A VIDEOANÁLISE EM SALA DE AULA: ESTUDO DE COLISÕES UNIDIMENSIONAIS COM O PROGRAMA TRACKER

## A VIDEOANÁLISE EM SALA DE AULA: ESTUDO DE COLISÕES UNIDIMENSIONAIS COM O PROGRAMA TRACKER

Ricardo Dalke Meucci 1 , Vinicius Geovane Garcia , Arandi Ginane Bezerra Jr 2 3 Nestor Saavedra , Jorge Alberto Lenz 4 5

1 Colégio da Polícia Militar do Paraná, rdmeucci@yahoo.com.br

- 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento de Física, vinicius\_geovane@hotmail.com
- 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento de Física, arandi@utfpr.edu.br
- 4 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento de Física, nestorsf@utfpr.edu.br

## Resumo

A utilização de tecnologias de informação e comunicação no ensino de Física tem ocupado lugar de destaque tanto em discussões na comunidade como em iniciativas em ambientes formais e não formais de ensino. Em particular, a videoanálise tem se firmado como uma alternativa válida para o estudo de experimentos clássicos de mecânica em laboratórios didáticos de física, tanto em escolas como em universidades, dadas as suas qualidades de simplicidade na elaboração e execução do experimento de interesse, adequação ao tempo didático das aulas, observação da evolução temporal das grandezas físicas e no tratamento de dados dos experimentos, sem detrimento dos objetivos do experimento em si. Neste trabalho enfocamos um experimento de colisões unidimensionais com carrinhos de miniatura com a utilização do software livre de videoanálise Tracker. Além da observação da conservação da quantidade de movimento linear neste experimento, foi abordada também uma percepção generalizada dos estudantes que a conservação da energia mecânica seria uma lei 'mais geral' do que a conservação da quantidade de movimento. Os resultados iniciais desta pesquisa, feita com estudantes do Ensino Médio, apontam para a utilização da videoanálise como uma ferramenta válida para o processo de ensino-aprendizagem com foco em tais leis de conservação.

Palavras-chave : Videoanálise, colisões unidimensionais, conservação da quantidade de movimento, conservação da energia mecânica, tecnologias de informação e comunicação.

## Introdução

Em um momento em que, nosso país como uma prioridade de um ponto de vista 'macro', na não menos importante visão 'micro', que é o cotidiano nas escolas brasileiras, a situação está longe de, ainda, deixar de ser preocupante. Problemas conjunturais, como formação deficiente de professores, espaços formais de ensino, como laboratórios, desaparelhados e elevada carga horária dos docentes em sala de aula juntam-se a outros específicos de cada área do conhecimento, cada qual com a sua realidade, idiossincrasias e necessidades intrínsecas. Estas variadas dificuldades tendem a condicionar de modo negativo o conjunto das práticas sociais de referência (PINHO ALVES, 2004) necessárias à transposição didática. Assim, o processo educativo com vistas à emancipação do estudante cidadão, tão exaltado em diretrizes curriculares, ainda encontra ressonância limitada em nossa sociedade.

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20 a 25 de janeiro de 2013

Em se tratando de especificidades, no ensino de Física, esta, desde sua origem uma ciência que trata da 'filosofia da natureza', tem havido problemas recorrentes e fartamente documentados, seja na literatura da comunidade de ensino de Física, seja no cotidiano das escolas. Ensino descontextualizado, bancário, voltado apenas para exames de acesso ao Ensino Superior, demonstram deformações daquela visão do que realmente deveria ser 'ensinar Física'.

Uma das componentes menos contempladas no ensino de Física tem sido a sua parte experimental. Os já citados laboratórios deficientes, juntamente com professores e técnicos de laboratórios (estes, quando disponíveis) sem formação adequada para conceber, manipular e fazer a transposição didática do conhecimento extraído de experimentos de Física, determinam, junto com uma carga horária cada vez mais reduzida para tanto, a pouca utilização do laboratório didático como uma ferramenta efetiva para o processo de ensino-aprendizagem em Física.

