USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FÍSICA: EXPLORANDO A TEMÁTICA DE ENERGIA MECÂNICA

## USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FÍSICA: EXPLORANDO A TEMÁTICA DE ENERGIA MECÂNICA

*Guilherme Salgueiro Goulart , Lisete Funari Dias , Vera Beatriz Borgmann 1 2 Reppetto 3 , Jefferson Maurício Nolasco Arcaro , Carla Rosângela Bairros Alves 4 5

1 UNIPAMPA/Licenciatura em Ciências da Natureza, guilhermesalgueiro.g@hotmail.com

- 2 UNIPAMPA/Licenciatura em Ciências da Natureza, lisetefunaridias@gmail.com
- 3 UNIPAMPA/Licenciatura em Ciências da Natureza, verareppetto@hotmail.com
- 4 UNIPAMPA/Licenciatura em Ciências da Natureza, mauricio\_na16@hotmail.com

5 UNIPAMPA/Licenciatura em Ciências da Natureza, carlabairros@hotmail.com

Resumo: O presente trabalho pretende evidenciar, discutir e problematizar a inserção de simuladores computacionais como estratégia pedagógica para o ensino de Física, a partir de uma atividade desenvolvida na Educação Superior junto ao Componente Curricular de Leis Físicas na Natureza, no curso de Ciências da Natureza- Licenciatura, da Universidade Federal do Pampa, campus Uruguaiana/RS/ Brasil em 201, para 22 alunos. Esta atividade caracterizou-se a partir do uso de um simulador, denominado Parque Energético para Skatistas, por este dispor de uma ampla possibilidade de correlacionar o conteúdo conceitual de energia mecânica junto a uma temática emergente que se faz cada vez mais presente em nosso cenário atual: O uso das TICs. Visa-se, portanto, discutir amplamente os benefícios trazidos por estes recursos didáticos pedagógicos, sendo que estes são capazes de potencializar os métodos de ensino aprendizagem através de uma proposta contextualizada e que sistematize o conhecimento teórico visto por estes educandos, de forma a atribuir um significado prático para aquele determinado conhecimento. Portanto, estas estratégias podem vir a servir como subterfúgio para que os educandos sintam maior apreço pela Física e, com isso, seja possível uma aprendizagem significativa. Dentro deste contexto, traz-se como referência, teóricos que dialogam dentro desta mesma perspectiva, onde citamos como exemplo: Ramos (2012), Medeiros e Medeiros (2002), Pelizzari (2002),Moreira & Masini (2006), dentre outros, com os quais estaremos em constante discussão ao decorrer deste texto.

Palavras chave: Skatista, Física, Simulações computacionais.

## Introdução

A articulação entre o ensinar e o aprender é sempre um desafio, que muitas vezes é incumbido apenas ao professor, tido este como figura 'central' no processo de ensino e aprendizagem. Além disso, vivenciamos um período histórico, marcado através de uma verdadeira revolução nas comunicações a partir da instauração das Tecnologias da Comunicação e Informação (TICs). Esta 'nova' forma de ver, organizar e caracterizar o mundo, acabou por ocasionar na remodificação de vários segmentos sociais, o que, consequentemente, veio a afetar, de forma direta ou indireta, vários setores da sociedade. A educação talvez seja o setor que mais tenha 'sofrido' com estas transformações, uma vez houve uma transitoriedade de sujeitos, aos quais, metodologias adotadas anteriormente, podem ser ineficientes para que estes alunos sintam-se motivados a construir seu próprio conhecimento (Ferreira, 1998).

