DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE EXERCÍCIOS TUTORIAIS NO INSTITUTO DE FÍSICA DA UFRJ

## DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE EXERCÍCIOS TUTORIAIS NO INSTITUTO DE FÍSICA DA UFRJ

## Hugo dos Reis Detoni 1 , Carlos Augusto Domingues Zarro 2 , Marta Feijó Barroso 3

- 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro - Instituto de Física, hugodetoni@gmail.com
- 2 Universidade Federal do Rio de Janeiro - Instituto de Física, carlos.zarro@if.ufrj.br
- 3 Universidade Federal do Rio de Janeiro - Instituto de Física, marta@if.ufrj.br

## Resumo

A retenção dos alunos ingressantes é uma grande preocupação dos cursos do segmento STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), especialmente no Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Recentemente, a sanção da Lei nº 12.711 de 29 de agosto de 2012 - que garantiu acesso à universidade a alunos em situação de vulnerabilidade social agravou o quadro de altos índices de reprovação e abandono. Com o intuito de revertê-lo foram implementadas aulas de apoio pedagógico aos alunos ingressantes matriculados na disciplina de física básica. Esperava-se também que esta medida ajudasse a reduzir o desencontro entre o conhecimento trazido pelo aluno e aquele necessário ao prosseguimento do curso. No entanto, o apoio pedagógico vem apresentando resultados discretos desde sua criação. Neste trabalho descreve-se uma intervenção por meio do uso de exercícios tutoriais, criados a partir das concepções alternativas em física catalogadas ao longo das últimas décadas, voltados à aprendizagem dos conceitos básicos em física e ao aprimoramento da habilidade de raciocínio crítico. A eficácia dessa abordagem é avaliada por meio de pré-testes e pós-testes e os dados preliminares sugerem que a intervenção tem tido bons resultados em algumas unidades, enquanto outras necessitam de forte aprimoramento. Esta abordagem tem como resultado adjacente desejado a recuperação de alunos fracamente preparados, contribuindo para a diminuição da reprovação.

Palavras chave: Ensino de Física; Exercícios tutoriais; Retenção.

## Disciplina de Física I - Histórico e intervenções no ensino

Ao ingressar nos cursos das áreas de ciências naturais e tecnológicas na Universidade Federal do Rio de Janeiro, a primeira disciplina de física cursada pelos alunos é um curso de introdutório de mecânica básica, chamado Física I, sendo esta disciplina lecionada de forma tradicional: o professor é responsável por expor o conteúdo e levantar questionamentos, enquanto os alunos assistem à aula majoritariamente de forma passiva.

Ainda no primeiro semestre do curso e de forma concomitante com Física I, os alunos cursam a disciplina denominada Física Experimental I. As aulas acontecem em um laboratório equipado com experimentos simples de mecânica básica operados pelos próprios alunos após discussão dos parâmetros relevantes pelo professor.

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23 a 27 de janeiro de 2017

O prosseguimento no curso depende diretamente da aprovação em Física I. Além disso, um bom aproveitamento nesta disciplina aumenta as chances de sucesso naquelas que se sucedem (Física II, etc.). Contudo, o desempenho dos alunos tem se mostrado insatisfatório ao longo do tempo, com altos índices de reprovação e abandono.

## Histórico de desempenho em Física I

O desempenho de boa parte dos alunos em Física I se mostra insatisfatório, acompanhado de altos índices de reprovação e abandono da disciplina [DE ALMEIDA et al, 2001]. Este fraco desempenho, por sua vez, acarreta posterior evasão do curso e dificulta sua conclusão pelos estudantes que optam por continuar.

Com o objetivo de melhorar a aprendizagem dos alunos dos diversos cursos das áreas de ciências exatas e tecnológicas, foi proposta uma intervenção na metodologia adotada para as disciplinas Física I e Física Experimental I nos anos de 1997 e 1999, unificando-as informalmente [DE ALMEIDA et al, 2001].

Esta metodologia obteve grande sucesso se comparada à abordagem tradicional, com índices de aprovação superiores à media dos outros anos. Outro resultado importante foi a recuperação de grande parcela dos alunos que apresentava inicialmente fraco desempenho em Física I. Baseando-se nestes resultados, concluiu-se que as dificuldades inicialmente apresentadas pelos alunos se mostraram reversíveis porque a metodologia de ensino adotada estabeleceu condições sociais e institucionais para o crescimento intelectual dos estudantes.

## Acesso aos cursos de graduação da UFRJ e implementação do Apoio Pedagógico em Física

A partir do ano de 2012, a UFRJ passou a adotar a prova do ENEM como forma exclusiva de acesso aos cursos de graduação, por meio do SiSU. Além disso, esta prática tomou força de lei em 2012 com a sanção da Lei nº 12.711 de 29 de agosto de 2012 pela Presidência da República. Dentre outras medidas, esta lei previa o aumento do índice de vagas já reservadas a alunos que preenchiam determinados requisitos e a criação de novas formas de ação afirmativa, como vagas destinadas a alunos autodeclarados pretos, pardos e indígenas [PLANALTO, 2012].

