INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICA EM LABORATÓRIO ABERTO COMO ESTRATÉGIA PARA ANÁLISE DE CIRCUITOS.

## INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICA EM LABORATÓRIO ABERTO COMO ESTRATÉGIA PARA ANÁLISE DE CIRCUITOS

## Alexandre Abraão Muriana da Silva, Reginaldo A. Zara

Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Unioeste Programa de Pós Graduação em Ensino (PPGEn) - Foz do Iguaçu- PR alexandremuriana@yahoo.com.br, reginaldo.zara@unioeste.br

Resumo: Este artigo relata um conjunto de atividades baseadas no ensino por investigação em laboratório aberto em que os estudantes avaliaram, mediante uma sequência de questões, as características físicas das associações de resistores submetidos à tensão contínua, através de construção de circuitos com lâmpadas como resistores e outros materiais de fácil acesso. Além da descrição da sequência de atividades, são apresentadas algumas das concepções alternativas expressas pelos estudantes, na forma escrita e através de desenhos, sobre conceitos básicos de eletricidade, e discute-se como eles reelaboraram seus conceitos a partir de atividades práticas usando experiências em laboratório e através de simulações. A observação da reação dos estudantes frente às situações às quais foram expostos mostra o quanto às concepções alternativas sobre eletricidade estão presentes e como elas são difíceis de serem desconstruídas. A ação didática em laboratório aberto mostra que os alunos realizam as atividades com mais entusiasmo e motivação quando manipulam elementos reais e quando os princípios científicos são relacionados às suas experiências cotidianas. Também é observada a ansiedade dos estudantes em dar uma resposta considerada certa de maneira rápida, muitas vezes saltando etapas importantes para a construção significativa de conceitos. Ao final das atividades percebe-se uma estruturação nos conhecimentos sobre a associação de resistores nos estudantes participantes.

Palavras-chave : Ensino por Investigação; Laboratório Aberto; Circuitos CC.

## Introdução

Em meio à pluralidade de posturas metodológicas que vem sendo assumidas e discutidas pelos professores para o enfrentamento de um ensino de Física desarticulado e dogmático, destacamos o ensino por investigação, que oportuniza ao aluno contato com seu objeto de estudo através da observação, manipulação e experimentação, possibilitando-o interpretar, avaliar e construir conhecimentos a partir de um problema.

No ensino de Física, o conteúdo de eletricidade surge como um tema gerador de situações que podem ser facilmente exploradas. Porém, do conhecimento prévio dos estudantes sobre o conteúdo emerge uma dualidade: a familiaridade com o assunto pode ser um elemento facilitador no sentido de que o estudante já tem uma vivência com seu objeto de estudo, mas configura-se um dos problemas no ensino de física, tendo em vista que geralmente estão carregadas de concepções alternativas que distorcem ou divergem dos conhecimentos científicos, o que ocasiona uma concorrência com o ensino dos conceitos aceitos atualmente como cientificamente corretos (CRESPO, 2010).

Este trabalho é um recorte de atividades baseadas no ensino por investigação em laboratório aberto em que os estudantes avaliaram, mediante uma sequência de

questões e problemas, as características físicas das associações de resistores. São apresentadas algumas das concepções alternativas expressas pelos estudantes sobre conceitos básicos de eletricidade e discute-se como eles reelaboraram seus conceitos a partir de atividades práticas em laboratório e com uso de simulador computacional.

## O ensino por investigação em laboratório aberto

A proposta do ensino por investigação (AZEVEDO, 2012) baseia-se na perspectiva de que o conhecimento é construído a partir da ação e da reflexão dos estudantes diante do objeto de estudo, em outras palavras, a formulação de hipóteses e a oportunidade de verificá-las ou reformulá-las seja por manipul ação em laboratório ou mesmo com papel e caneta, cria possibilidades para que os estudantes sejam figuras ativas no processo de ensino. De modo geral, para execução dessa ação didática a literatura sugere o percurso de algumas etapas que compreendem a escolha do objeto de estudo, a expressão das idéias e emissão de suas hipóteses acerca desse objeto, o planejamento da investigação, o contato com novas informações, a interpretação dos dados e conclusões e a expressão e comunicação dos resultados (ZÔMPERO, 2011). Gil Pérez (1993) considera como etapa posterior à expressão verbal ou escrita, a síntese através de esquemas e posterior aplicação do conhecimento formulado a novas situações.

