HISTÓRIA DA CIÊNCIA E SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL: SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS DE EXPERIMENTOS HISTÓRICOS NO ENSINO DE FÍSICA

## EXPERIMENTOS HISTÓRICOS NO ENSINO DE FÍSICA: REVISÃO SISTEMÁTICA DE PUBLICAÇÕES CIENTÍFICAS

## Márcia da Costa , Irinéa de Lourdes Batista 1 2

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Universidade Estadual de Londrina/PPGECEM/ marciarscosta@hotmail.com 2 Universidade Estadual de Londrina/PPGECEM/ irinea2009@gmail.com

## Resumo

Dentre as diferentes estratégias para trabalhar com História da Ciência em sala de aula, destaca-se nesse trabalho a utilização de experimentos históricos em sala de aula, em especial a simulação computacional de experimentos históricos no Ensino de Física. As abordagens histórico-filosóficas são amplamente incentivadas, pela literatura, no ensino de ciências, pois elas podem tornar as aulas mais desafiadoras e reflexivas, além da possibilidade de promover um entendimento satisfatório da natureza do conhecimento científico. Além disso, as simulações computacionais têm contribuído para a representação e visualização de diversos fenômenos físicos, inclusive aqueles que são inviáveis de serem realizados em um laboratório didático. Assim, espera-se que a simulação de experimentos históricos possa promover um ensino interativo e desafiador. Esse trabalho apresenta uma revisão sistemática de publicações científicas a respeito de experimentos históricos e simulações computacionais de experimentos históricos no Ensino de Física. Tem objetivo de apresentar um panorama geral e atual em relação ao assunto. Pôde-se perceber que há um escasso número de publicações a respeito do tema, além da pouca atenção direcionada para os conteúdos de Física Moderna, o que sugere a necessidade de pesquisas que investiguem essa modalidade de inserção de História da Ciência no Ensino de Física e que explorem diversos conteúdos, inclusive relacionados à Física Moderna.

Palavras-chave : Experimentos Históricos, História da Ciência, Simulação Computacional, Ensino de Física.

## Simulação Computacional de Experimentos Históricos no Ensino de

## Física

Muitos autores defendem o uso de História e Filosofia da Ciência (HFC) no ensino, apresentando vantagens como: humanização da Ciência, desenvolvimento do pensamento crítico, melhoria na formação de professores, melhor entendimento de conteúdo, compreensão da estrutura da Ciência (MATTHEWS, 1995, p.165). Segundo Martins (2006), a HFC não vem para substituir o ensino de ciências comum, mas para complementá-la de forma a ajudar os alunos a terem mais clareza quanto ao processo de construção dos conceitos científicos.

Os estudos de alguns episódios históricos permitem compreender as relações entre Ciência, Tecnologia e Sociedade, o que mostra que a mesma não é isolada, mas faz parte de um desenvolvimento histórico em que o conhecimento científico não é feito por gênios solitários, trata-se de um processo coletivo e muitas vezes confuso (MARTINS, 2006).

Para abordar a História da Ciência, em sala de aula, os professores podem escolher as estratégias que mais se adequem aos seus objetivos. Dentre as abordagens destaca-se, nesse trabalho, a utilização de experimentos históricos para discutir a dinamicidade da Ciência e apresentar conteúdos científicos.

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Com o objetivo de buscar mais informações a respeito dessa abordagem, foi realizada uma revisão sistemática de publicações científicas relacionadas ao tema. Essa busca foi feita em periódicos classificados com estrato A1, A2, e B1 no Qualis da Capes da área de Ensino, de 2014.

Por experimento histórico, deve-se entender 'toda e qualquer tentativa bem sucedida em estabelecer um marco de referência conceitual e/ou metodológica na definição e/ou solução de um determinado problema específico' (RIBEIRO JR et al. 2012, p.4602-1). Também pode ser interpretado como experiências que surgem a partir do estudo da Ciência do passado (CHANG, 2011).

