UTILIZANDO UM SIMULADOR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS PARA ANIMAR QUESTÕES DE LIVROS DIDÁTICOS: O EXEMPLO DA PONTE DE WHEATSTONE

## UTILIZANDO UM SIMULADOR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS PARA ANIMAR QUESTÕES DE LIVROS DIDÁTICOS: O EXEMPLO DA PONTE DE WHEATSTONE

## Lucas Acácio Mineiro¹, Marco Adriano Dias²

- ¹ Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, email: lucasacacio.007@hotmail.com

² Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, email: marco.dias@ifrj.edu.br

## Resumo

Neste trabalho propomos a utilização de um simulador disponível gratuitamente na internet, o kit de construção de circuitos elétricos do PhET, para animar as questões de eletrodinâmica dos livros didáticos de física do ensino médio. Através da simulação o professor pode dar um enfoque fenomenológico ao ensino, com uma metodologia interativa para que os alunos possam construir os abstratos modelos da eletrodinâmica, além da compreensão dos conceitos de corrente elétrica, diferença de potencial, resistência elétrica, e, por fim, aprender a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff. Utilizamos como exemplo um exercício idealizado contido em um livro didático do PNLD de física de grande dificuldade de compreensão por parte dos alunos, a determinação das correntes elétricas numa ponte de Wheatstone equilibrada. Apesar de a simulação se configurar como a materialização de um modelo pronto, verificamos seu potencial para ajudar na compreensão conceitual, fenomenológica e do funcionamento de circuitos elétricos propostos nos exercícios, pois com a manipulação do simulador, os alunos podem montar esses circuitos e confrontar os resultados obtidos a partir dos cálculos com o resultado do simulador. Através da criação de componentes visuais e interativos, espera-se que sejam adicionados elementos que auxiliem o estudante a superar as barreiras impostas pela natural dificuldade pertinente ao assunto.

Palavras-chave: Eletrodinâmica, Ensino Interativo, Simulações assistidas por computador.

## Introdução

A didática com que se trabalham temas de circuitos elétricos simples diversas vezes se apresenta de maneira muito complicada, e desnecessariamente distante de aplicações práticas e cotidianas, apesar de assuntos como a eletrodinâmica serem essenciais para a compreensão do funcionamento de quase tudo que cerca o mundo do estudante, abrindo assim muitas possibilidades de contextualização.

Para Barros Filho e Silva (2002) é comum a lei de Ohm ser ensinada de forma muito matematizada e automática, exposta como um simples método para

resolver exercícios idealizados dos livros didáticos. Ensinada dessa maneira, os alunos fixam o conteúdo que será cobrado na prova, sem a necessidade de refletir sobre maiores questionamentos da importância do conhecimento sobre eletricidade.

Segundo Macêdo, Dickman e Andrade (2012) temos estudantes cada vez mais vislumbrados pela tecnologia, contudo, presenciamos professores que apresentam certa resistência em acompanhar tal processo de evolução tecnológica. As práticas docentes no ensino de Física não devem ficar presas somente às metodologias tradicionais, mas sim, possibilitar uma interação dos estudantes com o conhecimento que lhes está sendo ensinado, com o fenômeno e com a construção dos modelos físicos.

A contextualização dos conteúdos ensinados nas aulas de Física é uma necessidade imposta pelo mundo moderno, conforme orientam os PCN+ (Brasil, 1998). Por isso, não é mais aconselhável à utilização por parte do professor de uma didática que informa, introduz e/ou apresenta o conteúdo através de exercícios propostos em sala e questões que envolvam somente o cálculo numérico (YAMAMOTO, FUKE, 2013).

Os objetivos almejados para os alunos com o ensino da Física na educação básica vão além de apenas compreender fenômenos e conceitos, pois também é desejável que os alunos saibam se expressar, que tenham a capacidade de fazer conexões entre o que se aprende nas aulas com o mundo real, e assim possam se apropriar do conhecimento físico e atuar como um elemento construtivo da sociedade. Nesse sentido, o ensino de Física deve contribuir para a formação e consolidação de uma cultura científica que possibilita a compreensão da ciência como uma construção humana (BRASIL, 1998).

- O intuito deste trabalho é discutir como um simulador gratuito, o Circuit Construction Kit (AC+DC), Virtual Lab, pode ser usado no ensino de eletrodinâmica possibilitando interatividade a partir dos problemas propostos no livro que, em geral, não permitem interação dos alunos com o fenômeno, além de aplicações do modelo da eletrodinâmica clássica na solução de equações. A ideia é levar para o ambiente da aula alguns exemplos de circuitos que aparecem em exercícios propostos dos livros didáticos e em questões de provas como o ENEM, solicitar que os alunos montem um circuito equivalente no PhET e assim será possível ilustrar graficamente uma ideia teórica, permitindo uma interação dos alunos com a eletrodinâmica do circuito escolhido.