Um dos desdobramentos do ensino por investigação é o laboratório aberto que visa responder uma questão (ou um conjunto de questões) mediante a utilização de experimentos em laboratório. Azevedo (2012) elenca alguns passos para utilização dessa abordagem:

- 1. Proposta do problema: A apresentação do problema a ser abordado deve ser feita estimulando a curiosidade dos estudantes e propiciando momentos de questionamentos.
- 2. Levantamento de hipóteses: Neste momento os alunos podem expressar e construir suas hipóteses com o intuito de responder aos questionamentos.
- 3. Elaboração do plano de Trabalho: O plano de trabalho consiste na organização de quais e como serão realizadas as atividades ou experimentos na busca de responder às questões.
- 4. Montagem do arranjo experimental e coleta de dados: nessa etapa vivencia-se um momento prático de manipulação de experimentos obtendo e fazendo o registro de dados para posterior discussão.
- 5. Análise dos dados: Nesta etapa os estudantes avaliam os dados obtidos e os transformam em gráficos, diagramas e avaliam suas hipóteses.
- 6. Conclusão: é a formalização da resposta à questão inicial, na forma de elaboração de conceitos que esclarecem a solução do problema ou na forma de obtenção de equações que modelam matematicamente o problema e sua solução.

## Metodologia

- O trabalho foi desenvolvido com um grupo inicialmente formado por 12 estudantes do Ensino Médio no Colégio Estadual Presidente Costa e Silva, na cidade de Foz do Iguaçu, estado do Paraná. O critério para a composição do grupo foi a pré-disposição dos estudantes em frequentar as atividades em contra-turno escolar. Inicialmente foi feita a divulgação sobre as atividades a serem

desenvolvidas nas quatro turmas de Ensino Médio do colégio e posteriormente, foi aberto prazo de inscrição para os alunos. Ao final do período de inscrição quantidade de alunos inscritos era de 16, no entanto, apenas 12 frequentaram as atividades. A faixa etária dos alunos era de 15 a 18 anos. As atividades foram desenvolvidas em período vespertino e participaram quatro alunos do 3º ano, quatro do 2º ano e quatro alunos do 1º ano, todos do período matutino. No início das atividades nenhum dos alunos havia estudado o conteúdo de eletricidade na disciplina de Física sendo que apenas os alunos do 3º ano viriam estudar esse conteúdo durante o período letivo.

Os materiais utilizados foram de fácil acesso ou de baixo custo, sendo a maior parte já disponível no laboratório do Colégio. Os materiais utilizados para as atividade foram: Placas de contato elétrico disponibilizadas no 'kit de instalação elétrica da FUNBEC (Fundação Brasileira para o Desenvolvimento do Ensino de Ciências)' disponível no laboratório; Soquetes utilizados comumente em lâmpadas incandescentes e econômicas (fluorescentes ou de LED); Conectores do tipo banana; Lâmpadas incandescentes que operam em 12 Volts, mas de potências distintas: 25 e 40 Watts; interruptores comumente utilizados em abajures; fios com conectores tipo banana e conectores do tipo boca de jacaré; multímetros digitais; Para fontes de tensão foram utilizadas fontes de computadores do tipo ATX, oriundas de reaproveitamento de lixo eletrônico. Para uso, foram selecionadas as conexões que fornecem tensão de 12 v.

As atividades foram direcionadas à investigação, à construção e ao teste de hipóteses sobre a física de circuitos de corrente contínua. As atividades envolviam situações em que os estudantes, em grupos, foram expostos ao planejamento, construção e manipulação de circuitos elétricos, usando tanto elementos reais quanto simuladores computacionais, visando à construção de conceitos sobre corrente elétrica. As atividades de manipulação (experimental ou de simulação) foram intercaladas com momentos de discussão teórica sobre conceitos de eletricidade. Estes momentos de discussão foram realizados durante as atividades manipulativas, na medida em que os alunos avançavam nas investigações, e tinham como objetivos sistematizar e organizar o conhecimento produzido. A condução das atividades foi guiada pelas etapas de 1 a 6, descritas na seção anterior.

