Investigação das concepções prévias em conteúdos de mecânica dos alunos ingressantes dos cursos de graduação em Física

## Investigação das concepções prévias em conteúdos de mecânica dos alunos ingressantes dos cursos de graduação em Física

## Monique França e Silva , Ricardo Kagimura 2 1 2

1 Instituto de Física/ Universidade Federal de Uberlândia - UFU, franca\_monique@outlook.com 2 Instituto de Física/ Universidade Federal de Uberlândia - UFU , kagimura@ufu.br

## Resumo

O presente trabalho tem o objetivo de averiguar as concepções prévias em conteúdos de mecânica dos alunos ingressantes dos cursos de graduação em Física Médica, Física de Materiais e Licenciatura em Física da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), utilizando o teste padronizado Force Concept Inventory (FCI) O teste foi aplicado a . 110 estudantes e uma análise quantitativa dos resultados foi realizada. O teste FCI tem sido aplicado em muitas instituições de ensino e foi desenvolvido com o intuito de verificar e avaliar a compreensão de conceitos relacionados à mecânica newtoniana (Hestenes et al.). Os resultados obtidos mostram que a maior parte dos alunos ingressantes dos cursos de graduação em Física possuem diversas concepções alternativas sobre os conceitos de cinemática e dinâmica. Observa-se que 96% dos estudantes apresentam ou algumas das concepções aristotélicas ou de senso comum cientificamente errôneas a respeito do movimento dos objetos. Nota-se também que cerca de 60% dos alunos obtiveram menos de 30% de acertos, indicando que possuem pouca compreensão dos conceitos da Mecânica Newtoniana. Essa dificuldade conceitual pode ser uma das possíveis razões para o alto índice de retenção observado nos últimos anos na disciplina que envolve esses conteúdos. O conhecimento dessas dificuldades podem nortear os professores na busca por estratégias mais eficientes que auxiliem os alunos a superarem essas concepções alternativas.

Palavras-chave : concepções alternativas, Mecânica Newtoniana, FCI.

## Introdução

Há muito tempo é sabido que, aquilo que o aluno já sabe é o fator isolado mais importante e influente na aprendizagem subsequente (AUSUBEL, 1980). O aquilo se refere às concepções alternativas e ao conhecimento científico do aluno, representando os seus conhecimentos sobre um determinado assunto. As concepções alternativas dos alunos são temas de estudo e investigação de muitos educadores, que visam compreender o proc referentes aos conceitos científicos trabalhados no ambiente escolar.

Contudo as concepções alternativas são definições ou conceitos incoerentes às compreensões científicas ensinadas no âmbito escolar. Segundo Bucussi (2006)

As concepções alternativas caracterizam-se por serem superficiais e coerentes com o ponto de vista do estudante, explicando, equivocadamente, situações do dia-a-dia ou questões colocadas pela educação formal. Também são resistentes à mudança, manifestando-se mesmo após o ensino formal, revelando-se como estruturas conceituais que não estão isoladas e que podem estar explícitas ou implícitas para os estudantes. (BUCUSSI 2006, pg.18)

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Seguindo essa linha de pensamento de Bucussi(2006), acredita-se que as concepções alternativas entram em conflito com os conceitos e formulações científicas ensinadas para os alunos, em diferentes estágios de educação. Esses conflitos de definições são uma das barreiras no processo de ensino - aprendizagem dos alunos, principalmente no ensino de Física, uma vez que as raízes epistemológicas dos conceitos científicos acabam por ceder seu espaço às concepções alternativas sempre presentes no indivíduo, com origem já a partir de suas primeiras interações com o meio ambiente (PIAGET,1987).

Consequentemente, Peduzzi (2001) estabelece que os conceitos científicos sejam incorporados e trabalhados nas aulas, enquanto os professores devem preocupar-se em investigar os conhecimentos prévios e propiciar dinâmicas que possibilitem a mudança conceitual dos mesmos. Porém, muitos alunos não conseguem assimilar ou reconhecer o conceito científico das suas compreensões prévias errôneas sobre um determinado assunto, o que dificulta o processo de mudança conceitual.

