O ESTUDO DO MOVIMENTO DE QUEDA LIVRE ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

## O ESTUDO DO MOVIMENTO DE QUEDA LIVRE ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

## Lucas C. Cruz , Carlos A. de Souza Filho , 1 2 Mike de Souza 3 , Paulo A. B. Brasilino , Vitor C. Lopes 4 5

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. E-mail: lucas.cruz@ifpb.edu.br
- 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. E-mail: carlos-alberto.souza@ifpb.edu.br
- 3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. E-mail: mike.souza@ifpbensino.com.br
- 4 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. E-mail: paulo.alvaro@ifpbensino.com.br

5 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. E-mail:

## Resumo

O presente trabalho trata da aplicação de uma simulação computacional desenvolvida em Python como uma ferramenta auxiliar no processo de ensinoaprendizagem de Física em turmas do 1º Ano do Ensino Médio do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - Campus Princesa Isabel. Trata-se de um experimento virtual cujo objetivo é verificar a validade da equação que descreve o movimento de queda livre de objetos e determinar a aceleração da gravidade local. Para este fim, os estudantes simularam a queda de um objeto de massa arbitrária (definida por eles) em um determinado astro (Sol, Lua e planetas do Sistema Solar) para diferentes alturas iniciais. Com o auxílio do mouse, os educandos arrastaram um objeto na tela do computador até uma altura inicial e o registro do tempo de queda foi feito pelo software. De posse dos dados dispostos em uma tabela, utilizou-se a função horária da posição para calcular a aceleração da gravidade do astro escolhido e fazer as devidas análises. O método foi avaliado através de questionários aplicados pré e pós atividade, a fim de coletar informações acerca do aprendizado dos estudantes. O programa utilizado (QuedaLivre.py) foi desenvolvido por estudantes bolsistas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica para o Ensino Médio - PIBIC-EM/CNPq do próprio Campus.

Palavras-chave : Simulação Computacional, Python, Laboratório Virtual de Física, Ensino de Física, Educação em Física

## Introdução

Nas últimas décadas, muito tem se falado sobre as Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) como uma proposta para dinamização de aulas e mecanismo facilitador da aprendizagem. As TICs são definidas pela UNESCO como formas de tecnologia utilizada para criar, visualizar, armazenar, manipular, transmitir e trocar informações por meios eletrônicos (MELEISEA, 2007). Esta definição inclui rádio, televisão, vídeo, smartphones, computadores e assim por diante.

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23 a 27 de janeiro de 2017

Desde que os computadores pessoais e a internet começaram a ser mais amplamente utilizados no início da década 1990, a utilização das TICs na educação tem crescido rapidamente. Esta evolução tem feito com que a informação seja trocada de forma mais rápida, mais fácil e tem resultado em mudanças significativas na forma como vivemos e trabalhamos.

- O tipo de ensino tradicional, praticado na maioria das instituições de ensino atualmente, é caracterizado por valorizar o ensino universalista, sem se preocupar, contudo, com o dia a dia do educando, onde a função do professor é dominar o conhecimento, selecioná-lo e ministrá-lo, de forma lógica e progressiva, num clima de ordem, obediência e de forma acabada e inquestionável (PORTO, 1987).
- As disciplinas que envolvem a manipulação de cálculos, como a Física, Química, a Matemática, entre outras, têm-se mostrado como as mais desafiadoras para os educandos. Isso fica claro se considerarmos as dificuldades que a maioria deles apresenta na resolução de problemas lógicos e os altos índices de reprovação constatados nestas mesmas disciplinas,
- (...) muitos ainda possuem dificuldade em compreender e raciocinar sobre o que está sendo proposto em um determinado problema, notando-se uma grande dificuldade dos mesmos com relação ao raciocínio lógico (BERNARDI et al, 2010).