## Resultados e Discussões

Após uma fase de exploração de materiais, nos quais os alunos foram requisitados a ligar uma lâmpada com os materiais disponíveis, partiu-se para a investigação de circuitos mais elaborados com a proposição de circuitos com mais de uma lâmpada. Para este caso, a investigação partiu da seguinte proposta: ' Como poderiam ser feitas as ligações para acender duas lâmpadas ao mesmo tempo? Esquematize suas respostas na forma de desenhos (não se esqueça de observar as características das lâmpadas utilizadas '.

A proposição de desenhos para representação dos circuitos se baseia em Laburu (et al, 2009, p.31) que considera que ' O desenho seria um mecanismo provisório de representação pessoal ou interpessoal, por isso, informal, intuitivo e evidente, para imaginar, de forma figurativa, objetos, fenômenos ou situações empíricas que estão começando a ser aprendidos'

Todos os grupos planejaram seus circuitos utilizando os materiais disponíveis. Durante esta fase observou-se que os estudantes estavam ansiosos para que o circuito planejado funcionasse e, por isso, alguns grupos esboçaram mais de uma proposta, como mostra a Figura 1:

Figura 1 : Esquemas propostos pelos estudantes, grupo 1 (a), grupo 2 (b, c, d) e grupo 3 (e, f) Fonte: Os estudantes participantes das atividades.

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O grupo 1 construiu uma associação de lâmpadas em paralelo (Fig.2(a)). O grupo 2 construiu dois circuitos propondo associações em paralelo (Fig. 2(b, c) e uma associação em série (Fig. 2(d)). O grupo 3 propôs dois circuitos: uma associação em série (Fig. 2(f)), e um circuito proposto que, segundo os estudantes, não funcionou. Em relação ao esquema que não funcionou, Barbosa (et. al, 1999, p.110) o classifica como modelo Bipolar, que 'consta de 02 (dois) fios ligados às extremidades (+) e (-) da pilha, porém, ligados a um "mesmo ponto" da lâmpada ou soquete'. Essa concepção é recorrente entre os estudantes como demonstram outros trabalhos (PACCA, 2003; GRAVINA, 1994; CRESPO, 2012). Como se pode observar no desenho, nesse caso os estudantes tiveram dificuldades em entender que a corrente deveria ser estabelecida em um caminho fechado.

Em relação ao funcionamento dos circuitos, foi solicitado aos alunos que os montassem e tentassem ' explicar por que funciona ou não funciona '. Os grupos 1 e 2 atribuíram o sucesso no funcionamento ao planejamento prévio e às conexões feitas corretamente , o grupo 3 alega que ' A fonte passa energia para placa que passa energia para as 2 lâmpadas e de 'modo externo' a fonte passa energia para o interruptor '. Nessa justificativa percebe-se a dificuldade em explicar o funcionamento de um interruptor. Por outro lado, a noção de um fluxo de energia parece ser estabelecida pelo grupo, porém, segundo a justificativa, o fluxo só existe até a lâmpada, como se o acendimento da lâmpada o extinguisse. Por outro lado, a

observação do desenvolvimento das atividades indica que a grandeza chamada de energia pelos estudantes não é a energia no sentido físico, mas uma palavra utilizada para indicar a passagem de corrente elétrica e, sendo assim, percebe-se uma concepção alternativa na qual o estudante considera que a corrente elétrica é consumida pelo circuito (PACCA, 2003; GRAVINA, 1994; CRESPO, 2012).

Após a fase inicial de exploração de suas próprias propostas de circuitos foi sugerido aos estudantes a montagem de circuitos pré-estabelecidos visando à comparação entre as suas propostas e as do professor. Foram então apresentados os circuitos a seguir, formados por lâmpadas, interruptores e uma fonte de tensão:

Figura 2: Circuitos propostos pelo professor.