Um agravante perverso e irônico, no nosso caso, é que, como professores de Física, propalamos, em sala de aula e aos quatro ventos, que a Física seria a 'estruturadora do método científico na ciência ocidental, devido ao método experimental, etc e tais'. Pobres estudantes, que necessitam engolir esta falácia sem ao menos poder refletir sobre. Galileu Galilei é canonizado como o santo que tirou a Física da inércia devido aos seus experimentos, Johannes Kelpler o sábio que 'deu uma interpretação correta às observações de Tycho Brahe' e Newton, sempre ele, a divindidade que tudo explicou, 'sobre ombros de gigantes'. No entanto, algumas perguntas básicas, seja entre estudantes ou até mesmo entre colegas professores, logram ficar sem respostas, ao menos aquelas esperadas da parte de quem estuda e/ou ensina Física:

- -Quais foram realmente os experimentos feitos por Galileu? O que ele observou de tão importante nestes experimentos?
- -No que Newton baseou-se para estabelecer a quantidade de movimento como a grandeza central no seu modelo de Mecânica?
- -Como, a partir de uma série de dados experimentais, pode-se construir uma teoria física?
- -Dentro de uma teoria física assim construída, pode-se delimitar se há alguns princípios mais gerais do que os outros?

Este trabalho é uma tentativa de ajudar a comunidade a sair desta armadilha retórica. Como alternativa complementar aos laboratórios didáticos, propomos a videoanálise como método para ajudar na percepção, por parte dos estudantes, da Física enquanto ciência experimental. Daí decorre a observação daquelas regularidades, que, aferidas e trabalhadas no contexto da modelagem científica (BRANDÃO et al, 2011), tornam-se leis. Estas têm um grau de generalidade que varia, de acordo com o fenômeno observado e descrito. Assim, um experimento sobre colisões unidimensionais foi levado a cabo com turmas do Ensino Médio do Colégio da Polícia Militar do Paraná, para tratar das percepções dos estudantes quanto a dois princípios fundamentais da Mecânica Clássica, a saber, Conservação da Energia Mecânica e Conservação da Quantidade de Movimento Linear.

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## Videoanálise com o software Tracker

Um dos obstáculos que se coloca para a utilização de tecnologias de informação e comunicação (TIC) no ensino é o custo elevado de equipamentos de laboratório e das tecnologias proprietárias ( hardware e software ). Neste contexto, é importante o desenvolvimento e a difusão de tecnologias livres que apresentem, ao mesmo tempo, qualidade, flexibilidade de uso e baixo custo, de modo que sejam compatíveis com a realidade educacional brasileira (BEZERRA-JR et al., 2012). Assim, optou-se por explorar o software livre Tracker (BROWN; COX, 2009), ligado ao projeto Open Source Physics (OPEN SOURCE PHYSICS, 2012), este relacionado ao desenvolvimento de programas com códigos abertos destinados ao ensino-aprendizado de Física. O programa Tracker permite realizar análise de vídeos quadro a quadro, com o que é possível o estudo de diversos tipos de movimento a partir de filmes feitos com câmaras digitais ou webcams e computadores comuns. Entendemos que, através do uso desta tecnologia, professores e estudantes de Física têm condições objetivas de desenvolver experimentos significativos e atividades de laboratório de baixo custo, mas de alta qualidade acadêmica, o que pode ser muito útil no ensino-aprendizado da Física. Sendo um software livre, o Tracker pode ser obtido e repassado livremente. Também está aberto a modificações realizadas pelo usuário, como a tradução para o português feita pelos autores (TRACKER BRASIL, 2012). Além disso, é um software de fácil aprendizagem, o que torna simples seu uso na obtenção de informações relevantes em experimentos de física (BROWN; COX, 2009).

