UTILIZAÇÃO DE UM AQUECEDOR SOLAR COMO FERRAMENTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DOS CONCEITOS DE CALOR

## UTILIZAÇÃO DE UM AQUECEDOR SOLAR COMO FERRAMENTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DOS CONCEITOS DE CALOR

Ariela Sarmento Torcate , José Ancelmo da S. Cintra Júnior , Alexandre 1 2 Valença do Nascimento Silva 3 , José Roberto Tavares de Lima 4 .

- 1 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco - Campus Pesqueira / aluno da Licenciatura em Física / sarmento.fisica@gmail.com

- 3 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco / Professor do curso de Licenciatura em Física / IFPE campus Pesqueira, valenca@pesqueira.ifpe.edu.br
- 4 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco / Professor do curso de Licenciatura em Física / IFPE campus Pesqueira, jroberto@pesqueira.ifpe.edu.br

## Resumo

Diante dos avanços tecnológicos, um tema recorrente nas pesquisas em Ensino de Ciências são os estudos de alternativas e estratégias didáticas implantadas em ambientes de ensino na busca da inserção do aluno na sociedade moderna repleta de novidades tecnológicas e necessidades profissionais. Na perspectiva de contribuir para que o estudo de conceitos da Física articulados com o cenário do cotidiano, nossa intervenção buscou estudar as contribuições conceituais adquiridas através do desenvolvimento de um aquecedor solar de baixo custo e a reflexão sobre as possibilidades de abordar temas, tais como: Energias Renováveis, Energia Solar, Racionamento de Água, Meio Ambiente e Sociedade. Este estudo foi realizado na escola EREM Quitéria Wanderley Simões, situada na cidade de Venturosa no estado de Pernambuco, com alunos do 2º ano do Ensino Médio. Tendo-se a aprendizagem significativa como pilar, utilizaram-se os mapas conceituais como forma e instrumento de avaliação do processo e verificação de uma aprendizagem contextualizada e com significado por parte dos estudantes. A proposta de construção dos mapas conceituais foi importante, pois reforçou a ideia das articulações existentes entre os conceitos físicos e as demais áreas do conhecimento. A vivência proporcionou aos alunos conhecer um aquecedor solar de baixo custo, entender os fenômenos físicos envolvidos e o seu funcionamento.

Palavras-chave : Ensino de Física; Energia Solar; Mapas Conceituais.

## INTRODUÇÃO

Desde a década de setenta, pesquisas sobre questões envolvendo o Ensino de Física começaram a emergir no Brasil, porém elas se limitavam a como ensinar, preterindo o como aprender essa ciência. Por isso, o foco das pesquisas foi mudado, passando, agora, a buscar a elaboração de metodologias que abranjam diversos aspectos, tais como: as concepções espontâneas, a mudança conceitual, a resolução de problemas, a formação inicial (MOREIRA, 2000).

Passados anos de tantas mudanças, percebe-se a dificuldade em aplicar os resultados obtidos nessas pesquisas. Conforme Pena (2004),

[...] mesmo com a crescente produção da pesquisa em ensino de ciências e apesar da ampliação do número de experiências que incorporam os resultados das pesquisas do campo educacional, tais resultados ainda

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encontram resistências à sua aplicação e prática pedagógica, visto que a prática concreta dos professores na área ainda é marcada por perspectivas tradicionais de ensino e aprendizagem, seja por motivos políticos e econômicos da própria educação, seja por problemas na própria formação do professor de ciências (p.293).

Diante disso, a busca por inserir o aluno na realidade atual ainda é um dos focos nas pesquisas e discussões atuais publicadas em periódicos na área de Ensino de Ciências, a fim de, obter a compreensão de temas socialmente relevantes (AULER e DELIZOICOV, 2001). Esses estudos buscam metodologias e práticas que possam contribuir para a construção do conhecimento da Física por meio de atividades diferenciadas que abranjam questões do cotidiano, tais como a questão Ambiental, como abordamos em nossa investigação, conexões entre essa ciência e outras áreas do conhecimento e métodos avaliativos que abandonem a prática do ensino repleta de memorização de equações matemáticas, o que se assemelha à educação bancária , mencionada por Freire (1982) em uma de suas concepções de Educação. Uma das maiores necessidades no ensino da Física é, pois, dar sentido aos conteúdos estudados em sala de aula, de forma que o aluno possa conectá-lo com seu cotidiano, com a sociedade e o planeta.