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Fonte: Os autores, 2015

A questão apresentada aos estudantes foi: ' Observe os circuitos da figura e veja se na atividade anterior ( em que os estudantes fizeram suas propostas) foram montados circuitos similares. Anote os aspectos que vocês consideram relevantes'. As observações elencadas pelos estudantes são mostradas na tabela 1.

Tabela 1: Aspectos relevantes nos circuitos avaliados descritos pelos alunos na comparação de propostas de circuitos.

A ideia de corrente elétrica está presente nas observações de todos os grupos, que por diversas vezes ressaltavam o 'trânsito' dos elétrons em suas explicações. Todos os grupos reconheceram o primeiro circuito de atividades anteriores e que no segundo circuito (resistores em série) havia uma característica peculiar em relação aos interruptores: o fato de desligar um deles desligava as duas lâmpadas. Nas observações do Grupo 3 para o circuito 4, pode-se observar o uso das palavras série e paralelo, que indica a identificação dos tipos de ligação pelo grupo. Outros aspectos relevantes para o entendimento das associações de resistores também emergiram nessa etapa, o que incentivou a condução da discussão desses mesmos circuitos através da utilização do simulador 'Kit de construção de circuito (AC+DC)' disponível no PhET, disponibilizado gratuitamente através do endereço: http://phet.colorado.edu/index.php . A condução das atividades no simulador favoreceu a visualização de aspectos físicos como a corrente elétrica através da representação do fluxo de elétrons, além de oportunizar a utilização de instrumentos de medidas virtuais como o voltímetro e o amperímetro, instrumentos esses que posteriormente seriam utilizados em atividades práticas de laboratório.

Após o uso das simulações e as discussões conceituais, os estudantes retornaram ao laboratório para construir novamente os circuitos, porém realizando medidas de corrente e tensão utilizando o multímetro. As seguintes questões, dentre outras, foram propostas: '1- O que ocorre quando nos soquetes são colocadas lâmpadas de potências diferentes com relação à tensão, corrente elétrica e brilho? 2-Como você poderia relacionar as tensões elétricas em cada lâmpada com a tensão da bateria?' As observações de cada grupo para estas questões são apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2: Respostas dos estudantes sobre os circuitos.

Fonte: Os autores, 2015.

As respostas demonstram a aquisição de conceitos e a formulação sistematizada a partir da manipulação dos circuitos. Em relação a analise qualitativa da corrente elétrica e tensão nos diferentes circuitos os grupos observaram e registraram as principais diferenças das associações em série e paralelo. Em relação ao circuito composto de associações mistas, pode-se perceber que os estudantes entendem a questão da divisão de corrente quando há uma ramificação do circuito, como foi descrito pelo grupo 2 ao referir-se à bifurcação e à consequente divisão da corrente.

## Considerações Finais

A análise da reação dos estudantes mostra que concepções alternativas sobre eletricidade estão presentes e que elas são difíceis de serem desconstruídas. A ação didática em laboratório aberto mostra que os alunos realizam as atividades com entusiasmo e motivação quando manipulam elementos reais e quando os princípios científicos são relacionados às suas experiências cotidianas. Também se observa a ansiedade que os estudantes têm em dar uma resposta considerada certa de maneira rápida, muitas vezes saltando etapas importantes para a construção

significativa de conceitos. Isso fica evidenciado, por exemplo, no momento da elaboração do plano de trabalho em que os grupos fizeram várias propostas como se assim fossem garantir com que uma delas fosse funcional. A simulação em ambiente virtual, associado às manipulações de objetos reais, revelou-se uma ferramenta importante na construção de conceitos pois, o modo como ilustra os elétrons como pequenas partículas em trânsito e suas diferentes rotas parece ter dado significado à formulação do conceito de corrente elétrica. Neste caso, a combinação de atividades práticas com o laboratório de informática potencializou a investigação conduzida no laboratório de ciências.

## Referências

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CRESPO, Miguel Ángel Gómez; POZO, Juan Ignacio. A Aprendizagem e o Ensino de Ciências: do Conhecimento Cotidiano ao Conhecimento Científico. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

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