De acordo com Heineck (2007, p. 146)

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[...] atualmente o modelo adotado por alguns educadores tende a obedecer ao método tradicional de simples repasse de conteúdos, com aulas à base de giz, quadro-verde e livro didático, [...] desvinculando os conteúdos de suas possíveis relações com os fatos do cotidiano, deixando de lado os aspectos fenomenológicos

Procurar despertar o gosto em aprender determinado conteúdo, talvez seja um dos fatores preponderantes para que o aluno se sinta mais a vontade em tecer novas redes de aprendizagem. Para isso, é necessário que o professor articule ideias que venham a trabalhar em prol deste campo motivacional. Uma das estratégias que tem se dado grande ênfase é a contextualização do conhecimento, uma vez que, a partir dela, são deixadas de lado ideias tipicamente elitista e segregatórias, como por exemplo, o 'estudar para o vestibular'. Logo a contextualização entra como um fator que concilia o conteúdo visto em sala de aula com o cotidiano do aluno. Entretanto, nota-se certa dificuldade na contextualização de certas disciplinas, dentre elas, a física, tida como um dos grandes pavores dos estudantes da educação básica. Esta dificuldade é compreensível, pois as fenomenologias estudadas pela física contém muita abstração, transitando desde o mundo macro, no estudo da mecânica newtoniana, até o micro, com a mecânica quântica.

É nesse sentido que as Tecnologias da Informação e Comunicação (TICs) surgem como uma possibilidade que dialoga e transcreve, de forma mais ilustrativa e perceptiva, as fenomenologias estudadas, fazendo com que estes conteúdos, por vezes abstratos, possam se fazer um pouco mais concretos aos olhos dos estudantes. De acordo com Pocinho e Gaspar (2012), 'julga-se que assim, o aluno tomará uma parte mais ativa e menos indiferente no processo educativo, sendo influenciado por estratégias de pesquisa, descoberta, colaboração, realidades e simulações' (POCINHO e GASPAR, 2012, p. 146). Além disso, devemos considerar a globalização da tecnologia como algo inerente à sociedade moderna, onde, cada vez mais, estamos mergulhados nesta sistemática, que de certa forma, facilita-nos e nos possibilita construirmos e desenvolvermos novos saberes e consolidarmos outros tantos, anteriormente, explorados. Portanto, é impossível ficarmos inertes a estas mudanças, a prática docente necessita ser repensada, ou, talvez, incrementada a partir da inserção destes elementos que deixem o contexto escolar mais atrativo aos estudantes.

## Segundo Ramos (2012):

Neste contexto, aparece um novo formato de educação, no qual giz, quadro e livros não são mais os únicos instrumentos para dar aulas que os professores possuem, necessitando assim desenvolver um conjunto de atividades didático-pedagógica a partir das tecnologias disponíveis na sala de aula e as que os alunos trazem consigo (RAMOS, 2012, p. 5).

A partir dessa reflexão teórica sobre o uso das TICs na educação, visa-se demonstrar, de forma prática, através de uma atividade desenvolvida no contexto de curso de formação inicial de professores, Ciências da Natureza-Licenciatura, UNIPAMPA- Campus Uruguaiana/RS, no ano de 2013, para 22 alunos, as múltiplas faces que podem ser exploradas com o uso de ferramentas didático-pedagógicas tais como as simulações computacionais. Entretanto, cabe-se ressaltar que embora as TICs apresentem diversos aspectos que possam vir a auxiliar o professor na construção de metodologias mais atrativas ao aluno, esta não pode ser encarada como o fator decisivo na construção de seu aprendizado, uma vez que lidamos com

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diferentes sujeitos e, estes, concebem suas aprendizagens de diferentes formas. Portanto, não se pode generalizar uma única metodologia e, tão pouco, descrevê-la como sendo a mais completa, logo, as TICs são um auxílio instrumental que o professor pode vir a usufruir como forma complementar e (re) significar práticas pedagógicas.

Nesse âmbito, buscamos explicitar um exemplo de uma abordagem metodológica que se utiliza das TICs, as simulações computacionais. Em uma atividade, desenvolvida no componente curricular de Leis Físicas na Natureza, foi utilizada, de forma introdutória à temática de energia mecânica, a simulação computacional: Parque Energético para Skatistas , uma vez que este recurso oferece múltiplas formas e possibilidades para o desenvolvimento deste conceito. Tal simulação possibilita ao educando vivenciar a temática de energia em diferentes esferas, tais como: alteração de massa e atrito, gravidade, altitudes e visualização de gráficos.

