INVESTIGANDO O PÊNDULO SIMPLES ATRAVÉS DE UMA ATIVIDADE EXPERIMENTAL INTEGRADA À SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

## INVESTIGANDO O PÊNDULO SIMPLES ATRAVÉS DE UMA ATIVIDADE EXPERIMENTAL INTEGRADA À SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Gilliane Hoehr Clavé Baggio , Emanoela Decian , Lisiane Barcellos Calheiro³, Maíra 1 2 Angélica Bolfe 4 , Inés Prieto Schimidt Sauerwein 5 , Daniele Correia 6

1 Universidade Federal de Santa Maria, gillianeclave@gmail.com

2 Escola Estadual de Educação Básica Augusto Ruschi, liscalheiro@gmail.com 3 Universidade Federal de Santa Maria,emanoeladeciam@gmail.com 4 Universidade Federal de Santa Maria, mairabolfe@gmail.com 5 Universidade Federal de Santa Maria, ines.ufsm@gmail.com 6 Universidade Federal de Santa Maria/ Programa de Pós-graduação em Educação em Ciências: Química da Vida e Saúde/daninhacorreia@gmail.com

## Resumo

Apresentamos os resultados de uma proposta didática que objetivou verificar e analisar os conhecimentos iniciais dos estudantes sobre o Movimento Oscilatório, através do modelo do Pêndulo Simples. Esta proposta foi desenvolvida através de uma atividade experimental aliada a uma simulação computacional, as quais consideramos estratégias didáticas importantes para o ensino de Física, pois possibilitam que os alunos relacionem a teoria e a prática, estimulando a construção do conhecimento. Nosso trabalho tem caráter investigativo, pois deve possibilitar ao aluno refletir, discutir, explicar e relatar o tema proposto. Para tanto, os estudantes receberam um roteiro com questões investigativas a respeito do experimento, visando externalizar suas ideias. A proposta foi desenvolvida no âmbito do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência - PIBID, subprojeto Física, que possui como um de seus objetivos proporcionar aos futuros professores a participação em experiências metodológicas, tecnológicas e práticas docentes. As atividades envolveram 58 alunos da 2ª série do ensino médio de uma das escolas parceiras do projeto. Os resultados demonstraram que a atividade experimental integrada à computacional auxiliou os alunos a compreender, de forma mais fácil, o estudo do Movimento Oscilatório. Com a análise das respostas às questões das duas diferentes situações, percebemos a evolução dos alunos em relação ao assunto abordado.

Palavras-chave : PIBID; Pêndulo Simples; Atividade Experimental; Simulação Computacional

## Introdução

O movimento é dito oscilatório quando uma partícula se desloca periodicamente sobre uma mesma trajetória em relação à posição de equilíbrio. Um modelo que nos permite descrever um Movimento Oscilatório é o Pêndulo Simples, o qual é composto por uma massa presa à extremidade de um fio inextensível e de peso desprezível, que tem a outra extremidade presa a um eixo, em torno do qual é capaz de oscilar.

Como estratégia para introduzir o Movimento Oscilatório, elaboramos uma proposta didática investigativa com o Pêndulo Simples integrando teoria e prática, através de atividades com experimento e simulação computacional. Por meio destas atividades procuramos investigar os conhecimentos iniciais dos alunos acerca do

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Movimento Oscilatório e das grandezas físicas comprimento, massa, aceleração da gravidade e período, relacionadas ao movimento do Pêndulo Simples.

As atividades de caráter investigativo foram desenvolvidas por 3 acadêmicas do curso de Licenciatura em Física juntamente com a professora supervisora, as quais são bolsistas do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência Subprojeto PIBID-FÍSICA da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), e foram implementadas em três turmas da 2ª série do Ensino Médio, abrangendo cerca de 58 alunos, em uma das escolas parceiras do projeto localizada na cidade de Santa Maria/RS.

## Referencial Teórico

Este trabalho apresenta uma proposta didática sobre Movimento Oscilatório, mais especificamente sobre Pêndulo Simples, e fez uso de dois recursos didáticos diferentes - atividade experimental e simulação computacional, para abordar e investigar os conceitos do Movimento Oscilatório de modo a integrar a teoria e a prática.