Há, de acordo com Chang (2011), pelo menos três tipologias de experimentos históricos. Existem dois tipos de replicação ou reprodução de experimentos, definidas por Höttecke (2000), uma delas se concentra na reprodução mais fiel possível de um instrumento histórico. Nessa perspectiva:

reconstruir um aparato histórico significa construir um aparelho que corresponda o mais próximo possível a todas as informações dadas pelas fontes primárias. Fontes não são apenas as publicações originais, mas também poderiam ser cadernos de laboratório, manuscritos, cartas e instrumentos que têm sobrevivido, por exemplo, em museus ou em coleções universitárias. Com base em todas as informações a reconstrução do instrumento é realizada. (HEERING, 2005, p. 319).

Enquanto que a outra está mais preocupada na reprodução fiel dos fenômenos físicos alcançados pelo experimento. Assim, os instrumentos não são reproduzidos com tanta meticulosidade quanto no caso descrito anteriormente, mas reproduzem os princípios físicos originais, como descreve Chang (2011):

o principal objetivo é reproduzir os fenômenos físicos que foram criados e observados em experimentos do passado. [...] Na replicação física usam-se instrumentos convenientes e procedimentos que ajudarão a criar o fenômeno de interesse, e a fidelidade aos detalhes do experimento original é de interesse secundário. O desafio filosófico na replicação física não é a verificação da exatidão de repetição, mas a caracterização do fenômeno a ser replicado. (CHANG, 2011, p. 320).

Nesse segundo caso, a fidelidade aos detalhes originais da experiência são de interesse secundário.

Além desses, existe o que Chang (2011) caracteriza como 'extensão', que seria a continuação da replicação. Pois depois de pronto, surge a curiosidade: o que acontece se eu fizer isso? E essa atitude pode levar a uma variação da experiência original, ou uma experiência completamente diferente destinada a responder um questionamento que surgiu nas observações feitas no experimento original.

Ainda em relação às tipologias, Metz e Stinner (2006) apresentam uma adaptação do processo de replicação descrito por Heering (2005). São as chamadas reconstruções históricas, que visam responder à lacuna deixada pela falta de recursos e métodos historiográficos, uma vez que os professores possuem um acesso limitado a esses procedimentos. Nas reconstruções históricas, o processo é guiado por uma narrativa histórica, na qual os estudantes têm a oportunidade de interagir com a narrativa por meio da experimentação. Os experimentos são construídos com materiais alternativos e de baixo custo, pelos próprios estudantes.

Independentemente do tipo de experimento histórico que se pretende realizar, segundo Höttecke (2000), ao fazer uma réplica de uma experiência histórica muitas fontes históricas devem ser consultadas a fim de recolher todas as

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informações possíveis a respeito do experimento original. Essas informações são úteis e necessárias para reconstruir a situação experimental da forma mais fiel possível. Logo, o processo de replicação de um experimento inclui estudo de fontes textuais, planejamento e construção da réplica e enfim a reprodução do experimento. Assim a replicação fornecerá uma compreensão do contexto histórico do ponto de vista do cientista.

No entanto, esse processo não é de execução trivial, pois as fontes primárias, que são consultadas para embasar as atividades, nem sempre detalham suficientemente o processo de experimentação e as técnicas e fases dos experimentos não são todas registradas de forma escrita ou em imagens. As descrições sobreviventes do passado, geralmente, possuem lacunas que não especificam claramente vários aspectos de instrumentos e operações. Assim, a replicação de experimentos históricos pode proporcionar um entendimento de textos históricos originais, bem como, aprimorar as noções a respeito da Natureza da Ciência e até aperfeiçoar um conhecimento científico (CHANG, 2011).

Outro fator que torna a tarefa árdua é a parte manual da replicação, pois necessitará da ajuda de artesãos, materiais e condições específicas, etc. E geralmente os recursos à disponibilidade do professor não são muitos, o que acaba tornando a replicação dos experimentos um tanto complicada. Uma alternativa para resolver esse problema é optar pela simulação computacional desses experimentos.