Os índices das avaliações externas da escola também deixam preocupação em seus resultados, além disso, a experiência como professor nos mostra que inúmeras habilidades e competências não foram desenvolvidas pelos referidos estudantes. Este fato decorre, muitas vezes, da atividade educacional ser centrada apenas em decorar técnicas de resolução de exercícios ou lista de fórmulas sem, necessariamente, refletir sobre elas. Em Libâneo (1994) podemos ver que a atividade de ensinar, na educação brasileira, é vista, comumente, como 'transmissão' do conhecimento aos educandos:

- (...) O professor passa a matéria, os alunos escutam, respondem o interrogatório do professor, para reproduzir o que está no livro didático, praticam o que foi passado em exercícios de classe e decoram tudo para a prova (LIBÂNEO, 1994, p.78).

Os primeiros contatos dos estudantes com a Física acontecem, na maioria das vezes, através da abstração matemática e memorização de fórmulas cuja aplicação deve ser direta. Procura-se no enunciado do problema os valores a serem substituídos nas fórmulas e calcula-se o resultado. Nenhuma análise sobre o problema é feita, ou sua repercussão no dia a dia. Não há quaisquer aplicações práticas ou contextualizadas no cotidiano dos educandos, acarretando dificuldades na aprendizagem dos mesmos, como podemos observar em Stahl (2003):

- (...) tenho estado atento às dificuldades dos educandos na aprendizagem de algumas disciplinas, (...) tais dificuldades podem decorrer de inúmeras ações pedagógicas. No entanto, em nosso ponto de vista, uma das possíveis causas pode decorrer da aula expositiva, em que os conteúdos são passados para os alunos de modo a enfocar essencialmente o rigor Matemático e pouca ou nenhuma aplicação de ordem prática dos conceitos, quando de sua apresentação (STAHL, 2003, p. 01).

Como aquele problema está relacionado com a vida do educando? O que aquele conhecimento proporciona a ele? Como fazer uma experiência de um carro a 72 km/h em uma estrada se o educando não tem idade para dirigir ou não tem condições de ter um carro? A partir dessas perguntas, percebe-se que é necessária

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uma mudança na forma de ensinar Física, trazendo situações reais da vida dos estudantes ou, no mínimo, permitindo que simulações sejam realizadas para que o conhecimento seja mais significativo saindo do, apenas, lápis e papel.

De posse do conhecimento do problema do ensino de Física nos dias atuais, propomos uma estratégia diferenciada que pode ser aplicada com sucesso no ensino dessa disciplina. Para alcançar esse objetivo buscamos, entre outros fatores, incentivar e motivar o educando pelo gosto e aprendizagem desses conhecimentos. Atento a estas necessidades, os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) (BRASIL, 1997) apresentam medidas que devem ser observadas pelo professor:

A insatisfação revela que há problemas a serem enfrentados, tais como a necessidade de reverter um ensino centrado em procedimentos mecânicos, desprovidos de significado para o aluno. Há urgência em reformular objetivos, rever conteúdos e buscar metodologias compatíveis com a formação que hoje a sociedade reclama (BRASIL, 1997, p.15).

Nossa estratégia está baseada na mudança da metodologia de ensino, visto que é necessário mudar a forma como a Física é ensinada aos educandos para mostrar-lhes que ela sai do papel e está presente nas situações reais do cotidiano. Para isso propusemos a utilização do laboratório virtual através de experiências simuladas de corpos em queda livre para trabalhar a intuição e a matemática de uma maneira diferente, objetivando promover inquietação, estímulo e fascínio pelas novas descobertas.

A utilização de simulações computacionais e de laboratórios físicos valorizam e fomentam a aprendizagem produzindo no educando a construção de conhecimentos mais sólidos. Diversos pesquisadores como Papert (1985), Cunha et al (1997), Moraes (2000), entre outros, tem defendido a introdução de computadores nas salas de aulas, em diversos níveis e situações de aprendizagem. O computador, inclusive, tem ocupado papel de destaque nas orientações expressas nos PCN. As recomendações contidas neste documento são baseadas em estudos e experiências que consideram essa ferramenta como um instrumento motivador na realização de tarefas exploratórias e de investigação.

