O ENSINO DA FÍSICA EXPERIMENTAL EM CURSOS DE ENGENHARIA: UMA PROPOSTA BASEADA NA CONSTRUÇÃO ARGUMENTATIVA

## O ENSINO DA FÍSICA EXPERIMENTAL EM CURSOS DE ENGENHARIA: UMA PROPOSTA BASEADA NA CONSTRUÇÃO ARGUMENTATIVA

Leonardo André Testoni 1 , Paulo Henrique de Souza , Edson Nakamura , Iago 2 3 Tahan Lavorato 4 , Sílvia Maria de Paula , João Justo Pires 5 6

1 Universidade Federal de São Paulo - leotestoni@yahoo.com.br

2 Universidade Metropolitana de Santos/Colégio T. Parthenon - hspaulo2004@yahoo.com.br

3 Colégio T. Parthenon - yevnaka@uol.com.br

4 Universidade de São Paulo/Colégio T. Parthenon - iago\_lavorato@hotmail.com

5 Centro Universitário Estácio Radial SP- depaula.pesquisa@gmail.com

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Universidade Paulista - jpires@yahoo.com.br

## Resumo

O presente artigo busca apresentar a evolução conceitual ocorrida durante aulas de prática de Física no contexto de estudantes que cursam o primeiro ano do curso de Engenharia. Mais precisamente, procurou-se analisar tal evolução no tocante à utilização e criação de novos procedimentos experimentais necessários em situações de conflitos cognitivos ocorridos no decorrer das aulas.

Em um caráter qualitativo e construtivista, a pesquisa em tela acompanhou duas turmas de alunos matriculados na disciplina de Física Experimental I, sendo que, devido à similaridade dos resultados encontrados, optou-se por apresentar aqui o trajeto criativo desenvolvido por um grupo de estudantes, possibilitando um maior detalhamento do percurso de aprendizagem realizado.

- O grupo de futuros engenheiros analisado demonstrou uma evolução em seu padrão argumentativo, que pode ser observado através da complexidade em sua nova rede explicativa, gerada após a solução do conflito instaurado. Esse novo padrão, construído a partir do modelo proposto por Toulmin, nos permitiu localizar indícios de uma argumentação mais coerente, com hipóteses e qualificadores mais articulados, inferindo apropriação de termos e conceitos científicos, assim como o desenvolvimento de novas atitudes e habilidades relativas à utilização do método científico.

Palavras-chave : Ensino, Física, Enculturação, Argumentação, Toulmin

## INTRODUÇÃO

O panorama geral do Ensino de Física nas últimas décadas parece refletir em um crescente distanciamento entre o conteúdo ensinado e aquele realmente assimilado pelo aluno (TESTONI e ABIB, 2014). Segundo Carvalho (2009), 'poucos são os estudantes que realmente aprenderam; quando muito conseguem uma vaga lembrança de um ou outro conceito visto, sem saber aplicá-lo ou explica-lo (p.1) '.

A área científica (e a Física, em particular), vem, tradicionalmente, sendo ensinada com pouca referência à sua construção. Medeiros (2005) afirma que o fato de professores e alunos agirem sem uma clara percepção de suas ações e significados extrapola os muros escolares, atingindo, inclusive, a universidade.

Nesse contexto, procuramos focar o Ensino de Física Experimental no contexto universitário, mais precisamente entre estudantes do primeiro ano de um curso de Engenharia em uma Universidade privada do município de São Paulo.

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Nesse ambiente, procuramos observar a influência da prática experimental desenvolvida no laboratório de Física como um ambiente propício ao surgimento de conflitos cognitivos (PIAGET, 2002) e novas argumentações (NASCIMENTO & VIEIRA, 2008), mediante intervenções bem definidas do professor no decorrer do processo de ensino e aprendizagem.

## A PRÁTICA EXPERIMENTAL

A existência de aulas práticas de Física nos cursos de Engenharia se remete à resolução 11/2002 do Conselho Nacional de Educação, onde se prevê a existência de laboratórios no núcleo básico dos citados cursos, conforme exposto a seguir:

Art 6º - § 2º - Nos conteúdos de Física, Química e Informática, é obrigatória a existência de atividades de laboratório. Nos demais conteúdos básicos, deverão ser previstas atividades práticas e de laboratórios, com enfoques e intensividade compatíveis com a modalidade pleiteada (BRASIL, 2002 ).