O uso do Tracker permite integrar estas medidas, uma vez que o software fornece automaticamente os valores de distância a partir de um padrão definido pelo usuário (que pode ser uma escala graduada colocada no pano de fundo da filmagem). O software também identifica automaticamente a quantidade de quadros por segundo empregados pela câmera digital usada. Além disso, os dados de posição e tempo são apresentados numa tela que possibilita a análise e manipulação dos mesmos de forma simples e rápida. Por este motivo, a proposta do Tracker é adequada ao tempo e espaço de uma aula de laboratório de Física, ou mesmo como apoio a uma aula expositiva. Uma tela típica do Tracker é mostrada na figura 01:

Figura 01: Tela do Tracker. À esquerda, a marcação dos pontos sobre o vídeo do experimento. À direita, gráfico da posição versus tempo (podem ser solicitados outros). Abaixo, tabela da evolução temporal da posição e da velocidade.

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Um procedimento comum nos laboratórios didáticos, alternativo à utilização da videoanálise, é a integração dos experimentos corriqueiros ao computador (DIONISIO e MAGNO, 2007). Contudo, tal abordagem, em ambiente escolar, frequentemente esbarra na falta de formação dos professores para sua utilização, pois envolve conceitos de eletrônica e programação de computadores nem sempre acessíveis aos docentes, além da ausência, em geral, de técnicos com tal formação específica nas escolas. Outra solução poderia ser a aquisição de pacotes fechados de experimentos didáticos a empresas do ramo, o que, além dos altos custos envolvidos, torna a escola ou universidade reféns de pacotes tecnológicos fechados por uma série de protocolos e interfaces proprietárias que não permitem maiores alterações em seu uso nem inovações significativas nos experimentos propostos. Tais dificuldades são superadas ao se fazer a opção por um software livre, no caso, o Tracker , cujos detalhes e aplicações ao movimento em uma e duas dimensões, além da 2 Lei de Newton, estão expostos em (BEZERRA-JR et al., 2012). a

## Habilidades e Competências: A Matriz Enem

Dentro da perspectiva estabelecida pela Lei de Diretrizes e Bases da Educação Brasileira (BRASIL, 1996) a abordagem dos conhecimentos a serem ensinados deixou de ser conteudista e passa a basear-se em eixos cognitivos comuns a todas as áreas, cada qual com as respectivas competências e estas contempladas em habilidades específicas. O ensino de Física, como atividades experimentais mediadas pelo Tracker encontra-se bem inserido dentro da realidade do Ensino Médio brasileiro, como se pode ver pelos tópicos a seguir.

Dos eixos cognitivos relacionados na Matriz Enem (INEP, 2009), podemos relacionar diretamente o Tracker aos seguintes (em itálico os pontos de aderência):

- I. Dominar linguagens (DL): dominar a norma culta da Língua Portuguesa e fazer uso das linguagens matemática, artística e científica e das línguas espanhola e inglesa.
- II. Compreender fenômenos (CF): construir e aplicar conceitos das várias áreas do conhecimento para a compreensão de fenômenos naturais , de processos históricogeográficos, da produção tecnológica e das manifestações artísticas.
- III. Enfrentar situações-problema (SP): selecionar, organizar, relacionar, interpretar dados e informações representados de diferentes formas, para tomar decisões e enfrentar situações-problema.
- IV. Construir argumentação (CA): r elacionar informações, representadas em diferentes formas, e conhecimentos disponíveis em situações concretas, para construir argumentação consistente.

Das Competências e Habilidades da Matriz Enem para Ciências da Natureza e suas tecnologias, por sua vez, podemos relacionar o uso do Tracker às seguintes:

Competência de área 5 Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicá-los em diferentes contextos .

Habilidade 17 Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica.

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Competência de área 6 Apropriar-se de conhecimentos da física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científicotecnológicas.

Habilidade 20 Caracterizar causas ou efeitos dos movimentos de partículas , substâncias, objetos ou corpos celestes.