## 2 Referencial Teórico

Não é de hoje que se discute qual a melhor forma de se consolidar uma aprendizagem mais efetiva. Esta ideia vem, constantemente, sendo colocada em xeque, tanto que, tentam-se formas de revitalizar os métodos de ensino e aprendizagem. Algumas teorias suscitam a aprendizagem significativa, teoria esta, representada fortemente, por David Ausubel. Pode-se pensar numa formação e origem de uma estrutura cognitiva (conceitual), que se constitui com os primeiros significados, dos quais derivarão outros, a partir de 'pontos básicos de ancoragem', termo esse, utilizado por Ausubel (1978, apud Moreira & Masini, 2006) quando trata o conceito mais importante em sua teoria, o de Aprendizagem Significativa. Nesta teoria, o aprender é mais eficiente, quando há interação entre conceitos prévios e o novo conhecimento. Para Pelizzari et al (2002), as ideias de Ausubel também servem de reflexão sobre a aprendizagem escolar e o ensino.

Com isso, incorporar conceitos, que se encontram delimitados ao contexto dos educandos, é uma excelente alternativa para a construção desta aprendizagem. Tais estratégias interpelam esses sujeitos, de tal forma, que passam a interessar-se mais pelo conteúdo. Por exemplo, ferramentas computacionais, que se fazem cada vez mais presentes no contexto dos alunos, podem e devem ser utilizadas.

Softwares, que potencializem a interlocução entre o contexto científico e o empírico, exemplificam o dito espaço problematizador. A partir do contexto do aluno, são estabelecidos diversos eixos que estabelecem um diálogo entre o conhecimento popular e o científico. Estes recursos possibilitam que, situações sejam construídas e, outras tantas, possam ser realizadas, ou seja, são construídas plataformas que espelham espaços que, muitas vezes não são possíveis de serem levadas à sala de aula. Neste sentido, de criar novas possibilidades, tem-se nas simulações computacionais, um espaço que dá suporte às atividades exploratórias, caracterizadas pela observação de fatos, antes, vistos de forma muito vaga e abstrata em livros didáticos, ou outros veículos educacionais. Segundos Medeiros e Medeiros (2002), 'As simulações podem ser vistas como representações ou modelagens de objetos específicos reais ou imaginados, de sistemas ou fenômenos' (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002, p. 79).

A Física, que lida com partículas subatômicas, corpos em alta velocidade e outros tantos conceitos complexos, a estratégia de simulações computacionais tem sido muito utilizada, por conta de sua facilidade em mostrar os processos envolvidos

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em cada sistemática. Com isso, ainda são aliados diversos recursos que possibilitam os estudantes realizarem cálculos matemáticos juntos aos fenômenos vistos, o que, estabelece uma interatividade e facilidade maior na compreensão do que está ocorrendo. Sendo assim, entramos, a partir desta analogia, na dita aprendizagem significativa, pois agora, as fórmulas utilizadas passam a serem decodificadas e (re)significadas para os educandos.

## Segundo Medeiros e Medeiros (2002)

Tal interatividade consiste no fato de que o programa é capaz de fornecer não apenas uma animação isolada de um fenômeno em causa; mas, uma vasta gama de animações alternativas selecionadas através do input de parâmetros pelo estudante. Desta forma, por exemplo,para ilustrar o movimento de um projétil, uma simulação computacional permite ao estudante a escolha de parâmetros relevantes tais como a velocidade inicial e o ângulo de tiro, para os quais o programa fornece as respectivas animações geradas a partir de grandes bancos dedados.Evidentemente, qualquer simulação está baseada em um modelo de uma situação real, modelo este matematizado e processado pelo computador afim de fornecer animações de uma realidade virtual (MEDEIROS & MEDEIROS,2002, p. 79)