Nesse contexto, é necessário que o professor de Física tenha clareza dos objetivos que o laboratório pretende alcançar com relação à aprendizagem discente. Segundo Hodson (1994), docentes da área de Física, ao serem questionados sobre a função das atividades experimentais e do laboratório, apontam, principalmente, cinco pontos entre eles destacamos: o ensino de técnicas de laboratório e a intensificação a aprendizagem dos conhecimentos científicos. Ainda nessa linha de pensamento, Laburú (2005) propõe quatro categorias básicas quando da utilização de aulas práticas no ensino de física. Dessa forma, tem-se a função motivacional , quando a aula prática é permeada de atividades atraentes, curiosas, que possuem relação direta com o cotidiano discente, despertando o interesse desse último. A categoria funcional busca o objetivo docente de escolher os equipamentos e utensílios da prática de acordo com sua facilidade de montagem e realização. Já na vertente instrucional tem como objetivo tornar a teoria aprendida previamente mais clara para o estudante, sendo facilitadoras de explicações já realizadas pelo docente. Finalmente, a categoria epistemológica traz um forte apelo à construção do conhecimento, demonstrando teorias e leis com o objetivo de legitimar o conhecimento científico. Nessa relação, um dos papéis das atividades experimentais é o da comprovação de situações padronizadas, normalmente trabalhadas na teoria.

Em uma articulação entre os modelos propostos por Hodson e Laburú, propomos uma visão de laboratório de Física como espaço de construção de conhecimento científico (remetendo-se à vertente epistemológica) e motivação do discente, permitindo a esse último uma integração com os termos e conceitos utilizados no campo da Física, bem como sua interação com os pares, tal como a comunidade científica.

Dessa forma, em um patamar mais próximo do letramento científico, entendemos o espaço destinado à prática experimental como um momento de imersão no mundo científico, que permite ao futuro engenheiro vislumbrar a construção das teorias físicas e evoluir conceitualmente, mediante o desenvolvimento de indicadores de enculturação científica (CARVALHO, 2009). Nessa pesquisa, em particular, concentramo-nos na análise de um desses indicadores - a evolução conceitual através do aperfeiçoamento de padrões argumentativos obtidos durante os caminhos de criação (TESTONI & ABIB, 2014) dos estudantes durante o processo de ensino e aprendizagem.

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## O MODELO ARGUMENTATIVO DE TOULMIN

O modelo de Stephen Toulmin (apud NASCIMENTO & VIEIRA, 2008), criado em 1958, com o intuito de interpretar análises argumentativas nas áreas sociológicas e do direito, vem sofrendo sequenciadas adaptações para seu uso na área pedagógica. Em uma tentativa de romper com as certezas da lógica formal, Toulmin procura mostrar que o nosso cotidiano é permeado de argumentações, sejam em nossos ambientes de trabalho, como em situações habituais de tomada de decisão mediante opiniões.

Vale salientar que as ideias de Toulmin possuem um caráter mais prescritivo, sendo, porém, uma poderosa ferramenta para a argumentação no pensamento científico (CARVALHO, op.cit.). Na figura abaixo, é exposta uma estrutura completa do padrão proposto por Toulmin ao relacionar um fato ou dado (D) a uma conclusão (C).

FIGURA 01: Padrão de Toulmin para argumentação

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De acordo com a análise da figura anterior, uma linha de argumentos elaborada por um indivíduo é composta pela conclusão (C), que é a montagem final que procura se estabelecer desde o início do processo, o dado (D) que são os fatos iniciadores, a garantia de inferência (G), que representa a hipótese que liga os fatos à conclusão (C), um qualificador modal (Q), usado para qualificar a conclusão, demonstrar seu grau de força e a refutação (R), que indica as condições em que a argumentação não poderá ser aceita.

Apesar da linearidade com que o padrão argumentativo é apresentado, vale salientar suas limitações, principalmente em ambientes multi-argumentativos. Driver et al. (2000) apud Nascimento &amp; Vieira (op.cit.) enfatiza a desconsideração do contexto em que os argumentos são construídos, a falta de julgamento da precisão dos mesmos e a inexistência da construção coletiva: os argumentos não necessariamente aparecem de forma ordenada como indicado no padrão, sendo que em sala de aula pode ocorrer a complementação de argumentos de um aluno por outro, bem como algumas justificativas podem estar implícitas, não sendo prestigiadas por este modelo linear.

