UMA PROPOSTA EXPERIMENTAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS NO ENSINO MÉDIO

## UMA PROPOSTA EXPERIMENTAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS NO ENSINO MÉDIO

## D. P. Rodrigues , L. S. Alves 1 2 e P. V. S. Souza 3

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, Volta Redonda. Rua Antônio Barreiros, 212, Aterrado, Volta Redonda, RJ - Brasil, danielle.p.rodrigues@hotmail.com

- 3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, Volta Redonda. Rua Antônio Barreiros, 212, Aterrado, Volta Redonda, RJ - Brasil e Universidade Federal Fluminense, Instituto de Física. Av. Litorânea, s/n, Boa Viagem, Niterói, RJ - Brasil, paulo.victor@ifrj.edu.br

## Resumo

A eletricidade é uma das principais áreas da Física e por isso faz parte dos currículos dos ensinos fundamental e médio no Brasil e no mundo. No entanto, é fato conhecido que existem inúmeros problemas de ensino-aprendizagem em eletrodinâmica e que estes problemas não são, em geral, vencidos com as abordagens usuais do tema. Neste trabalho apresentamos uma proposta alternativa às existentes para o estudo de circuitos elétricos. Propomos uma série de experimentos onde (i) são estudados os conceitos de voltagem e corrente, (ii) é deduzida experimentalmente a 1ª lei de Ohm e (iii) é estudado o efeito Joule. A metodologia utilizada na construção da proposta se ancora em dois pilares teóricos, o construtivismo de Piaget, no que tange ao conflito cognitivo que permeia toda a atividade e a metodologia POE (Previsão-Observação-Explicação) aplicada na prática das atividades experimentais. O ponto de partida da proposta é uma atividade diagnóstica onde são comparadas as luminosidades de lâmpadas de resistências diferentes associadas em paralelo e em série. Os resultados da atividade diagnóstica obtidos nas diversas aplicações realizadas concordam com a indicação da literatura de que o ensino tradicional não é eficiente em promover uma compreensão conceitual plena da eletrodinâmica, em particular, do tema circuitos elétricos. A proposta, ainda em desenvolvimento, leva em consideração estes resultados e se propõe a, no mínimo, remediar as dificuldades de aprendizado em circuitos elétricos.

Palavras-chave : ensino de física, circuitos elétricos, POE, atividades experimentais

## Introdução

A eletricidade é uma área central da Física. A palavra eletricidade originouse do termo eléktron , que significa em grego, âmbar, uma resina fóssil que, se atritada, pode atrair pequenos objetos. Fenômenos elétricos foram primeiramente estudados, pelo que se sabe, por Tales de Mileto, por volta de 600 a.C. Este estudo se estende até os dias atuais no contexto da busca por uma teoria unificada dos campos (PIETROCOLA et al , 2010). A compreensão dos fenômenos elétricos permitiu que grandes avanços tecnológicos tenham sido obtidos, em especial nos últimos dois séculos. Por esta razão, o estudo da eletricidade figura unanimemente

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

23 a 27 de janeiro de 2017

nos currículos de física dos ensinos fundamental e médio no Brasil e no mundo (SHIPSTONE et al, 1988; BRASIL, 2000; BRASIL, 2002).

Entretanto, como é sabido, existem diversos problemas de ensinoaprendizagem em eletrodinâmica (PACCA, 2003). Por exemplo, é conhecida e notável a dificuldade dos alunos no ensino médio em diferenciar conceitos básicos de eletricidade como voltagem, corrente elétrica e resistência elétrica (DUIT, VON RHÖNECK, 1998).

Neste trabalho, apresentamos os resultados preliminares obtidos no âmbito de um projeto de pesquisa que tem como objetivo identificar as dificuldades de ensino-aprendizagem em circuitos elétricos e propor abordagens alternativas às comumente adotadas para o tema com o intuito de sanar ou, ao menos remediar, estas dificuldades. Inicialmente, apresentamos uma atividade experimental diagnóstica desenvolvida e aplicada por nós com objetivo de trazer à tona algumas dessas dificuldades. Algumas conclusões preliminares acerca desta atividade são apresentadas. Estas se harmonizam com muitos dos relatos sobre o tema presentes na literatura (PACCA, 2003). Em seguida, apresentamos duas atividades que compõem a proposta de intervenção para o tema circuitos elétricos. Findamos este texto com alguns comentários e perspectivas.

Estas três etapas foram desenvolvidas e aplicadas em quatro turmas diferentes do segundo período do curso de automação industrial, um curso médio/técnico concomitante oferecido no Instituto Federal do Rio de Janeiro, campus Volta Redonda - RJ, onde um dos autores trabalha como professor.

