MOTIVAÇÕES PARA O USO DO RECURSO COMPUTACIONAL NO TRATAMENTO DA CINEMÁTICA

## MOTIVAÇÕES PARA O USO DO RECURSO COMPUTACIONAL NO TRATAMENTO DA CINEMÁTICA

## MOTIVATION FOR THE USE OF COMPUTER IN KINEMATICS STUDY

## Danilo Almeida Souza 1 e Maria Cristina Martins Penido 2

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia/ IFBA, Câmpus Ilhéus. 1, 2 Universidade Federal da Bahia/ UFBA - PPGEFHC, Salvador-BA 1, 2 Grupo de Pesquisa em Ensino de Ciências e Formação de Professores/ UFBA 1, 2 Núcleo de Estudos e Preparação Docente em Ciências (NEPDC/ UFBA) 1 Prof. EBTT/ IFBA; e-mail: danilofisico@gmail.com; 2 Profa. Associada/ UFBA; e-mail: mcrispenido@gmail.com.

## Resumo

Neste trabalho apresentamos uma perspectiva para o uso da simulação computacional 'moving-man' na abordagem dos conceitos de cinemática, nos propondo a fazer uma análise do simulador de modo a sugerir formas de potencializar seu uso nas aulas de física. A simulação 'moving-man' faz parte de um grande acervo de objetos virtuais de aprendizagem hospedados no portal do 'PhET' (Physics Education Technology) com o intuito de simplificar e contribuir para o ensino das disciplinas de ciências naturais e matemática. Dentro dessa conjuntura, trazemos uma breve descrição do simulador 'moving-man', indicando intervenções que o docente pode fazer de modo a ajudar o aluno a compreender, por exemplo, a inserção de sinais negativos nas definições de velocidade e aceleração, a importância da ideia de referencial ao definir movimentos progressivos e retrógrados, as implicações que a escolha do sistema de referência pode trazer no tratamento dessas grandezas, dentre outras inferências obtidas a partir destas. Assim, nossa proposta apresenta uma contribuição na medida em que incentiva o uso de novas práticas no ensino de física e alerta os colegas docentes quanto aos ganhos que a simulação computacional pode trazer para o processo ensinoaprendizagem, a exemplo do tratamento da cinemática que em sua maioria vem carregado de equações e carece de discussões físicas. É possível ainda estabelecer algumas conexões para que a cinemática seja trabalhada em parceria com docentes da área de matemática, ou mesmo por estes, já que a viabilidade de lidar com a definição de função, domínio e imagem, além da representação gráfica subsidiadas pela ferramenta computacional já seriam fortes justificativas para que fossem abarcadas em seus componentes curriculares. Por fim, alertamos que embora direcionado a professores, o trabalho também contempla usuários mais experientes que já dispunha de algum conhecimento prévio sobre o conteúdo abordado, de modo a olhar os conceitos trazidos na cinemática numa concepção mais conceitual e intuitiva.

Palavras-chave : Simulações computacionais, ensino de ciências, ensinoaprendizagem.

## Abstract

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23 a 27 de janeiro de 2017

In this work we present a perspective for the use of computer simulation 'moving-man' in the approach of cinematic's concepts, in proposing to make an analysis of the simulator in order to suggest ways to maximize its use in physics classes. The simulation 'moving-man' is part of a large collection of virtual learning objects hosted in the portal 'PhET' (Physics Education Technology) in order to simplify and contribute to teaching the disciplines of natural sciences and mathematics. Within this context, we present a brief description of the "moving-man" simulator, indicating interventions that teachers can do to help the student to understand, for example, the inclusion of negative signs in speed and acceleration settings, the importance of referential idea to define progressive and retrograde movements, the implications of the choice of the reference system can bring in the treatment of these quantities, among other inferences obtained from them. Therefore, our proposal presents a contribution as it encourages the use of new practices in physics teaching and alert teachers colleagues about the gains that computer simulation can bring to the teaching-learning process, as in the approach of kinematics that mostly it comes loaded equations and lacks depth physical discussions. It is also possible to establish some connections to that the kinematic be worked in collaboration with teachers from mathematics area, or even by these, since the viability of handling the setting function domain and, besides imaging subsidized by computational tool would have strong reasons to be embraced in their curriculum components. Finally, we warned that although directed to teachers, the work also includes more experienced users who already had some prior knowledge of the content addressed in order to look at the concepts brought in kinematics in a more conceptual and intuitive.

