ANÁLISE DA DISCIPLINA LABORATÓRIO DE FÍSICA GERAL III BASEADO EM INVESTIGAÇÃO

## ANÁLISE DA DISCIPLINA LABORATÓRIO DE FÍSICA GERAL III BASEADO EM INVESTIGAÇÃO

## Gláucia Grüninger Gomes Costa 1 , Jéssica Fabiana Mariano dos Santos , 2 Tomaz Catunda 3

1 IFSC/USP, gggcosta@ifsc.usp.br

2 IFSC/USP, jessica.santos@usp.br

3 IFSC/USP, tomaz@ifsc.usp.br

## Resumo

Este trabalho descreve uma análise dos resultados da aprendizagem após a reestruturação da disciplina Laboratório de Física Geral III, que é oferecido pelo Instituto de Física de São Carlos (IFSC) aos alunos do campus USP-São Carlos, bem como para os próprios estudantes do Instituto. A implementação ocorreu através da reformulação dos roteiros experimentais onde foram inseridas atividades investigativas. Estas atividades buscam uma transformação na postura da aprendizagem dos estudantes, levando-os de uma postura passiva para uma ativa. Eles, a todo momento, são incitados a confrontarem suas concepções prévias com a observação dos fenômenos físicos que se apresentam. Para tanto devem fazer previsões, discutí-las com seus pares, realizarem os experimentos, observarem e quando necessário revisarem suas previsões. Desta forma, devem desenvolver definições operacionais para termos técnicos, construindo modelos físicos e aplicando-os a novas situações. Os resultados da aprendizagem foram avaliados por meio de um pré e pós-teste, uma questão dissertativa, além da análise dos relatórios dos experimentos. Com esse material foi possível observar que ocorreu uma melhora na aprendizagem significativa dos conceitos. Porém alguns deles ainda devem ser melhor contemplados em atividades investigativas a serem inseridas ou modificadas nos roteiros experimentais e em exercícios.

Palavras-chave : Experimentos investigativos; Laboratório de Física; Circuitos Elétricos; Eletricidade; Avaliação.

## Introdução

Muitas pesquisas nos mostram que os estudantes após realizarem os cursos de Física introdutória (teóricos e práticos), demonstram ter um entendimento conceitual deficiente (McDERMOTT; SHAFFER, 1992; PLANINIC, 2006). Porém, diversos trabalhos têm sido realizados procurando entender as causas destas dificuldades bem como encontrar as soluções possíveis (ENGELHARDT; BLANTON, 2007; MARUŠI Ć ; SLIŠKO, 2012). Desta forma, acreditamos que os laboratórios devam deixar de ter roteiros que pareçam um simples livro de receitas, nos quais os alunos são passivos, e que servem apenas para comprovar o que supostamente aprenderam na teoria (CARVALHO, 2010), para se transformarem em um laboratório com abordagem investigativa, com ensino por questionamentos, enfatizando a descoberta e não à memorização (McDERMOTT, 1996) e, que contemple, também, a discussão entre os pares.

Temos observado, no Instituto de Física de São Carlos (IFSC), que os estudantes possuem uma grande dificuldade em discernir entre o que pode ser inferido de uma observação experimental e um resultado esperado teoricamente (ou a partir de conhecimentos prévios). Assim, de 2006 a 2008 (COSTA; CATUNDA,

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26 a 30 de janeiro de 2015

2008), foi realizado um estudo sistemático com algumas instituições universitárias públicas, por meio de uma questão conceitual, aplicada como pós-teste, sobre Circuitos Elétricos Simples, similar à aplicada por McDERMOTT (1991) (Figura 1). Observamos que apesar da aprovação nos cursos teóricos sobre o tema, apenas ~13% dos estudantes foram capazes de resolvê-la com justificativa correta. Na tentativa de melhorar o desempenho dos estudantes, estamos fazendo uma reestruturação nos roteiros experimentais, privilegiando atividades investigativas seguindo a estratégia PODS (SOKOLOFF, 2006), predizer-observar-discutirsintetizar, ou POE, predizer-observar-explicar (CARVALHO, 2010). A finalidade desse tipo de atividade é aflorar os conhecimentos prévios e promover quando forem necessárias, suas mudanças. Nela, os alunos são solicitados inicialmente a fazerem a previsão sobre o que irá acontecer e a registrá-la. Após isso, discutem as hipóteses levantadas com seus pares (escrevem e desenham esquemas que dão sustentação às suas ideias). Realizam, só então, o experimento verificando se as previsões propostas concordam com o fenômeno observado. Rediscutem e sintetizam as conclusões a que chegaram. Neste trabalho vamos analisar os resultados da implementação do curso de laboratório de Física Geral III, através de uma avaliação, que constou de pré e pós-teste, de uma avaliação qualitativa e da análise dos relatórios.

