ATIVIDADE PRÁTICA ASSOCIADA À SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL PARA O ENSINO DE CONCEITOS DE HIDRODINÂMICA

## ATIVIDADE PRÁTICA ASSOCIADA À SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL PARA O ENSINO DE CONCEITOS DE HIDRODINÂMICA

Agamenon Pereira Xavier 1 , Lev Vertchenko 2 , Amanda Amantes 3

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Norte de Minas Gerais/Ensino Básico, Técnico e Tecnológico/Campus Araçuaí, agapxavier@yahoo.com.br

## Resumo

Neste trabalho apresentamos uma análise exploratória da aprendizagem de estudantes de graduação sobre o conteúdo de hidrodinâmica enquanto realizavam o experimento do 'foguete de água' em conjunto com uma simulação computacional. O objetivo é identificar em que medida uma atividade que envolve o aspecto concreto e virtual pode auxiliar na aprendizagem de conceitos abstratos da física. Para tanto fizemos um estudo piloto com intuito de delimitar os parâmetros de avaliação da aprendizagem deste tipo de ambiente de ensino. Discorremos em relação a atividades práticas e simulações no Ensino de Física, apresentamos os sujeitos e o contexto da pesquisa, falamos do roteiro e da simulação utilizada, apresentamos a análise da aula e dos roteiros de dez estudantes de diferentes cursos de graduação na área de engenharia, que interagiram com os dois tipos de ambiente. Os resultados da análise exploratória nos darão subsídios para desenhar melhor a atividade e estender a pesquisa para uma amostra mais significativa.

Palavras-chave : Ensino de Física, Laboratório concreto e virtual, Hidrodinâmica, foguete de água.

## Introdução

Vários autores têm feito pesquisas sobre a utilização das atividades práticas no ensino de Física (Millar, 2004; Borges, 2002; Araújo e Abid, 2003; Medeiros e Medeiros, 2002; Baser e Durms,2010;). Borges (2002) afirma que os professores em sua maioria acreditam que a melhoria do ensino passa pela introdução de aulas práticas no currículo. Estas aulas podem acontecer valendo-se de laboratórios concretos ou laboratórios virtuais.

Estamos chamando de laboratório concreto aquele que o aluno manipula materiais concretos, e de laboratório virtual a simulação destes materiais no computador, sendo que neste podemos ter os mesmos elementos do laboratório concreto. Baser e Durms (2010) indicam que o aluno pode ter um melhor desempenho em relação ao conteúdo estudado, tanto no laboratório concreto quanto no laboratório virtual, dependendo da natureza dos conceitos.

Nesta pesquisa, propomos associar atividades práticas concretas com simulação computacional, investigando a aprendizagem dos estudantes sobre conceitos de hidrodinâmica.

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## Atividades práticas e simulações no Ensino de Física

Acreditamos que, no ensino de Física, as atividades envolvendo laboratórios são de suma importância para que haja um aprendizado mais efetivo. Assim como grande parte dos professores, entendemos que a melhoria do ensino passa pela introdução de aulas práticas no currículo.

As aulas de laboratório são consideradas, por muitos professores, como uma forma de motivar o estudo. Neste sentido, Laburú (2006) afirma que entre os professores é senso comum que atividades experimentais geram grande expectativa nos alunos. No entanto, a motivação deve estar atrelada a uma prática de laboratório bem estruturada,

Assim, Laburú nos alerta que:

O emprego de atividades experimentais, quando embutidas de traços motivadores, contribui de forma importante, ainda que parcial e temporária, para o objetivo de prender a atenção dos alunos. Inclusive, essa contribuição, provavelmente, estenda de modo favorável sua influência no desenvolvimento de etapas menos motivadoras, mas que são necessárias para completar determinada atividade escolar. (LABURÚ, 2006, p. 386)

## E complementa

precisa existir uma aproximação entre motivação e sentido, pois a falta deste em qualquer atividade de ensino resulta num decaimento rápido da primeira. Logo, para que um sujeito mantenha-se motivado em uma atividade, esta precisa começar-lhe a fazer sentido. (LABURÚ, 2006, p.399)

Cabe ressaltar que em uma aula prática num laboratório de Física, o importante não é a manipulação de objetos e aparelhos concretos, mas sim o envolvimento comprometido com a busca de respostas/soluções bem articuladas para as questões colocadas em atividades que podem ser puramente de pensamento. (BORGES, 2002).

