MODELAGEM E SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL NO ENSINO DE FÍSICA: UM ESTUDO DE CASO COM O PROEJA

## MODELAGEM E SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL NO ENSINO DE FÍSICA: UMA PROPOSTA DE ESTUDO DE CASO COM O PROEJA

## Jefferson Oliveira do Nascimento , Italo Gabriel Neide , Sônia Elisa Marchi 1 2 Gonzatti 3

1 Faculdades Integradas Ipiranga/ jeffersonascimento@gmail.com

- 2 Univates/Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas-CETEC / italo.neide@univates.br

## Resumo

Em nossa prática profissional em nível superior, percebemos que os alunos provenientes da educação básica trazem concepções equivocadas quanto à ocorrência das estações do ano. As dificuldades que se apresentam constantemente ocorrem na construção de ideias e conceitos, como por exemplo, a forma correta da trajetória elíptica da Terra ao redor do Sol e sua excentricidade, a posição do Sol em um dos focos desta trajetória e a inclinação do eixo de rotação, como agente responsável pela ocorrência das estações. Percebemos também a caracterização equivocada das estações e das demais noções necessárias referente à Terra enquanto corpo cósmico, conceitos que permitem a correta compreensão deste fenômeno. Estes fatos nos desafiaram a realizar uma pesquisa, com o Proeja, uma forma integrada entre Educação Profissional e Ensino Médio na Educação de Jovens e Adultos, sendo ofertado apenas para pessoas maiores de 18 anos. As dificuldades na presente temática no ensino médio regular são grandes. Por isso, entende-se pertinente investigar as concepções sobre essa temática em outra modalidade de ensino. Diante desta realidade, devemos repensar nossa prática docente por uma nova óptica, haja vista o entorno de dificuldades encontradas por eles neste retorno às aulas. Propomos então, como possibilidade metodológica no ensino das estações do ano, a utilização de ferramentas tecnológicas como a modelagem e a simulação computacional, a fim de avaliarmos durante todo o desenvolvimento da pesquisa, se há indícios de aprendizagem significativa.

Palavras-chave : Ensino de Física, Modelagem computacional, Proeja.

## Introdução

Os alunos que participarão da pesquisa são de uma turma do Proeja, em que trabalharemos com a temática de estações do ano, por meio de tecnologias (modelagem e simulação computacional). Conforme Pereira (2011) esta abordagem tecnológica no Proeja, poderá superar o problema da evasão que estes alunos realizam em taxas elevadas, por conta de aulas tradicionais. As ferramentas tecnológicas poderão também ser um agente motivador para os alunos durante as aulas e atuarem como materiais potencialmente significativos, haja vista se tratar de uma turma do curso técnico de informática, conforme nos norteia Ausubel (2003).

Diferentemente do ensino médio regular, o Proeja é formado por alunos diferenciados, já que, segundo Pereira (2011) existem especificidades que devem ser pensadas na prática pedagógica docente, pelo fato de se encontrarem a certo tempo afastados do ambiente escolar. Ao retornarem, fazendo a opção por cursar o ensino médio integrado ao ensino técnico, deve-se ter um olhar especial em nossa prática pedagógica, haja vista a elevada complexidade que há neste retorno às aulas.

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26 a 30 de janeiro de 2015

## Estações do ano e a Aprendizagem Significativa de Ausubel

Em astronomia, uma das concepções alternativas mais recorrentes na temática de estações do ano, ainda é a que atribui como causa deste fenômeno uma maior ou menor proximidade da Terra em relação ao Sol, durante o movimento de translação, ideia que suscita um modelo conhecido como modelo da distância (GONZATTI; SARAIVA; RICCI; 2008). Este mesmo erro é também relacionado à representação exagerada da excentricidade da órbita elíptica da Terra, conforme já destacavam Langhi e Nardi (2008) e fortemente criticado por Canalle (2010).