Apesar das limitações do padrão original, em um aspecto geral, identificamos tal modelo como apropriado para a quantidade e natureza dos dados

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obtidos, quando da pesquisa em tela. É importante ressaltar que o modelo de Toulmin está sendo apresentado como proposta, de forma a atender os aspectos analíticos das recentes pesquisas em educação, visando à caracterização da evolução de padrões argumentativos dos futuros engenheiros, sendo esse um dos possíveis indicadores para o processo de alfabetização científica dos mesmos.

## A METODOLOGIA DA PESQUISA

A presente pesquisa buscou analisar a aprendizagem de procedimentos experimentais relativos aos conceitos físicos relativos à aceleração da gravidade e ao movimento pendular harmônico simples. Para tanto, e de um ponto de vista mais específico, procurou-se analisar o percurso conceitual realizado porduas salas de estudantes do 1º ano de um curso de engenharia (cerca de 15 alunos em cada), regularmente matriculados na disciplina relativa ao laboratório de Física no 2º semestre de 2013 em uma universidade da rede privada do município de São Paulo.

Em uma abordagem qualitativa (BOGDAN, BIKLEN, 1999) com um viés voltado à análise de conteúdo (BARDIN, 2002), o trabalho em tela, baseado no modelo argumentativo de Toulmin, focou as alterações nos padrões argumentativos utilizados pelos futuros engenheiros, quando de suas tentativas de entendimento acerca da utilização de procedimentos experimentais associados a um pêndulo simples para a estimativa do valor da aceleração gravitacional no local onde o experimento era realizado.

Para efeito de registro, as citadas aulas foram gravadas na forma de áudio e vídeo, sendo o conteúdo transcrito e, posteriormente analisado, visando ao encontro de episódios de interesse acadêmico, que pudessem colaborar com o objetivo dessa pesquisa. Por questões de anonimato, a identificação dos alunos citados nesse trabalho é feita mediante a utilização de números. Devido à similaridade dos resultados obtidos nas salas, optamos pela apresentação do trajeto realizado por um dos grupos de alunos analisados, buscando um maior grau de detalhamento no processo.

## CONTEXTO, ANÁLISE E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

O contexto do experimento, portanto, limitava-se a duas aulas de 100 minutos onde estava previsto, conforme um roteiro previamente disponibilizado pela universidade, o cálculo da aceleração gravitacional naquele ambiente, através da utilização da equação:

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Na tentativa de propiciar um ambiente frutífero do ponto de vista da evolução de padrões argumentativos conceituais, além de aberto às discussões entre os estudantes, orientou-se o docente responsável pela aula para que não utilizasse o 1 roteiro previamente disponibilizado, haja vista tratar-se de um material de condução extremamente linear, visando à simples substituição de medidas em lacunas, sem preocupação com a discussão do fenômeno em si e de suas variáveis relevantes. Tal opção se fez necessária no sentido de objetivar momentos de prováveis conflitos. Conflitos esses, possíveis geradores de novos modelos explicativos.

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Em um primeiro momento, os alunos foram questionados sobre o conhecimento da grandeza aceleração gravitacional, a qual parece familiar ao grupo, conforme exposto a seguir.

Aluno 1: É aquela que vale 10? Isso, né?

Aluno 2: É a que puxa os corpos para a Terra (gesticulando um movimento descendente)...vale 10...9,8... tinha na teoria

O conceito (e o valor médio) da aceleração da gravidade, conforme ilustra o episódio acima, já fazia parte do repertório dos futuros engenheiros, haja vista que o mesmo já havia sido trabalhado na aula de Física Teórica ('... tinha na teoria' ). Apesar do conhecimento prévio já citado, o docente faz questionamentos sobre a construção de uma estratégia para estimar o valor de g , que parecia ser tão familiar dos discentes.

Aluno 2: A gente podia soltar os corpos e medir o tempo de queda...

Aluno 1: Isso...com o tempo dá para achar a velocidade, aceleração...a gente viu isso na teoria.

As falas acima, novamente trazem elementos da disciplina de 'Física Teórica', apropriados pelos alunos e que são levados para a realidade experimental. Nessa etapa, os estudantes da turma, espontaneamente, acatam a sugestão dada pelo aluno 2, começando a abandonar corpos de alturas conhecidas na tentativa de medir o tempo de queda. Nesse momento, foi possível notar debates entre os futuros engenheiros na tentativa de se obter uma melhor precisão dos resultados.

Aluno2: Olha... deu 0,68s...mas o tempo do (Nome de outro aluno) deu 0,51s...e agora? Usa qual?