Além das atividades concretas, as simulações estão sendo muito utilizadas e vem ganhando espaço no Ensino de Física. De acordo com Medeiros & Medeiros (2002) as simulações podem ser vistas como representações ou modelagens de objetos específicos reais ou imaginados, de sistemas ou fenômenos. Elas podem ser bastante úteis, particularmente quando a experiência original for impossível de ser reproduzida pelos estudantes.

Segundo Baser e Durmus (2010)

estudos suportam a visão de que o ambiente experimental virtual tem efeito semelhante ou melhor na conceituação de conceitos científicos dos alunos quando comparado a ambientes experimentais reais (van Joolingen, de Jong & Dimitrakopoulou, 2007; Zacharia, 2007). (BASER e DURMUS, 2010, p.48).

Alguns autores indicam os prós e os contras dos laboratórios concretos e dos laboratórios virtuais. De acordo com Medeiros e Medeiros (2002), um laboratório virtual pode somente imitar certos aspectos da realidade, mas nunca sua total complexidade. Assim asseguram que uma simulação nunca pode provar coisa alguma. O experimento real será sempre o último juiz. Contudo há de admitir-se que

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boas simulações, criteriosamente produzidas, existem e que os professores guardam uma expectativa muito grande do potencial de suas utilizações.

## Sujeitos e Contexto

Participaram da pesquisa dez alunos que cursam engenharia, sendo: Cinco alunos do 2º período de Engenharia Elétrica, dois alunos do 2° período de Engenharia Ambiental, dois alunos do 2º período de Engenharia Civil e uma aluna do 2° período de Engenharia de Minas. Os estudantes foram convidados a participar de forma voluntária da atividade experimental 'foguete de água', sem interferência nas suas avaliações. O princípio de funcionamento do 'foguete de água' é a transformação da energia armazenada no gás pressurizado em energia cinética do foguete. Um jato de água é expelido através do bico do foguete pelo ar comprimido na sua câmara 1 . O ar não pode escapar até que empurre toda a água para fora do interior da câmara. Desta forma a energia armazenada pelo ar pressurizado é transformada em energia cinética do jato de água que sai.

Figura 01: Montagem completa do foguete de água

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A atividade foi desenvolvida para ser utilizada durante as aulas práticas da disciplina Física Geral e Experimental II. Elaboramos um roteiro de atividades composta por quatro etapas.

- 1ª etapa: Os estudantes foram conduzidos para um local aberto. O pesquisador realizou uma atividade demonstrativa, onde um 'foguete de água' estava previamente montando e foi utilizado para realizar o experimento e estabelecer algumas questões durante a atividade.
- 2ª etapa: Após esta primeira etapa os alunos foram conduzidos a uma sala de aula para uma aula teórica. Num primeiro momento realizamos uma breve comparação do foguete de água com os foguetes reais (foguetes lançadores de satélites e foguetes de sondagem). Em seguida foi explicado aos alunos o princípio

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de funcionamento do foguete de água, bem como as etapas do voo . Ainda nesta 2 aula foi explanado o texto 'Modelo do foguete de água'. Neste texto discutimos o funcionamento do foguete de água através de suas variáveis e equações físicas. Partimos da equação do foguete e mostramos como o simulador do foguete de água calcula a velocidade e a altura do foguete. A partir deste momento, associamos a equação do foguete à equação da continuidade e à equação de Bernoulli, incluindo os conceitos físicos de pressão, massa específica e fluxo de água.

