USOS DE SIMULAÇÕES EM AULAS DE FÍSICA: O FAZER E O REFLETIR DE EQUIPE DO PIBID FÍSICA UFMG

## USOS DE SIMULAÇÕES EM AULAS DE FÍSICA: O FAZER E O REFLETIR DE EQUIPE DO PIBID FÍSICA UFMG

José Cassimiro Silva 1, 2 , Orlando Aguiar Jr , Diego A. Moura , Paulo Henrique 3 4 Vaz 5 , Jorge Lucas Soares , André Montimor , Ana Gabriela Mendes , Nayara 6 7 8 Matins Souza 9

1 UFMG/Instituto de Ciências Exatas, jsilva@icex.ufmg.br

2 Escola Estadual Três Poderes, jsilva@icex.ufmg.br

- 3 UFMG/Faculdade de Educação, orlando@fae.ufmg.br
- 4 Escola Estadual Três Poderes, diegao.fisica@hotmail.com
- 5 UFMG/ Instituto de Ciências Exatas, paulohenvaz@gmail.com
- 6 UFMG/ Instituto de Ciências Exatas, jorgel.resende@gmail.com

7 UFMG/ Instituto de Ciências Exatas, fisicaandre@oi.com.br

- 8 UFMG/ Instituto de Ciências Exatas, anagabriela456@gmail.com

5 UFMG/ jsilva@ufmg.br

6 UFMG/ orlando@fae.ufmg.br

## Resumo

Neste trabalho, são relatadas ações e reflexões de equipe de bolsistas e supervisores do PIBID em uma Escola Estadual de referência na região norte de Belo Horizonte, sobre usos de simulações em aulas de física. Nas discussões na escola e em reuniões de formação do projeto, o foco tem sido o de diversificar estratégias e formas de mediação do conhecimento físico. Nesse sentido, dado o potencial de representações visuais e, particularmente, de representações dinâmicas por computador, a equipe do projeto vem examinando o potencial desses recursos na aprendizagem conceitual da física. As questões colocadas são: propor diferentes combinações de recursos em uma aula de física; fomentar o uso desses recursos por meio de perguntas e problematizações; identificar as dificuldades de compreensão que as representações podem engendrar para os estudantes e, assim, identificar modos de ação que permitam seu entendimento. O grupo desenvolveu formas articuladas de integração entre experimentos reais em laboratório e as simulações de física, particularmente utilizando o PHET da Universidade do Colorado em atividades investigativas. No presente trabalho são apresentadas duas sequências didáticas, uma sobre propriedades dos gases e outra sobre circuitos elétricos, onde os alunos puderam trabalhar tanto com os experimentos e com as simulações em conjunto ou separadamente.

Palavras-chave : Representações visuais; Simulações por Computador; Ensino de Física; Problemas e problematização; Formação de Professores.

## 1 Introdução

O presente trabalho tem com base a experiência de docentes (supervisores) e bolsistas (estagiários) do PIBID no uso de simulações por computador como parte das estratégias de ensino de sequências didáticas de Física para turmas de

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26 a 30 de janeiro de 2015

segundo e terceiro anos do ensino médio na Escola Estadual Três Poderes em Belo Horizonte, MG.

- O Programa Institucional de Iniciação à Docência se encontra presente na escola desde o ano de 2010 contando a área de Física com um professor supervisor titular e um professor supervisor voluntário e cinco bolsistas, licenciandos em Física na Universidade Federal de Minas Gerais. Tanto a Universidade quanto a Escola Estadual Três Poderes se localizam na região denominada Pampulha o que facilitou a aproximação da UFMG com a escola.

Desde a introdução do PIBID na escola e pelo estreito vínculo dos docentes participantes do projeto com o ambiente acadêmico tem havido grande interesse na investigação dos desafios a aprendizagem de Física básica pelos estudantes do ensino médio, em especial em escolas públicas de Belo Horizonte.