Neste sentido, apresentamos neste trabalho os resultados da aplicação de uma simulação computacional do problema de queda livre nas turmas do 1º Ano do Ensino Médio do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB), Campus Princesa Isabel, momento em que a maior parte dos estudantes tem seu primeiro contato com a disciplina. Desta forma, buscamos despertar as potencialidades e a capacidade reflexiva dos educandos, inserindo-os em um ambiente com uma nova proposta pedagógica, buscando, assim, otimizar resultados de ensino-aprendizagem. É esperado que essa nova abordagem desperte o interesse, a curiosidade e o gosto pela pesquisa científica nesses jovens que iniciam uma longa jornada de aquisição de conhecimento. Nosso problema, então se concentrou em aplicar duas metodologias diferentes para verificar a resposta dos estudantes em vários aspectos: interesse, comportamento, concentração, análise dos resultados obtidos confrontado com os resultados esperados, etc.

## Descrição do Trabalho desenvolvido

O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados obtidos com estudantes de duas turmas distintas, da mesma instituição, residentes na mesma região (sertão paraibano), com a mesma faixa etária e condição socioeconômica, de 1º Ano do

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Ensino Médio, sendo a Turma A composta por 28 estudantes e, a Turma B, com 34 estudantes. O tema da aula foi 'queda livre', e foram abordados conceitos de Movimento Retilíneo Uniformemente Variado. A proposta foi comparar o que os estudantes sabiam antes da aula (conhecimento prévio) com o conteúdo absorvido por eles após a aula. Para tal, foram aplicados dois questionários online 1 desenvolvidos num aplicativo denominado Formulários do Google . O primeiro 2 anterior a aula, contendo dez questões para avaliar o conhecimento prévio dos educandos ou suas intuições a respeito do conteúdo. Na próxima seção serão apresentadas algumas respostas obtidas com os questionários e a análise destes dados.

Na semana seguinte a aplicação do questionário prévio, foi ministrada uma aula no laboratório de informática da instituição, na qual uma aplicação em Python sobre queda livre estava instalada em todas as máquinas. Esta aplicação foi desenvolvida por alguns estudantes da própria instituição, bolsistas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica para o Ensino Médio - PIBICEM/CNPq. Na aplicação, que simula a queda livre de corpos, o estudante é capaz de escolher em qual astro do sistema solar quer realizar o experimento virtual (figura 01), quantas vezes deseja realizar o experimento e, com o auxílio do mouse, escolher a altura inicial que deseja soltar um objeto (figura 02).

Figura 01: Instantâneo da imagem inicial ao executar o programa.

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Após realizar o experimento, o estudante deve anotar em uma tabela a altura inicial e o tempo de queda e realizar as devidas análises com o auxílio do professor. O roteiro completo e detalhado do experimento virtual, bem como todos os arquivos necessários para a sua realização encontra-se disponível em http://labvirtualdefisica.blogspot.com.

Na semana seguinte, os estudantes foram submetidos a outro questionário para verificação dos conhecimentos aprendidos.

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Figura 02: Instantâneo da tela que aparece após escolher a configuração inicial. Ao aparecer esta tela, o estudante deve 'arrastar com o mouse' a bola verde até a altura inicial desejada. Ao 'soltar o mouse' o movimento de queda livre se inicia e o cronômetro na tela é acionado.

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## Resultados obtidos

As figuras de 03 a 06 abaixo ilustram algumas respostas das duas turmas, que mostra a comparação entre o conhecimento prévio delas.

Figura 03: Pergunta contida no questionário prévio.

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Figura 04: Pergunta contida no questionário prévio.

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Figura 05: Pergunta contida no questionário prévio.

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Figura 06: Pergunta contida no questionário prévio.

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As figuras de 07 a 09 abaixo ilustram algumas respostas das duas turmas após a realização da aula.

Figura 07: Pergunta contida no questionário a posteriori.