Aluno 4: Vamos fazer mais medidas...a gente faz uma média.

Aluno 3: É...a média já fica melhor...

Após a decisão pelo uso da média das medições como valor mais provável do tempo de queda, os alunos o substituem nas equações clássicas de Movimento Uniformemente Variado, obtendo valores não esperados para a aceleração da gravidade.

Aluno 1: Deu 13 (m/s2). Como pode. Quanto deu a sua? (chamando um dos integrantes do grupo ao lado).

Aluno 2: Vixe...foi pior...deu 18 (m/s2). Nada a ver... tem alguma coisa errada.

Conforme estabelecido por Carvalho (2009), o ambiente de discussões entre os estudantes torna-se frutífero para a divulgação dos resultados e troca de experiências pela discentes. No episódio anterior também é possível observar a função epistemológica (LABURU, 2005) da prática experimental pelo futuro engenheiro, que trata o laboratório como um ambiente de legitimação da teoria, o que faz com que a desconfiança dos valores obtidos seja veemente.

Nessa etapa, diante do impasse gerado pelos valores longe do padrão já conhecido, o professor apresenta uma rápida sequência didática sobre o tempo de reação do ser humano em diversas situações. Assim, é inserido um elemento importante no processo de medição - o átimo entre o início do experimento e o início da medição realizada pelo ser humano, o que propicia algumas conclusões sobre os resultados obtidos.

Aluno 4: Ah...é isso! Não dá tempo da gente apertar e desapertar o cronômetro...É isso? O tempo fica em cima? Aluno2: A queda teria que ser maior, então? Mas não dá para fazer, então...

Não tem outro jeito?

Os episódios analisados, até então, nos mostram indícios de conflitos por parte dos futuros engenheiros em relação aos procedimentos experimentais

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utilizados para a medição da aceleração gravitacional. Entretanto, também é possível observar uma ausência de elementos cognitivos que pudessem fazer os mesmos continuarem sua evolução conceitual, caracterizando-se uma zona lacunar (TESTONI e ABIB, 2014). Nesse ponto, é fundamental a ação docente, proporcionando novos fatos e repertórios, que possibilitem a continuidade do aprendizado. Dessa forma, apenas nesse momento, o docente responsável distribui uma parte do roteiro previamente disponibilizado pela universidade aos alunos. O fragmento entregue explana apenas os referenciais teóricos relativos à teoria pendular, mais precisamente, a definição matemática do período de um pêndulo simples, que, para pequenos ângulos (até 5 ), é inversamente proporcional a g o 1/2 . A leitura, apesar de individual, proporciona debates entre os grupos de alunos.

Aluno 1: Então...a gente mede o tempo de ida e volta...isso, né? É o período...

Aluno 4: Substitui na fórmula (equação do período do pêndulo)...Aí é só isolar o g...

(Os alunos montam o pêndulo e realizam o experimento)

Aluno 1: Ih... deu a mesma coisa que antes, o tempo...

Aluno 3: Não...vai dar errado do mesmo jeito. Esse ângulo é muito pequeno. Vai ficar próximo do tempo de reação de novo.

Nesse ponto, observamos como a inserção do conceito de tempo de reação foi validado pelo grupo de estudantes (TESTONI e ABIB, 2014), que, apesar do novo conflito gerado, rapidamente identificou a necessidade de um novo procedimento experimental. Aqui podemos notar, além da forte legitimação epistemológica dada à atividade experimental (LABURU, 2005), uma apropriação do novo conflito como fator de alteração dos novos caminhos a serem trilhados pelos futuros engenheiros (TESTONI e ABIB, op.cit.). O novo imprevisto surgido parece levar o grupo de estudantes para um procedimento laboratorial não muito familiar a eles.

Aluno 2: E se a gente deixar o 'negócio' (pêndulo) oscilando?

Aluno 1: Mais de uma vez?

Aluno 2: É...será que pode?

Aluno 3: Deixa dez vezes...aí o tempo é maior...é maior que a reação... chama o professor.