- 3ª etapa: Neste momento, os alunos retornaram ao local aberto. O pesquisador solicitou que os estudantes relacionassem as unidades de pressão medidas pelo manômetro e as unidades de medida no sistema internacional e em unidades atm. Em seguida os alunos realizaram vários lançamentos do foguete de água alterando as variáveis: pressão, volume de água e ar. Após cada lançamento, mediram a altura alcançada pelo foguete. Os alunos realizaram testes com foguetes de água 'com e sem aerodinâmica' para o voo.
- 4ª etapa: A parte final do roteiro foi dividida em: medidas dos componentes do foguete de água e simulador computacional do foguete de água. Os estudantes deram inicio a esta parte do roteiro realizando diversas medidas do foguete de água e da base lançadora. Voltando ao laboratório de informática com os dados coletados, os alunos os inseriram num simulador computacional do foguete de água. Neste momento os estudantes discutiram em que medida a simulação se aproxima e se afasta do foguete real.

## Roteiro e Simulação

- O roteiro de atividades apresenta orientações para a execução das atividades, fundamentos teóricos sobre os assuntos tratados, procedimentos para realização das atividades e questões. A primeira parte do roteiro inicia-se apresentando regras de segurança em relação ao foguete de água. A segunda parte envolve as grandezas físicas pressão e massa específica, seguido de exemplos e questionamentos envolvendo estes conceitos. Em seguida são propostas questões que relacionam o volume de água e a pressão no foguete com a altura alcançada por este. Também são feitas indagações sobre a aerodinâmica de voo do foguete, inserindo novos conceitos como a força de arrasto, coeficiente de arrasto e velocidade do foguete. Fechando a segunda parte do roteiro são feitas algumas explanações sobre a distribuição de massa do foguete. Na terceira parte do roteiro os estudantes realizaram diversas medidas do foguete e de sua base lançadora, sendo que estes são utilizados no simulador computacional. Na primeira página do simulador o estudante insere alguns dados do lançamento, na segunda são inseridos características do foguete de água. A terceira página do simulador apresenta vários resultados do voo, como tempo do impulso, velocidade e aceleração do foguete no fim da fase de impulso, tempo e altura do ponto de apogeu, entre outros resultados. A quarta página do simulador apresenta gráficos do movimento do foguete de água. São plotados gráficos de altura, velocidade e aceleração em função do tempo.

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Acreditamos que o simulador que utilizamos é confiável. O seu criador, professor Dean R. Wheeler possui Ph.D em engenharia química pela Universidade de Berkeley na Califórnia, e dedica parte do seu tempo na construção e estudo de foguetes de água. Na mesma página do simulador pode-se ter acesso a textos de modelos matemáticos explicando as variáveis que o simulador contempla. De acordo com Wheeler (2009) as equações utilizadas no desenvolvimento do simulador do foguete de água envolvem poucas hipóteses simplificadoras, o que o torna bastante confiável. O simulador apresenta uma série de resultados instantâneos.

## Análise e Resultados

Os dados foram coletados através das respostas das questões do roteiro, vídeos e diário de bordo.

## Análise dos Roteiros

Para fazermos a análise do roteiro de atividades, utilizamos uma classificação baseada em níveis hierárquicos de entendimento. Para cada questão criamos uma escala para categorizar os níveis de entendimento dos alunos. Alguns autores tem feito isso, como Amantes et al (2013) com a TCE (Taxonomia da Complexidade do entendimento), Dawson (2004, 2008) por meio do LAS (Lectical Assessment System), Amantes (2009) e Coelho (2011). A exemplo dessa classificação hierárquica, questionamos a importância do formato do foguete em relação ao voo e a altura atingida, e qualificamos as respostas em cinco níveis, de zero a quatro, sendo: respostas totalmente incorretas (zero); reconhece a dependência da forma do foguete e o voo, mas não explicita (um); insere o conceito de aerodinâmica (dois); fala sobre aerodinâmica e resistência do ar (três) e obteve o nível quatro o aluno que inseriu conceitos de aerodinâmica, resistência do ar e coeficiente de arrasto.

