Videoanálise no ensino de Física: um exemplo de aplicação em modelagem científica

## Videoanálise no ensino de Física: um exemplo de aplicação em modelagem científica

## Arandi Ginane Bezerra Jr , Vinicius Geovane Garcia 1 2 , Marcos Florczak 3 Nestor Saavedra 4 , Jorge Alberto Lenz 5

- 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, arandi@utfpr.edu.br
- 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, vinicius\_geovane@hotmail.com
- 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, florczak@utfpr.edu.br
- 4 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, nestorsf@utfpr.edu.br
- 5 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, lenz@utfpr.edu.br

## Resumo

A utilização de objetos de aprendizagem (OA) no ensino de Física é um caminho que desperta crescente interesse, tendo em vista sua real presença nos espaços de ensino e os trabalhos de pesquisa desenvolvidos referentes ao tema. O laboratório didático de Física, por sua vez, representa outra questão central no processo educativo e constitui um campo importante para se explorar o potencial dos OA. Neste trabalho, apresentamos e discutimos estratégias baseadas no uso da videoanálise para o desenvolvimento de atividades experimentais com vista a incorporar a modelagem científica nas aulas de Física. A modelagem científica é um processo que constitui a base de produção do conhecimento das ciências naturais e está imbricada com os conteúdos disciplinares a serem aprendidos. Neste sentido, a modelagem científica poderia ser uma estratégia didática norteadora do planejamento de atividades experimentais no ensino de Física. É preciso superar as situações de ensino em que a parte teórica e os exemplos e problemas abordados versam somente sobre situações 'ideais', pois estas simplificações são tantas que acabam por induzir a um ensino em que as concepções científicas parecem ter pouco a ver com a realidade e os estudantes não vêem utilidade nos conteúdos ensinados. Neste trabalho, demonstramos que o uso do software livre Tracker enquanto OA mediador de atividades experimentais permite a inclusão de elementos que instigam a uma modelagem mais elaborada, favorecendo situações de aprendizagem que remetem a um conhecimento menos fragmentado, mais contextualizado e a uma visão mais ampla e referenciada da ciência.

Palavras-chave : Atividades Experimentais no Ensino de Física, Tecnologias de Informação e Comunicação, Objetos de Aprendizagem, Videoanálise, Modelagem Científica

## I. Introdução

Os Objetos de Aprendizagem (OA) e as Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) despontam como elementos inspiradores e norteadores de pesquisas no campo do Ensino de Ciências (WILEY, 2009; SENA DOS ANJOS, 2008; ARANTES et al. 2010). São várias as tentativas de abordar estas tecnologias enquanto portadoras de potencial para o ensino. Neste sentido, os mais diversos OA e TIC tem sido desenvolvidos, organizados em blocos, e suas possibilidades de uso tem sido exploradas (HAAG, 2005; CAVALCANTE et al., 2008; CAVALCANTE et al., 2009, OPEN SOURCE PHYSICS, 2012). Além disso, também os efeitos da utilização das tecnologias tem sido investigados por meio de análises que visam a validar seu impacto e a apontar caminhos para o Ensino de Física (ROCHA et al, 2011).

O laboratório didático de Física, por sua vez, representa outra questão central no ensino, porquanto diversas concepções foram e continuam sendo

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desenvolvidas, tendo em vista objetivos variados (PINHO ALVES, 2000), tanto fundamentados em visões tradicionais bem como em outras abordagens, por exemplo, as baseadas em concepções construtivistas, nas quais as atividades experimentais teriam função mediadora no ensino dos conteúdos (PINHO ALVES, 2004).

Outro aspecto importante a ser considerado e que, de certa forma, estabelece uma confluência dos temas mencionados acima, é a modelagem científica. Esta consiste em um processo que está na base de produção do conhecimento das ciências naturais, estando assim imbricada com os conteúdos disciplinares a serem aprendidos (BRANDÃO et al, 2011). Neste sentido, a modelagem científica poderia ser uma estratégia didática norteadora do planejamento de atividades experimentais no ensino de Física. Assim, o desenvolvimento de atividades experimentais que favoreçam a aquisição de concepções e competências associadas à modelagem científica em Física, constitui um desafio interessante para os pesquisadores desta área de ensino.

