ESTUDO DAS PRINCIPAIS DIFICULDADES DOS ALUNOS EM UM LABORATÓRIO INVESTIGATIVO DE ELETRICIDADE

## ESTUDO DAS PRINCIPAIS DIFICULDADES DOS ALUNOS EM UM LABORATÓRIO INVESTIGATIVO DE ELETRICIDADE

*Victor Travagin Sanches , Gláucia G. G. Costa , Jéssica F. M. dos 1 2 Santos 3 , Tomaz Catunda 4

1 Universidade Federal de São Carlos/Centro de Educação e Ciências Humanas, victortravagin@gmail.com

## Resumo

Este trabalho descreve os resultados de análises realizadas a partir dos prée pós-testes aplicados a seis turmas, envolvendo 740 estudantes universitários, da disciplina laboratório de Física Geral - Eletricidade e Magnetismo. Estes testes constaram de duas partes. Uma em que se tinha uma questão dissertativa, adaptada de McDermott (1991), e que já é aplicada, em nossa instituição há mais de 10 anos. Inicialmente ela nos mostrou que ~13% dos estudantes eram capazes de respondê-la corretamente, e foi a partir deste dado que começamos a reestruturação dos roteiros experimentais de nosso laboratório. Adotamos novas atividades baseadas em investigação em que os alunos devem: fazer previsões, discutir com seus pares, fazer o experimento e observações e, se necessário, repensar sobre suas previsões. Para avaliarmos a evolução dos estudantes, aplicamos a questão dissertativa como pré- e pós-teste, e também o teste de múltipla escolha DIRECT - Determining and Interpreting Resistive Electric Circuit Concepts Test (ENGELHARDT, BEICHNER, 2004). Notamos que a taxa de acerto da questão dissertativa aumentou de ~13% para ~47% e o DIRECT nos permitiu detectar mais especificamente quais eram principais dificuldades conceituais dos estudantes. A partir destes resultados pudemos inserir novos experimentos na apostila, além de verificar que os estudantes têm demonstrado um maior engajamento no curso, apresentando resultados mais positivos na execução das atividades. Mais recentemente, temos realizado gravações em áudio e vídeo das aulas, a partir das quais temos verificado nossos resultados além de estarmos analisando as aulas como um ambiente favorável para o desenvolvimento do pensamento científico dos estudantes.

Palavras-chave : Laboratório Investigativo, Ensino Superior, Circuitos Elétricos.

## Introdução

Há uma vasta literatura no tocante a circuitos elétricos (corrente contínua) que trata das principais dificuldades encontradas pelos estudantes, em diversos países (McDERMOTT; SHAFFER, 1992; PLANINIC, 2006; ENGELHARDT, BEICHNER, 2004; ROSS, VENUGOPAL, 2007). Em nossa instituição, temos realizado pesquisas ao longo dos anos (COSTA, CATUNDA, 2008; SANTOS, COSTA, CATUNDA, 2013; SANCHES et al , 2016) com alunos . de vários cursos de ensino superior (modalidades de engenharia, bacharelados em química, física e computação, entre outros). Os resultados encontrados por

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nós foram parecidos com os encontrados em outros países, mostrando que os estudantes possuem dificuldades semelhantes, mesmo em contextos diferentes.

O contexto analisado se deu nas aulas de laboratório de eletricidade e magnetismo, oferecidas a alunos de segundo ano de graduação. O curso de laboratório foi construído sob uma perspectiva investigativa em que o aluno tem um papel fundamental no desenvolvimento de sua aprendizagem, pois é exigido dele uma postura ativa. Em trabalhos anteriores (COSTA, CATUNDA, 2008; SANTOS, COSTA, CATUNDA, 2013; SANCHES et al., 2016), pudemos notar que o desempenho dos alunos após a instrução do laboratório se mostrou satisfatória, havendo maior engajamento ativo dos alunos, se comparado a aulas que não utilizavam esta metodologia. O material do laboratório foi desenvolvido baseado nos Tutoriais em Física Introdutória (MCDERMOTT, SHAFFER, 2002) e diversas práticas foram construídas em uma perspectiva PODS, predizer-observar-discutir-sintetizar (SOKOLOFF, 2006), ou POE - predizer-observar-explicar (CARVALHO, 2010).

