecimento é perdido (em muitos casos, ocorre após a avaliação). Esse tipo de aprendizagem é o mais comum diante dos alunos do ensino médio, principalmente.

A teoria significativa enfatiza o aprendizado por recepção no qual constitui um processo que exige a participação ativa do aprendiz, por buscar a aprendizagem substantiva ( não literal e não arbitrária ), utilizando o conhecimento prévio do aluno no processo de ancoragem do novo conhecimento, efetuando enfim a conciliação integrativa do novo conhecimento. 3

Os exemplos que serão apresentados neste trabalho terão a finalidade de contribuir nesse processo de ancoragem, tendo em vista que as simulações são aplicadas como complemento do assunto abordado em aula, ou seja, no ambiente virtual haverá a interação com o aluno ou professor de forma que o mesmo irá utilizar-se de seu conhecimento prévio (aprendido em sala, ou no Ambiente Virtual de Aprendizagem - AVA nas aulas no SOLAR) para a realização da análise dos acontecimentos através da visualização dos mesmos.

## Programa de Simulação PHUN

O programa de simulação utilizado no presente trabalho é o PHUN versão 5.28, que é um simulador em 2D gratuito desenvolvido inicialmente por Emil Ernerfeldt em sua dissertação de mestrado na Universidade de Umea, na Suécia, e 4 atualmente pela empresa Algodoo . Este software permite a criação de diversas 5 atividades para o ensino de física, permitindo ao professor ou aluno a criação e visualização de diversas situações para que os comportamentos dos corpos em estudo sejam analisados, facilitando enfim em seu aprendizado.

Figura 01: Página Inicial do PHUN .

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O Phun é um software bastante interativo que o torna um recurso eficaz de aprendizado, pois possui a filosofia de 'aprenda fazendo'. O ambiente permite o ensino e o aprendizado das leis de Newton, cinemática, conservação de energia, colisões, rotação, torque, momento angular, dinâmica dos fluidos, entre outros.

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## Barra de Ferramentas

A barra de ferramentas é o local onde estão localizadas todas as opções de criação dos objetos no software. Podemos observar na figura 02 os seguintes botões: Mover Objetos e Água, Arrastar, Rotacionar Objetos e Água, Redimensionar, Estilete, Polígono, Pincel, Criação de Caixas, Criação de Círculos, Engrenagens com Eixos, Plano, Corrente, Mola, Fixador, Eixo e por fim Rastro.

Figura 02: Barra de Ferramentas do PHUN .

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Vejamos abaixo a descrição da função de cada botão.

Mover Objetos e Água permite que a pessoa consiga movimentar os objetos na criação ou durante a simulação.

Arrastar permite que os objetos sejam arrastados apenas enquanto a simulação estiver rodando, não funcionando no momento de criação. Este Botão que permite a interação com o ambiente.

Rotacionar Objetos e Água permite a rotação dos objetos em 15º(quinze graus) quando o cursor está próximo ao objeto ou em graus menores quando o cursor está distante deste.

Redimensionar permite que o usuário mude a dimensão dos objetos, no caso do círculo é possível que o transforme em elipse por exemplo.

Estilete é a opção de cortar o objeto. Possuindo duas formas de corte: a primeira é a utilização de cortes fechados, ou seja, encerrando no mesmo ponto do início; o segundo é o corte aberto bastando apenas passar por duas extremidades do objeto.

Polígono permite a criação de objetos com forma não definida, a sua forma dependerá do criador. O objeto só criará formato se a figura linha encerrar no mesmo ponto do início ou próximo a este.

Pincel desenha polígonos com pinceladas, diferentemente do botão polígono, a função pincel não precisa que o cursor retorne ao ponto inicial.

Criação de Caixas e Círculos permite que sejam criados caixas e círculos, respectivamente. Criando o objeto segurando a tecla SHIFT do teclado, a figura é criada simetricamente.

