ENSINANDO O CONCEITO DE CAMPO ELÉTRICO A PARTIR DO FENÔMENO DO RAIO

## ENSINANDO O CONCEITO DE CAMPO ELÉTRICO A PARTIR DO FENÔMENO DO RAIO

## João Paulo Martins Tobaruela Ortiz , Nelson Studart Filho 1 2

1 UFSCar/CCET-PPG-PROFIS-São Carlos,

joaoortizz@gmail.com

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Universidade Federal do ABC e Universidade Federal de São Carlos, n.studart@ufabc.edu.br / studart@df.ufscar.br

## Resumo

Este trabalho é o relato do desenvolvimento e da aplicação de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), proposta por Moreira, que visa abordar o conceito de campo elétrico em nível de Ensino Médio. Com o intuito de contextualizar o assunto, o ponto de partida da UEPS é o fenômeno do raio, que pela dificuldade em ser reproduzido em ambiente laboratorial escolar, é trabalhado por meio de objetos educacionais digitais (OED), permitindo que algumas atividades sejam desenvolvidas pelos próprios alunos de maneira ativa. Isso os levou a uma motivação maior ao estudar o fenômeno e aprender os conceitos envolvidos. A construção de mapas conceituais pelos alunos de maneira colaborativa possibilitou, também, que os alunos interagissem socialmente, por meio da negociação de significados. O embasamento teórico da UEPS usa, principalmente, a Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel. Os resultados obtidos apontam evidências da ocorrência de Aprendizagem Significativa, bem como a aceitação da UEPS em relação às estratégias utilizadas.

Palavras-chave : eletromagnetismo, Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), tecnologia da informação e comunicação (TIC), Aprendizagem Significativa

## Introdução e motivação

A compreensão de como se dá a experiência do indivíduo no decorrer de sua aprendizagem é tema abordado por diversos autores, mas é clara a dificuldade em sistematizar o processo de ensino e aprendizagem. Segundo a teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel, o fator isolado de maior importância na aprendizagem é aquilo que o aluno já sabe, que serve como ponto de ancoragem às novas ideias (MOREIRA, 2009). Na perspectiva ausubeliana, esta experiência primeira, tratada como conhecimento prévio, faz parte de um processo dinâmico que relaciona o conhecimento já integrado à estrutura do indivíduo com o novo conhecimento, modificando ambos.

Porém, o professor que busca fazer um levantamento daquilo que o aluno já sabe se depara com uma situação extremamente complexa. Desvendar a estrutura cognitiva de um indivíduo para saber qual deve ser o ponto de partida de um determinado tema de aprendizagem é uma tarefa complexa, que demanda tempo e estratégias que, muitas vezes, o professor não domina. Se colocarmos essa situação dentro da realidade escolar, onde não é raro que o número de alunos seja elevado, então multiplicamos as dificuldades. A isso, se soma a realidade de muitas escolas, ultrapassada em relação às tecnologias.

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23 a 27 de janeiro de 2017

É preciso que o ensino seja centrado no aluno, tornando-o protagonista de sua aprendizagem. Para isso, a utilização de objetos educacionais digitais (OED) como vídeos, animações, simulações, laboratórios virtuais e games, entre outros, pode ser favorável a uma adequação do processo de ensino e aprendizagem à realidade dos nativos digitais 1 . Estimular o uso das tecnologias da informação e comunicação (TIC) no processo de ensino e aprendizagem é estimular esse indivíduo a repensar a maneira como a tecnologia está inserida no seu cotidiano, motivá-lo a repensar o ambiente escolar.

No caso da Física, a motivação é um fator problemático na educação básica. A abordagem meramente matemática da Física é prática comum no meio escolar, tanto na rede pública quanto na rede privada de ensino. Ao tratar de temas que necessitem de maior abstração por parte do aprendiz, como o conceito de campo, a motivação pode ocorrer ao buscar ferramentas e recursos que tornem o processo de ensino e aprendizagem mais dinâmico.

A proposta central deste trabalho é relatar a construção de uma sequência didática fundamentada em teorias de aprendizagem, em particular a de Aprendizagem Significativa, por meio de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), que tem como objeto de estudo o conceito de campo elétrico a partir de um fenômeno familiar aos alunos: os raios provocados por descargas elétricas na atmosfera. É importante ressaltar que a UEPS aqui proposta não aborda a matematização do vetor campo elétrico, mas sim o conceito numa abordagem fenomenológica, buscando promover significado a ele e familiarização por parte dos alunos.