A partir do primeiro ano de sua introdução na escola a equipe do PIBID decidiu pelo estudo das condições de ensino e pelas estratégias adotadas pelos docentes de Física parceiros do Programa. Dedicou-se tempo na elaboração e aplicação de sequências de ensino que envolvesse atividades prático-experimentais e atividades extraclasses, tais como visitas orientadas, UFMG Jovem e Semana do Conhecimento da UFMG. Em 2011, os supervisores e bolsistas passaram a dedicar maior tempo ao uso de atividades investigativas em sala de aula, entendidas aqui como um experimento ou situação-problema:

'Onde o estudante é levado a delinear o problema, transformando-o em um problema suscetível à investigação. Feito isto, ele precisa: 1- planejar o curso de suas ações; 2- escolher os procedimentos e selecionar equipamentos, necessários à realização de um experimento ou de uma observação controlada; 3- registrar dados usando uma estratégia adequada (tal como a confecção de tabelas e gráficos); 4- interpretar os resultados; 5- tirar conclusões e avaliar em que medida a investigação realizada promoveu 'respostas' ao problema ou uma nova maneira de compreendê-lo. Durante o desenvolvimento dessas etapas, há ciclos de preparação para as etapas posteriores, dependendo da necessidade de mudanças no planejamento, da reformulação do problema ou de redefinição das técnicas usadas' (Borges, 2002, Sá, 2007 ).

A partir de leituras realizadas com a equipe do PIBID Física na Faculdade de Educação da Universidade Federal de Minas Gerais e devido à possibilidade de se contar com recursos multimídia os supervisores passaram a utilizar simulações por computador para o ensino de Física na Escola Estadual Três Poderes. Nesta primeira fase foram adotados 'applets' como o 'e-field' e outros, mas principalmente, o PHET ( Physics Education Technology ) da Universidade do Colorado. A grande gama de simulações disponíveis no PHET, sua facilidade de manuseio e compreensão pelos alunos e a boa resposta na comparação com experimentos reais foram estímulos para que o PHET e o uso de simulações em geral passasse a integrar o rol de ferramentas permanentes para o ensino de Física básica na Escola Estadual Três Poderes.

## 2 As formas de abordagem

De maneira geral o uso do PHET foi introduzido a partir de um programa de atividades que levava em conta o ensino por investigação e que teria o uso de simulações como parte principal ou subsidiária da referida proposta.

Basicamente foram adotadas três abordagens do uso de simulações em sala de aula:

- (a) Como instrumento principal de uma atividade investigativa substituindo um experimento em laboratório pelo uso de simulações, seja porque nos permitia

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aplicar para vários grupos, havendo limitação no número de experimentos, seja porque um determinado experimento não era facilmente reprodutível em sala ou laboratório, um exemplo, o uso da simulação para discutir efeito estufa e aquecimento global antropogênico.

- (b) Como parte de uma atividade investigativa que pudesse contar com um experimento real e ao mesmo tempo com a simulação buscando aproveitar os pontos fortes das duas abordagens para uma mesma atividade. Um exemplo, é o estudo de propriedade dos gases, utilizando uma câmara de vácuo e nitrogênio líquido e ao mesmo tempo reproduzindo a simulação dos referidos experimentos.
- (c) E também, vale notar, como atividade demonstrativa, para ilustrar ou problematizar um determinado fenômeno ou propriedade física em uma aula expositiva.

A partir de nossa abordagem investigativa passamos a construir sequências de ensino e atividades que incorporassem as simulações. Em princípio adotamos o Physics Education Technology (PHET) da Universidade do Colorado em Boulder. As razões para a escolha deste software para nossas abordagens iniciais foram as seguintes:

- (a) A equipe do PIBID Física vinha estudando há algum tempo a possibilidade do uso de simulações em sala de aula e em testes feito nos laboratórios do CECIMIG (Centro de Ensino de Ciências e Matemática) da Faculdade de Educação da UFMG obteve boas respostas do PHET em comparação com experimentos reais;
- (b) O PHET se mostrou bastante intuitivo, não exigindo conhecimentos avançados de programação por parte dos alunos e exigia poucos recursos dos equipamentos de informática em geral disponíveis nas escolas públicas estaduais da Região Metropolitana de Minas Gerais, em particular na Escola Estadual Três Poderes;
- (c) O PHET possui apresentação gráfica bem desenvolvida e razoavelmente similar aos experimentos reais que ele se propõe a simular o que, em nossa compreensão, tornaria o software estimulante para os alunos;
- (d) A revisão bibliográfica feita sobre o uso de simulação no ensino de física básica no ensino médio apontava para respostas positivas no processo de ensino-aprendizagem em sala de aula, algumas chegando a apontar vantagens no uso da simulação sobre o experimento real (Cf. Finkelstein, et all, 2005, Finkelstein et all, 2006, Wieman, 2010).