Ao pensarmos na abordagem referente à temática de estações, buscando superar as concepções alternativas supracitadas, no Proeja, Gonzatti (2008, p. 24) destaca que os fundamentos necessários estão relacionados à construção de um modelo de Terra cósmica. Tal fato é verificado também por Nussbaum (1979) e Barrabín (2005) ao nos informarem que a Terra como corpo cósmico, é um conceito subsunçor que deve ser previamente abordado ao se trabalhar a temática de estações do ano, já que a mesma deve ser considerada a partir da interação gravitacional entre Terra e Sol. Admitiremos este fato, como alicerce fundamental para o aprendizado, não apenas das estações, mas também dos demais fenômenos astronômicos simples.

Em relação aos subsunçores, conceito citado anteriormente, Moreira (2010, p.10) nos remete ao pensamento de que: '[...] são conhecimentos prévios especificamente relevantes para que os materiais de aprendizagem ou, enfim, os novos conhecimentos sejam potencialmente significativos'. Nessa conjuntura, aprendizagem significativa é aquela que ocorre por meio de um processo cujo produto resultante é a aquisição de novos significados no aluno (AUSUBEL, 2003). Este trabalho pretende desenvolver uma abordagem metodológica coerente com estes pressupostos, com o intuito de analisar em que medida as concepções manifestas inicialmente pelos estudantes de EJA sobre estações do ano evoluem na direção das concepções cientificamente aceitas.

Para que o processo de aprendizagem seja significativo, uma nova informação deve interagir de maneira substantiva ou não literal (não ocorrendo em seu sentido exato e preciso), e também de forma não arbitrária (não será com qualquer ideia prévia que o novo conhecimento irá interagir), a um aspecto importante na estrutura cognitiva pertencente ao aluno. O processo de ensino só será significativo se o novo conhecimento for ligado aos subsunçores importantes contidos nesta estrutura, conseguindo se incorporar de forma não arbitrária e não literal (MOREIRA, 1999, p. 15).

## Modelagem e simulação computacional no ensino de Física no Proeja

O Software Modellus , conforme Teodoro, Vieira e Clérigo (1997), é uma ferramenta de computador que fornece a possibilidade dos alunos poderem realizar experimentos conceituais de modelos matemáticos por meio de funções, derivadas, taxa de variação, equações diferenciais e equações de por meio de diferenças, bastando escrevê-las de forma simples e direta em uma caixa de texto chamada de 'Modelo Matemático'. Não há necessidade de aprender algoritmos computacionais ou mesmo uma determinada linguagem de programação, tão tradicionais em Modelagem Computacional que utilizam ambiente de desenvolvimento para software

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livre, como por exemplo, o Eclipse , que utiliza linguagens como C, C++, Java, etc. (NASCIMENTO, 2014).

Representação Múltipla e Manipulação direta são características importantes no Modellus . A primeira consiste no fato de se poder criar, ver e interagir com representações analíticas, analógicas e gráficas de objetos matemáticos. A segunda, manipulação direta, significa que o usuário pode trabalhar diretamente com todos os tipos de objetos que aparecem na tela do computador, sem a necessidade de um conhecimento em uma determinada linguagem de programação, ou seja, os objetos podem ser manipulados de forma direta por obedecerem ao modelo matemático trabalhado (TEODORO 1998). ,

- O Modellus constitui uma ferramenta que também possibilita uma saída gráfica, pois, enquanto o modelo computacional é executado e os objetos adquirem movimentos, os gráficos são plotados instantaneamente acompanhando o desenvolvimento das equações, que representam o modelo matemático que está sendo resolvido, conforme as condições iniciais atribuídas (NASCIMENTO; JACOB JUNIOR; NEIDE, 2014). Com base nestas informações e com a utilização do software Modellus , foi possível construir um modelo computacional, a partir das equações da elipse e seus parâmetros, para visualizar um sistema composto pela Terra e pelo Sol, demonstrando o plano da órbita descrita pela Terra e as diferentes insolações em sua superfície, de acordo com a posição em que se encontra, sendo possível realizar um estudo sobre as estações do ano com os alunos do Proeja.