Em linha com os parágrafos anteriores, Halloun e Hestenes (1985) supõem que os estudantes quando entram na graduação, mesmo nos cursos de Ciências, Engenharias e Matemática, possuem um sistema de crenças e intuições sobre fenômenos físicos derivados de sua extensiva experiência pessoal, ou seja, as suas concepções alternativas.

Para Moreira (2006), averiguar o quê o estudante já sabe não é uma tarefa simples, pois caracteriza revelar os conceitos, ideias na mente do indivíduo e sua organização cognitiva, algo que, dificilmente, se consegue executar por meio de testes que estimulam a memorização. Por outro lado, o teste Force Concept Inventory (Hestenes, Swackhammer et al.1992) é uma boa estratégia como teste diagnóstico de concepções alternativas, pois não estimula a memorização e formulações matemáticas, e sim a aplicação de conceitos, leis e princípios científicas a situações reais.

O teste FCI foi desenvolvido por Hestenes, Wells e Swackhammer, com o intuito de averiguar e avaliar as compreensões dos conceitos newtonianos dos estudantes de Ciências, Engenharia e Matemática (Hestenes, Swackhammer et al.1992). Este teste contém 30 questões de múltipla escolha, com 5 alternativas para cada questão, onde há uma única alternativa correta e um conjunto de distratores ou respostas de senso comum cientificamente errôneas, que nos dará informações sobre as concepções alternativas dos alunos. O teste FCI aborda os conceitos de Cinemática, das três Leis de Newton e dos tipos de força, e tem sido aplicado em diferentes níveis de educação (HALLOUN e HESTNES, 1985). Além disso, este teste já foi amplamente aplicado em diversas instituições de ensino e seus resultados em pesquisas de ensino de Física foram reportados na literatura, sendo considerado um bom instrumento para averiguar as concepções alternativas e o desempenho dos alunos (Piekarz, Serbena et al.2003). Nesse estudo utilizamos a versão do teste FCI gentilmente cedida pela Professora Simone Aparecida Fernandes da Universidade Federal do Espírito Santo.

Motivado pelo exposto acima, esse trabalho tem o intuito de investigar as concepções alternativas, referente aos conceitos da mecânica newtoniana apresentados pelos alunos ingressantes dos cursos de graduação em Física da Universidade Federal de Uberlândia, por meio da aplicação do teste padronizado

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Force Concept Inventory (FCI). Adicionalmente, visto que há uma elevada taxa de retenção na disciplina de Fundamentos de Mecânica para os cursos de Física, os resultados deste trabalho nos darão informações que poderão ajudar no entendimento dessa elevada retenção escolar e auxiliar os professores a encontrarem novas estratégias de ensino que proporcionem aos alunos a superação de suas dificuldades conceituais nesses conteúdos.

## Metodologia

A presente pesquisa iniciou-se com a aplicação do teste padronizado FCI para 110 ingressantes no ano de 2016, nos cursos Física Licenciatura, Física de Materiais e Física Médica ofertados pelo Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia. Como os três cursos possuem baixa concorrência, optamos por fazer uma análise conjunta de todos os ingressantes. Para atingir o objetivo de verificar as concepções alternativas dos alunos em conteúdos da mecânica newtoniana, o teste FCI foi aplicado nas primeiras semanas de aula dos alunos ingressantes dos referidos cursos, sendo que cada aluno teve 35 minutos para executar o teste, sem nenhuma orientação ou ajuda sobre o conteúdo presente no mesmo. Vale ressaltar que apenas 2 alunos não fizeram o teste completamente. Para questões com 2 ou mais (nenhuma) alternativas marcadas, considerou-se a resposta do aluno como 'nulo' ('branco'). Observa-se que menos de 2% do total de questões analisadas foram desconsideradas, pois os estudantes assinalaram mais de uma alternativa. Desta forma, as questões deixadas em branco e anuladas não devem interferir nas conclusões desse trabalho e nem na elaboração do Histograma (figura 01).