Na perspectiva de contribuir com estratégias de um Ensino de Física contextualizado, nosso estudo teve como objetivo investigar contribuições conceituais que o desenvolvimento de um aquecedor solar de baixo custo e as articulações com temas da Física, tais como as Energias Renováveis, a Energia Solar, o Meio Ambiente e a Sociedade. Esta intervenção foi realizada na escola EREM Quitéria Wanderley Simões, situada na cidade de Venturosa no estado de Pernambuco, com alunos do 2º ano do Ensino Médio. Considerou-se a ideia de que, para minimizar os obstáculos cognitivos existentes e promover a aprendizagem significativa no Ensino de Física, recomenda-se partir daquilo que o aluno já sabe (MACHADO; OSTERMANN, 2005).

Assim, acredita-se que a inserção do uso de mapas conceituais no processo avaliativo pode promover 'uma forma de avaliação muito interessante, pois eles permitem que relações significativas existentes nas estruturas cognitivas dos alunos sejam desveladas em sua construção' (MACHADO; OSTERMANN, 2005). Dessa forma, o aluno poderá relacionar determinados conceitos, até então considerados desconexos, rumo à aprendizagem significativa.

## A interface das dificuldades no Ensino de Física

Na perspectiva de contribuir para o Ensino da Física, autores como Carvalho et al (2010) dizem que, desde 1900, dispomos de referências que visam orientar um desenho de um currículo para o Ensino das Ciências que englobe as suas dimensões culturais, considerando o desenvolvimento dos conhecimentos presentes na vida das pessoas, em sua cultura e em suas relações sociais.

Desde então, os currículos são elaborados com a finalidade de contemplar essas dimensões. Posteriormente, adveio a dificuldade dos professores de Ciências, especificamente dos professores de Física, de satisfazer essa necessidade por conta de fatores como carência de laboratórios nas escolas e lacunas na formação do professor. Muitos docentes têm formação em áreas afins, como Matemática e Biologia. Essa realidade leva esses professores a seguirem, passo a passo, os livros

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didáticos e terem abordagens focadas nas equações matemáticas. Em relação a isso, Nardi (2004) e Machado e Ostermann (2005) tecem as seguintes considerações:

O conteúdo desenvolvido aparentemente é determinado pelo livro-texto e acaba por se constituir num conjunto de leis e definições, muitas vezes representadas através de fórmulas, em exercícios repetitivos de aplicação numérica, além de mostrar-se muitas vezes reduzida e desconfigurada pelas sucessivas tentativas de adaptação (NARDI, 2004, p. 53).

[...] a excessiva matematização da Física, a completa descontextualização da mesma, a falta de reciclagem de docentes e a disseminação de erros conceituais por muitos professores podem gerar concepções alternativas que, muitas vezes, permanecem arraigadas na estrutura cognitiva do estudante (MACHADO; OSTERMANN, 2005, p. 01).

Entende-se, então, que a Física não é vista como ciência, mas como uma disciplina repleta de fórmulas matemáticas e equações, o que acaba por afastá-la de seu verdadeiro sentido. Dessa forma, 'os conteúdos de Física presentes nos manuais e livros didáticos se encontram distantes da vida cotidiana, das tecnologias, enfim, do mundo dos alunos' (CARVALHO et al , 2010). Consequentemente, percebemos o desinteresse dos alunos por essa ciência, pois eles visualizam o ensino da Física reduzida à transmissão de informações, como foco somente nos vestibulares, restrito ao livro didático o qual concentra excessivos exercícios de memorização e valorização algébrica (PACHECO, 1983).

## Rumo às transformações: Aprendizagem Significativa e Mapas Conceituais

A aprendizagem significativa, teoria desenvolvida por David Ausubel, propõe que se leve em consideração o que o aluno já sabe, ou seja, o conhecimento prévio - conceitos, proposições, princípios, fatos, ideias, imagens, símbolos, uma vez que se constitui como determinante no processo de aprendizagem. O conhecimento prévio é significativo por definição e, por isso, constitui-se base para a transformação dos significados potencialmente significativos (AUSUBEL; NOVAK; HANESIAN, 1980; AUSUBEL, 2003, p. 05).

Dessa forma, entende-se que levar em consideração os conhecimentos prévios dos alunos antes de uma intervenção oportuniza a eles a reinterpretação dos conceitos ou concretização do conhecimento já existente, o que implica em uma aprendizagem significativa.

Uma ferramenta didática que possibilita a condução de um processo de ensino aprendizagem significativa é a construção de Mapas Conceituais, tendo-se como base a teoria de Ausubel. Para Moreira (2005), 'mapas conceituais foram desenvolvidos para promover a aprendizagem significativa'. Machado e Ostermann (2005) refletem que durante o desenvolvimento de um mapa conceitual:

estamos mostrando tipos de relações que fazemos entre conceitos. Desta forma, mostramos o quão ricas são as relações entre os conceitos presentes em nossa estrutura cognitiva, ou seja, ele pode explicitar o quanto aprendemos significativamente um determinado assunto (p. 04).