## A abordagem do conceito de campo elétrico

O ensino de campo elétrico é um tema largamente tratado em livros-texto, mas geralmente utilizando uma abordagem matemática obrigatória. O que se nota é que, muitas vezes, o aluno memoriza o caminho para calcular uma grandeza física, sem saber em qual situação real aquele tipo de fenômeno ocorre. Isso, muitas vezes, se torna um fator desestimulante à aprendizagem e faz com que o aluno acabe se distanciando do conteúdo, por entender que ele não gosta daquilo.

Gardelli (2004) destaca ainda que muitos livros se utilizam da comparação com o fenômeno gravitacional para explicar fenômenos elétricos de ação a distância devido a um campo.

Hewitt sugere a existência do campo elétrico como 'uma espécie de aura que se estende através do espaço' (2002, p.381), preenchendo o espaço ao redor de cada corpo eletricamente carregado.

Deve-se notar, no entanto que (...) expressões do tipo região do espaço ao redor de uma carga ou região de influência passam uma ideia de algo limitado, sendo que na verdade, a ideia aceita atualmente é a de que os campos estejam presentes em todos os lugares. (GARDELLI, 2004, p.10, grifos do autor)

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Com o intuito de motivar e evitar que a aula de Física se torne uma aula de Matemática aplicada, foi proposta uma abordagem conceitual e fenomenológica do campo elétrico.

## Aprendizagem Significativa

Moreira inicia o primeiro capítulo do seu livro Aprendizagem Significativa: a teoria e textos complementares afirmando que:

Aprendizagem significativa é aquela em que ideias expressas simbolicamente interagem de maneira substantiva e não-arbitrária com aquilo que o aprendiz já sabe. Substantiva quer dizer não-literal, não ao pé da letra, e não-arbitrária significa que a interação não é com qualquer ideia prévia, mas sim com algum conhecimento especificamente relevante já existente na estrutura cognitiva do sujeito que aprende. (MOREIRA, 2011a, p.13)

- O conhecimento a que o autor se refere pode ser um conceito, uma preposição, um modelo mental , uma imagem, ou seja, algo que já faz parte da 2 estrutura de conhecimentos do indivíduo. É o que Ausubel chamou de subsunçor 3 .

Existem duas condições para a ocorrência da Aprendizagem Significativa. O material a ser aprendido deve ser potencialmente significativo. Também, deve haver uma disposição por parte do aprendiz para relacionar de maneira substantiva e não arbitrária o novo material.

## Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS)

Por meio de uma UEPS, nos moldes descritos por Moreira (2011b), a sequência didática proposta aqui tem uma sistematização e um conjunto de passos bem definidos. A construção de uma UEPS é baseada em alguns princípios, dentre os quais: o conhecimento prévio é a variável que mais influencia a Aprendizagem Significativa; o aluno é quem decide se quer aprender significativamente determinado conhecimento; as situações-problema devem ser propostas em níveis crescentes de complexidade; a Aprendizagem Significativa é progressiva; a aprendizagem não deve ser mecânica.

Como este trabalho foi referenciado nos preceitos teóricos propostos por Ausubel e aprimorados por Novak, Moreira, entre outros autores, fez-se necessária uma busca pela compreensão daquilo que o aluno já sabe sobre o tema e utilizar isso como ponto de partida para o desenvolvimento dos conceitos propostos. Então, inicialmente foram investigados os conhecimentos prévios dos estudantes utilizando um esquema conceitual por meio de questionamentos sobre suas ideias a respeito 4 do fenômeno do raio, respondidos oralmente pela classe como um todo.

Segundo Moreira (2011b), uma UEPS só pode ser considerada exitosa, caso a avaliação do desempenho dos alunos evidencie Aprendizagem Significativa por meio de captação de significados, compreensão do fenômeno e das grandezas

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físicas envolvidas, capacidade de explicar, de aplicar o conhecimento em situações para resolver novos problemas. É importante que se dê ênfase em evidências e não em comportamentos finais, tendo em vista que a Aprendizagem Significativa ocorre de forma progressiva.