## Metodologia

## População

A população, em estudo, consistiu de 356 estudantes, que neste trabalho dividimos em 3 Turmas (T1, T2 e T3). Os 284 estudantes das T1 e T3 cursaram a disciplina Laboratório de Física Geral III (LFGIII), do 3 semestre de diversos cursos o (bacharelado em Química e modalidades de Engenharia) e fazem a disciplina de laboratório (2 horas semanais) concomitantemente à disciplina teórica (Física Geral III, 4 horas/semanais). No curso de laboratório as 8 horas iniciais são dedicadas ao estudo de circuitos de corrente contínua. Os 72 alunos da T2 são estudantes do 4 o semestre do bacharelado em Física, Física Computacional e Física Biomolecular e cursaram o curso teórico (6 horas/semanais) no semestre anterior ao curso experimental (Laboratório de Física III (LFIII), 4 horas/semanais). Este curso teve 4 práticas (~16 horas) dedicadas ao tema de circuitos de corrente contínua, sendo que aproximadamente a metade (~8 horas) foi feita usando o mesmo roteiro experimental usado pelos estudantes da T1 e T3.

## Roteiros Experimentais

Até 2006, os LFGIII e LFIII utilizavam roteiros onde os alunos, passivamente, cumpriam passo a passo as solicitações. Faziam relatórios com os cálculos e os gráficos solicitados, e confirmavam as teorias envolvidas. A partir de 2007, foi realizada uma reestruturação dos roteiros experimentais com adoção de uma abordagem investigativa, utilizando-se da estratégia PODS ou POE. A apostila dos alunos passou a constar de um resumo teórico, questões qualitativas que devem ser respondidas antes de realizarem os experimentos, questões quantitativas e uma lista de exercícios (qualitativos e quantitativos), para que consolidem seus conhecimentos (PARKS, 2006).

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## Instrumentos de Avaliação

Quatro foram os instrumentos de avaliação utilizados:

- -Questão Qualitativa: Com ela os alunos avaliaram como ocorreu a sua aprendizagem segundo a abordagem investigativa.
- - Análise dos Relatórios: Com eles verificamos como se deu a interatividade dos alunos com o material instrucional
- - Questão Dissertativa: A questão abaixo, similar à proposta por McDermott (1991), tem sido usada no nosso grupo desde 2006 como pós-teste ou pré e pós-teste.

Uma lâmpada nada mais é do que uma resistência. Se essa lâmpada for ideal significa que a sua resistência é aproximadamente constante e desta forma obedece à Lei de Ohm.

Suponha 4 (quatro) lâmpadas idênticas e ideais (A,B,C,D) e uma bateria ideal (V0), compondo os circuitos, nos esquemas (I, II, III) abaixo. Para cada caso [(I), (II) e (III)], classifique as lâmpadas, por ordem de luminosidade. Explique sucintamente o seu raciocínio em cada caso.

Figura 1: Questão aplicada para a verificação do conhecimento conceitual dos estudantes universitários sobre Circuitos Simples

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- - Teste de múltipla escolha: foi utilizado o DIRECT (versão1.2) Determining and Interpreting Resistive Electric Circuit Concepts Test (REDISH, 2003). Ele foi proposto por Engelhardt e Beichner (2004) com a finalidade de avaliar o entendimento dos estudantes sobre os conceitos envolvidos nos circuitos elétricos resistivos de corrente contínua (corrente, voltagem, potência, energia, circuitos elétricos série e paralelo). Consiste de 28 questões de múltipla escolha com cinco alternativas cada, sendo que há mais de uma questão sendo contemplada em cada objetivo proposto por seus autores.