Vê-se, então, que o mapeamento conceitual é tido como um instrumento que favorece a explicitação da estrutura de conhecimentos dos estudantes e dos

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conceitos que lhe dão suporte. Ausubel et al (1980, p. 39; 47) definem esse mapeamento como sendo 'objetos, eventos, situações ou propriedades que possuem atributos criteriais comuns, e que são designados por algum signo ou símbolo, tipicamente uma palavra com significado genérico'.

Conceitos são compreendidos como unidades do conhecimento. Desse modo, mapas conceituais - mapas de conceitos - correspondem à teoria da aprendizagem significativa (NOVAK, 2000).

## Os Fenômenos de propagação de calor em um aquecedor solar de baixo custo

São marcas da contemporaneidade o desenvolvimento tecnológico e os avanços científicos. A Física contribui para esses avanços, mas, apesar disso, ainda vem sendo apresentada de uma forma mecanicista aos alunos, os quais, pressionados por esse ensino, acabam apelando para a memorização de fórmulas matemáticas e continuam dependendo da utilização dos livros didáticos que, elaborados a partir de uma concepção de ensino tradicional, privilegiam a transmissão de conteúdos (CARVALHO et al , 2010) Essas práticas resistentes . resultam na dificuldade de percepção do aluno sobre a contribuição dessa ciência para os avanços tecnológicos, a sustentabilidade e, consequentemente, para a sociedade.

Torna-se pertinente, então, viabilizar uma proposta de ensino que tenha como objetivo contribuir tanto para a contextualização como para a avaliação do ensino da Física. Para isso, faz-se necessário trazer para o âmbito escolar questões recorrentes nos meios de comunicação, como as ambientais, a exemplo do alto consumo de energia elétrica para aquecer a água, o qual pode ser minimizado com o uso do aquecedor solar.

Damásio e Steffani (2007) e Santos (2008) desenvolveram aulas com essa temática e defenderam que atividades desse tipo despertam o interesse dos alunos pela Física teórica, além de trazerem para o dia a dia escolar a questão ambiental. Entendem que, assim, é possível promover a conscientização e compreensão de diferentes temas, tais como: a crise energética, energias renováveis, energia solar, racionamento de água. A partir da reflexão sobre essas questões tão atuais e urgentes, acreditamos que os estudantes compreenderão a necessidade de investirse nas aplicações de energia solar, a qual pode minimizar os gastos econômicos e energéticos.

A Energia Solar tem inúmeras aplicações. Dentre elas, o aquecedor solar, durante o seu funcionamento, é possível perceber os fenômenos de Propagação de Calor: Condução, Convecção e Irradiação. Para empreender-se esta ação, tomou-se como base o estudo realizado por Santos (2008, p. 87) que buscou, por meio do desenvolvimento da prática de construção de um aquecedor solar, '(...) subsidiar a criação de metodologias de ensino e aprendizagem de ciências, e uma forma de associar os assuntos de uso racional de energia e água com um experimento simples de Física'.

Dessa forma, objetivamos promover discussões sobre a possibilidade de aquecer água sem o uso de energia elétrica e possibilitar aos alunos a compreensão de conteúdos específicos do currículo da disciplina Física, especificamente, a Propagação de Calor.

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Halliday e Resnick (2012) enunciam o calor como sendo 'a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura'. Entende-se, assim, Calor como sendo a transferência de energia. Existem formas diferentes de Propagação de Calor: por Condução, por Convecção e por Radiação. Esses fenômenos físicos podem ser vivenciados através da observação do funcionamento do aquecedor solar de baixo custo, o que estimula o estudante a pensar em diferentes utilizações do experimento e sobre as contribuições dos conceitos da Física envolvidos.

## METODOLOGIA

Nossa intervenção foi realizada com alunos, do 2º ano da Escola de Referência em Ensino Médio Quitéria Wanderley Simões da rede pública de ensino da cidade de Venturosa em Pernambuco. Esses estudantes construíram dois mapas conceituais: um anterior à intervenção (conhecimentos prévios) e outro posteriormente.