## Desenvolvimento e aplicação da UEPS

A aplicação da UEPS ocorreu durante o segundo bimestre letivo de 2015, ao longo de dez aulas, paralelamente em duas turmas de terceiro ano do Ensino Médio em uma escola estadual localizada na região central da cidade de Barretos - SP. Abaixo, as situações de aprendizagem estão destacadas por parágrafo e descritas de maneira sucinta.

A situação inicial da UEPS buscou, por meio de um esquema conceitual, identificar as concepções alternativas e os conhecimentos prévios dos alunos acerca do tema proposto. O ponto de partida foi um fenômeno que os alunos já estão familiarizados: o raio.

Figura 1: Esquema conceitual inicial

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Além do esquema conceitual construído colaborativamente, cada aluno escreveu uma pequena descrição do fenômeno tratado e dos conceitos de Física envolvidos. Os alunos tiveram o mapa na lousa para consultar, o que auxiliou na verificação acerca de como estavam assimilando o mapa e suas interpretações particulares.

Na situação problema inicial , os alunos assistiram ao vídeo Lightning (Slow Motion) 5 , que mostra um raio capturado em câmera lenta e, em seguida, após verem a simulação computacional Lightning 6 , desenvolvida pela Wolfram Demonstration Project, foi proposto aos alunos que buscassem explicar o fenômeno do raio e suas relações com as cargas. Posteriormente, leram o texto A Física das Tempestades e dos Raios (SABA, 2001), com a finalidade de auxiliar na obtenção de respostas às dúvidas surgidas ao longo da atividade.

Na situação de aprofundamento , os alunos foram levados à sala de informática da escola e manipularam a simulação Campo Elétrico dos Sonhos 7 do portal Interactive Simulations (PhET) da Universidade do Colorado, podendo observar que o campo elétrico é uma característica intrínseca às cargas e que uma

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carga sofre influência do campo elétrico associado a outra carga. Isso explica o fato de que, na situação de aprendizagem anterior, o raio ocorra por conta de uma interação entre cargas que se localizam distantes umas das outras. É importante destacar que os próprios alunos manipularam as simulações livremente até que se familiarizassem com o recurso. Em seguida, realizaram a atividade conforme um roteiro que propunha a inserção de cargas para análise do comportamento das mesmas. Foi pedido aos grupos, compostos por três ou quatro alunos, que desenhassem no caderno, um por grupo, o padrão de campo elétrico que havia se formado na presença das cargas. A Figura 2 é um exemplo dessas representações.

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Figura 2: Representação de campo elétrico para cargas positivas (em vermelho) e negativas (em azul)

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Uma pesquisa sobre métodos de construção de para-raios foi proposta como situação de aprofundamento . Em sala, ao discutir o método de Franklin e o método de gaiola de Faraday, os alunos puderam associar ao para-raios da escola, bem como realizar a experiência da gaiola de Faraday, utilizando um smartphone embalado em papel alumínio, perdendo o sinal de comunicação.

Em uma aula integradora , foi desenvolvido novamente com os alunos um esquema conceitual na lousa com o conceito central 'RAIO', como pode ser visto na Figura 3. Nesta atividade, os alunos não tiveram acesso ao primeiro esquema conceitual durante o desenvolvimento do esquema final. Apenas depois, puderam comparar e discutir a respeito. Os próprios alunos se admiraram com a quantidades de conceitos novos que surgiram após o desenvolvimento das atividades.

Figura 3: Esquema conceitual final

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Na avaliação individual , foi proposto aos alunos que buscassem explicar em poucas linhas como ocorre o fenômeno do raio, suas causas e qual a relação entre os raios e os conceitos de carga elétrica e campo elétrico.

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Também foi solicitado a eles que realizassem uma avaliação das estratégias da UEPS . Posteriormente, o próprio professor realizou uma avaliação da UEPS, de forma qualitativa, buscando evidenciar a ocorrência de Aprendizagem Significativa.

## Resultados

De maneira geral, é notório que as estratégias tiveram um efeito motivacional grande, levando em consideração a complexidade do tema. Partir de um fenômeno comum a todos, facilitou o tratamento do conceito central, campo elétrico, que no esquema conceitual central sequer foi citado. Os alunos das duas turmas demonstraram vontade de participar das atividades que envolviam simulações, comentaram com entusiasmo o vídeo apresentado e as demais estratégias propostas.