Para Schwahn e Oaigen (2009), o uso de atividades experimentais poderá vir a ser o ponto de partida para a compreensão de conceitos e sua relação com as ideias discutidas em sala de aula. Assim, estabelecem-se relações entre a teoria e a prática e, ao mesmo tempo, criam-se possibilidades para que o aluno expresse suas dúvidas.A integração com a simulação computacional buscou aperfeiçoar o entendimento dos conceitos e questionamentos levantados pelos alunos durante a realização do experimento.

Existem várias formas de trabalhar com atividades experimentais nas aulas de Física. Na maioria das vezes as atividades experimentais desenvolvidas são de verificação da teoria, isto é, todos os procedimentos são descritos em um roteiro fechado, cabendo ao aluno reproduzi-los, sem que ocorra uma investigação por parte do mesmo. Para uma atividade experimental ser considerada de investigação, Azevedo (2004) destaca que a ação do aluno não deve se limitar apenas ao trabalho de manipulação ou observação. A atividade deve também conter características de um trabalho científico: o aluno deve refletir, discutir, explicar e relatar, o que dará ao seu trabalho as características de uma investigação científica.

Neste sentido, as atividades experimentais investigativas podem ser uma alternativa interessante para proporcionar aos estudantes uma maior liberdade para expressar suas concepções e suas ideias. Tamir (1991, apud BORGES, 2002) caracteriza as atividades experimentais e as categoriza em quatro níveis:

No nível 0, o qual corresponde aproximadamente ao extremo de problema fechado, são dados o problema, os procedimentos e aquilo que se deseja observar/verificar, ficando a cargo dos estudantes coletar dados e confirmar ou não as conclusões. No nível 1, o problema e procedimentos são definidos pelo professor, através de um roteiro, por exemplo. Ao estudante cabe coletar os dados indicados e obter as conclusões. No nível 2, apenas a situação-problema é dada, ficando para o estudante decidir como e que dados coletar, fazer as medições requeridas e obter conclusões a partir deles. Finalmente, no nível 3 o nível mais aberto de investigação o estudante deve fazer tudo, desde a formulação do problema até chegar às conclusões. (Borges, 2002).

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A partir dos níveis apresentados acima, desenvolvemos uma atividade experimental com ênfase no nível 1, que se caracterizou com procedimentos e questões investigativas elencadas no roteiro, onde os estudantes receberam os passos para montagem do aparato experimental, de modo que eles pudessem refletir sobre o fenômeno observado e responder as questões propostas.

Na segunda atividade, a simulação computacional com o Pêndulo Simples foi implementada de forma demonstrativa.Este recurso didático também que pode ser utilizado nas atividades de cunho investigativo, pois permitem a visualização de fenômenos por meio de uma interface gráfica onde se têm objetos com possibilidade de interação e manipulação de variáveis envolvidas no fenômeno (HOHENFELD, PENIDO, 2011).

Assim, a proposta didática de caráter investigativo visou integrar uma atividade experimental e uma atividade computacional para abordar o Movimento Oscilatório por meio do Pêndulo Simples. Esta será detalhada no próximo tópico.

## Metodologia

A implementação desta proposta foi realizada em três turmas do segundo ano do ensino médio (58 alunos); desse total foram formados doze grupos. Para a atividade experimental os estudantes receberam um roteiro de nível 1 (BORGES, 2002) com os passos para a montagem do aparato experimental (Figura 01) e com as questões investigativas, e teve como objetivo verificar os conhecimentos iniciais apresentados pelos alunos sobre o Movimento Oscilatório e as grandezas físicas envolvidas. Durante a realização da atividade experimental os estudantes debateram no grupo e elaboraram as respostas para serem entregues ao final da aula. Enquanto os alunos realizavam o experimento, o nosso trabalho como bolsistas do PIBID, foi o de orientá-los para que fizessem a atividade proposta, compreendendo os conceitos físicos associados ao experimento.

Ainda, registramos a implementação da atividade no Diário da Prática Pedagógica (DDP). O diário é um instrumento utilizado pelo docente para registrar e identificar dificuldades encontradas tanto em seu trabalho em sala de aula quanto na atividade realizada pelo aluno. Os registros são escritos logo após o término da implementação, aproveitando assim o caráter recente de todas as informações.