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Figura 08: Pergunta contida no questionário a posteriori.

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Figura 09: Pergunta contida no questionário a posteriori.

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Através da análise das respostas obtidas no questionário prévio, é importante perceber que a turma fica divida sobre o que é um movimento uniformemente variado (figura 03), mesmo tendo noção do conceito de aceleração (figura 04). Isto é, embora saibam o que aceleração significa, não conseguem interpretar este conhecimento para associar ao movimento. Nota-se também que mais da metade dos educandos nunca ouviu falar no termo "aceleração da gravidade" (figura 05) e que, embora compreendam que quanto mais alto você solta um corpo maior o tempo de queda, esta relação para eles é linear (figura 06), isto é, dobrando-se a altura o tempo de queda dobraria e assim sucessivamente.

Durante a realização do experimento virtual e explanação do conteúdo, abordando e discutindo as implicações e consequências da equação de movimento, os educandos fizeram vários questionamentos, até mesmo sobre experiências que realizaram em suas casas (como jogar objetos para cima) que foram repetidas e discutidas em sala (jogando-se o pincel para cima, por exemplo) e a partir daí conseguiram perceber que o tempo de subida e descida é o mesmo (pergunta que estava no questionário a posteriori , embora não abordado diretamente no experimento).

Embora não tenha ficado muito claro para os estudantes que o tempo de queda não depende da massa do objeto e que este tempo não tem relação linear com a altura inicial, eles demonstraram muito mais interesse pela aula, participando de maneira ativa, com questionamentos, dúvidas e reflexões acerca do experimento e comentaram valorando como a aula experimental torna o aprendizado significativo e, logo, mais fácil de ser compreendido.

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## Considerações finais

Conclui-se que o uso do computador e softwares específicos no processo educacional possibilita a aplicação de novas práticas pedagógicas contribuindo para o educando pesquisar, refletir, fazer antecipações e simulações, confirmar ou refutar ideias prévias, experimentar, criar soluções e construir novas formas de representação mental. Auxilia a interação com diferentes formas de representação simbólica além do conhecimento socializado e colaborativo ensejando a superação dos problemas de aproveitamento e compreensão do conteúdo no processo de ensino-aprendizagem.

## Agradecimentos

Agradecemos ao IFPB pela estrutura física e ao CNPq pelo suporte financeiro.

## Referências

BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais: Matemática / Secretaria de Educação Fundamental. Brasília. Ministério da Educação e Cultura, 1997. Disponível em: &lt;http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/livro03.pdf&gt;. Acesso em agosto de 2016.

BERNARDI, G. et al. O Desenvolvimento do Raciocínio Lógico através de Objetos de Aprendizagem. 2010. Disponível em: &lt;http://wwwusr.inf.ufsm.br/~andrezc/publicacoes/renote\_v5\_n1\_2007.02.pdf&gt;. Acesso em agosto de 2016.

CUNHA, N.; et al. O Ensino de Cálculo com o Auxílio da Informática. In: Anais Congresso Nacional de Matemática Aplicada e Computacional (CNMAC). Gramado, 1997.

LIBÂNEO, J.C. Didática. São Paulo, Cortez, 1994.

MELEISEA, Ellie. The UNESCO ICT in education programme. Bangkok, Thailand: United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, 2007. Disponível em: &lt;http://unesdoc.unesco.org/images/0015/001567/156769e.pdf&gt;. Acesso em agosto de 2016.

MORAES, M. C. O Paradigma Educacional Emergente. Campinas: Papirus, 2000.

PAPERT, S. Logo: Computadores e Educação. São Paulo: Brasiliense, 1985.

PORTO, M. R. S. Função Social da Escola. São Paulo: Atlas, 1987.

STAHL, N. S. P. O Ambiente e a Modelagem Matemática no Ensino do Cálculo Numérico. Tese de Doutorado. Unicamp, Campinas, SP, 2003. Disponível em: &lt;http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?down=vtls000299009&gt;. Acesso em agosto de 2016.

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