A atividade na sala de informática teve seus problemas. A quantidade de computadores não era suficiente para o número de alunos e as dimensões da sala também não eram adequadas para comportar uma turma inteira. A UEPS já foi pensada, inicialmente, para contornar esta situação, realizando esse passo em grupo, bem como os desenhos dos campos elétricos observados, que foram feitos em casa, com um prazo de uma semana para a entrega.

A avaliação da aprendizagem foi feita ao longo de toda a implementação da prática, de forma contínua, considerando e registrando tudo que possa evidenciar a Aprendizagem Significativa do conteúdo (avaliação formativa). Além disso, houve uma avaliação somativa individual, buscando considerar a assimilação dos novos conceitos por parte de cada aluno. A avaliação da aprendizagem do aluno considerou a avaliação formativa e a avaliação somativa, buscando evidenciar o desenvolvimento de cada indivíduo em relação ao ponto de partida.

Ao comparar os esquemas conceituais finais com os iniciais de ambas turmas, ficou evidente um número de conexões maior e com maior grau de complexidade nas relações. Também, ambas relacionaram o campo elétrico com as cargas, sugerindo que este pode ser medido por meio de um vetor campo elétrico. Ademais, relacionaram o para-raios a um caminho mais fácil à descarga elétrica. Porém, nas avaliações individuais, foi comum a afirmação errônea de que o pararaios atrai o raio. As representações de campos de força vistos na simulação, bem como as respostas às questões, evidenciaram que os alunos souberam tratar do campo elétrico como sendo algo intrínseco a um corpo carregado, análogo ao campo gravitacional, diretamente relacionado a corpos massivos. Entretanto, não ficou claro em algumas ilustrações que a intensidade do campo elétrico é maior quanto mais próximo se estiver da carga, apesar de alguns deles evidenciarem tal fato nas respostas ao questionário. Foi possível notar evidências de Aprendizagem Significativa, tendo em vista a capacidade dos alunos de reproduzir com uma linguagem pessoal os conceitos tratados no decorrer das aulas, além das diferenças entre os esquemas conceituais, evidenciadas pelos próprios alunos.

## Avaliação da Aceitação da UEPS

Foi pedido aos alunos que avaliassem as estratégias utilizadas ao longo das aulas e a aprendizagem deles. Em relação a isso, cabe destacar que os discursos nunca são neutros. Estão ligados a estruturas sociais e revelam valores sociais de poder (BAKHTIN, 1995 apud PRADELLA, 2014). Por isso, é necessário que se

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analise tal avaliação com cautela. Não houve avaliações negativas acerca das estratégias utilizadas.

- O Aluno A relatou a importância das estratégias utilizadas para tratar o tema, destacando o protagonismo do aluno em relação à própria aprendizagem, tendo oportunidade de opinar.
- É um método bastante diferente, aqui na escola nenhum professor chegou a utilizar (...), a gente que expressa nossa opinião sobre tal assunto e assim o aprendizado facilita, porque a base já estará feita (base do nosso conhecimento sobre o assunto). Muito bom e diferente. (Aluno A)
- O relato do Aluno B indica a importância da primeira aula sobre o tema, onde a exploração de conceitos por meio do mapa conceitual fez com que eles pudessem tê-lo como partida para as demais atividades, não apenas recebendo informações passivamente.
- (...) o mapa sobre o raio foi interessante, pois criamos um na nossa 1ª aula antes de entrar mesmo na matéria, criamos um mapa com as informações que sabíamos e depois de toda a explicação, no final do bimestre criamos outro e comparando os dois, pude perceber que muitas coisas foram acrescentadas e o mapa ficou totalmente diferente (...) (Aluno B)

De maneira geral, os alunos se mostraram favoráveis à utilização das TIC, dos espaços tecnológicos que a escola oferece e da possibilidade de envio de trabalhos e atividades extraclasse por meio eletrônico.

## Considerações Finais

É importante deixar claro que a UEPS trata de uma elaboração contínua e não fechada, permitindo adequações à realidade da escola, dos alunos e do professor, assim como já foi adequada após aplicação, tendo em vista que os resultados e dificuldades encontrados por meio da aplicação da UEPS possibilitaram a reformulação de alguns passos. Cada situação de aprendizagem foi acompanhada pelo professor, levando em consideração todas as evidências de Aprendizagem Significativa que ocorriam ao longo da implementação da UEPS.

