USO DAS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FÍSICA: um recorte de estudos recentes

## USO DAS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FÍSICA: um recorte de estudos recentes

## José Uibson 1 , Pedro Alberto , Maria José B. M. de Almeida 2 3

1 Instituto Federal de Sergipe - campus Lagarto/Departamento de Física/CLF/ joseuibson@gmail.com

- 2 Universidade de Coimbra/Departamento de Física/CFisUC/ pedro.alberto@uc.pt 3 Universidade de Coimbra/Departamento de Física/CFisUC/ ze@fis.uc.pt

## Resumo

O Ensino de Física, assim como o de outras Ciências, há muito tempo passa por diversas críticas quando se considera sua eficácia na promoção da aprendizagem. Nesse cenário, o uso das Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC), com destaque aqui para o uso das Simulações Computacionais, vem sendo indicado por pesquisadores como um caminho propício para ser trilhado por professores e alunos em busca de superar os desafios oriundos das dificuldades de aprendizagem em Física. Assim, este trabalho apresenta um recorte de pesquisas recentes publicadas em revistas de alto índice de qualificação e com fator de impacto sobre o uso dessas simulações no Ensino de Física, relacionadas ao conteúdo de Mecânica, especificadamente com Força e Movimento. Os resultados serão mostrados levando-se em conta as Recomendações sobre a criação e o uso das Simulações e os Efeitos das simulações no ensino e na aprendizagem. Mostra-se ainda setores e/ou domínios que as pesquisas apontam que requer mais investigação, fator crucial para o desenvolvimento de trabalhos futuros.

Palavras-chave : Simulações Computacionais, Ensino de Física, Força e Movimento.

## Introdução

Tendo em vista que o ensino da Física sofre críticas com relação à sua eficácia, é de fundamental importância para os educadores e pesquisadores desta área analisar este ensino e propor novas estratégias e/ou ferramentas que o auxiliem e verificar seus resultados nas aprendizagens dos alunos.

Em muitas situações, tem-se ainda: um ensino de Física enciclopédico, com demasiada ênfase nos aspectos matemáticos e desconectados do contexto do aluno (Loss & Machado, 2005); a Física sendo ensinada como um conhecimento absoluto e imutável, inclusive sem levar em consideração descobertas recentes (Mees, 2004); e a utilização de metodologias de ensino pouco eficientes para auxiliar os alunos a melhor compreender o mundo que os cerca, bem como a tecnologia a que eles têm acesso, ocorrendo geralmente a não contextualização do ensino (Moreira, 2000; Ricardo & Freire, 2007).

Na literatura encontram-se indicações para superar ou minimizar tal realidade, focando-se: na importância de se buscar uma aprendizagem significativa do aluno que vá além dos muros da escola e que sirva para sua vida (Moreira, 2000; Mees, 2004; Pires & Veit, 2006); na utilização das Tecnologias da Informação e Comunicação para promover esta aprendizagem (Nogueira et al. , 2000; Martins, 2006; Ricardo et al. , 2007); e em um ensino conectado à realidade do aluno, auxiliando-o a compreender melhor o mundo que o cerca (Araújo & Abib, 2003).

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23 a 27 de janeiro de 2017

Destaca-se também que não basta a simples inserção das TIC para que as deficiências da realidade do ensino de Física, por exemplo, sejam superadas. Este uso traz limitações como: a presença de obstáculos didáticos e epistemológicos, oriundos principalmente da formação inicial dos professores (Schuhmacher, 2014); a resistência, tanto por professores quanto por alunos, em modernizar suas formas de ensino e de aprendizagem (Santos, 2015); e recursos interativos insuficientes para maior participação ativa dos alunos, além de não proporcionar aos professores opções de diversificação de atividades (Silva, 2014).

Este trabalho é parte de um projeto de Doutorado em Ensino das Ciências na Universidade de Coimbra que tem a finalidade de investigar os efeitos de uma Simulação Computacional para a promoção da Aprendizagem Significativa no tópico Força e Movimento, em escolas de Portugal e do Brasil. Busca-se compreender inicialmente o tipo de conhecimento que os alunos já possuem (conhecimentos prévios) para, após esta compreensão, se realizar a construção da simulação computacional, tendo por base também os pressupostos da Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel. Finalizada esta etapa, a simulação será aplicada através da metodologia POE (Predict - Observe - Explain) criada por White e Gunstone (1992).