## Metodologia

As atividades experimentais tiveram lugar no Colégio da Polícia Militar (CPM) do Paraná, ao longo do primeiro semestre de 2012, com 3 turmas de 30 alunos cada, da 2 série do Ensino Médio, que já haviam estudado a Mecânica a Clássica. O CPM é uma escola pública de excelência no estado do Paraná, haja vista os resultados obtidos pelos seus alunos no ENEM desde a instituição do exame, revezando-se nas duas primeiras colocações com o Ensino Médio da UTFPR no Paraná, com escores que o coloca entre as melhores do país.

O experimento levado a cabo foi uma colisão unidimensional com carrinhos em miniatura, tipo 'Hot Wheels', deslizando em pistas de plástico do mesmo fabricante. Um carrinho estava sempre em repouso, enquanto o outro descia uma pequena rampa, para adquirir velocidade, de forma que, no trecho plano da pista, havia uma colisão entre os carrinhos.

As atividades foram desenvolvidas em quatro aulas de 45 minutos de duração, cada qual com as seguintes atividades, por ordem:

- 1) Montagem do experimento e filmagem do mesmo;
- 2) Conversão do arquivo de vídeo e começo da utilização do Tracker ;
- 3) Obtenção dos dados dos movimentos no Tracker e manipulação dos mesmos, em uma planilha eletrônica;
- 4) Confecção de gráficos e discussões sobre os resultados obtidos.

Figura 02: Dupla de alunos utilizando o Tracker em um PC.

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Na Figura 02, temos um aspecto da sala de aula com os alunos a utilizar o Tracker . Após a realização do experimento, mas antes da manipulação do programa e dos dados gerados pelos alunos, a seguinte pergunta era feita aos mesmos: ' Houve conservação da energia mecânica, da quantidade de movimento, de

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nenhuma delas, ou de ambas?' Tal questionamento vem de encontro a uma concepção espontânea recorrente em estudantes deste nível de ensino (ANDRADE NETO e REIS, 2002), que encaram a conservação da energia mecânica como uma lei 'mais geral' do que a quantidade de movimento. Sobressaem-se alguns fatos citados para tal percepção, como o menor tempo didático dedicado à segunda lei de conservação acima, enquanto que o conteúdo 'energia' aparece seguidamente em Física e não apenas na Mecânica. Outro vem da expressão '... na ausência de forças externas ao sistema...', por demais abstrata a alunos do Ensino Médio.

Assim, através da montagem, filmagem, tratamento de dados e exposição dos mesmos em tabelas e gráficos, foi trabalhada com os estudantes a construção do conhecimento mediada pela modelagem científica em Física, com aplicações e extrapolações diretas advindas da aplicação do método experimental.

## Resultados Experimentais

Uma sequência de fotos do experimento, extraídas da filmatem do mesmo antes, durante e após a colisão é mostrada na figura 03.

Figura 03: Frames extraídos da filmagem de uma das colisões tratadas, com as respectivas marcações do tempo.

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Note-se que a situação está longe de ser a 'ideal' apresentada em livros texto e nos exercícios. Atritos e resistência do ar estão presentes em todo o experimento, ainda que pese a sua curta duração. Isto teve importância decisiva nos resultados experimentais e na sua respectiva interpretação pelos estudantes. Na figura 04 são representados os resultados para um dos experimentos filmados e tratados por uma das equipes, bem representativo frente aos resultados obtidos pela maioria da turma. No presente estágio deste trabalho, pretende-se apenas abordar os aspectos qualitativos do experimento e as suas percepções por parte dos estudantes, daí a apresentação sucinta dos resultados do experimento propriamente dito. Pelos resultados observados, fica bem clara a conservação da quantidade de movimento neste experimento, dentro dos limites do experimento real. Como as forças internas de colisão entre os carrinhos são de intensidade muito maior do que o atrito, podese perceber a conservação logo após a colisão, ao cessarem as forças impulsivas de colisão. Quanto à energia cinética é patente a sua não conservação, tendo sido dissipada na colisão e não apenas pela atuação do atrito. Esta constatação causou surpresa aos estudantes, mas os resultados foram significativos para os mesmos apropriarem-se dos conceitos corretos, no caso, a conservação da quantidade de movimento ter uma generalidade maior que a conservação da energia mecânica.