Segundo Brandão e colaboradores (2011):

No 'ensino tradicional', costuma-se alertar o estudante de que a realidade é demasiada complexa. Em seguida, justifica-se, por meio de argumentos didáticopedagógicos, que o conteúdo será introduzido através de situações altamente idealizadas com o intuito de que, em um futuro próximo, muitas vezes jamais alcançado, o estudante será capaz de compreender as situações mais realísticas (p.532).

Um dos efeitos da não abordagem, em sala de aula, do processo de modelagem científica seria a dificuldade apresentada pelos estudantes com respeito à aplicação do conhecimento físico para a conceitualização do real. É neste contexto, entendemos, que o uso do computador como instrumento para aquisição de dados nos laboratórios didáticos de Física possa ser inserido, permitindo e inspirando que sejam criadas situações de aprendizagem associadas a um conhecimento menos fragmentado e mais contextualizado. Por isso, defendemos que a videoanálise apresenta grande potencial de uso no ensino de Física.

## II. A videoanálise e o software Tracker

A análise de vídeo, ou videoanálise, é um OA que permite o registro de fenômenos físicos por meio de filmagens, as quais podem ser utilizadas em atividades experimentais para o ensino de Física (BARBETA; YAMAMOTO, 2002; BROWN; COX, 2009; BRYAN, 2010; CATELLI et al., 2010; CORVELONI et al., 2009), dado que, atualmente, é cada vez mais facilitado o acesso a máquinas fotográficas digitais que apresentam recursos de vídeo.

Dentre as alternativas na utilização de videoanálise, o software Tracker (BROWN, 2012; TRACKER BRASIL, 2012) tem sido apresentado com perspectivas e resultados promissores. O programa 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 de computadores comuns e telefones celulares. É um software livre ligado ao projeto Open Source Physics (OSP, 2012), este relacionado ao desenvolvimento de programas com códigos abertos para o ensino de Física. Uma das vantagens da videoanálise com o Tracker advém da simplificação dos procedimentos e da eliminação de algumas tarefas intermediárias que surgem quando da análise de fotografias obtidas com máquinas digitais. O software fornece, automaticamente, os valores de distância a partir de um padrão

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(que pode ser uma escala graduada colocada no pano de fundo da filmagem) e também identifica automaticamente a quantidade de quadros por segundo empregadas pela câmera digital usada. Estes dados de posição e tempo são apresentados em uma tela que possibilita a análise e manipulação dos dados 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. Neste sentido, o uso do Tracker se mostra compatível com o desenvolvimento de atividades centradas no processo de modelagem científica. Aqui se destaca outra característica fundamental do Tracker : por ser um software livre, permite uma série de iniciativas relacionadas à sua apropriação pelos usuários como, por exemplo, a distribuição gratuita de cópias do programa, a tradução para idiomas de interesse e a elaboração de manuais de utilização, acarretando vantagens óbvias para seu uso e divulgação no ambiente escolar (OLIVEIRA et al., 2011). Adicionalmente, este tipo de interação, favorecida em uma comunidade de tecnologias livres, permite que o aprendizado ocorra de maneira mais diligente e crítica ao fazer com que os envolvidos no processo tornem-se sujeitos ativos na utilização destas tecnologias e não apenas meros usuários de 'caixas pretas' (CELAYA; MARTÍNEZ, 2007). Além disso, entende-se que o uso do Tracker esteja em sintonia com a modernização do saber escolar, num contexto em que as atividades experimentais teriam função mediadora no ensino dos conteúdos (PINHO ALVES, 2004).

Um procedimento comum nos laboratórios didáticos, alternativo à utilização da videoanálise, é a integração dos experimentos corriqueiros ao computador (DIONISIO; MAGNO, 2007). Contudo, tal abordagem 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 os usuários refém 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 podem ser superadas ao se fazer a opção por um software livre.

O Tracker pode ser obtido e repassado livremente e, além disso, é um software de fácil aprendizagem, o que torna relativamente simples seu uso na obtenção de informações relevantes em experimentos didáticos de Física. Este OA cumpre várias funções no processo de ensino-aprendizagem: permite aos alunos acompanharem a evolução das grandezas físicas, pondo fim à mera sequência de passos experimentais em roteiros de laboratórios estruturados ao extremo; permite a manipulação dos dados e construção dos gráficos a partir de tais observações, fundamental para a construção do conhecimento físico por meio de atividades experimentais e, finalmente, permite aos atores deste processo ser agentes ativos na construção, customização e adequação do programa às suas realidades, incluindo aí o seu uso tendo em vista a aquisição de concepções e competências associadas à modelagem científica.