## A eletrodinâmica no ensino médio: o caso do Rio de Janeiro, os conceitos e as concepções alternativas

Segundo o Currículo Mínimo do estado do Rio de Janeiro (RIO DE JANEIRO, 2012) os fenômenos associados à eletricidade devem ser ensinados no terceiro ano do ensino médio. Algumas das competências que os alunos devem apresentar segundo o próprio currículo são: Identificar fenômenos e grandezas elétricas, estabelecer relações, identificar regularidades, invariantes e transformações; dimensionar circuitos elétricos de uso cotidiano; compreender os conceitos de corrente, resistência e diferença de potencial elétrico. Como tais

conceitos podem se apresentar como algo novo para os alunos, é importante ter em mente que dúvidas poderão surgir ainda nos primeiros minutos, e a explicação feita pelo professor pode ter um reforço em elementos visuais, que facilitam a construção de modelos pelos estudantes. De acordo com Gravina e Buchweitz (1994) nesse processo é importante considerar que em vez de esse conhecimento se configurar em algo novo para todos os estudantes, sempre há aqueles que trazem consigo as concepções alternativas sobre a eletricidade. Essas concepções devem ser consideradas em um ensino com interatividade entre o aluno e o fenômeno.

Alguns exemplos de concepções alternativas sobre conceitos envolvidos na eletrodinâmica de circuitos simples foram levantados por Duit e Rhöneck (1998). Uma delas é a concepção prévia de que o agente que faz uma lâmpada acender ao ser ligada a uma bateria é chamado de 'eletricidade', e quase nunca de corrente elétrica. Segundo os autores, pessoas que não estudaram o assunto apresentam a concepção prévia de que a corrente repousa nos fios, e a lâmpada consome essa corrente, não havendo nessas pessoas, portanto, a ideia de conservação da eletricidade. Essa concepção merece destaque, pois vai de encontro com a teoria, contudo pessoas leigas podem conviver uma vida inteira com ela.

Outra grandeza elétrica que apresenta grande dificuldade de compreensão por parte dos estudantes é a tensão ou diferença de potencial elétrico (d.d.p). Algumas concepções prévias da tensão são as de que ela é a 'força da bateria' ou 'intensidade ou força da corrente' (DUIT; RHÖNECK, 1998). Mesmo depois de certa instrução muitos não conseguem desvincular tensão e corrente como sendo a mesma coisa. Quanto à resistência elétrica há dificuldade nas associações de resistores e na posição onde o resistor se encontra no circuito. Alguns tantos, não conseguem visualizar quando a associação é feita em série ou em paralelo, e como isso influencia no comportamento da tensão e da corrente elétrica.

A utilização de uma Simulação Assistida por Computador, no caso o kit de construção de circuitos elétricos, permite que essas concepções alternativas sejam confrontadas. A partir do confronto cognitivo entre as concepções científicas e as que o aluno leva consigo da sua experiência não escolarizada, as concepções alternativas, há grandes chances de que os alunos aprendam.

## As simulações assistidas por computador

As simulações computacionais podem se mostrar uma valorosa ferramenta para o ensino. Para Medeiros e Medeiros (2002) a interatividade que os programas proporcionam vai além de animações simplistas de um fenômeno, todavia, elaboram uma variedade de animações alternativas que podem ser moldadas através da vontade de quem está operando o programa.

Para a aula de Lei de Ohm o auxílio de um applet , um software leve e rápido, é bem vindo e pode complementar a compreensão da eletricidade, como evidenciam Macêdo, Dickman e Andrade (2012). Com as simulações será possível ao estudante visualizar um modelo de fluxo de elétrons pelos fios condutores, o que caracteriza a corrente elétrica; também poderá enxergar as mudanças instantâneas provocadas pelo aumento ou diminuição da diferença de potencial elétrico; as

alterações no circuito quando adicionados elementos resistivos nele, entre outras diversas funcionalidades que o software proporciona.

- O software Circuit Construction Kit (AC+DC), Virtual Lab, é um programa gratuito disponibilizado pela Universidade do Colorado, disponível na versão em língua portuguesa. Este é um software de fácil uso, visto que possui uma interface clara e intuitiva, e que por ser leve, não oferece dificuldade em ser executado por computadores.

## Utilizando o software PhET para ilustrar um problema: o exemplo da Ponte de Wheatstone

Usamos como exemplo esse circuito pertencente a um exercício proposto do capítulo de aparelhos de medição elétrica do livro 'Física Para O Ensino Médio 3' (KAZUHITO, FUKE, 2013):

- O exercício proposto pede que se determine, para esse circuito, a resistência do resistor R sabendo que o galvanômetro não é atravessado por corrente elétrica (ig= 0).

Figura 01 : Exercício proposto do livro Física para o Ensino Médio 3

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Esse exercício se mostra muito interessante para ser trabalhado com o simulador, pois além de apresentar uma montagem relativamente fácil para quem já tem contato com o software, a animação facilita a visualização da eletrodinâmica e pode ser trabalhado com o viés de contextualização.

