CIRCUITOS ELÉTRICOS NO ENSINO MÉDIO: UMA SEQUÊNCIA INVESTIGATIVA

## CIRCUITOS ELÉTRICOS NO ENSINO MÉDIO: UMA SEQUÊNCIA INVESTIGATIVA

Prof. MSc. Edilson da Silva Torma 1 Prof. Dr. Valmir Heckler 2 Profª. MSc. Eliane Cappelletto 3

## RESUMO

Relatamos nesse artigo o desenvolvimento e a aplicação de uma proposta didática em circuitos elétricos para turmas do ensino médio da rede pública do Município de Rio Grande - RS. Essa proposta está organizada em uma sequência de ensino investigativa em um conjunto de 13 aulas, totalizando uma média de 26 horas-aula. A sequência abrange o desafio da montagem de circuitos elétricos, uso de multímetros e vídeos relacionados a aspectos históricos da eletricidade. Pensando em contemplar as diretrizes expressas para a área de Física nos Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio (PCNEM), incluímos na sequência, atividades experimentais de baixo custo. Os experimentos foram realizados com pilhas, lâmpadas, conectores, potenciômetros e multímetros. O trabalho dos estudantes também contempla a análise de corrente, tensão e resistência elétrica, bem como testes conceituais sobre circuitos elétricos, dimensionamentos de disjuntores, cálculos, análise de projeto arquitetônico de uma residência (planta baixa) e compreensão sobre os custos relacionados ao consumo de energia elétrica.

Palavras-chave: Ensino de Física, Sequência de Ensino Investigativa, Circuitos Elétricos, Atividades Experimentais.

## 1. Introdução

Desenvolver uma metodologia de ensino e de aprendizagem que envolva os estudantes em sala de aula, e rompa com a rotina passiva de quadro e giz, seja talvez, o grande desafio que nós educadores enfrentamos no século XXI. Uma tarefa nada fácil, visto que a grande maioria das escolas públicas carecem de recursos para o desenvolvimento de atividades que incluam os estudantes nesse processo, que geralmente é descontextualizado. O baixo interesse dos jovens por áreas relacionadas ao ensino de Física no Brasil, conforme afirmado por Heineck, et al. (2007), é um exemplo deste panorama. Pensando nisso, propomos uma sequência investigativa que busca tornar o ensino de circuitos elétricos mais próximo do cotidiano dos jovens, de modo a contemplar as diretrizes expressas para a área de Física nos Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio (PCNEM).

Conforme é destacado por Silva (2011), Rosa & Rosa (2012), Souza Filho et al. (2011) e Brasil (2002), as intervenções experimentais aproximam os alunos dos conceitos estudados e facilitam os processos de ensino e da aprendizagem. Os registros nos PCNEM apontam para a importância de se utilizar a experimentação ao longo destes processos, no que tange ao aluno manusear, operar e agir, em

diferentes formas e níveis, durante as atividades propostas em sala de aula de Física. Esse desafio aparenta ser maior, pois conforme Santos e Castilho (2010), a grande maioria das escolas públicas não dispõem de um laboratório de Física, no entanto,

é tão possível trabalhar com materiais de baixo custo, tais como pedaços de fio, pequenas lâmpadas e pilhas, quanto com kits mais sofisticados, que incluem multímetros ou osciloscópios. A questão a ser preservada, menos do que os materiais disponíveis, é, novamente, que competências estarão sendo promovidas com as atividades desenvolvidas (BRASIL, 2002, p. 84).

Pautado nestes aspectos destacados nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+), abordamos nesse artigo uma sequência investigativa desenvolvida no Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) . O 4 produto educacional elaborado, teve como base a metodologia de investigação proposta por Carvalho (2013), em que o professor assume o papel de orientar as atividades experimentais na sala de aula. Nesse sentido, é proporcionada uma certa liberdade para os alunos pensarem e operarem os equipamentos e materiais a eles distribuídos.