Keywords : Computer simulation, teaching of science, teaching and learning.

## Introdução

Nos últimos anos a humanidade passou por uma revolução tecnológica que sem dúvidas abriu várias frentes de aplicação nos setores produtivos, de serviços e de atendimento a população. O computador, a melhoria no hardware, assim como seu poder de processamento fez com que a comunicação se propagasse numa velocidade nunca antes vista; promovendo atualizações quase que instantânea em diferentes localidades do globo, e proporcionando através da internet, o acesso a um banco de informações mais completo e dinâmico. No entanto, apesar do reconhecido potencial que essa ferramenta pode trazer para a educação, o uso do computador ainda aparece de maneira tímida, ou seu uso tem sido subestimado por boa parte dos docentes brasileiros.

No que tange o ensino de ciências, tem sido consenso que apesar dos avanços na inserção de novas metodologias (definidas aqui como aquelas que fogem a aulas expositivas pautadas em memorização de equações e resolução de exercícios, a exemplo da experimentação, do laboratório virtual e da discussão dialogada através de problemas concretos) essas ainda têm sido encaradas como ações isoladas e distantes da maior parte de nossas comunidades escolares (LAPA, 2008). De modo paralelo é importante enfatizar que o Brasil passa por uma modernização de seu sistema de ensino em termo de ferramentas e recursos didáticos; grandes incentivos têm sido dados na montagem de laboratórios de informática nas escolhas públicas de nível fundamental e médio, ainda, através de verbas provenientes do Ministério da Educação - MEC teve início no ano de 2013 à

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distribuição de tablets para todos os docentes de instituições públicas de nível básico. Nesse contexto, criar atrativos para utilização desses aparatos tecnológicos, conciliado com um processo de ensino-aprendizagem mais eficaz tem sido preocupação e questão de investigação para diversos pesquisadores em ensino de ciências.

No que se refere à disciplina de física, o uso de simulações computacionais tem aparecido como um elemento pedagógico capaz de tornar o ensino mais atrativo, além de funcionar como complementação para as práticas pedagógicas que já se encontram consolidadas, a exemplo do laboratório convencional. Ações nesse sentido surgem como uma necessidade de agregar as ferramentas utilizadas em sala de aula, com aquelas que a maioria dos alunos tem acesso. A disseminação dessas tecnologias poderia significar um forte incentivo para o professor associar suas práticas a essa nova realidade, porém forte resistência ainda tem sido notada, sobretudo pelos docentes que se sentem inseguros a utilizar esses equipamentos. A esse respeito comenta DORNELES (2010):

Um dos mais disseminados tipos de objetos virtuais de aprendizagem são as simulações computacionais de experimentos de física, que estão disponíveis para utilização em diversos contextos. Mas infelizmente seu uso em sala de aula está longe de ser uma realidade, particularmente no Ensino Médio. Ainda que elas não devam substituir experimentos reais, pesquisas indicam que seu uso combinado à atividade experimental pode tornar mais eficiente o processo de aprendizagem dos alunos.

O 'PhET' (Physics Education Technology), surge com o intuito de produzir simulações computacionais em física para fins didáticos e tem se mantido com um dos maiores acervos do gênero, contemplando em seu banco de dados disciplinas como química, biologia, matemática dentre outras. Projeto da Universidade do Colorado (EUA), além de produzir as simulações, a equipe do 'PhET' busca realizar uma avaliação da eficiência de seu uso em sala de aula ou outras modalidades, tais como: aulas expositivas, atividades em grupo, tarefas para casa, entre outras (ARANTES; MIRANDA; STUDART, 2010).