- O circuito apresentado é conhecido como Ponte de Wheatstone, um circuito que está presente em vários mecanismos e possui diversas aplicações, entre elas a medição de temperatura, peso e tensão mecânica.

A Ponte é uma maneira de medir resistência elétrica de um componente elétrico com bastante precisão. Sua montagem envolve três resistências conhecidas, uma delas variável, e o componente que se deseja saber o valor (resistência desconhecida). Também há um galvanômetro inserido no circuito (Fig. 01).

Portanto quando o professor estiver trabalhando associação de resistores é interessante ressaltar a importância desse circuito e não somente mostrar como calcular a resistência para a situação em que a ponte esteja equilibrada, não havendo assim, corrente atravessando o galvanômetro, utilizando uma equação

deduzida através da Lei de Ohm e das Leis de Kirchhoff. Para o exercício em questão, efetuando os cálculos os estudantes encontrarão que o valor do resistor R para que haja o equilíbrio é de R= 19,2 Ω .

Ao construir um circuito equivalente no simulador, os alunos podem corroborar o resultado obtido através dos cálculos no caderno e, além disso, visualizar o movimento dos elétrons no circuito, ou seja, a eletrodinâmica em funcionamento. Essa visualização permite uma compreensão conceitual do motivo pelo qual não há passagem de corrente pelo amperímetro, uma vez que isso ocorre porque não há diferença de potencial entre seus terminais.

Figura 02: Animação do exercício proposto no software PhET.

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## Considerações finais

As simulações computacionais proporcionam múltiplas opções de interação. De acordo com Alves e Stachak (2005) é importante ressaltar que as simulações são modelos que obedecem às teorias científicas.

As técnicas computacionais atuais tornam mais fáceis criar representações visuais que irão auxiliar os estudantes na construção do conhecimento. Para Medeiros e Medeiros (2012) uma boa simulação pode ser mais efetiva do que simplesmente imagens inanimadas.

- O computador deve servir para dinamizar a aula e tornar o assunto mais palpável. Veit e Araujo (2005) alertam para a importância de uma reflexão por parte do professor sobre o momento e a maneira de levar uma simulação para trabalhar em sala de aula, já que as simulações contêm simplificações de um modelo mais complexo.
- O presente trabalho trata de um assunto em específico, mas as novas tecnologias permitem que simulações sejam utilizadas para diversos conteúdos da área de Ciências. Na Física, assuntos como ondas, mecânica dos sólidos e dos fluídos, são apenas alguns exemplos de conteúdos com grande potencial de abordagem com simulações.

## Referências bibliográficas

ALVES, Vagner Camarini; STACHAK, Marilei . A Importância de Aulas Experimentais no Processo Ensino-aprendizagem em Física: 'Eletricidade'. XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, Rio de Janeiro, 2005.

BARROS FILHO, Jomar; SILVA, Dirceu. Buscando um sistema de avaliação contínua: Ensino de eletrodinâmica no nível médio. Ciência &amp;Educação , v.8, nº1, p.27 - 38. 2002.

BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio. Parte III - Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília, 1998.

DUIT, Reinders; von RHÖNECK, Christoph. Aprendizagem e Compreensão em Conceitos Chave em Eletricidade . International Commission on Physics Education. 1998

GRAVINA, M.H.; BUCHWEITZ, B. Mudanças nas Concepções Alternativas de Estudantes Relacionadas com Eletricidade. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 16, nºs (1-4), 1994.

MACÊDO, Josué Antunes; DICKMAN, Adriana Gomes; ANDRADE, Isabela Silva Faleiro. Simulações Computacionais Como Ferramentas para o Ensino de Conceitos Básicos de Eletricidade. Caderno Brasileiro de Ensino de Física. v. 29, n. Especial 1: p. 562-613, set. 2012.

MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide Farias. Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino da Física, Revista Brasileira de Ensino de Física , vol. 24, no. 2, Junho, 2002.

RIO DE JANEIRO. Secretaria de Estado de Educação. Currículo Mínimo da Base Nacional Comum dos Anos Finais do Ensino Fundamental e Médio Regular - Física. Rio de Janeiro, 2012.

University of Colorado at Boulder. PhET: Free online physics, chemistry, biology, earth science and math simulations. Disponível em: &lt;https://phet.colorado.edu&gt;. Acesso em: 2 de setembro de 2016.

VEIT, Eliane Angela; ARAUJO, Ives Solano. Modelagem Computacional no Ensino de Física. XXIII Encontro de Físicos do Norte e Nordeste, Maceió, 2005.

YAMAMOTO, Kazuhito; FUKE, Luiz Felipe. Física Para O Ensino Médio 3. 3ed. São Paulo: Saraiva, 2013.