A adoção de tais medidas visando a diversificação do acesso aos cursos de graduação levaram, por sua vez, à implementação de políticas de apoio, com a finalidade de garantir a permanência dos alunos de graduação. Dentre estas políticas destaca-se a criação de apoio pedagógico aos estudantes [CONSUNI, 2010].

- O apoio pedagógico propunha-se desenvolver atividades de apoio acadêmico em física básica aos alunos ingressantes, tendo as aulas como principal objetivo ensinar os alunos a resolver exercícios de física básica. Esperava-se, portanto, que o rendimento dos alunos nas provas fosse superior quando comparado

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com o histórico de baixo índice de aprovação que se repetia nos últimos anos. No entanto, pouca melhora tem sido observada apesar desta intervenção.

Especula-se que o apoio pedagógico tenha surtido pouco efeito até o momento devido a sua própria estrutura: o material didático utilizado em sala é formado por listas de exercícios escolhidos pelo professor coordenador do projeto. No entanto, estes exercícios em muito se assemelham com aqueles encontrados ao final dos capítulos de livros didáticos - são em sua maioria exercícios quantitativos que exigem dos alunos aplicação de uma ou mais equações matemáticas, levando os alunos a priorizar a memorização em detrimento do entendimento dos conceitos fundamentais em física.

Apesar do grande esforço dedicado à implementação e manutenção das aulas de apoio pedagógico em física, esta intervenção vem apresentando resultados ainda discretos, indicando a necessidade de uma intervenção direta no processo de ensino-aprendizagem, com objetivo primário de elevação do desempenho dos estudantes. Optou-se, portanto, em adotar nova metodologia no desenvolvimento de exercícios para os alunos de algumas turmas do apoio pedagógico, acompanhados de testes específicos para avaliar sua eficácia.

## Aprendizagem em Física - Visão geral

Há atualmente várias formas de se caracterizar o conceito de aprendizagem. Haladyna define aprendizagem como sendo um conjunto de modificações planejadas no comportamento cognitivo, que resultam de instrução ou treinamento, apesar de ser possível a existência de aprendizagem devido a fatores externos à instrução ou ao treinamento [HALADYNA, 2004]. Assim sendo, o objetivo de qualquer instrução ou treinamento é promover a aprendizagem sobre determinado conteúdo. Neste trabalho estamos particularmente interessados em aprendizagem na disciplina de física. Desta forma, o principal objeto de estudo neste trabalho são as modificações causadas na estrutura cognitiva no âmbito da física, por meio de estratégias específicas.

Sendo assim, caso se deseje alcançar os objetivos da educação atual, tornase essencial partir da premissa que os estudantes têm de fato capacidade intelectual passível de desenvolvimento e uso - que vai além da memorização desprovida de entendimento. Isto implica a promoção de oportunidades de pensar, raciocinar e se desenvolver intelectualmente com o auxílio de materiais didáticos adequados, respeitando o ritmo dos alunos assim como o devido grau dificuldade, visando possibilitar a assimilação [ARONS, 1997].

## Utilização de exercícios em formato de tutorial

Desde o início da década de 1990, professores e pesquisadores em ensino de física têm se empenhado para desenvolver exercícios em formato de tutoriais. Dentre as obras produzidas até os dias atuais destaca-se o Tutorials in Introductory Physics , desenvolvido pelo Grupo de Ensino de Física (PEG) da Universidade de Washington (EUA) [MCDERMOTT ET AL, 2002]. Os exercícios em formato de tutorial atuam como 'emendas' aplicadas ao currículo tradicional e têm tido forte impacto positivo na aprendizagem nos cursos introdutórios de física.

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- O principal objetivo dos tutoriais é atuar diretamente nas dificuldades dos alunos em física básica. Para isso, é necessário que se tenha prévio conhecimento das dificuldades enfrentadas pelos alunos (ou concepções alternativas) para que se possa desenvolver exercícios específicos, voltados para sua elucidação. Mais especificamente, os tutoriais desempenham papel fundamental no auxílio do emprego das definições operacionais dos conceitos físicos em situações consideradas problemáticas [SHAFFER ET AL, 2005].

Para este trabalho foram desenvolvidos exercícios em formato de tutorial baseados no vasto conhecimento acerca das concepções alternativas dos alunos em física básica, especialmente nos conceitos da área de mecânica [NGUYEN, 2003; MCDERMOTT, 1987; FLORES, 2004; MCDERMOTT, 1994; LAWSON, 1987]. Em específico, abrangeu-se o conteúdo trabalhado nos dois primeiros meses do curso de Física I, sendo este subdividido em vetores, cinemática unidimensional, cinemática vetorial, dinâmica e trabalho e energia .