O uso de simuladores apresenta uma diversidade de fatores positivos que podem, tanto vir auxiliar ao professor em sua metodologia, quanto na construção das múltiplas habilidades dos alunos. Porém, é de suma importância reiterar que a prática docente não se estabelece apenas de uma vertente, mas de um laço que conecta diversas dinâmicas e práticas que venham a somar na construção do conhecimento. Portanto, mesmo que o uso das simulações venha a contribuir no processo ensino-aprendizagem, podem também, se utilizadas de forma demasiada ou equivocadas, podendo vir a formar concepções simplificadas ou distorcidas de determinados conteúdos. Além disso, o uso demasiado de apenas um recurso didático, pode vir a deixar a aula monótona e desinteressante, o que por vezes, culmina na queda de rendimento dos estudantes. De acordo com Medeiros e Medeiros (2002), há certas desvantagens. 'Seria primordial notar-se que um sistema real é muito complexo e as simulações que o descrevem são sempre baseadas em modelos que contêm simplificações e aproximações da realidade' (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002, p. 79).

## 3 Procedimentos Experimentais

Este relato de experiência trata de um dos conceitos mais importantes da Física, que é sem dúvida, o conceito de energia. Esse, muitas vezes, é encarado, principalmente, no espaço estudantil, como algo abstrato, embora convivamos diariamente com tal temática. Portanto, para facilitar o entendimento, dos licenciandos, sobre um dos tipos de energia, a mecânica, provida a partir do movimento, realizamos uma atividade, no componente curricular Leis Físicas na Natureza, ministrado pela coautora 2 deste trabalho. Os 22 alunos foram divididos em quatro grupos, sendo que cada um deles deveria realizar uma profunda análise da simulação computacional, denominada Parque Energético para Skatistas, disponível para download em phet.colorado.edu . Deveriam correlacionar os diferentes tipos de conceitos físicos presentes na simulação. Ainda foi proposto que os educandos demonstrassem como seria possível o skatista efetuar um looping e, a partir desta proposição, foi solicitado que calculassem a velocidade mínima para a realização desta manobra. No entanto, deveriam apresentar relatório e seminário sobre quatro possibilidades: O looping , pista com atrito, pista sem atrito, alteração da gravidade, pois esta simulação é composta de uma série de instrumentos que

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possibilitam a construção de diversas manobras que podem ser efetuadas pelo skatista . Há uma coluna lateral que possibilita alterarmos a pista em que o personagem encontra-se, de forma a acrescentarmos fatores que viriam a interferir ou facilitar seu movimento, como por exemplo, a presença de forças dissipativas, que dificultariam e modificariam as formas de energia ali envolvidas.

Os recursos presentes na simulação estão enumerados abaixo:

- 1. Localidade: Podemos escolher o espaço físico onde serão efetuadas as manobras: Lua, Terra, Júpiter, espaços, nos quais, a gravidade acaba por variar.
- 2. Presença de atrito: Insere-se do atrito sobre a pista, no qual se pode regular seu coeficiente de atrito, fazendo com que o movimento seja dificultado.
- 3. Gravidade: É possível alterar o valor da aceleração gravitacional.
- 4. Trena: Recurso que pode ser utilizado para determinar a altura do skatista .
- 5. Modificações da pista: Pode-se modelar a pista de forma delimitar melhor os movimentos efetuados pelo personagem.
- 6. Escolha do Skatista: Neste recurso pode-se escolher o personagem com diferentes massas.
- 7. Gráficos: A partir deste ícone é possível ver o comportamento das energias cinética e potencial, assim como, a partir da inserção de atrito, a enérgica térmica.
- 8. Grade: Recurso que facilita a estimativa da altura em que se encontra o skatista.

É conveniente informar que, ao fazer download da simulação, esta pode ser trabalhada sem necessidade de acesso à internet, bastando ter o Java ( software livre) instalado no computador.

Após os grupos efetuarem o reconhecimento da simulação, foi proposto, aos mesmos, que direcionassem suas análises a partir da inserção de elementos específicos na pista, o que, consequentemente, provocaria resultados diversificados. Logo, estes ficaram condicionados a trabalharem com questões específicas de cada problemática. Os elementos foram distribuídos de forma a problematizar os seguintes aspectos: Interferência da localidade fere o princípio da conservação de energia? Ela interfere, de alguma forma, na execução de manobras?; A massa seria um fator preponderante para a efetuação de manobras?; A inserção de atrito modifica, de algum modo, as conversões de energia mecânica? E o princípio da conservação?; Qual a velocidade mínima que o skatista , deverá apresentar para a realização de um looping ?