Na perspectiva de incluir atividades experimentais no produto educacional proposto, nos apoiamos em distintos graus de liberdade, conforme destacado por Carvalho (2010). A autora registra, a partir dos estudos de Pella (1969 apud CARVALHO, 2010), os possíveis graus de liberdade que podem ser assumidos em aulas experimentais na escola. O Quadro 1 sintetiza os aspectos centrais deste trabalho, em relação ao envolvimento do professor (P) e do aluno (A) na elaboração de problemas, hipóteses, plano de trabalho, obtenção de dados e conclusões. Nesse sentido, visualizamos que os graus destacados podem servir a nós, professores, como orientadores quando planejamos e construímos uma atividade experimental no contexto escolar.

Quadro 1 - Graus de liberdade do professor (P) e do aluno (A) em aulas de laboratório.

Fonte: CARVALHO, 2010, p. 55.

No Quadro 1, as aulas experimentais são classificadas em cinco níveis, em que a participação do estudante cresce junto com o grau de liberdade. O grau V, o mais exigente, seria uma atividade experimental em que o problema, as hipóteses, o plano de trabalho, a obtenção de dados e as conclusões partissem do estudante, ou seja, ele teria total liberdade para escolher a pergunta, planejar como respondê-la e

executar esse planejamento. Para assumir o grau V em sala de aula, seria preciso que alguém do grupo trouxesse uma curiosidade ou um questionamento pessoal para, a partir dessa dúvida, construir hipóteses e planejar a maneira de testá-las a fim de obter os resultados necessários para esboçar conclusões.

Seguindo esta classificação, no produto educacional relatado neste artigo, buscamos, em grande parte das atividades experimentais propostas, permitir que os estudantes vivenciem um grau de liberdade IV. Ressaltamos que as referidas atividades podem oscilar para o grau V, visto que observamos que em alguns momentos, durante a aula, os estudantes geram perguntas. Diante das perguntas levantadas pelos estudantes, compreendemos ser necessário possibilitar conversas na sala de aula, de forma a alimentar sua criatividade, tomando cuidado para não dar a resposta, permitindo assim que eles próprios testem, investiguem e promovam a discussão dos resultados.

Nesta perspectiva a sequência investigativa, contém questões dissertativas que possibilitam promover o debate em grupo. Com as atividades práticas, os estudantes são conduzidos a trabalhar com a incerteza experimental, tão importante quanto o acerto previsto e esperado pela maioria. As questões abertas, inclusas em cada uma das aulas propostas, permitem fugir do famoso receituário e, com isso, configurar-se como uma atividade experimental investigativa. Assim, as ações práticas propostas no material não se resumem a simplesmente mostrar o fenômeno, mas analisar e discutir as possibilidades e variáveis que surgem a partir do fenômeno.

Apresentamos um material que utiliza experimentos, desenhos, escritas e vídeos, que podem ser desenvolvidas em grupo, a fim de envolver os estudantes e incentivá-los a expressar suas hipóteses para que, a partir de erros e acertos, possam construir o conhecimento de modo colaborativo com seus colegas e o próprio professor.

## 2. Desenvolvimento do material

A sequência de ensino investigativo (SEI) desenvolvida abrange os conceitos estudados na eletrodinâmica de modo a proporcionar um ambiente em que o estudante possa trazer seus conhecimentos prévios. O referido material está organizado na forma de módulos, que possibilita a entrega gradativa do material e atividades aos estudantes, na medida em que é aplicado no cotidiano das aulas.

Desenvolvido e implementado ao longo de cinco anos, as aulas descritas no Quadro 2, foram intercaladas com aulas expositivas que abordavam os conceitos de diferença de potencial elétrico, circuitos em série e em paralelo, potência, corrente elétrica, consumo de energia elétrica e instalações prediais (fase e neutro). O Quadro 2 apresenta uma síntese da sequência que está disponível para download , 5 no site do programa MNPF polo\_21 FURG.

Quadro 2 - Síntese das atividades investigativas do Produto Educacional.

Os materiais utilizados nas atividades estão listados na figura 1 e podem ser encontrados em lojas de equipamentos eletrônicos e/ou adquiridos pela internet.

Figura 1 -Material utilizado para a confecção das atividades experimentais.

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No Quadro 3 estão listadas as especificações técnicas das lâmpadas, o suporte e o potenciômetro utilizado no âmbito das atividades experimentais.

Quadro 3 - Especificações técnicas das lâmpadas.