A simulação computacional, denominada Laboratório de Pêndulos do Site Phet Colorado , foi apresentada aos alunos no data show e teve por objetivo mostrar 1 aos alunos o pêndulo de forma interativa, discutir as grandezas físicas (comprimento, massa, aceleração da gravidade e período) presentes no movimento e as questões respondidas no roteiro do experimento. A interface da simulação encontra-se na Figura 02.

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Figura 02 : Simulação site Phet

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Figura 01 : Aparato experimental Pêndulo Simples

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Quadro 01 : Resumo da proposta didática implementada

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Após a aplicação da proposta didática descrita no Quadro 01, realizamos a análise das questões das duas atividades e tabulamos as respostas para verificar o entendimento dos alunos com relação ao Movimento Oscilatório e as grandezas envolvidas.

## Resultados e Discussões

A análise das respostas dos estudantes às questões propostas permitiu identificar os conhecimentos acerca do movimento do Pêndulo Simples. As atividades propostas permitiram um diálogo no grande grupo, e proporcionou aos alunos de forma motivadora a busca pelas respostas que estavam inseridas no roteiro. Observa-se que, na situação 1, os alunos apresentaram dificuldades para montagem do aparato, solicitando as bolsistas que os auxiliassem. Estas dificuldades foram registradas no diário, conforme ilustram alguns exemplos:

## Grupo 1: 'Como meço o ângulo com este transferidor?'

- -Bolsista A: Vários foram os grupos que apresentaram dificuldades com o transferidor. Desse modo, 'foi falado aos alunos que fixassem o transferidor no aparato e assim considerassem o ângulo de 90 ° como se fosse o 0° e então medissem o ângulo.'

## Grupo 2: 'De onde devemos largar o pêndulo?'

- - Bolsista B: 'Os alunos queriam 'largar' o pêndulo de 90°, mas sabemos que as características do pêndulo simples são válidas só para pequenos ângulos, então orientamos os alunos a 'largarem' o pêndulo de ângulos não muito grandes.'

Nas questões investigativas inseridas no roteiro procuramos verificar as ideias iniciais dos estudantes acerca do Movimento Oscilatório. A partir da análise das questões respondidas na proposta didática transcritas no quadro 2, procuramos verificar a evolução nos conceitos envolvidos e descrevê-las nas duas categorias elaboradas.

## Categoria 1 : Identificação das ideias conceituais iniciais dos estudantes sobre o Movimento Oscilatório, de acordo com as repostas da situação 1 das duas atividades.

Nesta categoria descrevemos os resultados das questões 1 e 2, das duas atividades (quadro 2). Na questão 1 experimental, referente ao tipo de movimento apresentado pelo pêndulo, a maioria dos alunos identificou como oscilatório, periódico e pendular, demonstrando que nesta questão a observação foi ao encontro da resposta correta. Na simulação verificamos que eles melhoraram suas percepções, sendo que a maior parte dos alunos respondeu corretamente. Um dos fatores que contribuiu para um maior entendimento por parte dos alunos, nesta etapa, foi o fato deles estarem mais livres para dialogar no grande grupo e elaborarem suas respostas, conforme relatadas no quadro 2.

Na questão 2, referente ao que provoca o movimento, a maioria dos alunos respondeu a força da gravidade para as duas propostas. O que podemos perceber dessas respostas é que os alunos podem ter confundido força peso com a força da gravidade, o que neste caso levaríamos a considerar as respostas com um certo

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sentido, pois quando o pêndulo é deslocado de sua posição de equilíbrio e solto, ele oscila sob a ação da força peso, apresentando um movimento periódico. Essas trocas nos conceitos abordados podem ser verificadas através de ideias intuitivas que os estudantes carregam na sua estrutura cognitiva.

## Categoria 2 : Comparação das ideias conceituais iniciais dos estudantes sobre as grandezas envolvidas no Movimento Oscilatório de acordo com as respostas da situação 2.

Nesta categoria descrevemos os resultados das questões 3, 4 e 5, das duas atividades (quadro 2). Na situação 2, questão 3 na qual os alunos foram solicitados a trocar o objeto com massa diferente, os mesmos não conseguiram identificar que a massa não interferia no movimento, ou seja, para os alunos o movimento variava com a troca das mesmas, o que, na verdade, não ocorre.Um dos fatores que pode ter contribuído para não observação correta da questão é o fato, de que numa atividade experimental estamos cercados de erros experimentais. Estes podem ocorrer por diversos motivos, pode ser por causa de um instrumento mal calibrado, mal montado ou até mesmo com defeito 2 . Na simulação pode-se perceber que os alunos conseguiram visualizar que o movimento continua o mesmo, mudando a concepção apresentada na atividade experimental, isso porque as simulações são projetadas de uma forma que podemos visualizar sem erros e também outra vantagem é que nesta podemos colocar os dois pêndulos juntos o que fica mais fácil de observar que o movimento continua o mesmo.