Após a orientação do professor, o grupo percebe a validade do método experimental encontrado. O episódio anterior traz a finalização do caminho criativo desenvolvido pelo grupo de futuros engenheiros, solucionando seu último conflito através de diversas medições, agrupando, portanto, um novo repertório procedimental experimental a seus esquemas cognitivos (TESTONI e ABIB, 2014, PIAGET, 2002.), minimizando a ocorrência de zonas lacunares futuras em atividades similares. Do ponto de vista argumentativo, foi possível estabelecer importantes evoluções no tocante ao padrão de argumentação proposto pelo grupo de futuros engenheiros. Tais evoluções se mostraram apoiadas, principalmente, pelo ambiente de debate proposto, além de intervenções precisas do docente responsável pela disciplina, seja na proposição de um problema com nível de desafio apropriado ao contexto, seja pela inserção apropriada (conceitualmente e temporalmente) de repertórios ausentes aos discentes no momento da aprendizagem. A seguir, apresentamos os esquemas, baseados no padrão argumentativo de Toulmin, que buscam representar o primeiro modelo e o padrão explicativo final dos alunos com relação aos procedimentos experimentais.

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FIGURA 03: Padrão Argumentativo Final

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## FIGURA 02: Padrão Argumentativo Inicial

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A construção dos padrões argumentativos são elementos essenciais, que nos permitem uma visualização mais geral da evolução da complexidade na montagem de novas estruturas explicativas. A evolução das ideias ocorridas encontra-se implícita nessa complexidade, podendo, portanto, ser considerada como um forte indicador de letramento científico por parte dos estudantes. A nova rede de ideias criada nos fornece importantes indícios da apropriação de novos procedimentos científico-experimentais pelos futuros engenheiros, que serão importantes repertórios para utilização futura em novos momentos de criação.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A experiência compartilhada pelos discentes do primeiro ano de engenharia, em sua aula de Física Experimental, nos trouxe elementos que nos possibilitam inferir acerca da positividade da utilização de uma situação-problema gerada a partir de uma prática experimental, que desafie, em um grau adequado, o futuro engenheiro a raciocinar, formular hipóteses e elaborar argumentações coerentes (CARVALHO, 2009).

- O modelo argumentativo de Toulmin, apesar de suas limitações, nos possibilitou constatar a mudança de um padrão argumentativo para outro com mais

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coerência, mediante a inserção de uma estrutura de apoio adequada e contextualizada. Neste ponto, salientamos a importância do papel do professor nesse processo, que através de sua mediação e intervenções específicas e bem definidas no contexto conceitual e temporal, colaborou na existência de um ambiente intelectualmente ativo (CARVALHO, op. cit.) para a construção do novo modelo explicativo, sendo possível o desenvolvimento de diversas características da atividade científica, como o levantamento de hipóteses, deduções e induções, uso de analogias, comunicação com a comunidade, troca de informações e construção de um modelo coerente com os dados propostos.

Portanto, nesse trabalho,a prática de laboratório de Física, além de contribuir para a promoção de um ambiente frutífero e propício ao processo de ensino e aprendizagem, se mostrou como um momento de construção do conhecimento científico por parte do estudante, sendo tratado como uma possibilidade de legitimar a teoria, dentro de uma configuração epistemológica(LABURÚ, 2005).

Ainda no tocante à pesquisa em tela, os resultados obtidos nos possibilitaram inferir, em corroboração com Hodson (1994), acerca do papel essencial da prática experimental nos cursos superiores de engenharia, produzindo um ambiente capaz de motivar e intensificar os conhecimentos científicos e seu intercâmbio entre os pares, assim como propor discussões sobre o método científico e sua utilização, desenvolvendo atitudes e habilidades fundamentais ao futuro engenheiro.

## REFERRÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BARDIN, L. Análise de Conteúdo. Lisboa: Edições 70, 2002.

BOGDAN,R., BIKLEN,S., Investigação Qualitativa em Educação - Uma introdução à teoria e aos métodos. São Paulo, Porto Editora, 1999

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CARVALHO, A.M. Enculturação Científica: uma meta do ensino de ciências. Anais do XIV Endipe, 2009.

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HODSON, D. Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio. Enseñanza de las Ciencias, v. 12, n.3, p. 299-313, 1994.

LABURÚ, C. E. Seleção de experimentos de física no ensino médio: uma investigação a partir da fala dos professores. Investigação em Ensino de Ciências, v. 10, n. 2, 2005.

MEDEIROS, C.F. Por uma Educação Matemática como intersubjetividade in: MENDES, A.M. O Desenvolvimento Criativo. Espaço Acadêmico. São Paulo, 2005.

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PIAGET, J., Epistemologia Genética, Ed. Martins fontes, 2ª Ed., 124 pp., 2002.

TESTONI, L.A, ABIB, M.L.V.S. Caminhos Criativos na Formação Inicial do Professor de Física. Paco Editorial, 280pp., 2014.

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