Para a análise e coleta de dados, foi realizado o levantamento da porcentagem de alunos que marcaram uma determinada alternativa (A, B, C, D, E ou nulo/branco) de uma dada questão (01 a 30). Repetindo-se esse procedimento para todas as alternativas de todas as questões, construiu-se uma tabela auxiliar (não mostrada) com essas porcentagens. A seguir, as concepções alternativas foram classificadas em 7 grupos (mostrados na Tabela 01): cinemática, primeira lei de Newton, segunda lei de Newton, terceira lei de Newton, força da gravidade, resistência e outras influências no movimento, como realizado na pesquisa de (HALLOUN e HESTNES, 1985). Para cada um dos grupos citados, separou-se as alternativas referentes a cada concepção alternativa, por exemplo, as alternativas 19B, 19C e 19D referem-se ao não discernimento entre posição e velocidade. Dessa forma, calculou-se a porcentagem total de alunos para cada concepção alternativa. Os resultados estão mostrados na Tabela 01.

## FCI e as Concepções Alternativas

A Figura 01 mostra o histograma obtido com base nos resultados do teste FCI para uma amostra de 108 alunos.

Nota-se que mais de 60% dos alunos acertaram até 30% (9 acertos) do teste. Esse resultado indica que a maioria dos alunos apresentam dificuldade conceitual nos conteúdos de cinemática e dinâmica abordados no teste. Vale mencionar que, apenas 10% dos alunos acertaram mais de 50% do teste. Assim, um dos prováveis motivos dos altos índices de retenção observados na disciplina de Fundamentos de

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Mecânica nos últimos anos pode estar relacionado à baixa compreensão conceitual dos estudantes e a dificuldade em superá-los.

Figura 01: Histograma do número de alunos em função do número de acertos no teste FCI

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Hake (1998) relata que um estudante com acerto superior a 60% do teste (18 acertos) deve possuir um bom conhecimento conceitual nos conteúdos abordados no teste. Isso sugere que apenas 4% do grupo investigado enquadra nessa classificação. Vale ressaltar que o conteúdo do teste são, a princípio, trabalhados no ensino médio. Também foi feito um histograma para cada curso separadamente (não mostrados), onde os histogramas dos 3 cursos seguem a mesma tendência observada no histograma da Figura 01. Os três cursos apresentaram: i) pelo menos 1 estudante com pontuação superior a 60%, ii) a grande maioria (60%) ficaram com pontuações abaixo de 30%, e iii) os picos observados nos histogramas dos cursos também são similares (ou bem próximo) aos do histograma geral. Assim, pode-se concluir que os 3 cursos investigados tem um perfil semelhante em relação a dificuldades conceituais de cinemática e dinâmica, como havíamos suposto inicialmente. Motivados por esses resultados e para uma melhor compreensão das dificuldades dos estudantes, foi realizada uma análise mais detalhada das dificuldades conceituais mais comuns.

A Tabela 01 apresenta a divisão de questão/alternativa do teste FCI por conteúdos de cinemática, í mpetus , força ativa, par de ação/reação e dentre outros, junto com as concepções alternativas envolvidas, baseados na pesquisa de (HALLOUN e HESTNES, 1985). Também é apresentada a porcentagem de alunos que apresentam cada uma das concepções errôneas. Como as alternativas de uma mesma questão podem estar ligadas a diferentes concepções alternativas, as porcentagens indicadas na Tabela 01 nos indicam um limite inferior.

Tabela 01: Concepções alternativas

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No conteúdo de Cinemática, percebe-se pela tabela 01, que os alunos ingressantes possuem dificuldade em definir claramente os conceitos de posição, velocidade e aceleração, apresentando assim uma visão das concepções aristotélicas dos corpos em movimentos. Nota-se que 51% dos alunos tem dificuldades em discernir posição e velocidade, enquanto 42% não sabem diferenciar os conceitos de velocidade e aceleração, e cerca de 62% dos alunos não conseguem descrever corretamento a trajetória do movimento de um projétil.

Nas alternativas que abordam a primeira lei de Newton foi possível perceber que pelo menos 78% dos alunos acreditam que 'para haver movimento é necessária uma força na mesma direção do movimento', o que significa que estes alunos não possui clareza sobre a 1°lei de Newton, que é descrita por ' todo corpo permanece em seu estado de repouso ou movimento uniforme em linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas nele' (SANTOS 2002, p. 106). Além disso, este conceito intuitivo está de acordo com as ideias de Aristóteles, ao supor que na ausência de qualquer força, um objeto entraria imediatamente em repouso (Lochhead e Dufresne, 1989). Também, viu-se que 67% dos alunos tem o conceito de 'dissipação do ímpetus inicial', outro conceito aristotélico. O ímpetus, segundo Viennot (1979), seria uma 'força intrínseca' que um objeto colocado em movimento adquire, que inicialmente serve para manter seu movimento, mas se dissipa ao longo do tempo.