Espera-se que após o percurso investigativo, algumas questões sejam respondidas, tais como: quais as concepções prévias presentes nos alunos em relação a Força e Movimento que influenciam sua aprendizagem neste tópico? Quais as principais dificuldades dos professores ao ensinarem Força e Movimento? Será possível construir uma Simulação Computacional que seja Potencialmente Significativa (com foco na Aprendizagem Significativa)?

Neste trabalho serão mostrados os primeiros resultados da Revisão da Literatura sobre o uso das simulações computacionais no ensino de Física. Tal revisão tem por objetivo compreender como as simulações vêm sendo utilizadas, seus efeitos nas aprendizagens dos alunos, além de se verificar possíveis campos de pesquisa nessa área que requerem maior investigação.

## Metodologia

Esta revisão da literatura foi realizada a partir da análise de artigos nos principais periódicos relacionados com o Ensino de Ciências e/ou Ensino de Física. Foram coletados artigos em língua portuguesa nas revistas melhores avaliadas pela Capes, estando no topo dos níveis de avaliação, que correspondem a A1, A2 e B1. A coleta dos artigos ocorreu ainda nas principais revistas internacionais da área, em língua inglesa e com fator de impacto (FI). Para tanto optou-se por realizar uma busca nas bases de dados de maior relevância dentro do tema proposto. A vantagem de buscar nas bases de dados é que elas englobam um número expressivo de revistas, inclusive as que têm fator de impacto. Pesquisou-se por palavras chaves como 'simulações computacionais', 'simulações', 'ensino de física', dentre outras (inclusive em inglês). As principais bases de dados consultadas foram: Wiley Online Library, Elsevier, Taylor & Francis Online e Springer .

Nesta primeira coleta, buscou-se artigos sobre as simulações no ensino de Física de 2015 até o presente momento, voltadas para o conteúdo de Mecânica, prioritariamente no Ensino Médio (Brasil) ou Secundário (Portugal), sobre Força e Movimento. Coletou-se 07 (sete) artigos nas Revistas em língua portuguesa e 19 (dezenove) artigos em revistas em língua inglesa. Neste recorte, foram analisados 11 (onze) artigos ao total, sendo quatro em revistas brasileiras e sete internacionais.

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Após a fase de coleta, realizou-se a leitura completa dos artigos. Por se tratar de dados iniciais de uma revisão de literatura mais abrangente, este trabalho irá se limitar a expor os principais resultados da literatura recente sobre o uso das simulações computacionais no ensino de Física. No entanto, esses resultados serão expostos aqui de forma qualitativa, sem a preocupação de se mostrar estatísticas de quantitativos de artigos encontrados nas revistas, dentre outros aspectos.

## Resultados e Discussões

Os trabalhos analisados nesta revisão de literatura, foram agrupados em duas categorias principais que refletem o foco mais abrangente do trabalho relacionado ao uso das simulações computacionais. A categoria Recomendações sobre a criação e o uso das Simulações , trata de trabalhos que trazem orientações a respeito do processo de desenvolvimento das simulações e o modo de utilização destas. Já a categoria Efeitos das Simulações no Ensino e na Aprendizagem , aborda os trabalhos que expõem, por exemplo, ganhos de aprendizagem dos alunos ao usarem as simulações, além de destacar possíveis alterações na prática docente ao fazer uso das simulações.

## Recomendações sobre a criação e o uso das Simulações

A literatura destaca o papel motivacional do uso das simulações. Com esta perspectiva, Oliveira Jr. (2015) construiu uma simulação computacional utilizando o Modellus com o objetivo de fazer uso do ' problema da perseguição ' 1 em nível médio ou universitário, a fim de estimular o professor na aplicação de conteúdos abordados em cinemática. O autor aponta que o 'professor poderia lançar mão destas atividades [de simulação] a fim de incentivar e motivar o estudante quanto aos tópicos de cinemática vistos por ele em sala de aula' (Oliveira Jr., 2015: 5). Este uso, porém, traz ao professor a necessidade de aperfeiçoamento profissional, a fim de tornar este uso efetivo. Assim, de forma a auxiliar seis professores do ensino médio quanto a utilização das simulações, Veraszto et al. (2015), desenvolveram junto com estudantes da graduação em Ciência da Computação na Faculdade Municipal 'Professor Franco Montoro' (FMPFM), várias animações computacionais com temas da Física. Os autores concluem que as animações são ótimas ferramentas para a inovação metodológica, pois 'são o ponto de partida para a produção de material de ensino diferenciado' (Veraszto et al. , 2015: 50).