Quanto à simulação computacional, esta se diferencia da modelagem pela interação que o aluno tem com o modelo matemático presente em sua execução. Na simulação de um determinado modelo físico, por exemplo, é permitido apenas inserir valores e alterar parâmetros e, consequentemente verificar os resultados em relação às variáveis inseridas. Não há possibilidade de alteração no modelo matemático que originou a simulação, cabendo ao aluno apenas explorá-lo. Na modelagem, mesmo em caráter exploratório, é possível alterar a estrutura básica do modelo matemático que o constitui, mesmo não havendo essa necessidade (ARAUJO, 2005).

Em relação à simulação, utilizaremos softwares desenvolvidos pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física ( PhET ), da Universidade do Colorado, disponíveis no endereço http://phet.colorado.edu, para o estudo das estações do ano, em que Macedo (2009, p. 105), nos expõe sobre a utilização positiva desses aplicativos: 'As simulações disponibilizadas são ferramentas interativas, que permitem aos estudantes fazer conexões entre a vida real e os fenômenos subjacentes da ciência, que explicam esses fenômenos'.

## Metodologia da pesquisa

Para realizarmos esta pesquisa, em busca de possíveis indicadores de aprendizagem em relação ao ensino das estações do ano por meio de modelagem e simulações computacionais em uma turma do Proeja, Vergara (2004) nos norteia em relação aos fins de investigação, caracterizando a presente pesquisa como intervencionista. Quanto aos meios de investigação, está caracterizada como estudo de caso, por permitir uma visão investigativa ampla, por meio de um estudo cujas nuances verificadas podem ser de um único, poucos ou até vários objetos de estudo (GIL, 1996). O estudo de caso é adequado quando se colocam questões do tipo "como" e "por que", quando o pesquisador tem pouco controle sobre os eventos e

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quando o foco do estudo se encontra em fenômenos contemporâneos inseridos em algum contexto social de sua aplicação (YIN, 2001).

## Descrição do trabalho a ser desenvolvido

Esta pesquisa ocorrerá na Escola Estadual de Educação Tecnológica do Estado do Pará 'Prof. Francisco das Chagas Ribeiro de Azevedo - Cacau', distante cerca de 20 km do centro da capital do Pará, Belém, no distrito de Icoaraci. Atualmente oferta os cursos de Informática, Design de Interiores, Turismo e Hospedagem. Os alunos participantes são de uma turma do Proeja, pertencentes ao curso técnico em informática, que iniciaram suas atividades escolares em 2014, ingressando por meio de processo seletivo. Iniciaremos esta pesquisa com a realização de um pré-teste para verificarmos os conhecimentos prévios dos alunos, cuja aplicação ocorrerá no primeiro encontro (primeira aula), antes do início das abordagens necessárias para o desenvolvimento da temática das estações. Esta atividade inicial está estruturada conforme os alicerces científicos norteados por Nussbaum (1979) e Gonzatti (2008), com questões adaptadas destes autores, e disponíveis na literatura científica, para se verificar em que medida as concepções dos alunos se aproximam (ou não) dos conceitos científicos na visão da Terra como um corpo cósmico.

- O presente trabalho será realizado com até 30 alunos, com faixa etária entre 18 e 45 anos. Os encontros nos quais ocorrerá a aplicação da pesquisa serão semanais, com duração de 2h cada um, por um período de dois meses, perfazendo um total de oito encontros. Após investigar os conhecimentos prévios dos alunos, serão desenvolvidos os conhecimentos básicos para o desenvolvimento do conteúdo de Estações do ano, presumindo-se que as concepções encontradas nesse caso em particular tendem a estar muito próximas daquelas diagnosticadas em diversas pesquisas envolvendo o mesmo tema. Considerando-se o termo 'aula', como sendo o período de uma noite de encontro por semana, entre os alunos e o professor, totalizando duas horas de aula por noite, as mesmas se caracterizarão da seguinte forma, conforme cronograma de atividades na Tabela 1, a qual detalharemos na sequência:

Para abordamos os conceitos subsunçores necessários referente ao ensino de estações do ano, ou seja, as nuances de Terra enquanto corpo cósmico, iniciamos a aula 2 com a temática sobre o formato da Terra, de forma teórica e exercícios. A aula 3, referente a Estudo da Latitude, longitude e introdução a Lei da

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Gravitação Universal, será abordado inicialmente de forma teórica e na sequência utilizaremos o recurso da simulação computacional, por meio do software Gravityforce-lab (Figura 1), com o seu devido roteiro de atividades.