Engrenagem com Eixo possibilita a criação de engrenagens com eixo no centro. A quantidade mínima de dentes é três e quanto mover o cursor do mouse, o número de dentes serão incrementadas.

A opção de Plano permite que seja criado o chão do ambiente no qual será trabalho, como também criado rampas. O ângulo de rotação do plano segue o mesmo critério do botão Rotacionar Objetos e Água.

Corrente e Mola permite a criação de corrente e mola respectivamente.

O botão Fixar possibilita que o objeto criado seja fixado no plano de fundo do ambiente, impossibilitando que o mesmo caia ou movimente durante a simulação.

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Eixo permite a fixação de um eixo no qual poderá ser utilizado com um motor se esta opção for selecionada.

E por fim a opção Rastro que ao conectada a um objeto, uma linha de trajetória será traçada, ou seja, será visualizado seu rastro.

## Controle de Simulação

No controle de simulação como expresso no próprio nome é a parte do programa na qual se encontram a opção de rodar ou parar o programa, como também a opção de retirar ou por a resistência do ar e a gravidade.

## Menu de Contexto

Neste menu o usuário poderá modificar alguns parâmetros do objeto selecionado, como por exemplo: a cor, dados do material usado, opção de clonar o objeto, tornar objeto em liquido, entre outros. É a partir dele que o visual da simulação será moldada.

## Menu Opção

Neste menu, encontram-se as opções de definição dos parâmetros de renderização, controle de simulação como: modificar a velocidade da simulação, resistência do ar e a força gravitacional.

## Exemplo de Simulações com o PHUN

No presente tópico serão abordadas duas simulações na parte de mecânica: análise de queda de dois corpos com forças de resistência e colisão de dois corpos, movimento unidimensional. Em conjunto com as imagens das simulações serão discutidos os conceitos físicos presentes.

## Queda de Corpos com Forças de Resistência

Este exemplo mostra uma simulação simples de queda de corpos, no qual pode ser feita uma análise das forças de resistência. Nesta simulação serão abordados conceitos de queda livre, força gravitacional e empuxo. A Figura 03 mostra duas esferas de raios iguais que inicialmente caem em queda livre, mas uma das esferas (no caso a vermelha), em uma determinada altura irá submergir na vasilha com água. Esta simulação permite que o usuário possa modificar a massa dos corpos, sua densidade e suas dimensões.

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## Figura 03: Simulação de Queda de Corpos .

Por meio desta simulação, poderemos iniciar com algumas indagações como, por exemplo: Qual das esferas irá cair primeiro ao chão? Por quê? O que acontece quando a esfera cai na água? A massa influência na queda? O tamanho da esfera influenciará em algo?

Através das indagações que o aluno irá procurar as respostas através dos conhecimentos de conceitos físicos aprendidos e em seguida instigados a testar suas respostas por meio da simulação.

Ao rodar o programa, o aluno terá que pressionar a tecla 'A' para que as duas esferas sejam soltas, conforme a figura 03. Esses corpos irão cair praticamente em queda livre, em um movimento uniformemente variado, dado pela ação da gravidade sobre os mesmos e uma pequena força de resistência dada pelo ar, percebe-se como de esperado que as duas bolas irão caindo com praticamente a mesma altura. A partir do momento que a esfera vermelha alcança a vasilha com água, haverá uma defasagem na queda em relação à esfera amarela. Defasagem esta devido à diferença de forças de resistência nos corpos. Na esfera vermelha enquanto cai na água, atuará sobre a mesma o Empuxo que ira ser opor ao movimento do corpo. Este terá seu valor variando na proporção que o corpo imerge, pois o modulo do empuxo depende do valor do volume submerso. Existirão três possibilidades de movimento para esta esfera quando imersa completamente no fluido:

- 1- Empuxo menor que a força peso, a força resultante terá a mesma direção do peso, sendo um movimento acelerado para baixo, com modulo da aceleração menor do que aceleração gravitacional.
- 2- Empuxo igual a peso, neste caso a força resultante ser será nula, portanto teremos movimento retilíneo e uniforme para baixo.
- 3- Empuxo maior que peso, haverá uma aceleração negativa em relação ao movimento de queda. Logo, neste caso, o móvel descerá com uma velocidade que diminui com tempo, que poderá atingir zero (móvel em repouso) ou inverter de sentido (móvel subirá), isso se a distância percorrida for suficiente, assim como quanto a densidade do fluido for maior que a do corpo.