Com preocupação não necessariamente no uso, mas no processo de criação de uma simulação é que Delgado (2015) realizou um estudo teórico a fim de discutir a importância do modelo que subjaz uma simulação. Suas discussões tiveram foco na influência que o modelo traz a aprendizagem conceitual (compreensão de fatos, conceitos e teorias) e metaconceitual (compreensão da natureza de modelos, teorias e leis). Com esse intuito, buscou compreender como a tecnologia pode transformar o ensino e a aprendizagem, transformando modelos em simulações interativas com as quais os alunos podem realizar investigações. Foram identificadas quatro características comuns aos modelos que favorecem a aprendizagem conceitual, mas não a metaconceitual: (1) fidelidade na apresentação dos modelos históricos, tendo em vista que os currículos escolares trazem esses modelos de forma bastante simplificada, porém precisam ser 'intelectualmente

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honestos' (Historicidade); (2) direcionalidade a processos que geralmente dependem de azar e probabilidade. O professor, por exemplo, precisa ter cuidado ao fazer explicações que atribuem vontade ou intencionalidade aos processos (Teleologia); (3) o modelo ou a simulação exageram ao mostrar uma ordenação muito precisa, conhecida e medida da realidade. Faz-se necessário que as simulações incluam pequenos 'ruídos' a fim de que se reflita a natureza estocástica de dados reais (Engano Epistemológico); (4) a precisão dos resultados obtidos com as simulações. Como por exemplo, simulações que traçam gráficos com linhas preenchidas, não levando em consideração o comportamento anômalo em relação a algumas medidas (Pobreza Ontológica). Assim, Delgado (2015) aconselha que as simulações sejam combinadas de forma estratégica com os laboratórios reais.

Outro uso distinto das simulações computacionais é a modelagem. Nessa perspectiva, Psycharis (2015) realizou um estudo com 80 professores do primário que fizeram o curso de Educação Científica na School of Pedagogical & Technological Education Athens, Heraklion, Grécia, onde propõe que a instrução combine o Experimento Computacional com o desenvolvimento de modelos em uma Abordagem de Ensino e Aprendizagem Baseada na Investigação (IBTLA, sigla em inglês) e as capacidades científicas. Após verificar o bom desempenho dos alunos no uso das características da IBTLA, notou também que isso se refletiu em bom desempenho na aquisição das habilidades científicas, inclusive encontrando uma alta correlação entre essas duas variáveis. Observou ainda que os alunos que utilizaram a ferramenta EJS ( Easy Java Simulator ) para criarem a simulação tendo por base a IBTLA, obtiveram um desempenho muito bom no uso dos indicadores de modelagem de Hestenes (1999). Tal estudo levou em consideração os princípios da avaliação formativa e concluiu que este tipo de avaliação se torna mais eficaz ao ser combinado com características IBTLA relevantes no processo de modelagem, a saber: recolha e análise de dados, formular explicações baseadas em evidências, conectar explicações ao conhecimento científico, comunicar-se e justificar a explicação, reflexão sobre características da investigação.