## Resultados

## Avaliação Qualitativa

Para verificar a percepção dos alunos sobre as mudanças ocorridas no curso foi proposta uma questão dissertativa, na qual avaliaram se e como as alterações ocorridas na apostila (a estratégia POE, a presença de atividades investigativas e exercícios qualitativos, etc.) influenciaram na sua aprendizagem. As falas a seguir, mostram que os alunos se engajaram e demonstraram o interesse pela participação nas discussões que ocorreram na realização das atividades investigativas propostas e no conteúdo aprendido:

Chegar a uma conclusão em grupo, discutindo as ideias é muito mais interessante que sozinho e a aprendizagem é maior... Experimentos qualitativos são mais intuitivos, logo proporcionam mais rápida assimilação do conhecimento, sem necessariamente se preocupar com aspectos quantitativos... O conteúdo desta

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apostila foi bem mais dirigido e claro que as anteriores... Esta apostila foi muito mais agradável de realizar. (Aluno 1)

Porém, há alunos que não conseguiram se adaptar a essa nova abordagem, como podemos observar pela fala abaixo:

Acho que um laboratório mais tradicional tem por mérito nos mostrar na prática como a teoria é aplicada de uma forma mais forte. (Aluno 2)

## Análise dos Relatórios

A literatura tem-nos mostrado que a interatividade entre o material instrucional e o aluno é de suma importância para a ocorrência da aprendizagem (BEICHNER, 1990; REDISH; WILSON, 1993). Desta forma, a estratégia PODS tem sido utilizada para que haja constantes reflexões e discussões, a fim de que as questões existentes nos roteiros sejam respondidas. Assim, através dos relatórios foi possível verificar como as ideias trazidas pelos estudantes puderam ser utilizadas para auxiliá-los a compreender e propor novos modelos explicativos para os experimentos realizados. Como exemplo, apresentamos a previsão e observação/discussão elaborada por um grupo ao responder uma questão do roteiro experimental em que deveriam comparar o brilho de um circuito com uma única lâmpada com o de duas lâmpadas associadas em paralelo (Quadro 01), quando são alimentadas por uma fonte de tensão V0 (~8V) de resistência interna desprezível.

Quadro 01 : Resposta de um grupo de estudantes à questão que compara o brilho de uma lâmpada (L1) com o de duas lâmpadas associadas em paralelo (L2 e L3), sendo L1, L2 e L3 lâmpadas idênticas.

## Resultados relacionados ao DIRECT

Os resultados entre o pré e pós-teste nos mostraram que a média obtida no DIRECT pela T1 no pré-teste foi 40,18 e no pós de 49,32%, com uma variação de 9,14%. Na T2, no pré foi de 53,55% e no pós de 70,81%, com uma variação de 17,26%. E, na T3, no pré foi de 47,26% e no pós de 59,64%, com uma variação de 12,38%.

Observamos que esses dados indicam uma variação positiva. Assim, podemos inferir que todas as turmas, no geral, melhoraram após passarem pelas atividades investigativas. Porém, ao se analisar questão a questão, nota-se que alguns objetivos não conseguiram ser atingidos, sugerindo, desta forma, que novas modificações devam ser inseridas no material instrucional.

As questões que os estudantes apresentaram o menor desempenho foram:

- Questão 11 (REDISH, 2003), que afere o entendimento de campos elétricos e o fluxo de cargas num fio, teve respectivamente uma variação entre pré e pós-teste de: -4,02%, -2,631% e -8,02%. Essa questão também apresenta resultado insuficiente na pesquisa de Ross e Venugopal (2007). E, como esses autores, concordamos que talvez a dificuldade tenha se apresentado pela falta de uma

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atividade investigativa que esclareça melhor este conteúdo e assim possa levar a uma melhor aprendizagem.