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O kit de solda, ferro, pasta e estanho servem para confeccionar os cabos e as caixinhas de lâmpada, que são os conectores de lâmpadas cobertos por um isopor como mostrado na figura 2.

Figura 2 - Caixinha de lâmpada e cabos.

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O número de lâmpadas, suportes, multímetros e potenciômetros necessários vai depender da quantidade de grupos em que o professor dividirá a turma. Uma unidade de cada aparelho e 5 lâmpadas com suporte por grupo é o suficiente.

## 3. Descrição da Sequência em Sala de Aula.

O material proposto é constituído de aulas que envolvem diferentes atividades experimentais, articuladas a momentos históricos da eletricidade, questões abertas e o trabalho dos estudantes em pequenos grupos. Centrado no envolvimento do aluno na sala de aula o material proposto tem o propósito de permitir que ele se torne um dos protagonistas nos processos de ensino e da aprendizagem. Nesse sentido, as atividades sugeridas a eles são pontos de partida para que comuniquem os seus conhecimentos prévios, possam gerar hipóteses e testá-las a partir de intervenções experimentais.

A SEI inicia com um desafio a ser resolvido em pequenos grupos. Os estudantes precisam ligar uma lâmpada incandescente de 2,5 V utilizando uma pilha de 1,5 V e um fio condutor. Essa atividade inicial abrange manusear elementos que constituem um circuito elétrico simples, uma primeira experiência em sala de aula com circuito fechado, em que o estudante é envolvido no debate sobre o caminho da corrente elétrica, como por exemplo, discutir o caminho da corrente elétrica pelos elementos do circuito por eles criado. Para ampliar as discussões os grupos são desafiados a montar o circuito utilizando alguns LEDs, conforme registros da figura 3. A referida figura apresenta as soluções encontradas por alguns estudantes, como por exemplo, a necessidade de se ter um caminho fechado para fazer a lâmpada acender e o de levar em consideração o sentido da corrente quando eles ligam um LED.

Figura 3 - Primeira aula da SEI - ligando lâmpadas e LEDs com pilhas e fios

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A segunda aula está dividida em dois momentos. No primeiro momento o trabalho começa com uma síntese histórica da lâmpada de Thomas Edison, em que os estudantes teorizam o comportamento de alguns circuitos conectados em série. No segundo momento, eles testam os circuitos, comparam as hipóteses construídas anteriormente e são desafiados a explicarem porque acontece a diminuição do brilho das lâmpadas incandescentes quando adicionadas em série.

A aula 3 abrange atividade experimental com o uso do multímetro. O propósito da aula consiste trabalhar com as funções e escalas presentes no equipamento. A sequência envolve aprimorar o grau de entendimento sobre escalas e prefixos de potência de dez que compõem o multímetro.

Utilizamos na quarta aula o vídeo A Faísca , de 51 min de duração, narrado 6 pelo professor Jim Al-Khalili, que foi exibido pela TV Escola. O uso do material audio visual tem como objetivo mostrar alguns dos filósofos e cientistas que estudaram o fenômeno da eletricidade. O referido material possibilita debater em aula a importância dos erros cometidos pelos cientistas na tentativa de construir a base científica da eletricidade.

A aula 5 é constituida por diversas atividades experimentais que incluem a utilização do multímetro na função voltímetro. Nesta aula busca-se introduzir elementos que levem os estudantes a discutirem as grandezas físicas relacionadas ao enfraquecimento do brilho da lâmpada quando associada em série como por exemplo, a divisão da ddp da pilha que é dividia entre as lâmpadas. Depois de compreender como funciona o multímetro e suas funções e escalas, o estudante poderá entender o comportamento da tensão no circuito série. Na figura 4, registramos algumas das interação dos estudantes com os circuitos e os equipamentos de medida.

Figura 4 - Interação dos estudantes com o material.

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Na Atividade Experimental VII da aula 6, os estudantes farão uso do amperímetro, em que os grupos são desafiados a realizar de forma correta a conexão desse equipamento ao circuito. Utilizar a escala adequada para a leitura da corrente também permitirá relacionar o valor medido com o brilho da lâmpada visualizado por eles. Com esse conjunto de atividades é possível trabalhar com as relações da primeira lei de Ohm.