Um procedimento típico mediado pelo uso do Tracker consiste na organização do experimento e na filmagem do movimento de interesse. Transferese, então, o arquivo de vídeo para o programa e faz-se a marcação dos pontos quadro a quadro. Os procedimentos necessários são explicados nos manuais presentes no programa (BROWN, 2012; TRACKER BRASIL, 2012).

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## III. O problema de estudo e a metodologia proposta para explorar a 2 a Lei de Newton

Para desenvolver uma metodologia baseada em experimentos que contemplem a modelagem científica em aulas de Física, propomos, inicialmente, um trabalho de videoanálise relacionado à 2 Lei de Newton. Este é um tema a fundamental da Física, abordado tanto nas disciplinas de mecânica do ensino médio quanto nas de ensino superior. A estratégia aqui proposta consiste em explorar uma situação recorrente nos livros de texto, e que se traduz em um experimento simples: um carrinho (deslizando numa superfície horizontal) sendo tracionado por um cabo que, ao passar por uma polia, está preso a uma massa suspensa em sua outra extremidade. A Figura 1 ilustra a montagem experimental:

Figura 1: Esquema do experimento relacionado à segunda lei de Newton. O sistema consiste em uma massa suspensa ( M ) ligada por um fio ao carrinho ( m ). Quando o carrinho é liberado, o movimento do sistema é filmado para ser analisado com o Tracker.

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Quando a massa M cai na direção vertical, o carrinho ( m ) desloca-se na direção horizontal. O conjunto executa, então, um movimento acelerado que pode ser analisado com o auxílio do Tracker . Uma tela típica do software é apresentada na Figura 2. Os dados obtidos da distância percorrida em função do tempo podem ser analisados com os recursos do próprio Tracker ou com o auxílio de programas relativamente simples e acessíveis, tais como o SciDavis (SCIDAVIS, 2012) e o BrOffice (BROFFICE, 2012). Assim, os estudantes podem determinar a aceleração do sistema em função de valores diferentes atribuídos à massa suspensa ( M ). Este procedimento, por sua vez, tornará possível estabelecer, em sala, um diálogo com potencial unificador dos dados experimentais com a teoria Física representada pela segunda lei de Newton. Ao desprezar o atrito de rolamento e a massa da roldana, a análise do movimento, pelos procedimentos usuais de resoluções de problemas envolvendo as Leis de Newton, conduz à seguinte expressão para a aceleração do sistema, sendo g a aceleração da gravidade:

<!-- formula-not-decoded -->

Note-se que, para cada valor da massa variável, a análise dos dados da filmagem realizada pelo Tracker é utilizada para determinar a aceleração do sistema por meio de um gráfico de posição versus tempo. Com estes dados, é possível utilizar a equação (1) para realizar a regressão matemática dos valores experimentais, conforme mostrado na Figura 3.

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Figura 2: Tela do Tracker correspondente ao experimento proposto sobre a 2 Lei de a Newton. Os triângulos vermelhos representam quadros sucessivos do movimento do carrinho. À direita, é apresentada uma tabela com os dados de posição e tempo (abaixo) e o respectivo gráfico (acima), a partir do qual é calculada a aceleração do sistema.

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Figura 3 : Dados experimentais obtidos com o Tracker para a aceleração do sistema em função de M . Esta apresentação dos dados visa a dar evidência à equação (1). Note o coeficiente linear negativo da reta.

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O gráfico ilustrado na Figura 3 permite o cálculo do valor da aceleração da gravidade no local do experimento, por meio do coeficiente angular da reta que corresponde à regressão matemática dos pontos. Tal procedimento forneceu o valor de 9,72 m/s , um bom parâmetro para validar o uso do 2 Tracker na observação e descrição do movimento. Neste ponto, ao observar e realizar a regressão linear dos dados experimentais (reta em vermelho na Figura 3), utilizando a equação (1), surge um dado novo: a reta obtida apresenta coeficiente linear negativo. Este é um exemplo interessante em que a sensibilidade do professor e dos estudantes é chamada a dar significado físico à evidência experimental - o que exige habilidades e competências relacionadas à modelagem científica. Assim, cabe notar que os dados experimentais sempre incluem informações do 'mundo real', porque, no