Numa dada questão, solicitamos aos alunos que relacionassem a pressão interna da câmara do foguete com a altura por ele alcançada. Num primeiro momento realizamos este questionamento e pedimos para que respondessem, e então depois realizamos um lançamento com foguetes contendo a mesma quantidade de água, porém pressurizados com valores diferentes, então foram questionados novamente. Fazer o experimento neste contexto não alterou a forma que os alunos explicam a relação entre pressão e altura atingida. Verificamos que 60% dos alunos mantiveram a resposta no mesmo nível de entendimento, 30% apresentaram respostas com menor nível de entendimento e apenas 10% aumentaram o nível de entendimento após realizar a atividade experimental. A mesma situação foi observada quando perguntamos aos estudantes qual a importância do formato do foguete em relação ao voo e a altura atingida. Os alunos responderam antes e após realizarem a atividade prática, sendo que suas respostas praticamente não alteraram a forma. Obtivemos o mesmo resultado anterior: apenas 10% aumentaram o nível de entendimento após realizar a atividade experimental, 60% dos alunos mantiveram a resposta no mesmo nível de entendimento e 30% apresentaram respostas com menor nível de entendimento.

Ao utilizarem o simulador computacional do foguete de água, os alunos perceberam uma diferença entre os valores obtidos na atividade prática e no simulador. Ao serem arguidos sobre o motivo dessa divergência dos valores,

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obtivemos a grande maioria das respostas com o maior nível de entendimento da nossa classificação hierárquica. As respostas com o mais baixo nível de entendimento representaram 20%, o mesmo percentual das respostas com nível intermediário. Já as respostas com o nível mais elevado de entendimento corresponderam a 60%. Dessa forma a associação da atividade prática com a simulação computacional dá indícios de resultados positivos no entendimento dos alunos.

- O simulador plota diversos gráficos do movimento do foguete de água. Ao analisar o gráfico velocidade X tempo, pedimos aos alunos que indicassem os pontos de altura máxima e justificassem suas respostas. As repostas com o mais alto nível de entendimento da nossa classificação corresponderam a 90%. Aqui constatamos um indício que o roteiro construído funciona melhor para a simulação computacional do que para o experimento.

## Análise da aula

Após conclusão das quatro etapas da atividade, os alunos devolveram o roteiro com suas respostas para que pudessem ser analisadas e comparadas com as respostas 'esperadas'.

Iniciamos o roteiro pedindo aos alunos que observassem quais as unidades de medida de pressão com a qual está calibrado o manômetro, e qual a relação entre estas grandezas e a unidade de pressão no SI e em unidades atm. Apenas dois alunos conheciam as unidades PSI e bar, já que estas unidades são mais técnicas e pouco utilizadas em livros de física básica. Quando questionados sobre o que aconteceria se realizarmos um lançamento com a câmara do foguete completamente cheia de água ou somente com ar, os alunos responderam que não poderia ocorrer lançamento no primeiro caso e haveria o voo no segundo caso, porém com uma pequena altura. Obtivemos respostas curtas ' Só o ar, ele sobe, mas com menor velocidade. Já só com água ele não subirá por a água ser incompressível '; e respostas mais completas 'Água: Somente com este componente provavelmente o foguete não será lançado, pois a água não possui boa compressibilidade. Ar: o voo do foguete será bastante baixo, porque sem a água o impulso será bem menor'.

Em seguida, os alunos foram questionados em relação à quantidade de água que deve ser adicionada ao foguete. A princípio, uma maior ou menor quantidade de água corresponde de forma direta com a altura atingida pelo voo do foguete de água? Após realizarem dois lançamentos com mesma pressão e diferentes quantidades de água, e verificarem as alturas alcançadas, obtivemos as seguintes respostas: ' Quanto maior a quantidade de água mais pesado o foguete ficará, assim a altura alcançada será menor [...]' '[...] ao adicionar água a velocidade aumentará. Porém se a quantidade de água é maior, menor a altura atingida pelo foguete'. Aqui os alunos indicaram que há uma dependência entre a quantidade de água adicionada ao foguete e a altura atingida, e consequentemente a velocidade inicial e a aceleração do foguete de água.