Adotando-se uma metodologia similar à da pesquisa de Souto (2009), realizou-se, em um primeiro momento, uma intervenção em uma aula com o intuito apresentar-se aos estudantes como se constrói um mapa conceitual e como organizá-lo. Essa etapa foi necessária, pois os mapas conceituais construídos pelos alunos deveriam ser analisados a partir das conexões entre os seus conceitos, fazendo adequações ao seu vocabulário. Posteriormente, dividiu-se a turma em grupos e cada um recebeu uma folha de papel A4, cartolina, canetas, réguas e um envelope contendo vários conceitos relacionados, ou não, com o tema Calor e Propagação de Calor . Construídos os primeiros mapas conceituais, estes foram recolhidos para análises posteriores, levando-se em consideração o fato de que não há o mapa conceitual correto (NOVAK, 1984).

Figura 01: Aquecedor Solar de baixo custo

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O segundo momento ocorreu em duas aulas (intervenção didática) com o aquecedor solar construído no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco - IFPE Campus Pesqueira de forma semelhante ao utilizado por Damásio e Steffani (2007), ou seja, com embalagens de garrafa PET e latinhas de refrigerante, ilustrado na Figura 01. O funcionamento desse aquecedor é simples. A

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radiação solar incide sobre a superfície negra das embalagens de garrafa PET e as latinhas de refrigerante, as quais absorvem a energia solar, transferindo-a para a água que está na tubulação. O alumínio reflete a radiação infravermelha, permitindo que a energia solar não se perca por completo e, pelo princípio da 2ª Lei da Termodinâmica, a energia solar é transformada em energia térmica, resultando no aquecimento da água.

O sistema de funcionamento consiste em: coloca-se a água fria em um depósito ligado à tubulação; a água que está na parte baixa do aquecedor é aquecida e sobe, e a água fria que está no depósito, sem separação física, começa a aquecer. Isso se dá pela transferência de energia por convecção (DAMÁSIO; STEFFANI, 2007).

Durante a intervenção didática, os alunos foram levados para a quadra esportiva da escola, por ser uma área aberta com exposição solar, como ilustrado na Figura 02. Além de discutirem-se os fenômenos físicos presentes na aplicação de energia solar, foi possível contextualizá-los e articulá-los com outros temas, tais como: 2ª Lei da Termodinâmica, Energias Renováveis, Energia Solar, Meio Ambiente e Sociedade. Esse momento despertou o interesse e dúvidas dos estudantes expressas através de questionamentos e, ao mesmo tempo, possibilitou a reflexão sobre possíveis contribuições do aquecedor para a sociedade e os motivou a se mobilizar na construção de outro para o uso na escola.

Figura 02: Intervenção com os alunos na quadra da escola

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Nesse momento, os grupos puderam ter acesso ao primeiro mapa conceitual, construído na aula anterior, e tiveram a chance de alterar ou acrescentar novas conexões e conceitos em seus mapas. Após a construção dos novos mapas conceituais e das interações discutidas, ocorreu a sociabilização destes mapas para toda a turma na forma de apresentação em sala de aula, exposto na Figura 03.

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Figura 03: Alunos apresentando os seus mapas conceituais.

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## Resultados e Discussões

A utilização dos mapas conceituais como método avaliativo e a inserção de uma aplicação da energia solar no ensino de Física proporcionaram aos alunos reflexões e discussões sobre diversos fenômenos científicos e relações com o cotidiano. Quanto à Física, constatamos que os alunos realizaram articulações relevantes, o que contribuiu para a construção de novos conhecimentos, fato percebido por meio da construção dos novos mapas conceituais.

## Considerações Finais

Constitui uma motivação para construção de uma nova visão da Física em sala de aula a ideia de inserir no ensino temas como a energia solar e as fontes renováveis e não renováveis de energia, bem como questões do meio ambiente e da sociedade. Diante dos mitos associados à avaliação da aprendizagem por parte dos alunos, a implementação de atividades com o uso de mapas conceituais como ferramenta avaliativa pode ajudá-los a enxergar que a Física não se resume às equações matemáticas expostas em sala e em livros didáticos, mas também apresenta articulações com diversos fenômenos do cotidiano e, principalmente, com o desenvolvimento sustentável e ambiental.

Esta intervenção permitiu aos estudantes conhecer um aquecedor solar de baixo custo, entender os fenômenos físicos envolvidos e o seu funcionamento, além de ajudá-los a perceber que a Física tem, sim, relação com outras áreas do conhecimento e que ela contribui para o desenvolvimento de outras ciências.

A proposta de construção dos mapas conceituais foi de suma importância, pois reforçou a ideia das conexões existentes entre conceitos físicos e outros de diferentes áreas do conhecimento. Pôde-se constatar que conceitos são unidades do conhecimento por meio da análise dos mapas conceituais construídos e apresentados pelos alunos durante a vivência das aulas.

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## Referências

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