- - Questões 2 e 12 (REDISH, 2003), que aferem o entendimento do conceito de potência (trabalho feito por unidade de tempo) a uma variedade de circuitos. Ross e Venugopal (2007), nessas questões, também encontraram resultados não muito bons, pois menos da metade da turma consegiu responder corretamente. Os dados encontrados foram para Q2: T1 (pré = 7%, pós = 16%), T2 (pré = 21%, pós = 32%), T3 (pré = 30%, pós = 18%) e para Q12: T1 (pré = 19%, pós = 29%), T2 (pré = 28%, pós = 40%), T3 (pré = 39%, pós = 14%).

Observamos que estas questões relacionam-se muito proximamente à Questão 24 (REDISH, 2003). Porém os estudantes nesta questão tiveram um resultado muito bom: Turma T1 (pré = 14%, pós = 56%), T2 (pré = 21%, pós = 32%), T3 (pré = 50%, pós = 57%). Isto nos leva a inferir que os alunos tenham feito uma relação errônea entre o brilho das lâmpadas e a potência dissipada, julgando serem iguais, ao invés de observarem que a potência dissipada depende da resistência e do quadrado da corrente. Este é um fato importante, também sucitado por McDermott e Shaffer (McDERMOTT; SHAFFER, 1992), que alude ao fato da confusão que os estudantes fazem entre os conceitos básicos de eletricidade.

- - Questão 28 (REDISH, 2003), cujo objetivo é verificar o entendimento do conceito de diferença de potencial aplicado a uma variedade de circuitos. Os resultados nesta questão foram: T1 (pré: 22%, pós: 36%), T2 (pré: 22%, pós: 36%), T3 (pré: 8%, pós: 45%). O número de alunos que não conseguiram atingir a este objetivo foi alto se observarmos que este mesmo circuito é analisado durante as atividades investigativas. Talvez a concepção alternativa esteja tão inerente que os alunos não consigam desenvolvê-las.

Estas questões nos indicam que devemos fazer uma nova reestruturação nos roteiros experimentais, para que se tenha uma melhor aprendizagem dos conteúdos que eles contemplam.

Outra análise realizada dos testes foi feita utilizando a Metodologia de Análise de Concentração proposta por Bao (1999). Com ela pode-se verificar em qual das alternativas, na de conhecimento cientificamente aceita ou na de conhecimento intuitivo, os estudantes concentram suas respostas, bem como se a concentração ocorre em uma alternativa apenas ou distribuída entre todas (FERNANDES e TALIM, 2012). Desta maneira, é definido o parâmetro de concentração, C, como um número variando entre zero e um. Por exemplo, se todos os estudantes escolhem a mesma alternativa obtêm-se C=1. Por outro, se todas as alternativas são igualmente escolhidas (20% para cada uma, no caso de 5 alternativas) obtém-se C=0. A análise dos resultados é feita através de um gráfico de C versus E ( escore ), onde E representa a fração das respostas corretas (0&lt;E&lt;1). A Figura 2 ilustra os resultados obtidos nas três turmas (T1, T2 e T3) nos pré e pósteste. Cada questão do teste é representada por um ponto no gráfico. Por exemplo, na Fig.2.a, a questão 13 (Q13) (REDISH, 2003), cujo objetivo é interpretar figuras e diagramas de uma variedade de circuitos incluindo série, paralelo e misto, obteve o maior acerto (E = 0.94) e também alta concentração (C = 0.9).

Por outro lado, a Q27 (REDISH, 2003) cujo objetivo é aplicar o conceito de diferença de potencial a circuito série, paralelo e misto. Nela se obteve baixo acerto (E = 0,19) e baixa concentração (C = 0,26). Bao e Redish propuseram a análise dos gráficos (C x E) dividindo-o em regiões com a notação: A-Alto, B-Baixo e M-Médio.

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Por exemplo, na Fig. 2.a a Q13 é um exemplo de AA, onde a primeira letra se refere a E e a segunda a C.