Também contribuiu para a introdução das simulações em nossas estratégias de ensino o fato de inicialmente não termos um laboratório adequadamente preparado para o uso na escola e embora os recursos físicos disponíveis, com o apoio do PIBID, fossem melhorando significativamente, as simulações acabaram por se incorporar ao conjunto permanente de ferramentas a nossa disposição para o ensino de física básica.

## 3 Metodologia

Nosso primeiro passo foi construir sequências de ensino que levassem em conta o uso de simulações. A preparação das sequências ficava a cargo do professor titular da disciplina e de um ou dois bolsistas que dividiriam com o professor o desenvolvimento da atividade. As turmas eram divididas em grupos de

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cinco ou seis alunos dispostos no laboratório de informática da escola, quando este laboratório não estava disponível a atividade era desenvolvida em sala de aula com um notebook e um projetor multimídia onde os grupos podiam manipular livremente o equipamento na medida em fossem desenvolvendo o roteiro da atividade.

As sequências tiveram como público alvo alunos do segundo e do terceiro ano do ensino médio. Em 2012 as atividades com simulação foram desenvolvidas com turmas diurnas e noturnas, em 2013 e 2014 somente com turmas diurnas, em razão dos professores envolvidos com o PIBID não lecionarem mais no período noturno.

Nas atividades investigativas que envolviam exclusivamente simulações o modelo adotado foi da construção de um roteiro prévio impresso, com um número limitado de perguntas de perfil aberto e abrangente, isto é, evitou-se direcionar excessivamente o tema, deixando margem suficiente para respostas mais amplas. Desta forma queremos evitar que uma atividade se torne em apenas um roteiro para confirmar aquilo que o professor espera ser 'a resposta correta'.

A partir das respostas elaboradas pelos alunos dentro da atividade investigativa passamos a uma segunda etapa onde cada grupo discutiria com os outros as respostas e os resultados encontrados. Nesta etapa também havia espaço para novas perguntas introduzidas pelo docente ou monitores de tal maneira a reforçar ou refutar algumas repostas dadas, ou apenas, a abrir espaço a novos questionamentos. Esta estratégia tinha como objetivo avaliar a compreensão dos alunos do fenômeno particularmente estudado e da sua interpretação a partir de conceitos mais gerais da Física. Também nos debates entre os grupos verifica-se a possibilidade do surgimento de novos questionamentos a partir do confronto das distintas respostas.

Em uma etapa mais elaborada foi possível desenvolver atividades investigativas combinando simulações e experimentos reais. Esta foi uma etapa privilegiada no segundo semestre de 2012 e passou a ser um dos motes principais das atividades do PIBID Física na E. E. Três Poderes. Mais adiante justificaremos a importância desta opção.

Para este tipo de atividade a metodologia não é muito diferente da adotada para a realizada com o uso exclusivo de simulações, tal como explicada acima, mas a componente adicional de realizar o experimento real e a simulação que replica este experimento traz novas questões que podem ser melhor exploradas pelo professor e pelos alunos, tais como 'em que os resultados coincidem?' e 'em que eles diferem?', 'a simulação é uma boa expressão do experimento típico de laboratório?', 'a simulação e o experimento real representam bem fenômenos cotidianos'.

Assim como um experimento típico de laboratório a simulação é feita em ambiente razoavelmente bem controlado e como tal possui suas limitações como veremos a seguir.

## 4 Exemplo de duas atividades específicas com o uso de simulações

Em 2012 tivemos a oportunidade de trabalhar com alunos de segundo ano as seguintes sequências de ensino com o uso de simulações em atividades ou investigativas ou combinando experiências reais e simulações ou em aulas dialogadas: (a) formas e transformações de energia, (b) sistema massa-mola, (c) propriedades dos gases, (d) estados da matéria, (e) efeito estufa, (f) curvando a luz -

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reflexão e refração, (g) visão de cores e (h) efeito fotoelétrico. No ano seguinte pudemos trabalhar com alunos de segundos e terceiros anos e ampliamos os usos possíveis de simulações nos seguintes tópicos para os segundos anos: (a) laseres, (b) interferência e ondas e (c) radiação de corpo negro. Para o terceiro ano tivemos a oportunidade de trabalhar com os seguintes temas fazendo uso de simulações do PHET: (a) balões e eletricidade estática, (b) construção circuitos elétricos de corrente contínua, (c) imã e bússola, (d) imãs e eletroímãs, (e) geradores e baterias, (f) campo elétrico e (g) resistência em fios condutores.