Para identificarmos os conhecimentos dos estudantes, aplicamos uma questão dissertativa, como pré- e/ou pós-teste sobre Circuitos Elétricos, adaptada de McDermott (1991). A partir de 2013, também temos aplicado o teste de múltipla escolha, DIRECT - Determining and Interpreting Resistive Electric Circuit Concepts Test (ENGELHARDT, BEICHNER, 2004), versão 1.2 (REDISH, 2003), que possui 29 questões de múltipla escolha, das quais utilizamos 28 delas. Através da questão dissertativa, pudemos verificar que houve um maior engajamento dos alunos no curso de laboratório e do DIRECT pudemos identificar os pontos específicos que os estudantes tinham dificuldades.

Neste trabalho, analisamos os resultados obtidos nos pré- e pós-testes dos alunos, tanto do DIRECT quanto da resposta da questão dissertativa e observamos que algumas dificuldades persistem, concordando com o encontrado na literatura. Na tentativa de sanar essas dificuldades, estamos propondo reformulações em algumas atividades experimentais.

## Metodologia

## População

A população em estudo, observada ao longo de 6 semestres, é constituída de 740 estudantes de segundo ano dos cursos de bacharelado em física, bacharelado em química e algumas engenharias.

## Testes Avaliativos

Para analisarmos o conhecimento conceitual e a evolução de nossos estudantes após passarem pelos roteiros investigativos, bem como as dificuldades que ainda persistiam, aplicamos a mesma avaliação como préteste na primeira aula e como pós-teste no final do curso, com intervalo de ~5 meses.

A avaliação era dividida em duas partes, as quais discutiremos a seguir.

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Uma das partes era composta de uma questão dissertativa e qualitativa, a qual solicitava que estudantes ordenassem de forma crescente a luminosidade de lâmpadas em circuitos elétricos simples (com associações de lâmpadas em série, paralelo e mistas). Esta questão nos permitiu verificar o grau de engajamento das turmas, o que foi feito através da análise do cálculo do ganho normalizado (também chamado de coeficiente g ), proposto por Hake (1998). Segundo ele, o g fornece uma medida da eficácia na promoção do entendimento conceitual. Hake definiu que esta medida poderia ser dada através do ganho, normalizado pelo ganho máximo possível, ou seja,

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onde Si e Sf são as pontuações iniciais e finais, ambas expressas em porcentagem.

Em sua análise, classificou as turmas como: tradicional (g ≤ 0,3), engajamento interativo (0,3&lt;g&lt;0,7) e alto engajamento interativo (g ≥ 0,7). No nosso curso obtivemos um gmédio = 0,37 (com Si=0,15 e Sf=0,47).

A outra parte era composta por 28 das 29 questões de múltipla escolha do DIRECT (ENGELHARDT, BEICHNER, 2004). O teste foi construído por Engelhardt de modo que as questões podem ser agrupadas em 11 objetivos, que tratam sobre conceitos relacionados a circuitos elétricos, como: corrente, tensão, resistência, etc.. A análise das questões do DIRECT nos permitiu identificar dificuldades específicas que persistiam nos estudantes, mesmo após o curso de laboratório.

Figura 01: Caso genérico da comparação das respostas dos alunos nos pré- e póstestes de uma das turmas (2016)

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Para cada turma construímos um gráfico (Fig. 01), nos quais encontramos resultados similares, de onde concluímos que houve um ganho na aprendizagem, de um modo geral.

No entanto, ao analisarmos questão por questão, observamos que alguns objetivos não foram alcançados, mesmo após passarem pelos roteiros

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investigativos. Em algumas questões, os estudantes não atingiram uma média de acerto maior que 50%, mesmo no pós-teste. Foi o caso das questões: 01, 02, 11, 12, 23, 27 e 28. Para uma melhor interpretação destas questões, as agrupamos de acordo com os conceitos físicos, apresentados a seguir:

As questões 1 e 11 tratam de aspectos microscópicos relativos à corrente elétrica, através do uso de termos como campo elétrico, potencial, etc. Elas não serão discutidas visto que este tópico não é tratado na disciplina.