Nota-se que são muitos os benefícios que o uso das tecnologias no ensino pode oferecer para a prática do professor e que refletirão na aprendizagem do aluno. Assim, com o intuito de fornecer subsídios para a aprendizagem colaborativa tendo suporte do computador, Jeonga e Hmelo-Silverb (2016) propõem um quadro que corresponde a sete vantagens ou benefícios [affordance] centrais que a tecnologia pode oferecer para apoiar a aprendizagem colaborativa. Elas focam em vantagens relacionadas a Computer-Supported Collaborative Learning (CSCL) que visam o desenvolvimento do aluno nos seguintes aspetos: (1) envolvimento numa tarefa comum, (2) comunicação, (3) partilha de recursos, (4) envolvimento em processos produtivos de aprendizagem colaborativa, (5) envolvimento em co-construção, (6) monitorar e regular a aprendizagem colaborativa, e (7) encontrar e construir grupos e comunidades. Para o desenvolvimento de cada vantagem, as autoras salientam o fato crucial do uso da tecnologia, assim como a integração de ações pedagógicas no intuito de superar os desafios enfrentados pelos alunos na aprendizagem colaborativa. Para enfrentar tais desafios, destaca-se a importância de 'cuidadosa seleção da tarefa de aprendizagem, sequenciamento de atividades, e arranjo de ferramentas técnicas e sociais para apoiar a co-construção do conhecimento em ambientes online e offline' (Jeonga e Hmelo-Silverb, 2016: 21).

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## Efeitos das simulações no ensino e na aprendizagem

A presença das TIC na sala de aula provoca efeitos no modo de ensinar dos professores e nas aprendizagens dos alunos. Assim, torna-se importante a investigação em metodologias que podem ser mais eficazes num ensino que faz uso de simulações computacionais, por exemplo. Uma metodologia que vem se destacando na literatura é a POE (Previsão, Observação, Explicação). Fazendo uso desta metodologia, Santos e Sasaki (2015), realizaram uma investigação em que construíram um material instrucional direcionado às situações relativas ao cotidiano dos alunos. Utilizaram como pré-teste e pós-teste o Force Concept Inventory (FCI) para a análise das concepções prévias dos alunos sobre Força e Movimento. A análise teve cunho qualitativo e quantitativo e os resultados indicam: avanço na compreensão dos conceitos de velocidade e deslocamento, porém se faz necessário maior amadurecimento na distinção entre esses conceitos; não há um entendimento da diferenciação entre atrito estático e dinâmico; houve a compreensão de que nas circunstâncias em que a força resultante é diferente de zero a velocidade varia; os alunos compreenderam de forma satisfatória a 3ª lei de Newton.

Buscando compreender os efeitos de um jogo de simulação de realidade mista nos resultados da aprendizagem científica, Lindgren et al . (2016) compararam o desempenho dos alunos na simulação experimental em que estes usavam o próprio corpo na interação com a simulação, a um grupo controle utilizando o mesmo jogo de simulação em um computador desktop. Os autores verificaram uma atitude positiva dos alunos quanto ao uso do jogo, além de considerarem que tal jogo contribuiu para sua aprendizagem. Verificou-se ainda um desempenho melhor dos alunos que utilizaram a simulação com movimentos do próprio corpo, onde se envolveram-se mais e se sentiram mais desafiados em relação ao grupo controle. Porém, no quesito autonomia não houve diferença significativa entre os dois grupos. Os autores concluem que 'estes ambientes interativos também dão a oportunidade de experimentar fenômenos da ciência de novas perspectivas que mudam a disposição afetiva e motivacional dos alunos' (Lindgren et al. , 2016: 183).

Tem-se ainda que existem várias formas de se utilizar uma simulação, e que isto pode afetar os resultados de aprendizagem dos alunos. A fim de investigar mais estes aspectos, Lee e Hwan (2015) desenvolveram um programa de simulação computacional sobre movimento circular que aplicaram de formas diferentes a quatro turmas de graduação do curso de Mecânica Aplicada. Concluem que a simulação pode ter contribuído para uma melhor compreensão dos conceitos por parte dos alunos, tendo em vista que o ensino tradicional está muito focado na utilização das fórmulas matemáticas, podendo fazer com que os alunos não compreendam bem os conceitos físicos... Os autores destacam que 'um questionário intimamente relacionado com as simulações computacionais é muito importante' (Lee & Hwan, 2015: 870). E aconselham que os professores elaborem materiais, tipo apostilas, questionários, para acompanhar o uso das simulações, tornando-o mais efetivo.