É claro que uma experiência simulada computacionalmente não conserva todos os aspectos da experiência original, mas preserva os aspectos mais relevantes e necessários para a compreensão dos fenômenos estudados (BEVILACQUA, et al., 1990). Isso possibilita que, por meio dos computadores e de softwares adequados, se possa reproduzir experimentos virtuais e oferecer aos alunos uma oportunidade de interação com uma experiência que é inviável de se recriar materialmente em sala de aula.

Os computadores vêm sendo utilizados como instrumentos pedagógicos há um bom tempo. E permitem, entre outras possibilidades, o uso de simulações. As simulações, por sua vez, possibilitam o estudo de fenômenos que na prática seriam difíceis ou em alguns casos inviáveis, por serem de alto custo financeiro, perigosos, muito rápidos ou muito lentos, etc. (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002). Além, de proporcionar um ambiente interativo, onde o aluno pode interagir com o programa de simulação controlando alguns parâmetros que acabam promovendo uma melhor compreensão do fenômeno estudado, uma vez que simulação dos movimentos e a representação gráfica das grandezas físicas oferecidas pelos softwares possibilitam um melhor entendimento dos aspectos físicos e matemáticos envolvidos no processo (RIBEIRO JR, et al. 2012).

As simulações computacionais podem ir além de simples animações, elas englobam uma vasta classe de tecnologias, do vídeo à realidade virtual, que podem ser classificadas em certas categorias gerais baseadas no grau de interatividade entre o usuário e o computador. De acordo com Medeiros e Medeiros (2002), as simulações podem ser vistas como representações ou modelagens de objetos específicos reais ou imaginados, de sistemas ou fenômenos. Elas podem ser bastante úteis, particularmente quando a experiência original for impossível de ser reproduzida pelos estudantes ou em casos em que se lida com materiais que estão fora do alcance dos sentidos do ser humano tais como partículas subatômicas, corpos com altas velocidades e processos dotados de grande complexidade.

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Portanto, acredita-se que a simulação de experimentos históricos pode tornar as aulas de Física mais interativas, atrativas e desafiadoras, facilitando a compreensão de conteúdos e promovendo uma ideia de Ciência como construção humana.

## Metodologia

Durante um estudo anterior de Costa (2015), investigou-se uma abordagem histórico-didática para o ensino de Física de Partículas e percebeu-se a necessidade de um aprofundamento de estudos em três eixos: História e Filosofia da Ciência, Multimídias e Física Moderna. Respondendo essa necessidade, fez-se uma revisão sistemática em busca de abordagens a respeito de experimentos históricos por meio de simulação computacional no Ensino de Física.

Assim, fez-se uma análise das publicações da área de Ensino em periódicos classificados com estrato A1, A2, e B1 no Qualis da Capes de 2014. Como a tabela de periódicos fornecidos pela Plataforma Sucupira inclui todas as áreas de ensino, para essa pesquisa foram escolhidos somente os periódicos da área de Ensino de Física e Ensino de Ciências. A pesquisa foi feita diretamente no site dos periódicos, que restaram dessa primeira seleção, por meio das ferramentas de busca de cada um deles. Não foi estipulado um intervalo de tempo para a seleção dos artigos, pois havia o interesse de coletar o maior número possível de publicações. A seleção dos artigos foi feita com base nos títulos, resumos e palavras-chave.

Como critério de seleção foi adotado a condição de que o artigo abordasse o tema Experimentos Históricos. Ao todo foram selecionados 16 artigos, classificados em três Unidades Temáticas. Essas unidades foram elaboradas com base nos trabalhos selecionados, pois com base no que foi encontrado foi possível classificar os artigos em três unidades temáticas, trata-se de uma espécie de classificação dos artigos.

Como havia o interesse prévio de fazer uma breve análise a respeito de abordagens que tratavam de História e Filosofia da Ciência e multimídias, dos 16 artigos, escolheu-se aqueles que investigavam a temática de Experimentos Históricos por meio de Simulação Computacional para que pudesse ser feito um estudo mais detalhado, a fim de se obter informações a respeito desse tipo específico de abordagem, por exemplo: quais as ferramentas computacionais utilizadas, que conceitos físicos são explorados na abordagem e quais os resultados em sala de aula. Esse breve detalhamento tem como objetivo indicar possíveis falhas e caminhos desse tipo de estratégia no Ensino de Física, uma vez que se almeja, em trabalhos futuros, explorar esse tipo de abordagem em sala de aula.