A motivação para as simulações destacadas é o fato de que estas são facilmente reprodutíveis em experimentos reais, talvez com exceção da simulação de radiação de corpo negro, com material de baixo custo o que possibilita boas comparações.

Aqui queremos destacar duas simulações que pudemos reproduzir com experimentos de laboratório:

- (a) Propriedade dos gases;
- (b) Circuitos elétricos de corrente contínua.

A simulação sobre propriedade dos gases foi utilizada no segundo ano do turno diurno. Entre os objetivos propostos, tal como apresentados na página do PHET, estão: 'prever como muda uma variável entre PVT(pressão, volume e temperatura), enumerar outras influências em outras propriedades dos gases, predizer como a mudança de temperatura afetará a velocidade das moléculas e ordenar a velocidade das moléculas em equilíbrio térmico com base nas suas massas relativas.' O 'experimento', isto é, a simulação constitui-se de um fundo negro sobre o qual está uma câmara retangular (em duas dimensões) com uma das paredes móvel. À câmara estão acoplados um indicador de temperatura representado pelo desenho de um termômetro e um indicador de pressão desenho de um barômetro. Algo semelhante a uma bomba de bicicleta simula um injetor de gases e abaixo um desenho que lembra um fogareiro que simula a injeção de calor, representado por uma chama, ou a sua absorção, representado por cubos de gelo. Em um painel lateral estão os indicadores das variáveis que podem ser adequadamente manipuladas para se investigar as leis de Boyle, de Charles e dos gases ideais. Há também um conjunto de ferramentas de medidas que podem ser ativadas ou desativadas conforme o propósito da simulação.

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Fig. 1: Duas simulações utilizadas na E. E Três Poderes em uma sequência de ensino de termodinâmica: propriedade dos gases e efeito estufa (fonte: PHET interactive simulations )

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O experimento de laboratório realizado na escola para esta simulação foi em parte desenvolvido com materiais simples de baixo custo (como seringas e balões) e em parte utilizando-se recursos emprestados do Colégio Técnico da UFMG, parceiro da E. E. Três Poderes no PIBID, tais como uma bomba de vácuo e campânula de vidro. A seringa foi utilizada como uma câmara de paredes móveis no qual estava inserido um pequeno balão. As variações na pressão interna do gás (no caso o ar na câmara) permitiam o aumento ou diminuição no volume do balão, experimento que podia ser simulado no PHET. Da mesma maneira que experimentos a baixa pressão utilizando-se câmaras de vácuo. A simulação pode reduzir a temperatura do ambiente para valores muito abaixo de zero na escala Celsius, no experimento real pôde-se fazer o mesmo com nitrogênio líquido cedido pelo Laboratório de Criogenia do Departamento de Física da UFMG. Diferentemente da simulação, entretanto, não se permite um controle fino e medições específicas para todas as fases da atividade. Neste sentido, há uma vantagem óbvia na simulação, onde o controle de variáveis está muito mais próximo de experimentos realizados em laboratórios mais bem aparelhados.

Cabe notar que este experimento e sua simulação permitiram uma ampla discussão sobre propriedade dos gases. Como atividade investigativa o objetivo não era confirmar tópicos estudados, mas permitir aos alunos a elaboração de hipóteses, anotação e análise de dados e o desenvolvimento da capacidade de argumentação (Zompero e Laburu, 2011).

Figura 2 : Uma sequência de circuitos elétricos utilizando experimento em laboratório e uma simulação do PHET.