Tomando por base estas prerrogativas, cada um dos quatro grupo ficou imbuído de executar a simulação e, discutir junto aos demais colegas, em forma de seminário, uma das possibilidades orientadas pela docentea. Além disso, deveria ser entregue à professora ministrante do componente curricular, um relatório sobre todas as questões trabalhadas. Entretanto, os grupos possuíam livre arbítrio para trabalhar com outras situações, ou seja, incrementar com outros elementos, porém, estes, deveriam, obrigatoriamente, manter a temática distribuída previamente.

## 4 Resultados obtidos

Os resultados evidenciados neste trabalho irão ser apresentados a partir do recorte de trechos presentes no relatório entregue por um dos alunos do curso de Ciências da Natureza, que participou da execução desta atividade. Cabe-se ressaltar ainda que a explanação do aluno, que será representada pela letra A,

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estará distribuída e indexada de forma a facilitar a localização do fragmento textual, junto a análises posteriores.

## Procedimentos adotados - concepções do aluno

A1: Os recursos disponíveis são instrumentos fundamentais na construção da pista que irá possibilitar o skatista efetuar o looping.

Figura 01: Barra lateral com os recursos a serem utilizados. . Fonte: Phet.Colorado.edu

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A2: Para a execução da manobra, modelou-se primeiramente a pista, onde foi desconsiderada a existência de atrito. Paralelamente, foi acrescido o gráfico de barras, para notarmos o quanto esta energia variava e se transformava com o decorrer da trajetória. A partir de então, colocou-se o skatista do lado esquerdo da pista, em uma posição inicial (y1 = 0), para que então deixássemos que o movimento ocorresse. Após, com o auxílio da trena realizamos a medição da altura, da qual o personagem foi desprezado, bem como, o diâmetro da curva ao qual este iria efetuar a manobra. É importante destacar que para esta medição considerou-se como sendo uma curva perfeita o centro a trajetória curva ao qual este iria desenvolver.

Figura 02: Construção da pista para efetuação do looping. Fonte: Phet.colorado.edu

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A3: Com a realização desta primeira simulação passamos a inserir outros elementos, justamente, para acompanharmos o que aconteceria com a energia ao longo da trajetória. A partir disso, posteriormente, foi inserido atrito junto à pista, afim notarmos o que aconteceria com a energia presente naquele sistema.

## Analisando a simulação: a visão do aluno

- A4: Tomando-se o skatista como parâmetro durante seu movimento de decida, ou seja, conversão de energia potencial gravitacional, em cinética, estabelece-se o as seguintes assertivas:
- 1. Quando o personagem encontra-se no alto, na eminência do movimento, ele tende, ao ser abandonado, projetar-se e cair, justamente por seu peso realizar trabalho, durante seu deslocamento vertical para baixo.

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- 2. Em contrapartida, durante o movimento de decida há uma variação na velocidade deste personagem fazendo com que a resultante das forças atuantes sobre este garanta um movimento uniformemente variado.
- 3. De acordo com a conservação da energia mecânica: , quando o skatista sobe , acaba por diminuir sua velocidade e, consequentemente, sua energia cinética, porém ganha em altura e, portanto, sua energia potencial tende a aumentar. Durante a queda, este passa a diminuir sua energia potencial, mas, em contrapartida, aumenta sua energia cinética. Esta série de constatações pode ser facilmente verificável, ao compararmos o gráfico de barras que culmina na concordância com um dos princípios fundamentais da física.
- A partir disso, nota-se que na ausência de forças dissipativas, apenas ocorrerá uma conversão entre as formas de energia cinética e potencial. Este fato fica perfeitamente explicito, quando acrescentamos à pista, um coeficiente de atrito, onde a energia acaba transformando-se em forma de energia em energia térmica, dissipada ao ambiente.