Os artigos foram classificados nas seguintes Unidades Temáticas:

Unidade Temática 1 (UT1): Artigos que abordam a temática de experimentos históricos por meio da simulação computacional.

Unidade Temática 2 (UT2): Artigos que relatam uma investigação de abordagens didáticas que utilizam experimentos históricos.

Unidade Temática 3 (UT3): Artigos de natureza teórica a respeito de experimentos históricos.

Os artigos classificados na Unidade Temática 1 foram os escolhidos para um breve detalhamento, a fim de se apresentar uma síntese da abordagem histórica

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investigada nesses trabalhos e com isso contribuir com possíveis investigações futuras.

## Resultados e discussões

No Quadro 1, a seguir, é apresentado o número de publicações em cada Unidade Temática, o título dos artigos, o periódico e ano das publicações.

Quadro 1 : Sistematização dos artigos selecionados em cada Unidade Temática.

Fonte: as autoras.

Embora nesse trabalho não se julga as políticas editoriais dos periódicos nacionais e internacionais, com base no quadro acima, pode-se perceber a forte predominância da literatura internacional na discussão da temática, uma vez que houve a ocorrência de apenas dois artigos de periódicos nacionais, um artigo da

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Revista Brasileira de Ensino de Física e outro do Caderno Brasileiro de Ensino de Física. Disso, infere-se a necessidade de mais discussões a respeito dessa temática, principalmente em âmbito nacional.

- O que também reforça essa necessidade é o número de publicações científicas encontradas, tendo em vista que mesmo não estipulando um período de tempo na busca dos artigos, foi encontrado um número pequeno de publicações, sendo 16 ao todo.
- A maioria dos artigos se concentrou na UT2, na qual os artigos discutem a aplicação de experimentos históricos em sala de aula. Nesses trabalhos percebe-se a preocupação de investigar essa estratégia no ensino de Física, tanto em nível de Ensino Médio como em nível de Ensino Superior. Com relação aos assuntos abordados em cada um dos artigos a maioria deles se concentra nos temas de eletromagnetismo, e os demais voltados para temas da Mecânica. Percebe-se, assim, a falta de abordagens de temas relacionados à Física Moderna.
- O fato de investigar experimentos históricos não exige, especificamente, que os experimentos sejam antigos, pois de acordo com a definição dada por Ribeiro Jr et al. (2012), as experiências que estabeleceram um marco de referência conceitual e/ou metodológica são vistas como experimentos históricos. Assim, os experimentos de Física Moderna podem ser explorados dentro dessa perspectiva, e dessa forma contribuir para a atualização do currículo de Física das escolas.

Em relação a UT3, a qual concentra os artigos de natureza teórica a respeito da temática, foram agrupados quatro artigos. Trata-se de artigos que apresentam uma fundamentação teórica detalhada a respeito de experimentos históricos. Na estrutura da maioria dos artigos é apresentada a conceituação, os propósitos, a tipologia, as dificuldades encontradas, pesquisas relacionadas e avanços teóricos. Essa revisão sistemática das publicações sugere que a área de pesquisa possuí um embasamento teórico sólido, pois os artigos apresentam consenso nas definições.

No entanto, mesmo assim há pouca investigação em estratégias específicas, como por exemplo as simulações computacionais desses experimentos históricos. Isso pode ser percebido na UT1, que agrupou apenas dois artigos. Porém, nessa unidade podemos perceber as participações nacionais e internacionais. O artigo internacional foi publicado em 1990 e o artigo nacional em 2012, o que sugere que o tema ainda é pouco discutido e investigado no Ensino de Física. Justificando a necessidade de estudos que proporcionem experiências que contribuam para elucidação dessa estratégia de ensino por meio da História e Filosofia da Ciência em sala de aula.