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Figura 04: Resultados de um dos experimentos de colisão, após utilização do Tracker e tratamento dos dados em planilha eletrônica.

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## Conclusões

Neste trabalho procurou-se demonstrar a relevância da inserção da videoanálise, em particular o uso do programa Tracker , perante a realidade do ensino de Física nas escolas de Ensino Médio no país, tanto nas condições de trabalho docente nas mesmas, como perante a normatização do mesmo, frente à LDB e a Matriz Enem.

Na aplicação da metodologia propriamente dita, inicialmente houve uma dificuldade no enquadramento dos carrinhos pelos estudantes. Superada esta etapa, eles rapidamente conseguiram proceder às filmagens, baixar os arquivos de vídeo para o PC e converter entre os diferentes formatos de vídeo. Nesta etapa, observouse mais uma habilidade contemplada, que é a capacidade de trabalho em grupo, dada a fecundidade do processo de troca de informações espontâneo pelos alunos. Isto também pode ser observado quando da utilização do Tracker por eles, uma pequena dificuldade inicial, devido à interface inédita, rapidamente superada por este processo de troca.

Quanto às percepções dos estudantes, houve unanimidade em citar que o experimento com carrinhos para eles é mais próximo de uma situação real, ao contrário dos experimentos tradicionais em trilhos de ar com fotodetores, que parecem ser mais descolados da realidade, levantando dúvidas sobre a extensão da aplicabilidade dos conhecimentos aprendidos (quando há aprendizagem) em aulas de laboratórios 'tradicionais' a situações do cotidiano dos estudantes.

Por fim, a já citada assimilação da validade da lei da conservação da quantidade de movimento sobrepujando a da conservação da energia mecânica. Os dados obtidos no pré e pós questionário aplicados às turmas encontram-se em fase de tabulação e análise por parte dos autores nesta etapa do trabalho. Os mesmos serão comunicados à comunidade quando da apresentação deste trabalho no SNEF 2013.

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## Referências Bibliográficas

ANDRADE NETO, A. S.; REIS, Maria Aurora Favero . Simulações de Colisões Dirigidas ao Ensino de Física. Acta Scientiae (ULBRA), v. 4, n. 2, p. 7-19, 2002.

BEZERRA-JR, A. G.; OLIVEIRA, L. P.; LENZ, J. A.; SAAVEDRA, N. Videoanálise com o software livre Tracker no laboratório didático de física: movimento parabólico e segunda lei de Newton. Caderno Brasileiro de Ensino de Fisica, v. 29, n. especial, 2012.

BRANDÃO, R. V.; ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A. A Modelagem Científica Vista Como um Campo Conceitual. Caderno Brasileiro de Ensino de Física v. 28, n. 3, p. 507545, 2011.

BRASIL. Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional. Lei nº 9394, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as diretrizes e bases da educação nacional. Brasília, DF, 1996.

BROWN, D. COX, Anne J. Innovative Uses of Video Analysis. , The Physics Teacher , v. 47, 2009.

DIONISIO, G.; MAGNO, W. C. Photogate de baixo custo com a porta de jogos do PC. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 29, n. 2, p. 287-293, 2007.

INSTITUTO NACIONAL DE ESTUDOS E PESQUISAS EDUCACIONAIS ANÍSIO TEIXEIRA (INEP). Matriz de Referência para o ENEM 2009. Brasília: Ministério da Educação, 2009.

OPEN SOURCE PHYSICS. OSP . Disponível em: &lt;http://www.compadre.org/osp/&gt;. Acesso em: 16 Jul. 2012.

PINHO ALVES, J. F. Regras da transposição didática aplicadas ao laboratório didático, Caderno Brasileiro de Ensino de Física v.21, n. esp., p.44-58, 2004.

TRACKER BRASIL. Disponível em: &lt;http://dafis.ct.utfpr.edu.br/tracker/&gt;. Acesso em: 28 Jul. 2012.

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