Uma vez que combinação de E e C resultam em nove combinações, Bao e Redish dividiram o gráfico (C x E) em 9 regiões. As regiões onde um determinado modelo de pensamento dos estudantes é dominante são: BA, MA, AA. Ou seja, as respostas se concentram em apenas uma alternativa (alto C), pode ocorrer no caso AA, onde os alunos escolheram o modelo cientificamente aceito, e no caso BA caracterizando a dominância do modelo intuitivo (concepção prévia). A região de Média Concentração (BM, MM, AM) indica 2 modelos dominantes (MM - as escolhas se concentram em 2 alternativas, uma correta e outra incorreta; BM - em 2 alternativas incorretas). A região de Baixa Concentração (BB, MB, AB) indica que as escolhas são aleatórias, sem modelos dominantes. As questões Q2 e Q12 (Fig.2.a) são exemplos de BB.

A evolução dos estudantes pode ser inferida através da Fig.2 comparandose os resultados de pré e pós-teste de uma mesma turma. Observa-se que o número de questões na região AA aumentou de 4 (na Fig.2.a) para 10 (Fig. 2.b). Porém, notamos que nas turmas ainda há um grande número de questões na região MM, demonstrando que o conhecimento cientificamente aceito não foi incorporado pela maioria dos estudantes.

Figura 2: Gráfico Escore X Fator de Concentração: (a) Pré-Teste da turma 1; (b) Pós-Teste da turma 1; (c) Pré-Teste da turma 2; (d) Pós-Teste da turma 2; (e) Pré-Teste da turma 3; (f) Pós-Teste da turma 3.

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## Resultados relacionados à questão dissertativa

Comparando-se os resultados do pré e pós-teste, analisamos o ganho de aprendizado através do parâmetro g proposto por Hake (1998): g = (Sf - Si)/(100 Si) , onde Si é a pontuação do pré-teste e Sf a do pós, ambas expressas em porcentagens. Os resultados foram: T1: g1 ≅ 0,44 (com Si = 37,74% e Sf = 64,89%), T2: g2 ≅ 0,5 (com Si = 49,54% e Sf = 74,58%) e T3: g3 ≅ 0,37(com Si = 46,13% e Sf = 62,84%). Hake (1998) considera que g entre 0,3 e 0,7 representa cursos em que

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ocorre um engajamento ativo dos estudantes. Assim, pelos g encontrados, consideramos esse um resultado muito bom.

## Conclusões

Na análise dos resultados de aprendizagem, apresentados pelos estudantes dos cursos LFGIII e LFIII, nos quais utilizamos roteiros investigavitos, cujos experimentos de laboratório são baseados em investigação seguindo a metodologia PODS, observamos que ocorre um grande envolvimento dos estudantes nas discussões, levando-os a serem mais ativos e engajados. Com isso podemos inferir que os mesmos tornam-se capazes de desenvolverem as definições operacionais dos conceitos envolvidos, construírem modelos dos fenômenos físicos e aplicarem esses modelos a novas situações testando suas previsões (ETKINA; WARREN; GENTILE, 2006; SANTOS; COSTA; CATUNDA, 2012). Desta forma, são levados a desenvolverem uma base conceitual sólida, e a transporem os padrões de pensamento concreto para os de raciocínio formal ou abstrato, além de se aplicarem em formas indutivas do raciocínio mais do que somente dedutiva. Quando usam os métodos de investigação eles parecem estar mais dispostos a terem responsabilidade com suas próprias aprendizagens.

Porém, observamos tanto pela análise dos objetivos que foram ou não atingidos, como pela análise da concentração e da questão dissertativa (medida de g ) que alguns conceitos devem ter atividades investigativas e exercícios inseridos ou reformulados. Através do pré-teste, notamos que mesmo após o curso teórico, os alunos do 4 semestre do bacharelado em Física, Física Computacional e Física o Biomolecular mantém concepções espontâneas similares as dos alunos do 3 o semestre, que ainda não estudaram o tema de circuitos elétricos no ensino superior. O desempenho final dos alunos do bacharelado é superior ao dos outros alunos, tal como seria esperado, devido ao maior número de horas dedicadas ao tema. As medidas de ganho educacional (g) indicam para as turmas valores satisfatórios, de acordo com os valores descritos na literatura (HAKE, 1998).

## Referências

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