## Por que as lâmpadas brilham?

Nesta seção, descrevemos a atividade experimental diagnóstica desenvolvida por nós para identificar as dificuldades dos alunos no tema circuitos elétricos e nortear o desenvolvimento da inteira proposta de intervenção.

- O aparato experimental utilizado é composto de três lâmpadas de 15 W, 40W e 60 W, fios conectores com garra jacaré, plugue macho de tomada e uma cortiça de madeira, como mostrado na Figura 01.

Figura 01: (1) O aparato experimental, (2) plugue macho de tomada, (3) fios conectores com garra jacaré, (4) Lâmpada 15W, (5) Lâmpada 40W, (6) Lâmpada 60W.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

O objetivo da atividade é discutir o que leva uma lâmpada a brilhar. Inicialmente, perguntamos aos alunos 'Por que as lâmpadas brilham?' Nossa intenção com esta pergunta foi que os alunos relacionassem o brilho da lâmpada à energia dissipada na resistência, por causa do efeito Joule . Em seguida, pedimos 1 aos alunos que listassem que parâmetros eles julgavam ser importantes para o brilho da lâmpada. Em nossas aplicações piloto, boa parte dos alunos mostrou-se capaz de relacionar o brilho da lâmpada com a voltagem, a corrente, a resistência, a potência nominal da lâmpada, etc. Isso foi possível, como pudemos perceber, pois os alunos associavam a potência dissipada a estes outros conceitos por meio das equações matemáticas estudadas anteriormente.

Logo após, apresentamos aos alunos o seguinte problema: 'considerem três lâmpadas, uma de 15 W, uma de 40 W e uma de 60 W. Qual dentre estas brilha mais?' Pedimos aos alunos que justificassem suas respostas. Constatamos, em nossas aplicações piloto, que massivamente os alunos apontavam que a lâmpada de 60 W brilharia mais que as demais simplesmente porque tem a maior potência nominal.

Em seguida, com a justificativa de verificar experimentalmente sua expectativa, solicitamos aos alunos que montassem, usando o aparato experimental apresentado na Figura 01, um circuito simples em que as lâmpadas estivessem associadas, inicialmente, em série. Neste caso, a lâmpada de 15W apresenta, evidentemente, o maior brilho. Esta observação, fez com que os alunos, em todas as aplicações da atividade, modificassem sua resposta à questão anterior, embora não tenham se mostrado capazes de justificar porque a lâmpada de 15W brilha mais do que as demais. Em seguida, solicitamos aos alunos que associassem as lâmpadas em paralelo. Neste caso, a lâmpada de 60W brilha mais que as demais lâmpadas, o que fez com os alunos novamente modificassem suas opiniões sobre a questão do brilho . Os arranjos experimentais utilizados nos dois casos são mostrados nas 2 Figuras 02A e 02B. A primeira parte da atividade findou-se neste momento. Apresentamos a seguir algumas de nossas conclusões preliminares acerca de sua aplicação.

<!-- image -->

Figura 02: Na primeira figura (Figura 02A), exibimos a associação em série. Na segunda figura (Figura 02B), a associação em paralelo.

<!-- image -->

- 1 Esta expectativa é razoável uma vez que, em todos os testes realizados, os alunos já haviam recebido instrução prévia no tema circuitos elétricos.
- 2 Neste momento da atividade, alguns alunos já esboçaram uma opinião mais ponderada, afirmando que o brilho dependeria de mais algum parâmetro que não foi listado no início da atividade.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Análise da atividade diagnóstica

A aplicação da atividade permitiu-nos constatar o que já é apontado na literatura a respeito das dificuldades de ensino-aprendizagem em eletrodinâmica, a saber, que o ensino tradicional não é eficiente em promover uma compreensão conceitual cabal da eletrodinâmica, em particular, do tema circuitos elétricos (PACCA, 2003; KÜÇÜKÖZER, KOCAKÜLAH, 2007; BORGES, GILBERT, 1999; SOLOMON, BLACK, STUART, 1987).

Embora, em sua maioria, os alunos mostraram-se capazes de relacionar a potência dissipada com os conceitos de voltagem, corrente e resistência, por conta de seu domínio das fórmulas, falharam na comparação entre os brilhos das lâmpadas. Também não foram capazes de justificar o que estavam observando. Isso ratifica uma compreensão que temos, como professores e pesquisadores, de que muitas vezes as fórmulas matemáticas são invólucros vazios, significados sem significante. Isso se mostra claro tão logo os alunos se veem diante de uma questão conceitual.

Diante disso, apresentamos adiante duas atividades experimentais que compõem uma proposta de intervenção, ainda em desenvolvimento, que esperamos ser capaz de proporcionar uma abordagem conceitualmente mais profunda do tema e promover um tipo de reconstrução conceitual do assunto.