- O fator mais exitoso da UEPS, sem dúvida, foi a participação ativa dos alunos no desenvolvimento das atividades propostas. Diferentemente de aulas tradicionais, cujo conteúdo é cobrado posteriormente por meio de uma prova tradicional, a avaliação com enfoque no processo e não em resultados finais, possibilitou a aproximação dos alunos com a própria proposta avaliativa. A avaliação formativa explicitou que os alunos se motivaram inicialmente ao serem protagonistas das atividades. O primeiro esquema conceitual tratava de como eles enxergavam o fenômeno e serviria de partida para as demais atividades da UEPS. Eles mesmos tiveram consciência de sua aprendizagem a partir do momento em que compararam um esquema conceitual com o outro e notaram as diferenças entre eles, conforme supracitado na avaliação da aceitação da UEPS.
- É perceptível que aulas diferentes das tradicionais motivam os alunos, pois não fazem parte da rotina da maioria deles no ambiente escolar. As TIC, que há muito tempo já são tratadas como ferramentas úteis no processo de ensino e aprendizagem, dificilmente fazem parte do cotidiano escolar. Trazer a tecnologia para o ambiente escolar modifica a relação dos alunos com o conteúdo, ambiente e até com o professor.

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Por fim, cabe um agradecimento à CAPES pelo apoio fornecido ao desenvolvimento deste trabalho, que resulta da dissertação de Mestrado (ORTIZ, 2015) pelo programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF). A UEPS está disponível em formato e-book 8 para livre utilização.

## Referências

GARDELLI, Daniel. Concepções de interação física: subsídios para uma abordagem histórica do assunto no ensino médio. São Paulo: USP, 2004. 119 p. Dissertação - Mestrado em Ensino de Ciências - Modalidade Física, Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.

HEWITT, Paul G. Eletrostática. In: \_\_\_\_\_\_. Física Conceitual . 9ª edição. Porto Alegre: Editora Bookman, 2002. Cap. 22 p. 372-391.

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MÜLLER, Angela Denise Eich; MOREIRA, Marco Antonio. Uso de mapas e esquemas conceituais em sala de aula. Textos de Apoio ao Professor de Física 2013, v. 24. n. 4. Disponível em: &lt;http://www.if.ufrgs.br/public/tapf/muller\_moreira\_v24\_n4.pdf&gt;. Acesso em: 08 set. 2016.

MOREIRA, Marco Antonio. Aprendizagem Significativa: A Visão Clássica. Subsídios Teóricos para o Professor Pesquisador em Ensino de Ciências . n. 1, 70 p., 2009. Disponível em: &lt;http://www.if.ufrgs.br/~moreira/Subsidios6.pdf&gt;. Acesso em: 02 set. 2016.

\_\_\_\_\_\_. Aprendizagem Significativa: a teoria e textos complementares. 1ª edição. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2011.

\_\_\_\_\_\_. Unidades de Enseñanza Potencialmente Significativas - UEPS. Aprendizagem Significativa em Revista , v. 1, n. 2, p. 43-63, 2011. Disponível em: &lt;http://www.if.ufrgs.br/asr/artigos/Artigo\_ID10/v1\_n2\_a2011.pdf&gt;. Acesso em: 10 set. 2016.

ORTIZ, João Paulo Martins Tobaruela. Ensinando o conceito de campo elétrico a partir do fenômeno do raio. São Carlos: UFSCar, 2015. 68 p. Dissertação Mestrado Profissional em Ensino de Física (PROFIS) - Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2015.

PRADELLA, Marcos. Estudo de conceitos de termodinâmica no ensino médio por meio de UEPS. Porto Alegre: UFRGS, 2014. 120 p. Dissertação (Mestrado Profissional em Ensino de Física) - Pós-Graduação em Ensino de Física, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014.

Física na

SABA, Marcelo Magalhães Fares. A Física das Tempestades e dos Raios. Escola , v. 2, n. 1, p. 19-22, 2001. Disponível em: &lt;http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol2/Num1/raios.pdf&gt;. Acesso em: 01 set. 2016.

STUDART, Nelson. Simulação, games e gamificação no ensino de Física. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA (21 : 2015 : Uberlândia, MG). Atas... São Paulo: Sociedade Brasileira de Física, 2016. Disponível em: &lt;http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xxi/sys/resumos/T0150-31.pdf&gt; Acesso em: 30 out. 2016.

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