Figura 04: Representação da bola vermelha parada e a amarela em queda.

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Esta simulação permite ao professor ou aluno, que possa simular a queda na água de dois corpos, modificando sua massa e sua dimensão, para analisar se o seu formato ou massa influenciam na queda em líquido, como também poderão fazer com queda ao ar livre.

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## Colisão entre Dois Corpos

Este exemplo mostra uma simulação de colisão entre dois corpos, sendo abordados conceitos físicos como conservação de momento. A Figura 05 apresenta dois carros nos quais terão três formas de colisão: sentidos contrários, mesmo sentido e com um dos carros em repouso. Podendo criar indagações a respeito do que ocorrerá aos carros após as colisões (o que ocorrerá com a velocidade dos carros), das formas mencionadas anteriormente, com massas iguais ou com massa diferentes. A simulação permite ao usuário modificar as massas dos carros e a direção de movimento dos mesmos, de acordo com as orientações na figura 05.

Figura 05: Simulação de Colisão entre dois Corpos .

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Os conceitos físicos que podem ser estudados nesta simulação são conservação de momento linear, choque elástico e inelástico, força de atrito, resistência do ar.

## Conclusões

As duas simulações mostradas no presente artigo representaram bem os conceitos físicos aplicados e apresenta uma fácil manipulação para sua criação, ou seja, não necessitam de um conhecimento prévio de programação e sim do conhecimento de Física e a criatividade para manipular os objetos. O programa deixa um pouco a desejar na parte de criação de gráficos e a visualização das grandezas vetoriais. Enfim, cabe ao professor a preocupar-se em sua maior parte na análise dos conceitos físicos, se estão sendo respeitados, e na melhor forma de abordagem em aula. Pelo motivo desta proposta ainda estar em fase de teste com os alunos dos cursos semipresenciais da UFC, o presente trabalho não traz nenhum resultado obtido com os alunos. Os resultados dessa aplicação serão apresentados e discutidos em um próximo trabalho.

## Referências

[1] BRASIL. Parâmetros Curriculares para o Ensino Médio Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias . Ministério da Educação. Secretaria da Educação Básica, Brasilia, p.140, 2006.

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- [2] AUSUBEL, D.P. A aprendizagem significativa: a teoria de David Ausubel . São Paulo: Moraes, 1982.

[3] FILHO, G.F de S. Simuladores Computacionais para o ensino de Física Básica: Uma Discussão sobre Produção e Uso . Rio de Janeiro: UFRJ,2010. 77p. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

- [4] ALGODOO, Algodoo for Education . Disponível em: &lt;http://www.algodoo.com/wiki/Products#AlgodooforEducation&gt; Acesso em: 02 de ago. 2012.

[5] PELIZZARI, Adriana et al. Teoria de Aprendizagem Significativa Segundo Ausubel , Revista PEC, Curitiba, v.2, n.1, p. 37-42, 2002.

- [6] RESNICK, R., HALLIDAY, D., KRANE, K. S. Fundamentos de Física . volume 1 mecânica. Edição 7, editora LTC
- [7] Instituto UFC Virtual, site: http://www.virtual.ufc.br/graduacao/default.aspx?i=f
- [8] Physion, site: http://physion.net/
- [9] Phet, site: http://phet.colorado.edu/
- [10] Modellus, site: http://modellus.fct.unl.pt/

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