A metodologia utilizada na construção da proposta se ancora em dois pilares teóricos, o construtivismo de Piaget, no que tange ao conflito cognitivo que permeia toda a atividade e a metodologia POE (Previsão-Observação-Explicação) aplicada na prática das atividades experimentais. A discussão destes pressupostos escapa o escopo deste texto, mas é feita de maneira bastante abrangente na literatura (PIAGET, INHELDER, 1978; GOMES, BELLINI, 2009; FERRACIOLI, 1999; FILOCRE, 1986; SANTOS, SASAKI, 2015; WHITE, GUNSTONE, 1992; HAYSOM, BOWEN, 2010; SASAKI, JESUS, 2013).

A seção seguinte é devotada à descrição de duas das três atividades que compõem nossa proposta de intervenção.

## A proposta de intervenção

Nossa proposta de intervenção está dividida em três etapas básicas, que correspondem a atividades experimentais realizadas pelos alunos com o intuito de promover o conflito cognitivo, o debate e a argumentação em torno dos conceitos estudados. Na primeira etapa, realiza-se um experimento cujo objetivo é distinguir conceitualmente voltagem de corrente. Em seguida, um segundo experimento é realizado com intuito de atribuir um significado ao conceito de resistência e deduzir experimentalmente a 1ª Lei de Ohm. Finalmente, um terceiro experimento, ainda em desenvolvimento, versará sobre o efeito Joule. Neste texto, apresentamos apenas as primeiras duas etapas da proposta.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Atividade 1 - diferenciando voltagem de corrente

Com a finalidade de distinguir voltagem de corrente, solicitamos novamente que os alunos associassem as lâmpadas em série. Em seguida, solicitamos que eles medissem as quedas de potencial em torno de cada uma das lâmpadas e o valor da corrente em diferentes pontos do circuito. Pretendeu-se com isto enfatizar que a passagem da corrente por cada lâmpada provoca apenas uma queda de tensão enquanto o valor da corrente não é afetado. Dessa forma, é fácil perceber que neste tipo de associação todas as lâmpadas são percorridas pela mesma corrente, conceito extremamente importante para futura comparação da potência dissipada em cada lâmpada. Com efeito, quando as lâmpadas são percorridas pela mesma corrente, brilha mais aquela que apresenta a maior resistência.

Subsequente, o mesmo foi feito para o caso das lâmpadas associadas em paralelo. Neste caso, a ideia é reforçar que lâmpadas associadas em paralelo estão submetidas à mesma queda de potencial, o que é possível perceber por meio da medição direta. É também possível perceber que a corrente neste caso se divide entre os ramos onde estão as lâmpadas e que isso ocorre numa proporção inversamente proporcional à resistência das lâmpadas, ou seja, a lâmpada com menor (maior) resistência é percorrida pela maior (menor) fração da corrente. Isso é fundamental para futura comparação da potência dissipada em cada lâmpada pois neste caso, quando submetidas à mesma queda de tensão, brilha mais a lâmpada que apresenta a menor resistência.

Os alunos foram incentivados a tomar nota de suas conclusões e apresentar justificativas em suas próprias palavras para estas conclusões.

## Atividade 2 - investigando a 1ª lei de Ohm

Neste momento, propomos uma atividade cujo objetivo é deduzir experimentalmente a 1ª Lei de Ohm. O aparato experimental utilizado, uma fonte de corrente contínua caseira, dois multímetros e três resistores é mostrado na Figura 03.

Figura 03: O aparato experimental utilizado na segunda atividade de intervenção

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

A fonte caseira mostrada na Figura 03 foi construída de acordo com o projeto apresentado por Amorim e Barros (2007). Trata-se de um projeto factível e acessível para realidade de qualquer escola pública. Neste caso, pedimos aos alunos que ligassem cada uma das resistências à fonte e que os multímetros fossem dispostos para medir a intensidade da corrente no circuito e a queda de tensão na resistência. A fonte pode ser regulada para ofertas diferentes de potencial entre 6V e 18V. Solicitamos então aos alunos que variassem a voltagem ofertada pela fonte de um volt em um volt. Ademais, pedimos que aferições concomitantes da corrente no circuito fossem realizadas. Com base nisso, os alunos construíram uma tabela com as medições simultâneas da corrente e da voltagem. Em seguida, solicitamos que eles construíssem um gráfico voltagem x corrente. Os gráficos obtidos são retas com diferentes coeficientes angulares. Daí, perguntamos aos alunos que característica geométrica diferia os gráficos e sugerimos que esta característica fosse utilizada para caracterizar e diferenciar as resistências. É neste momento que apresentamos a 1ª lei de Ohm aos alunos, a partir deste resultado experimental . Neste momento, 3 encerra-se a segunda atividade, cujo objetivo básico é construir a ideia expressa pela 1ª lei de Ohm ao invés de postular, como geralmente ocorre nos livros texto. Em nossa aplicação piloto, solicitamos que após a atividade os alunos relatassem por escrito que atividades foram desenvolvidas e qual o significado, segundo seu entendimento, da 1ª lei de Ohm.