As questões 2 e 12 estão associadas ao objetivo que propõe aplicar o conceito de potência. Na questão 2 (Fig.02), nos causou estranheza o baixo número de acerto por ser um circuito simples, comumente estudado tanto no ensino médio, quanto no laboratório, o que evidencia uma dificuldade conceitual dos alunos neste tópico. No pré-teste, a alternativa assinalada pela maioria (~40%) afirmava que a potência seria reduzida à metade, similar ao resultado obtido por Engelhardt e Beichner (2004). Isto nos leva a crer que os estudantes conseguem observar que, quando se tem um circuito em série, a tensão é dividida entre as resistências que o compõe, mas conservam a concepção que a bateria é uma fonte de corrente constante. No pós-teste, a maioria deles (~33%) assinalou a alternativa correta, que afirmava ser a potência reduzida a um quarto.

Figura 02: Questão 02 do DIRECT

- 2) Quando o resistor B é adicionado ao circuito 1
- (vide Fig.2), a potência liberada pelo resistor A :
- (A) Quadruplica
- (B) Duplica
- (C) Permanece a mesma
- (D) É reduzida à metade
- (E) É reduzida a um quarto (1/4)

Figura 03: Questão 12 do DIRECT

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Na questão 12 (Fig.03), a maioria (~44%) dos estudantes assinalou as alternativas A e B, sendo D a alternativa correta. Na última versão do roteiro incluímos um experimento sobre a tensão em baterias em série e paralelo e o que melhorou significativamente o acerto desta questão no pós-teste.

12) Considere a potência liberada para cada um dos resistores mostrados nos circuitos ao lado. Qual (is) circuito (os) tem a MENOR potência liberada?

(A) Circuito 1; (B) Circuito 2;

(C) Circuito 3; (D) Circuito 1 = Circuito 2;

- (E) Circuito 1 = Circuito 3

Em relação à questão 23 (Fig. 4) a maioria dos estudantes assinalou a alternativa que afirmava (A), tal com obsevou Engelhardt. Esta resposta nos revela que os estudantes possuem a concepção equivocada de relação causal entre corrente e tensão, entendendo que um aumento de corrente seria a causa de um aumento de tensão, da mesma maneira que um aumento de tensão seria a causa de um aumento de corrente.

As respostas do pós-teste não foram muito diferentes, nos indicando que ainda necessitamos propor atividades que auxiliem na aprendizagem dos

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estudantes e que consigam transformar suas concepções espontâneas que não concordam com as ideias propostas.

## Figura 04: Questão 23 do DIRECT

- 23) Se você dobra a corrente fornecida pela bateria, a diferença de potencial dobra?
- (A) Sim, porque a Lei de Ohm diz que V = IR .
- (B) Sim, porque quando você aumenta a resistência, você aumenta a diferença de potencial.
- (C) Não, porque quando você dobra a corrente, você reduz a diferença de potencial pela metade.
- (D) Não, porque a diferença de potencial é uma propriedade da bateria.
- (E) Não, porque a diferença de potencial é uma propriedade de alguma coisa no circuito.

As respostas do pós-teste não foram muito diferentes, nos indicando que ainda necessitamos propor atividades que auxiliem na aprendizagem dos estudantes e que consigam transformar suas concepções espontâneas que não concordam com as ideias propostas.

Para a questão 27 (Fig. 05), no pré-teste, a maioria dos estudantes assinalou a alternativa (A), bem como no pós-teste. Desta forma parece-nos que, ao analisarem a questão, fizeram uso da concepção equivocada de que, se não existe corrente em alguma parte do circuito, não existirá diferença de potencial, dando indícios de que as duas sempre ocorrem juntas.

## Figura 05: Questão 27 do DIRECT

- 27) Qual é a diferença de potencial entre os pontos A e B ?

(A) 0 V; (B) 3 V;

(C) 6 V; (D) 12 V;

- (E) Nenhuma das acima.

Figura 06: Questão 28 do DIRECT

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Os alunos do bacharelado em Física assinalaram majoritariamente alternativa C, nos levando a crer que utilizaram as regras para circuitos em série, onde a diferença de potencial deve ser dividida entre os elementos do circuito. De qualquer forma, mostram não ter compreendido o conceito de potencial elétrico em um circuito e como as ddps são afetadas quando o circuito é aberto. Assim, este é outro tópico que deveremos reformular as atividades investigativas para que os nossos estudantes consigam alcançar os objetivos propostos.