Nossa proposta com o presente trabalho é fazer uma análise da simulação 'moving-man' disponibilizada no 'PhET', explorando tópicos de cinemática e em torno disso sugerir formas de potencializar seu uso nas aulas de física. Com isso, além de pontuar algumas discussões que podem ser geradas no estudo da cinemática, sinalizamos que a abordagem desse conteúdo pode ser explorada igualmente pela área de matemática, cuja descrição analítica lhe é mais interessante, permitindo a física uma análise pontual, a respeito do sistema de referências e análise dimensional, estendendo o movimento numa perspectiva mais ampla do ponto de vista das leis de conservação. Noutro lado, as discussões qualitativas em torno da simulação computacional devem servir de estímulo para que essa ferramenta seja utilizada em diversos conteúdos e aliada sempre que possíveis a outras práticas pedagógicas já consolidadas.

## Metodologia

A abordagem do componente curricular de movimento, que em geral ocorre no 1º (primeiro) ano do ensino médio da disciplina física, vem acarretada de

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dificuldade por grande parte dos estudantes. Para além da formulação matemática que é priorizada por alguns docentes, que vão de frente as deficiências trazidas do ensino fundamental, algumas características podem ser facilmente apontadas como geradoras desse problema. Em primeiro lugar, a cinemática é trabalhada na maioria dos currículos em um momento em que os alunos não têm a noção de grandezas físicas vetoriais e as noções de sistema de referências ainda estão em construção. Isso exige do aluno um grande nível de abstração para entender a inserção de sinais negativos para caracterizar elementos como posição, velocidade e aceleração, e como estes podem ser visualizados na descrição física de um corpo em movimento. Soma-se a isso, a compressão de como movimentos tão particulares - como é o caso dos abordados na cinemática - podem ser vistos em situações práticas, e como estes podem contribuir para o aprendizado de movimentos mais gerais.

De forma a promover uma aproximação entre o conteúdo de cinemática e o cotidiano do estudante, além de contribuir para o processo de abstração necessário, o uso de simulações computacionais em física, como as disponibilizadas pelo 'PhET', representa uma grande aliada na ação ensino-aprendizagem do fenômeno uma vez que projeta o aspecto visual e proporciona o vislumbre do movimento no decorrer da evolução temporal em torno de um cenário tátil.

- O 'PhET' tem ganhado a atenção de pesquisadores da área de ensino de ciências, sobretudo por oferecer um portal de fácil acesso e altamente instrutivo; acrescenta-se o fato de ser construído com base em pesquisas científicas que tentam compreender como os estudantes podem ter melhor uso das simulações disponibilizadas no portal.

Motivado por essas características, este trabalho se propõe a fazer uma descrição do 'moving-man' explorando o potencial deste simulador para o aprendizado de tópicos envolvendo cinemática. Para além, tecemos uma discreta discussão sobre esse componente curricular, sua importância, e sua melhor adequação a disciplina de física, matemática ou ambas.

## Proposta de intervenção na abordagem da cinemática escalar

Tomaremos como base para nossa análise a simulação 'moving-man', disponível em: http://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulation/moving-man.

- É natural que sugerir ao aluno explorar a simulação computacional seja em casa ou no ambiente escolar e que o mesmo compartilhe com a turma suas observações é o primeiro passo para iniciar a discussão e verificar as potencialidades que este recurso tecnológico pode trazer para o espaço de educação formal. O que fazemos nas próximas linhas é pontuar alguns tópicos que quando não trazidos pelo estudante devem ser fomentados pelo docente, uma vez que aborda conceitos físicos importantes no tratamento da cinemática.
- O simulador 'moving-man' se configura numa importante ferramenta para visualização de conceitos de movimento retilíneo uniforme (MRU) e uniformemente variado (MRUV) através da representação de um corpo em movimento, aqui exemplificado por um homem (avatar). A tela inicial apresentada na figura 01, possibilita o usuário escolher o nível de abrangência que desejar explorar o simulador, podendo apenas visualizar o movimento ou de maneira integrada ter uma descrição matemática do mesmo através da linguagem gráfica; opções disponibilizadas na aba superior do aplicativo. A guia 'introdução' apresenta os

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elementos posição, velocidade e aceleração, onde através da inserção destes dados já é possível iniciar a execução do simulador e visualizar o movimento regido pelos parâmetros iniciais fornecidos.