## Comentários finais

Neste texto, apresentamos os dividendos preliminares de uma pesquisa ainda em desenvolvimento focada no processo de ensino-aprendizagem de eletrodinâmica em nível médio, a saber, três atividades (uma diagnóstica e duas de intervenção) cujo objetivo foi, a primeira, identificar as dificuldades de ensinoaprendizagem em circuitos elétricos, e as demais, propor abordagens alternativas às comumente adotadas para o tema com o intuito de sanar ou, ao menos remediar, estas dificuldades.

Prevemos o desenvolvimento da terceira atividade experimental, cuja temática é o efeito Joule, de intervenção ainda para o segundo semestre de 2016. Uma atividade avaliativa deve também compor a inteira proposta. Prevê-se que a inteira proposta seja concluída e testada, ao menos em formato piloto, até o primeiro semestre de 2017.

Sem mais, findamos este texto reiterando a crença que temos, já com os resultados preliminares, que esta abordagem alternativa é viável e capaz de permitir que uma discussão qualitativamente mais adequada do tema seja realizada.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Agradecimentos

Os autores agradecem aos professores Jefferson Neves e Lígia Valente pelas sugestões e críticas no ínterim da realização da pesquisa e a CAPES pelo financiamento parcial da mesma.

## Referências

AMORIM, H. S.; BARROS, S. L. S. Instrumentação para o ensino da física 1 . v. 1 - Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2007.

BORGES, A.T.; GILBERT, J. K. Mental models of electricity . International Journal of Science Education, v. 21, n. 1, p. 95-117, 1999.

BRASIL. Ministério da educação. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais -Ensino Médio . Brasília: SEMTEC/MEC, 2000.

BRASIL. Ministério da educação. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. PCN+ ensino médio: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais; ciências da natureza, matemática e suas tecnologias. Brasília: MEC/SEMTEC, 2002.

DUIT, R., VON RHÖNECK, C. Learning and understanding key concepts of electricity . Connecting research in physics education with teacher education, p. 1997-1998, 1997.

FERRACIOLI, L. Aspectos da construção do conhecimento e da aprendizagem na obra de Piaget . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 16, n. 2, p. 180-194, 1999.

FILOCRE, J. A. A teoria de piaget como sistema de referência para compreensão da Física intuitiva . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 3, n. 2, p. 85-96, 1986.

GOMES, L. C.; BELLINI, L. M. Uma revisão sobre aspectos fundamentais da teoria de Piaget: possíveis implicações para o ensino de física . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 2, p. 2301, 2009.

HAYSOM, J.; BOWEN, M. Predict, observe, explain: Activities enhancing scientific understanding . NSTA Press, 2010.

KÜÇÜKÖZER, H.; KOCAKÜLAH, S. Secondary school students' misconceptions about simple electric circuits. Journal of Turkish Science Education, v. 4, n. 1, p. 101, 2007.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

PACCA, J. L. A. Corrente elétrica e circuito elétrico: Algumas concepções do senso comum . Caderno Brasileiro Ensino de Física, v.20, n.2: p.149-165, agosto, 2003.

PIAGET. J.; INHELDER. B. A Psicologia da Criança . Rio de Janeiro: Difel, 1978.

PIETROCOLA, M et al. Física em Contextos: pessoal, social, histórico: eletricidade e magnetismo, ondas eletromagnéticas, radiação e matéria . São Paulo: FTD, v.3, 2010.

SANTOS, R. J.; SASAKI, D. G. G. An active learning methodology to teaching mechanics in youth and adult education . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 37, n. 3, p. 3506-1-3506-9, 2015.

SASAKI, D. G.G.; JESUS V.L.B. Aprendizagem significativa de imagens virtuais formadas por espelhos esféricos côncavos através de experimentos Cativantes. in: IX Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências (ENPEC), 2013, Águas de Lindóia. Anais do IX ENPEC, 2013.

SHIPSTONE, D. M. et al. A study of student's understanding of electricity in five European countries . International journal of science education, v. 10, n. 3, p. 303-316, 1988.

SOLOMON, J.; BLACK, P.; STUART, H. The pupils' view of electricity revisited: social development or cognitive growth? International Journal of Science Education, v. 9, n. 1, p. 13-22, 1987.

WHITE, R.; GUNSTONE, R. Prediction-observation-explanation . Probing understanding, p. 44-64, 1992.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_