Na questão 4, onde os alunos mudaram o comprimento do fio, pode-se verificar que eles perceberam que quanto maior o comprimento do fio, menor será a velocidade e consequentemente, maior será o tempo de oscilação. Na simulação percebemos que os alunos mantiveram as respostas obtidas no experimento.

Observamos, na questão 5, que os alunos elencaram várias grandezas como a massa, velocidade, aceleração gravitacional, comprimento, força e deslocamento como respostas, algumas das quais não interferem no movimento. Tal fato possibilitou identificar a existência de uma confusão entre as grandezas que influenciam e as que estão presentes no movimento do pêndulo. Com atividade computacional procuramos junto aos alunos discutir e mostrar quais grandezas estariam presente no movimento do pêndulo para com isso esclarecer a confusão.

Quadro 2 - Respostas dos alunos da atividade experimental e da simulação computacional.

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O que podemos inferir dos resultados acima elencados e com a observação das aulas, é que o uso das atividades experimentais em conjunto com simulações computacionais como recurso instrucional em sala de aula proporcionou uma maior motivação aos estudantes para compreender os conteúdos abordados. Outro fator relevante é que a atividade, por ser investigativa, implica em uma maior dificuldade para os alunos, pois estes não estão acostumados a levantar hipóteses e externalizar seus conhecimentos antes de terem contato com o conteúdo .

## Conclusões

Com uma abordagem investigativa, a proposta favoreceu a reflexão e a troca de ideias dos estudantes por meio de situações mais abertas, e com a atividade experimental procuramos uma forma de desenvolver no estudante uma motivação para a introdução do novo conteúdo que seria apresentado, integrando a teoria com a prática. Com as questões investigativas proporcionamos o diálogo entre o grupo

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na busca de um consenso pela resposta, promovendo nos alunos a curiosidade acerca da atividade que estava sendo desenvolvida.

Percebemos que a estratégia de investigação utilizada antes do conteúdo ser ministrado pela professora, causou algumas dificuldades aos alunos quanto à demonstração dos conhecimentos iniciais. Acreditamos que isso possa ter acontecido pelo fato dos alunos terem sido solicitados a levantar hipóteses sobre o que estava sendo proposto, levando em consideração apenas seus conhecimentos prévios .

Importante ressaltar, pela análise do comportamento dos alunos durante a realização da atividade experimental, que eles demonstraram dificuldades em relação à montagem da atividade, ao manuseio dos materiais e em seguir as orientações do roteiro.

A análise das respostas dos estudantes permitiu identificar, também, os conhecimentos iniciais dos mesmos. Com base nos resultados obtidos, optamos por uma nova estratégia didática, baseada em uma simulação computacional, implementada a partir dos passos da atividade experimental proposta neste trabalho, e com ela introduzimos o movimento oscilatório. Assim, acreditamos que estratégias didáticas diferenciadas podem contribuir para uma abordagem diferenciada dos conceitos de física.

## Referências

AZEVEDO, M. C. P. S. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M. P. (Org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004.

BORGES, A. T.. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 19 (3), pp. 9-31, 2002.

CACHAPUZ, A; GIL-PEREZ, D; PESSOA, A.M; PRAIA, J; VILCHES, A. A necessária renovação do ensino das Ciências. 2ª Ed. São Paulo. Ed. Cortez, 2011.

HOHENFELD, D. P.; PENIDO, M. C. M. A complementaridade dos laboratórios convencionais e virtuais no ensino de física . VII ENPEC, 2011.

PALANDI, J.; FIGUEIREDO, D. B.; DENARDIN, J. C.; MAGNAGO, P.R. Cinemática. Caderno de Física GEF-UFSM. Disponível em &lt; http://coral.ufsm.br/gef/Cinematica/cinema08.pdf &gt;, acessado dia 22 de julho de 2014.

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