Fazendo uso apenas da primeira aba, o simulador já proporciona uma gama de opções que justificam sua incorporação nas aulas de física, das quais destacamos o aspecto conceitual dos sinais atribuídos as grandezas físicas de movimento e a verificação de como estes sinais se transpõem para o movimento efetivo do avatar.

Ao inserir valores para posição, velocidade e aceleração, inclusive alterando seu sinal, o usuário perceberá as variadas formas como evolui o movimento do avatar no decorrer do tempo. É possível inferir, por exemplo, que nem sempre um sinal negativo para aceleração indicará um movimento retardado (aquele em que diminui sua velocidade em módulo no decorrer do tempo). Esse é um conceito errôneo trazido por um número significativo de alunos e que começam a ser confrontados a partir das regras de sinais que os docentes apresentam em aula, ou quando este conceito é construído apenas de maneira intuitiva. É nesse momento que surgem dúvidas como o fato de posição e velocidade poderem assumir valores negativos, se não há questões cotidianas que deixem essa situação tão evidente. Para este ponto, cabe o professor destacar que o uso de sinais na abordagem dessas quantidades vem no intuito de abarcar a ideia de sentido, próprio da notação vetorial que é apresentada em grande parte dos livros didáticos a posterior.

É possível ainda acessando o 'menu' localizado na parte superior do simulador inverter o eixo da posição. Isso traz uma rica discussão das ideias de referencial, e se tratando de cinemática, é uma oportunidade de compreender que as características de movimentos progressivos e retrógrados têm dependência exclusiva com o sistema tomado como referência, ou seja, podem mudar na medida em que mudamos a orientação do eixo da posição, sendo assim conceitos relativos. É recomendável ao usuário fazer uma transposição para marco quilométrico de rodovias, e como estão dispostas estas placas de indicação a depender do sentido do movimento de quem trafega, podendo ser crescentes (no caso de movimentos progressivos) ou decrescentes (no caso de movimentos retrógrados).

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## Figura 01 - Tela inicial do simulador 'Moving-man'.

O simulador traz como alternativa que as percepções sobre as grandezas posição, velocidade, e aceleração sejam estendidas ao plano cartesiano. Na figura 02 apresentamos a evolução no movimento do avatar decorridos 2,2 segundos após seu início. Para esse exemplo, usamos como condições iniciais a posição -8 m, velocidade 0 e aceleração de 5 m/s . De modo que os valores foram tomados de 2 forma aleatória apenas com o intuito de obter o aspecto visual do aplicativo nessa modalidade. Nesse ponto, explorar a descrição gráfica, tópicos de funções, e estabelecer uma interdisciplinaridade com a disciplina de matemática é o maior ganho que o aplicativo pode proporcionar.

Perceba que, cabe ao usuário apenas fornecer as condições iniciais para que o processo transcorra, e reforçamos aqui no que cerne a física do processo, isso que nos é mais importante. Para uma abordagem interdisciplinar com a matemática, as funções que não aparecem explícitas merecem destaque, acrescidas de uma discussão a respeito da sua definição, tipo, domínio, imagem e representação gráfica aplicada ao fenômeno explorado. No exemplo fornecido, as funções para posição, aceleração e velocidade são:

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onde todas as quantidades estão no sistema internacional de unidades (SI).

No simulador é possível trabalhar com os movimentos MRU e MRUV (distinção adotada por grande número de livros didáticos apenas com intenção de facilitar a abordagem). Apostamos na ideia de que o usuário seja capaz de deduzir que o fator determinante para a escolha do movimento uniforme ou uniformemente variado seja o valor inserido por ele na aceleração, onde o valor 0 (zero) caracteriza um movimento uniforme, e qualquer outro, um movimento uniformemente variado. Nesse nível, ele já terá noção de que o movimento uniforme se configura num caso particular do uniformemente variado, e que as funções do MRUV tornam-se as do MRU apenas pela adição do condicionante velocidade constante.

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Figura 02 - Visualização de gráficos no simulador 'Moving-man'.

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Fora as questões próprias da física, é possível destacar outras mais direcionadas a matemática, a exemplo do domínio das funções descritas nas equações (1), (2) e (3). Perceba que os domínios de ) ( t s , ) ( t V e ) ( t a que poderiam estar definidos a priori para qualquer valor de t real, agora ficam limitadas 0 ≥ t para que os fenômenos físicos descritos tenham sentido de existir.