Na questão 28 (Fig. 06) nossos resultados no pré-teste também concordaram com os de Engelhardt. Para que os estudantes respondam corretamente à questão, devem entender que, ao adicionar resistores em paralelo, a resistência total do circuito irá diminuir e a corrente aumentará. Assim, a lâmpada A brilhará mais e a lâmpada B diminuirá sua intensidade, pois mesmo a corrente tendo sido aumentada no circuito, ela será dividida com a lâmpada C, recebendo menos corrente do que quando estava sozinha.

- 28) O que acontece ao brilho das lâmpadas A e B quando a chave é fechada?
- (A) A permanece o mesmo e B diminui.
- (B) A brilha mais intensamente e B diminui.
- (C) A e B aumentam
- (D) A e B diminuem

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- (E) A e B permanecem os mesmos

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Mais de 40% dos estudantes responderam a alternativa A (no préteste), logo, devem ter assumido a concepção de que a bateria é uma fonte de corrente constante ou utilizaram um raciocínio local, supondo que a lâmpada A não se afeta porque a mudança no circuito ocorre 'após' ela.

Depois de passarem pelo experimento investigativo proposto no roteiro (exatamente a mesma questão) 49% dos estudantes acertaram a questão, escolhendo a alternativa (B). Entretanto, 27% continuaram assinalando a alternativa (A).

## Considerações finais.

Após a análise dos resultados dos testes aplicados nas seis turmas (antes e após a disciplina), bem como das falas que observamos durante as aulas, notamos que experimentos de laboratório baseados em investigação são mais favoráveis ao engajamento dos estudantes nas atividades e discussões. Com os experimentos investigativos (particularmente com as estratégias POE ou PODS) os estudantes são incentivados a rever suas concepções e assim transporem os padrões de pensamento concreto para formal ou abstrato, sendo capazes de modificar suas concepções, agregando novas informações embasadas em observações, novas hipóteses e experimentos.

Em seu trabalho, o objetivo de Engelhardt era construir um questionário (DIRECT) que fosse capaz de medir o nível de entendimento conceitual dos alunos sobre o tema circuitos elétricos. Neste trabalho, utilizamos o DIRECT para avaliar a aprendizagem dos estudantes. Os resultados obtidos no préteste são similares aos observados por Engelhardt, no entanto, comparando os resultados dos pré e pós-testes, pudemos identificar o efeito do material didático na aprendizagem conceitual dos estudantes.

A reformulação de materiais experimentais é uma tarefa contínua e novas modificações devem ser introduzidas à medida que novas dificuldades são observadas. Estas modificações nos permitem fazer constantes proposições de questões durante o curso, auxiliando os estudantes a sanarem muitas das concepções conceituais equivocadas ainda persistentes. O DIRECT se mostrou útil para identificar dificuldades específicas dos estudantes, principalmente as que persistiam no pós-teste. Desta maneira, a pesquisa através do DIRECT é usada para aprimoramento do material didático num ciclo iterativo ( feedback ) em que a pesquisa influencia o currículo e vice-versa.

Por notarmos que o laboratório permite o desenvolvimento de habilidades de pensamento científico, realizamos gravações de áudio e vídeo de alguns grupos de estudantes para aferir esse potencial das aulas. Resultados preliminares nos mostraram que os alunos fazem questionamentos (guiados ou não pelos roteiros) semelhantes aos que são realizados em ambientes de pesquisa científica. Além disso, utilizam argumentos estruturados a partir de observações ou sequências lógicas para sustentarem suas teorias.

## Referências

CARVALHO, A.M.P. As práticas experimentais no ensino de Física. In: CARVALHO, A.M.P.(coord.) Ensino de Física , São Paulo: Cengage Learning, 2010. 158p. Coleção Ideias em Ação. Vários Autores.

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McDERMOTT, L.C.; SHAFFER, P.S. Research as a guide to curriculum development: an example from introductory electricity. Part I: investigation of student understanding, Am. J. Phys. , v.60, n.11, p.994-1003, Nov 1992.

MCDERMOTT, L.C.; SHAFFER, P.S. Tutorials in Introductory Physics. New Jersey: Prentice-Hall, 2002.

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SANTOS, J.F.M.; COSTA, G.G.G.; CATUNDA, T.; Análise da inserção de atividades investigativas nas aulas experimentais em um curso de eletricidade e magnetismo no ensino superior. . In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 20, 2013, São Paulo. Resumos... São Paulo, 2013.

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