A 2°lei de Newton é enunciada como: 'a mudança do movimento é proporcional à força resultante impressa, e se faz segundo a linha reta pela qual se imprime esta força' (SANTOS 2002, p. 106), o que significa que a força resultante é proporcional a aceleração do objeto. Porém, na Tabela 01, nota-se que 28% dos ingressantes apresentam a concepção alternativa de que 'a velocidade é proporcional a força', assim como Aristóteles, segundo Santos(2002). Além disso, este conceito intuitivo se relaciona com a dificuldade de diferenciar velocidade de aceleração. Também, percebe-se que 73% dos alunos acreditam que o 'movimento de um corpo é sempre resultado de uma força a resultante'.

Quanto às questões sobre a terceira lei de Newton, sobre o par de ação e reação, percebe-se que os ingressantes não compreendem que a força de ação tem a mesma intensidade e sentido oposto ao da força de reação, ou seja, que 'uma ação sempre se opõe a uma reação igual, ou seja, as ações de dois corpos, um sobre o outro, são iguais e se dirigem a partes contrárias' (SANTOS 2002, p. 106). Desta maneira, na tabela 01, nota-se a concepção alternativa dos alunos de que '' objeto de maior massa possui uma força maior (ação) em relação a (reação) do corpo de menor massa'', sendo apresentadas por 54% do grupo investigado, enquanto 46% dos ingressantes acreditam que 'O objeto em movimento em contato com outro objeto parado, produz a maior força'.

Em relação aos tipos de forças, observa-se que 71% do grupo investigado possui o conceito intuitivo de que 'Só existe movimento quando a força supera a

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resistência'. Nota-se também, na Tabela 01, que 43% dos alunos apresentam a concepções alternativa que 'a aceleração da gravidade aumenta enquanto o objeto cai', em vez de ter a clareza que a aceleração da gravidade é considerada constante para objetos próximos à Terra. Nota-se, também que 41% dos ingressantes apresentam a mesma ideia de Aristóteles, de que os 'objetos pesados caem mais rápido do que objetos mais leves'. Aristóteles defendia que se dois corpos de diferentes elementos naturais e assim compostos por massa diferenciada, fossem abondados a uma determinada altura e ao mesmo tempo, aquele que possuir maior massa tende a chegar primeiro no solo, em relação ao outro corpo de menor massa. Segundo Rocha (2002), Aristóteles acreditava que o corpo composto por mais massa (elemento terra) necessitava encontrar o seu estado natural (Terra) comum a maior rapidez.

## Considerações finais

Nesse trabalho foi possível perceber o nível de compreensão de conceitos da mecânica newtoniana e as concepções alternativas dos alunos dos cursos de graduação em Física da UFU, por meio do teste padronizado FCI. Nota-se que muitos conceitos intuitivos dos alunos apresentam a mesma dinâmica das ideias de Aristóteles sobre o movimento dos objetos. Além disso, de acordo com Hake (1998), percebe-se que apenas 4% dos 108 alunos investigados apresentam boa compreensão sobre os conceitos da Mecânica Newtoniana, por atingirem 60% de acertos no teste FCI.

De maneira geral, os estudantes trazem consigo diversas confusões conceituais sobre conteúdo de cinemática e dinâmica que devem ser trabalhadas ao longo do curso, de forma que os alunos possam compreender os conceitos da Mecânica Newtoniana. Com esse trabalho, percebe-se que o professor deve trabalhar os conceitos de posição, velocidade, aceleração, descrição das trajetórias dos corpos, as leis de newton e os tipos de forças, atentando-se pelas concepções alternativas dos alunos.

Por fim, este trabalho mostra a importância dos docentes universitários reverem sua prática docente, procurando investigar no início do semestre os conhecimentos prévios acerca do conteúdo a ser trabalhado. Para isso é necessário que seja realizada uma reflexão sobre as opções metodológicas e a busca por aquelas que tornem o estudante ativo no processo de ensino-aprendizagem é desejável. Aulas dialogadas são fundamentais para a investigação das concepções alternativas dos estudantes.

## Referências

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