Além das intervenções aqui pontuadas, os ganhos da utilização do simulador são aprimorados com as questões trazidas pelos próprios estudantes, que nortearão o debate e independente da sua consistência em termos científicos produzirão conhecimento novo através da construção e/ou desconstrução de conceitos préestabelecidos por eles.

## Considerações finais

O trabalho ora apresentado sem dúvidas traz uma alternativa para a inserção de metodologias alternativas para o ensino de ciências, sobretudo as que dizem respeito a simulações computacionais em física. Nesse sentido pontuamos algumas motivações para a utilização do simulador 'moving-man' na abordagem da cinemática, que podem facilmente ser utilizadas em turmas de alunos do ensino médio. Paralelamente salientamos a necessidade de o professor de física direcionar seu discurso em desvendar junto a seus estudantes a parte conceitual do fenômeno, a exemplo de referencial, análise dimensional de grandezas físicas, dentre outros; cabendo a formalização matemática e solução de equações a uma articulação com a disciplina de matemática, que fará dar sentido tanto ao conteúdo de cinemática, assim como colocará o estudo do movimento como uma importante aplicação dos tipos de função que são trabalhadas no ensino médio.

Acreditamos que as discussões tecidas sobre a simulação 'moving-man' para o estudo da cinemática fomentem a utilização desse recurso em aulas de ciências, seja na temática de movimento ou em outros componentes curriculares não explorados. Vale alertar aos docentes a importância de se fazer uma análise

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crítica a respeito das limitações que o uso apenas da simulação pode trazer na abordagem de determinado conteúdo e como seria possível otimizar sua utilização.

Numa avaliação da cinemática, componente curricular em física que está longe de ser consenso de ser trabalhada no ensino médio, é possível perceber que sua abordagem mediada pelo simulador pode trazer discussões ricas do ponto de vista conceitual ou no fomento de práticas interdisciplinares com áreas como a matemática na introdução do conceito de função. Apesar de reconhecer as limitações que a cinemática nos impõe no que diz respeito a tratar de movimentos acelerados apenas quando são acelerados constantemente, num primeiro momento trazê-la para os estudantes traz um ganho no sentido de familiarizá-los aos conceitos básicos de movimento, e no tratamento da análise dimensional de quantidades físicas. Levando-nos a crer que quando o tratamento do movimento for dado partindo de leis e princípios de conservação estes já estarão mais maduros e com chances maiores de aprendizado.

Por fim, ressaltamos que agregar as simulações computacionais no ensino de ciências tem ajudado a dar uma nova configuração para o ensino de física no Brasil, fazendo uso de atividades que facilitem o processo ensino-aprendizagem quase sempre aliado a um roteiro exploratório, motivando aqueles estudantes que não gostam, a desenvolver um novo olhar sobre a ciência e, sobretudo a física.

## Referências

- · ARANTES, A. R; MIRANDA, M. S; STUDART, N. Objetos de aprendizagem no ensino de física: usando simulações do PhET. Física na Escola . V.11, n.1, 2010.
- · DORNELES, P. F. T.; ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A.. Simulação e modelagem computacionais no auxílio à aprendizagem significativa de conceitos básicos de eletricidade. Parte II - circuitos RLC. Revista Brasileira de Ensino de Física (Online) , v. 30, p. 3308-1-3308-16, 2008.
- · DORNELES, P.F.T.. Integração entre as Atividades Computacionais e Experimentais como Recurso Instrucional no Ensino de Eletromagnetismo em Física Geral . Tese de Doutorado em Ciências, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2010.
- · LAPA, Jancarlos Menezes. Laboratórios Virtuais no Ensino de Física: novas veredas didático-pedagógicas. Dissertação (Mestrado em Ensino, Filosofia e História das Ciêencias), Instituto de Física, Universidade Federal da Bahia, 2009.
- · PhET. Simulações Interativas de Ciências. 2016. Disponível em: http://phet.colorado.edu/pt\_BR/. Acesso em: 15/07/2016.

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