Figura 1: Software Gravity-force-lab do Phet. Fonte: Do autor.

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Para o estudo do campo gravitacional e gravidade utilizaremos uma planilha desenvolvida em Microsoft Excel (Figura 2) e também os softwares My-solar-system (Figura 3) e Gravity-and-orbits , juntamente com seu roteiro de utilização.

Figura 2: Planilha a ser utilizada como atividade avaliativa.

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Figura 3: Software My-solar-system. Fonte: Do autor.

No que se refere as temáticas de dias, noites e movimento da Terra e as estações do ano, estas como ápice de nossa pesquisa, utilizaremos o My-solarsystem (Figura 4) e a modelagem computacional por meio do software Modellus (Figura 5), em concomitância com seus devidos roteiros.

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Figura 4: Software My-solar-system. Fonte: Do autor.

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Figura 5: Software Modellus (Fonte: Do autor)

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## Resultados esperados

Por meio da presente proposta de pesquisa apresentada neste trabalho, acreditamos que o objetivo de verificar indícios de aprendizagem significativa por meio da modelagem e simulação computacional, aplicados ao estudo das estações do ano em uma turma do Proeja, poderá ser alcançado. Acreditamos que a possibilidade de discutir e experimentar a forma da trajetória da Terra em torno do Sol, o significado de excentricidade e a implicação da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à normal ao plano de sua órbita, enquanto forem visualizadas as suas características, constituir-se-ão em fatores importantes na superação das concepções alternativas sobre as estações do ano.

A visualização correta na modelagem do periélio e afélio poderá possibilitar o reconhecimento de que as estações verão e inverno das regiões temperadas não ocorrem devido ao fato de uma maior ou menor proximidade do nosso planeta em relação ao Sol e que o início das estações verão e inverno são determinados pelos Solstícios, tendo como características básicas, o dia mais longo do ano em um dos hemisférios (Solstício de Verão) enquanto no outro a noite mais longa do ano (Solstício de Inverno).

Pretendemos discutir em que medida a metodologia de trabalho a ser adotada na intervenção didática a ser realizada, a qual é parte integrante do desenvolvimento de nossa pesquisa de mestrado, contribui para superar ou pelo meno contrapor as concepções mais usuais sobre as estações, tanto no que diz respeito à sua caracterização quanto no que se refere às suas causas. No que se refere à caracterização, entendemos que é necessário questionar o padrão que ainda está presente em vários materiais didáticos, em que o verão é a estação de elevadas temperaturas, no inverno, as temperaturas são baixas, com a ocorrência de neve (SELLES; FERREIRA, 2004). A primavera é apresentada como a estação em que ocorrem as flores e o outono como a estação possível das frutas (ibidem). Tais concepções negligenciam a discussão da latitude e, portanto, da forma esférica, na caracterização das estações. Já no que concerne às causas, nosso intuito é contribuir com a construção de um modelo mais próximo do modelo cientifico.

## Considerações Finais

Acreditamos que seja possível realizar as discussões frente às abordagens pertinentes na educação básica e na educação profissional integrada ao ensino médio, na temática de Estações do Ano por meio da modelagem e da simulação computacional. Ambas serão desenvolvidas com o intuito de somar a um material

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potencialmente significativo, pois esperamos que proporcionem aos alunos do Proeja uma interação com estas ferramentas tecnológicas, escolhidas pelo fato de suas usabilidades serem intuitivas e as suas distribuições gratuitas. Estes fatores poderão ser agentes facilitadores para a contribuição no alcance de nosso objetivo, o de verificar se há indícios de aprendizagem significativa durante todo o processo de intervenção.

## Referências

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