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sistema físico real (portanto, no experimento realizado) atuam as forças dissipativas (atrito, resistência do ar, etc.). Pois, ao (re)modelar o sistema, e ao incluir estas forças dissipativas na equação (1), a segunda lei de Newton, conduz a:

<!-- formula-not-decoded -->

onde f diz respeito às já mencionadas forças dissipativas, e o segundo termo à direita pode ser entendido como a contribuição associada a elas e chamado de ad . Então, a equação 2 pode ser reescrita ainda como:

<!-- formula-not-decoded -->

Assim, nota-se facilmente que ad é o coeficiente linear da reta obtida a partir dos dados experimentais, ou seja, os efeitos do atrito estavam mesmo implicitamente incluídos nestes dados presentes 'no mundo real', de modo que se faz necessário refinar o modelo matemático, associando ao coeficiente linear os efeitos dissipativos. A propósito, esta análise abre a possibilidade de uma discussão a respeito da força f ser proporcional às massas m e M , o que nos conduziu à realização de novos experimentos, que serão reportados em trabalho futuro. Portanto, quando uma situação como esta aqui proposta é apresentada aos estudantes, surge a possibilidade de se abordar o processo de modelagem científica, ligando teoria e prática, relacionando modelo, representação e explicação.

Outra idealização frequentemente utilizada no ensino de Mecânica são as polias 'ideais', para as quais são desprezados os atritos de rolamento e a massa, portanto, o momento de inércia. Com respeito a esta segunda aproximação, o uso do Tracker também atua de forma decisiva no sentido de despertar nos estudantes uma consciência sobre como elaborar um modelo científico. Esta extensão da abordagem também foi realizada pelos autores, mas, por envolver assunto mais comumente tratado no ensino superior, será descrita em trabalho futuro.

## IV. Discussão e Conclusão

Neste trabalho apresentamos uma abordagem que emprega a videoanálise como instrumento para estimular a modelagem científica em aulas de laboratório de Física. Para tal, propomos o uso do software livre Tracker enquanto OA mediador de atividades experimentais nas quais podem ser levados em conta aspectos do 'mundo real', tais como forças dissipativas, inércia rotacional e massas de polias.

Muitas vezes, estudantes e professores despendem muito tempo e energia aprendendo o modus operandi dos equipamentos utilizados, em detrimento da observação da evolução temporal e da análise das grandezas Físicas importantes. O uso de aparatos para os quais são necessárias as conexões de diversos fios e o alinhamento de sensores requer um tempo operacional que, em geral, não é compatível com o tempo didático das aulas de Física. Isto, muitas vezes, dificulta a realização de atividades experimentais mais significativas. Daí a importância do uso de OA e de metodologias portadoras de potencial para inserir elementos da modelagem científica. Neste contexto, demonstramos que o emprego do Tracker em atividades experimentais (compatíveis com a realidade escolar brasileira) permite a inclusão de elementos que instigam a uma modelagem mais elaborada.

É muito comum, nas situações de ensino, que a parte teórica e os exemplos e problemas abordados versem sobre situações 'ideais', nas quais atritos entre

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superfícies, resistência do ar e massas de fios e polias são desprezados. As simplificações são tantas que acabam por induzir a um ensino em que as concepções científicas parecem ter pouco a ver com a realidade (CUPANI; PIETROCOLA, 2002). Este distanciamento entre as aulas de Física e a realidade dos estudantes é reportado como prejudicial ao processo de ensino: os estudantes não vêem utilidade nos conteúdos ensinados e, muitas vezes, é construída - ao contrário do que se pretende - uma visão negativa e deturpada da ciência.

Assim, entende-se que o uso do Tracker no ensino de Física é promissor por conta de seu baixo custo, de sua versatilidade e do interesse que desperta nos estudantes, tendo em vista a dinâmica de aulas que permite. Nosso trabalho sugere a possibilidade de ensinar a utilização deste OA em poucas aulas e que mesmo usuários relativamente inexperientes são capazes de empregá-lo na realização de experimentos significativos. Neste sentido, o uso do Tracker desponta como importante alternativa a ser usada no ensino de Física.

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