Esta efetividade pode se traduzir também no ensino, fato que levou Rutten et al . (2015) a fazerem uma investigação considerando como hipóteses iniciais que os alunos terão uma atitude mais positiva em relação ao ensino com simulações computacionais, sendo que o professor desempenha papel fundamental quando utiliza simulações no ensino. Os resultados apontam: que a participação ativa dos alunos durante a execução das simulações está relacionada com a atitude positiva

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destes quanto a contribuição das simulações para sua motivação; que o uso das simulações no ensino com base no ciclo investigativo relaciona-se com a atitude positiva quanto a contribuição das simulações para sua compreensão; a congruência entre as metas de aprendizagem dos alunos e professores está relacionada com a atitude positiva do professor sobre o ensino investigativo tendo por base as simulações computacionais.

Em outro trabalho, complementar ao citado anteriormente, Rutten et al. (2016), investigaram os aspectos da interação pedagógica e seus efeitos sobre os resultados da aprendizagem em seis pares de aulas, ministradas por cinco professores diferentes. Essa investigação teve três focos: analisar o impacto do apoio à intervenção no desempenho dos professores, na interação pedagógica entre os estudantes e seu professor e na aprendizagem dos alunos. Os resultados mostraram que a condição em que os professores utilizaram o roteiro e tiveram o apoio dos pesquisadores, refletiu um impacto negativo que esta intervenção teve no desempenho dos professores. Rutten et al. (2016), alegam que o professor pode ter tido a impressão que seu ambiente foi 'invadido', e assim esteve menos à vontade na aplicação do roteiro sugerido pelos pesquisadores. Os efeitos na aprendizagem dos alunos foram contraditórios, em que os dados do questionário, por si só, fornecem informações insuficientes para a compreensão ganhos ou falta de aprendizagem dos alunos. Com isso, Rutten et al. (2016), sugerem que se faz necessário levar em conta aspectos do contexto e de seus participantes.

Como notou-se pelo trabalho citado anteriormente, analisar os efeitos na aprendizagem nem sempre é uma tarefa trivial. Assim, Kistner et al. (2016) desenvolveram um estudo a fim de investigar os modelos de torques dos alunos enquanto eles aprenderam sobre torques em uma tarefa de descoberta científica com o uso de uma simulação computacional, incluindo ainda a análise de suas concepções prévias e mudanças dessas concepções. Os resultados indicam: que antes do uso das simulações os alunos apresentaram corretamente concepções sobre os aspectos básicos de torques, porém não sobre os mais complexos; que os alunos melhoraram seus modelos de torques ao interagirem com a simulação, porém apenas nas primeiras interações sobre os aspectos mais simples; que o teste desenvolvido para verificar os modelos construídos pelos alunos, se mostrou bastante confiável, identificando déficits nos modelos iniciais e mostrando que estes modelos poderiam melhorar através da interação com a simulação.

## Considerações Finais

De acordo com o exposto neste recorte de uma revisão de literatura mais ampla sobre o uso das simulações computacionais no ensino de Física, é possível extrair informações relevantes dos trabalhos analisados, que deverão guiar a simulação que se pretende construir no desenvolvimento do doutorado citado. Que obedecerá à seguinte sequência:

1º Com base em testes anteriores, FCI e FMCE , criação de um pré-teste, 2 para detecção das preconcepções dos alunos e das dificuldades dos professores ao

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tentarem ensinar os conceitos Força e Movimento, bem como a sua interligação nas leis da Mecânica Clássica;

- 2º Criação de uma simulação adequada à correção das preconcepções encontradas, com uma perspectiva POE, de desenvolvimento de 'inquiry' pelos alunos, obedecendo a todos os cuidados anteriormente apontados na literatura e com preocupações de vir a produzir aprendizagens significativas; simultaneamente, numa perspectiva de investigação em ação e de desenvolvimento de espírito 'inquiry' dos docentes, a construção desta simulação terá a colaboração dos professores que a vão utilizar; serão criados questionários de apoio aos professores e aos alunos durante a utilização da simulação;
- 3º Num espírito de investigação quasi-experimental, utilização da simulação em sala de aula, tanto em Portugal como no Brasil; recolha de informação quantitativa, baseada nos testes desenvolvidos (pré- e pós-), e de informação qualitativa, baseada em inquéritos aos alunos e em entrevistas aos professores colaboradores; recolha de respostas aos pré- e pós-testes por turmas de controle.
- 4º Análise de resultados e conclusões.

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