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Com alunos de terceiro ano foi realizada uma atividade investigativa sobre circuitos elétricos utilizando tanto experimentos reais quanto simulação. O experimento real consiste em montar circuitos elétricos de corrente contínua em série, em paralelo e mistos utilizando baterias de 1,5 V, fios condutores adequadamente preparados, soquetes e lâmpadas pequenas comumente utilizadas em lanternas caseiras. A simulação do PHET para este experimento é bastante intuitiva, de fácil manuseio e muito similar a um experimento real. A simulação replica baterias, fios e lâmpadas utilizadas no experimento real e permite utilizando aparelhos virtuais medir voltagem, corrente e resistência do circuito montado. É possível também testar um curto-circuito. As associações possíveis podem ser em série, paralela ou mistas em boa concordância com o experimento real. É possível,

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na simulação, alternar entre os modos 'desenho natural' e 'diagrama' e alterar e variar a resistência do fio além de ser possível exibir ou não os 'elétrons' que atravessam o circuito. Os alunos tiveram a oportunidade de comparar as duas práticas, realizar um conjunto significativo de anotações, responder perguntas elaboradas pelos bolsistas do PIBID e discutir seus resultados com os outros grupos.

Estas mesmas atividades puderam ser repetidas em outras turmas utilizando-se somente a simulação do PHET, sem o auxílio de experimentos reais. Pequenos grupos utilizando a sala de informática da escola ou quando não foi possível fazê-lo utilizando um projetor multimídia conectado a um notebook com o PHET que os diversos grupos pudessem manipular livremente. A discussão entre alunos e os debates em sala se mostraram bastante efetivas. Aqui também houve grande motivação para que os alunos elaborassem suas próprias hipóteses e posteriormente dialogassem com outros grupos. A partir das intervenções dos bolsistas do PIBID e do professor supervisor foi possível organizar o elenco de ideias e filtrar as hipóteses mais consistentes.

Quando a simulação era utilizada em uma aula dialogada ou expositiva aquela quase assumia ou um caráter explicativo, para confirmar alguma teoria ou hipótese já estabelecida ou com uma função problematizadora com o objetivo de estabelecer um tópico de discussão e a consequente construção de um percurso de ensino de temas da Física.

## 5. Conclusão

A literatura é abundante sobre o uso de simulações no ensino de Física na educação básica. Percebemos que há grupos de pesquisa muito entusiasmados com o uso de simulações (Finkelstein et all, 2006) até os mais críticos (Kriek e Stols, 2010). No artigo supracitado de 2010, Kriek e Stols alertam que embora o uso de novas tecnologias esteja bastante disseminado no ensino, seu uso no ensino de Física tem sido incipiente. Os autores alertam que mesmo para uma ferramenta intuitiva como o PHET é importante que os professores tenham proficiência no uso do software para extrair do mesmo suas potencialidades e que os próprios saibam o quais crenças os movem ao tentar trazer o uso de TICs para o ensino de Física.

Da nossa parte, temos percebido que o uso combinado de simulações e experiências reais pode constituir uma estratégia significativamente importante no processo de ensino aprendizagem de Física Básica em uma sociedade onde as novas tecnologias são ubíquas na vida de nossos alunos.

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## Referências

- 1. BORGES, A. T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 19, n.3: p.291-313, 2002;
- 2. FINKELSTEIN, Noah et al, High-tech tools for teaching Physics: the Physics Education Technology Project , Merlot journal of online learning and teaching , v. 2, No. 3, 2006;
- 3. FINKELSTEIN, Noah et al., When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment , Physical review special topics - Physics education research , v. 1, 1-8, 2005;
- 4. KRIEK, Jeanne, STOLS, Gerrit, South african journal of education , Vol 30, p. 439-456, 2010;
- 5. PHET Interactive Simulations, http://phet.colorado.edu/pt\_BR ;
- 6. PIRES, Marcelo A., VEIT, Eliane A., Tecnologias de Informação e Comunicação para ampliar e motivar o aprendizado de Física no Ensino Médio , Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, nº 2, 2006;
- 7. SÁ, E. F. de, PAULA, H. de F, LIMA, M. E. C.; AGUIAR, O. G. de. As características das atividades investigativas segundo tutores e coordenadores de um curso de especialização em ensino de ciências. In: Encontro Nacional de Pesquisa em Ensino de Ciências , 6 , Atas, 2007.
- 8. WIEMAN, Carl E., ADAMS, Wendy K., PERKINS, Katherine K., PhET: Simulations That Enhance Learning , Science , v. 322, p. 683, 2006;
- 9. ZOMPERO, Andreia F., LABURU, Carlos E., Atividades investigativas no ensino de ciências: aspectos históricos e diferentes abordagens, Revista Ensaio , v. 13, p. 67-80, 2011.

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