Antes de realizarmos lançamentos do foguete de água com mesmo volume de água e com diferentes pressões, perguntamos aos estudantes o que deveria acontecer com o voo do foguete se aumentássemos a pressão interna do foguete de água. Duas das respostas foram: 'mais energia armazenada, portanto maior altura' e 'aumentando a pressão, aumenta a energia armazenada consequentemente

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aumenta a altura atingida' . Ao realizarem os lançamentos os alunos comprovaram suas respostas.

Indagamos aos alunos a importância do formato do foguete para o voo. Por unanimidade responderam que há grande influência da forma do foguete com a altura alcançada por ele. Algumas respostas foram: 'Quanto maior a área de atrito, maior a força de resistência, e consequentemente menor altura atingida'; 'A aerodinâmica do objeto influência diretamente a resistência do ar' e 'Se o foguete estiver sem uma forma aerodinâmica, o coeficiente de arrasto será maior, consequentemente uma altura menor'. Em seguida os estudantes realizaram um lançamento de uma garrafa PET sem aerodinâmica para o voo e confirmaram as respostas. Os alunos retornaram ao texto e verificaram que a força de arrasto depende além do formato, da massa específica do meio e do quadrado da velocidade do foguete de água.

Ao utilizarem o simulador computacional do foguete de água, os alunos obtiveram várias informações que não podiam quantificar, como: tempo do impulso, velocidade do foguete após a fase do impulso, aceleração, tempo de altura máxima, etc. Ao compararem alguns valores experimentais e valores fornecidos pelo simulador, os estudantes perceberam flutuações nas medidas. Questionados sobre estes resultados, atribuíram algumas justificativas: 'por ser uma atividade experimental o ambiente interfere nos resultados'; 'erro de medição, atrito da linha com o solo, o vento'; 'Às inconstâncias do ambiente (vento), imprecisão dos aparelhos usados em campo, etc.'.

Finalizando o roteiro os alunos realizaram análises de gráficos do movimento do foguete, relembrando e aplicando conceitos estudados na disciplina Física Geral I. Foram plotados gráficos de altura, velocidade e aceleração todos em função do tempo, nos instantes que o foguete de água estava recebendo o impulso e após esta fase.

## Considerações Finais

Em algumas questões do roteiro verificamos indicativos positivos da associação de atividades práticas com atividades virtuais para entendimento de conceitos físicos. Um dos pontos positivos dessa associação de atividades práticas com a simulação computacional é a obtenção de dados mais detalhados e precisos, sendo que estes não seriam possíveis sem a utilização de aparelhos sofisticados de medida. Em outras questões verificamos que a simulação complementava a atividade prática e vice-versa. Obtivemos indícios positivos dessa associação, no entanto para o roteiro utilizado percebemos que este proporcionou um entendimento mais complexo para as questões que se referem à simulação computacional, do que para atividades práticas.

Este foi um estudo exploratório, e identificamos algumas limitações. Uma das limitações foi o formato de condução das atividades, onde intercalamos explicação com as atividades e por isso nós não conseguimos isolar de fato o efeito do experimento. Apesar disso, tivemos indícios bastante contundentes de que as atividades propostas estabeleceram uma aprendizagem mais significativa.

Esta proposta de ensino mostra-se promissora, no entanto, para se certificar disso é preciso desenvolver uma pesquisa com uma amostra maior de estudantes, fazer pareamento de dados entre estudantes que fizeram atividades com essa

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configuração com outros que realizaram atividades só experimentais ou apenas com atividades de simulação.

## Referências

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