Dos dois artigos encontrados, o primeiro deles, Computer simulation and historical experiments , trata de uma abordagem para o ensino de Física com base na utilização conjunta de simulações de computador e da história da Física. Os autores, Bevilacqua et al. (1990), elaboraram um pacote de simulações computacionais, implementadas em BASIC no MSDOS, para abordar a queda de corpos com o objetivo de melhorar a compreensão de conceitos fundamentais de cinemática e estudar o caminho de raciocínio dos alunos.

Os autores citam a relevância das simulações computacionais, nesse processo, por proporcionar ao aluno uma experiência individual, dando a possibilidade de se familiarizar, ao seu tempo, com o objeto de estudo e testar suas hipóteses a respeito dos fenômenos físicos envolvidos. Essa atividade promove nos

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alunos uma reflexão a respeito de seus próprios esquemas conceituais e favorecem sua melhoria, além de servir como meio de diagnóstico das dificuldades dos alunos na compreensão de conceitos.

O segundo artigo, Simulação de experimentos históricos no ensino de física: uma abordagem computacional das dimensões histórica e empírica da ciência na sala de aula , aborda o tema plano inclinado, com base na obra Discursos e Demonstrações Matemáticas em Torno de Duas Novas Ciências (1638) de Galileu Galilei. Os autores, Ribeiro Junior et al. (2012), utilizaram o software Modellus para apresentar a experiência.

Nesse trabalho os autores fazem uso da Simulação Didática Interativa para a elaboração da abordagem de ensino, pois favorece uma melhor compreensão dos aspectos físicos e matemáticos do conceito estudado, uma vez que os alunos podem alterar alguns parâmetros físicos da simulação que possibilitam uma visão mais abrangente de todo o processo. Durante as atividades pode ocorrer a confrontação do senso comum dos alunos com os resultados obtidos por meio da simulação, isso pode promover a superação de obstáculos epistemológicos, sejam eles relacionados ao conteúdo ou a Natureza da Ciência.

No artigo defende-se a implementação das Simulações Didáticas Interativas como uma estratégia didática para o ensino de Física, que visa um resgate das dimensões histórica e empírica da Ciência em sala de aula. No entanto, os autores não aplicam a abordagem em sala de aula, apenas sugerem algumas atividades para serem implementadas.

Ao analisar os dois artigos em conjunto, percebe-se que o foco dos dois artigos é voltado para conceitos de Mecânica Clássica, o que sugere que muitas áreas da Física ainda precisam ser exploradas por essa estratégia. Inclusive a parte de Física Moderna, que apresenta um potencial atrativo, uma vez que está diretamente relacionada aos avanços científicos e tecnológicos da atualidade.

Além disso, pela escassa discussão na literatura, ainda não é possível levantar inferências conclusivas a respeito da eficácia dessa abordagem em sala de aula, tendo em vista que, dos dois artigos, apenas um apresenta resultados de sala de aula.

Ainda em relação a revisão sistemática das publicações, é relevante citar que essa primeira busca já indicou caminhos para outras referências. Nas leituras prévias dos artigos foi possível encontrar citações e referências de outros trabalhos que podem ser úteis para o aprofundamento dessa temática.

## Considerações finais

Ao realizar uma análise geral dos resultados, toma-se como positivo consenso a respeito das definições, tipologias e aplicações no ensino, tomando como base os artigos de natureza teórica analisados. No entanto percebe-se a necessidade de mais explicitações a respeito da utilização dessas abordagens em sala de aula.

Quanto à simulação computacional de experimentos históricos, essa revisão sistemática sugere a necessidade de mais investigações científicas relacionadas à aplicações dessa abordagem em sala de aula, uma vez que apenas uma das publicações relata os resultados de uma intervenção didática. Também se nota uma lacuna no que se refere a investigações da temática relacionadas a Física Moderna,

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e vê-se aí uma linha de pesquisa que pode trazer potenciais contribuições para o Ensino de Física.

Percebe-se que a simulação de experimentos históricos se mostra uma estratégia promissora para o Ensino de Física, dadas suas características de interatividade e construtivismo, que podem possibilitar aos alunos a oportunidade de entender melhor os conceitos científicos, bem como a dinâmica científica.

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