Na aula 7 os estudante são instigados a resolverem uma situação-problema a qual refere-se ligar uma lâmpada em uma tensão maior do que a prevista pelo fabricante. Utilizando apenas um potenciômetro e um multímetro com as funções: voltímetro, amperímetro e ohmímetro. os estudantes devem conectar a bateria em série ao potenciômetro, (uma resistência variável). Para calibrá-lo, eles precisam calcular o valor da resistência utilizando as equações do circuito em série e a primeira lei de Ohm.

O fechamento das atividades com o circuito em série acontece na aula 8, que demonstra as equações e introduz o conceito de circuito em paralelo desenvolvido por Thomas Edison. Ao utilizar o circuito em paralelo para conectar as lâmpadas, é possível ligar e desligar individualmente cada uma delas sem que haja variação no brilho das demais. Essas observações são feitas a partir da medição da

tensão, utilizando o voltímetro, no momento em que lâmpadas são ligadas e desligadas na referida associação.

Na aula 9, o estudante poderá verificar o comportamento da corrente elétrica em um circuito paralelo quando se adiciona ou se retira uma lâmpada do circuito. Esta atividade conta ainda com a construção do conceito de curto-circuito, com o propósito de oportunizar aos alunos o trabalho com o significado físico de algumas equações utilizadas no circuito paralelo.

Composto por um teste com sete questões objetivas, a aula 10 sintetiza as atividades investigativas desenvolvidas nas aulas anteriores de modo a buscar falhas no processo e corrigi-las. Em grupo, os estudantes respondem o questionário e geraram hipóteses. Democraticamente eles devem escolher uma das respostas levantadas pelo grupo sem descartar nenhuma, ou seja, tudo deve ser anotado, visto que o erro também faz parte do processo de ensino e da aprendizagem. A correção é feita na aula 11 em que eles montam os circuitos representados nas questões que compõem o referido teste. Fazendo uma narrativa dos resultados, os alunos escrevem sobre os erros e acertos na atividade e comunicam compreensões a cerca do que estava errado e o por quê.

Na aula 12, os estudantes assistem ao segundo vídeo A ERA DA INVENÇÃO que narra a história da construção do primeiro motor elétrico, o surgimento do telégrafo, a construção da lâmpada e a guerra conceitual entre Edison e Tesla, que ficou conhecida como guerra das correntes. Acreditamos que, com esse vídeo, os estudantes possam ter uma visão geral dos circuitos trabalhados e que apesar de toda genialidade de Edison, a corrente alternada de Tesla foi fundamental para o avanço tecnológico a partir da eletricidade.

Finalizando a sequência, a aula 13 tem como objetivo estimar o custo do consumo de energia em uma residência. A atividade busca permitir que os estudantes compreendam o funcionamento das instalações elétricas com tensão de 127 V e 220 V. Também, são debatidos os dispositivos de segurança e a espessura correta da fiação utilizada em conjunto com os disjuntores da casa. Essa aula foi elaborada com o objetivo de utilizar o tema de aparelhos elétricos sugerido nos PCNEM.

## 4. Considerações finais

O artigo descreve a implementação de experimentos em circuitos elétricos no ensino médio articulados ao uso de desenhos, escritas e vídeos. Estes constituem as atividades investigativas a serem desenvolvidas em pequenos grupos, apostando no envolvimento colaborativo dos estudantes com seus colegas e com o próprio professor. Emergem como ações futuras realizar a filmagem e gravação das discussões geradas nos grupos, assim como desenvolver uma análise das interações que acontecem a partir do material proposto. Buscamos aperfeiçoar o material no sentido de reservar momentos para que o estudante possa sistematizar de forma individual o que foi produzido nos grupos (coletivo); produzir um roteiro com questões que possibilitem ampliar o debate em torno dos vídeos utilizados; incluir os simuladores e análise de gráficos utilizando as medidas obtidas a partir dos experimentos.

## 5. Referências

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TORMA, E. S. Sequência Investigativa em Circuitos Elétricos no Ensino Médio. Dissertação (mestrado em ensino de física) - Programa de Pós-Graduação Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), Instituto de Matemática, Estatística e Física (IMEF), Fundação Universidade do Rio Grande (FURG), Rio Grande, 2016.