Figura 03: Medição do Raio da Curvatura . Fonte: Phet.colorado.edu

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- A5: 4. Para se calcular a velocidade mínima para a efetuação do looping, consideraram-se os dados medidos a partir dos recursos disponíveis no software, onde desprezou-se o atrito. Ao ser desprezado de uma altura de 7,26 m, o skatista passa a converter sua energia potencial em cinética, onde as energias mecânicas são conservadas, pois não há, neste caso, a existência de forças dissipativas. Logo, quando o personagem passar pelo no ponto B, representado na figura 03, a situação estará esquematizada da seguinte maneira:

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A6: Entretanto à medida que o corpo sobe tende a perder contato com a pista e, o ponto critico considerado é justamente neste ponto. Portanto, a força normal atuante tem módulo igual à zero, fazendo com que a única força atuante seja a força peso.

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Desconsiderando-se as massas, comuns em ambos os lados da equação, e realizando os devidos ajustes ficamos com:

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Onde, após fazermos as devidas substituições numéricas, diâmetro de 4,79 m e, portanto raio de 2,395 m, temos uma velocidade de aproximadamente 4,84 m/s.

Com base na explanação desenvolvida pelo estudante, percebe-se que, a partir da simulação computacional, este conseguiu relacionar conteúdos conceituais

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com as manobras desenvolvidas pelo personagem. Isso fica evidente a partir do fragmento A4 , uma vez que este começa exemplificar e raciocinar sobre o princípio da conservação de energia mecânica, inclusive pontuando fatores que venham a modificar estas conversões de energia, a partir da inserção do atrito, por exemplo, onde parte da energia cinética passa a ser dissipada em forma de energia térmica.

Outro fator relevante está relacionado ao momento em que o aluno mapeia os cálculos desenvolvidos a partir do simulador. Nota-se que este conseguiu desenvolver medições que possibilitassem a resolução de uma problemática inicial, fomentada pela professora, ou seja, evidenciar a velocidade mínima para o desenvolvimento do looping , relacionando-a com a altura de descida do skatista.

## Considerações Finais

A partir do exposto conclui-se que uso da simulação abriu diversos espaços que facilitaram a formação do conceito de energia mecânica, uma vez que essa estratégia didática se torna uma maneira prazerosa e diferenciada de se aprender Física, o que propicia uma aprendizagem significativa.

Acreditamos também que esta atividade mostrou-se mais efetiva, por ter sido desenvolvida em um curso de formação inicial de professores, uma vez que, de certa forma, vai inserindo estes futuros educadores dentro de um espaço, no qual os estudantes estão sempre presentes, ou seja, o espaço digital.

Com isso inferimos que a utilização destes recursos didáticos pedagógicos deveriam ser melhor explorados pelos professores, tendo em vista que estes exemplificam conceitos, por vezes, de muito difícil assimilação, como é o caso da energia mecânica, gerando portanto um ganho significativo no processo de ensino e aprendizagem.

## Referências

MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide Farias. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino de física . Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo. v. 24, n. 2, p. 77-86, jun. 2002.

MOREIRA, Marco Antonio, MASINI, Elcie Fortes Salzano . Aprendizagem Significativa- A Teoria de David Ausubel ,São Paulo: Centauro, 2ª ed,2006.

PELIZZARI, Adriana. et al. Teorias da aprendizagem significativa segundo Ausubel . Rev. PEC, Curitiba, v.2, n.1, p. 37-42, jul. 2001- jul. 2002

GOMES, Andréia . Patrícia. et al. Ensino de Ciências: Dialogando com David Ausubel . Revista Ciência e Idéias, n.1, v. 1, out. 2009 - Março 2010.

POCINHO, Ricardo Felipe da Silva; GASPAR, João Pedro Marceneiro. O uso das TIC e as alterações no espaço educativo . Exedra, n. 6, 2012.

PHET. Interactive simulations . Parque Energético para Skatistas . Disponível em:&lt; https://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulation/energy-skate-park&gt; Acesso em: 31 de Out. de 2014.

RAMOS, Márcio Roberto Vieira. O uso de tecnologias em sala de aula . Revista Eletrônica: LENPES-PIBID de Ciências Sociais, n. 2, v. 1, jul-dez. 2012.

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