## Avaliação da aprendizagem

Com o passar dos anos, mais tempo e esforço tem se dedicado à construção de instrumentos mais eficientes voltados à avaliação da aprendizagem nas mais diversas áreas de conhecimento. Possivelmente o mais conhecido destes instrumentos seja o teste, definido como um instrumento destinado à descrição numérica do grau ou quantidade da aprendizagem sob condições uniformes e padronizadas [HALADYNA, 2004].

Ao se desenvolver um teste, deve-se considerar ainda o formato a ser adotado. Atualmente se utiliza amplamente testes cujos formatos são múltiplaescolha (ME) e resposta livre (RL). Testes do tipo múltipla-escolha apresentam algumas vantagens sobre aqueles de resposta livre: são avaliados objetivamente, reduzindo drasticamente o tempo gasto para sua correção; podem, portanto, ser administrados ao mesmo tempo a uma grande quantidade de alunos. Além disso, é comum o emprego de métodos estatísticos aos escores que, aliado à grande população amostral, garante a generalização dos resultados [ENGELHARDT, 2009].

Para a avaliação da eficácia dos exercícios tutoriais foram elaborados prétestes e pós-testes em formato de múltipla escolha. Estes testes levavam em consideração as dificuldades dos alunos abordadas nos tutoriais e suas questões majoritariamente conceituais exigiam raciocínio puramente baseado nos conceitos físicos, dispensando o emprego de equações matemáticas. Além disso, os testes apresentavam um paralelismo tanto na quantidade de itens quanto na habilidade que cada um se propunha a avaliar.

## Resultados

Tendo em vista os dados gerados a partir do processo de correção dos testes, pode-se comparar a performance de cada aluno em separado, por teste e por item. No entanto, para que um aluno pudesse ter seu desempenho levado em consideração, se fazia necessário que este tivesse participado tanto no pré-teste quanto no pós-teste de determinado conteúdo. No gráfico a seguir apresenta-se a quantidade de alunos que participaram em ambos os testes, para cada conteúdo.

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Gráfico 1 - Quantitativo de alunos participantes em ambos os testes por conteúdo.

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Para a avaliação da eficácia dos tutoriais foram definidos os seguintes conceitos:

- · Ganho: percentual de alunos que, para cada item, respondeu de forma errada no pré-teste e de forma correta no pós-teste;
- · Perda: percentual de alunos que, para cada item, respondeu de forma correta no pré-teste e de forma errada no pós-teste;

Assim sendo, espera-se que a análise das respostas dos alunos revele alto índice de ganho aliado a baixa ou nenhuma perda. Os quadros a seguir apresentam tais resultados, por unidade e por item.

Quadro 1 - Vetores - Ganho e perda por item.

- ** - Neste item não se pode determinar ganho/perda devido a um erro de digitação no pós-teste que acarretou a ausência de resposta correta no item.

Quadro 2 - Cinemática Unidimensional - Ganho e perda por item.

Quadro 3 - Cinemática Vetorial - Ganho e perda por item.

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## Unidade 4 - Dinâmica

Quadro 4 - Dinâmica - Ganho e perda por item.

Quadro 5 - Trabalho e Energia - Ganho e perda por item.

## Discussão dos resultados

Através dos quadros apresentados na seção anterior pode-se perceber que, em determinadas unidades, os tutoriais tiveram forte impacto positivo. De forma geral, as unidades de vetores, cinemática unidimensional e cinemática vetorial destacam-se com altos índices de ganho e poucas perdas. Tome-se como exemplo o item #5 da unidade de cinemática unidimensional, onde verifica-se ganho superior a 30% da turma. Para este item, as questões utilizadas no pré-teste e pós-teste, respectivamente, são apresentadas abaixo.

Figura 1 - Pré-teste - Item 5.

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Figura 2 - Pós-teste - Item 5.

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Percebe-se que ambas as questões anteriores abordam o tema de interpretação de gráficos e exigem o emprego da mesma habilidade. Sendo assim, os dados sugerem que os exercícios tutoriais para esta habilidade tiveram forte impacto positivo sobre os alunos.

Nota-se, entretanto, alguns itens que apresentaram perdas consideráveis. Tal pode ser atribuído tanto à complexidade da habilidade envolvida, que dificulta a formulação de itens para sua mensuração, quanto pode-se igualmente supor que os

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tutoriais exerceram influência negativa nesta habilidade. A título de exemplo, considere-se o item #4 da unidade de trabalho e energia. As questões utilizadas para este item no pré-teste e pós-teste são, respectivamente.

Figura 4 - Pós-teste - Item 4.

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Figura 3 - Pré-teste - Item 4.

Ambas as questões apresentam como habilidade necessária a percepção da relação entre o trabalho realizado pela força de atrito e a variação da energia total de um sistema, embora retratada em situações distintas. O alto índice de perda sugere que os exercícios tutoriais causaram certo prejuízo aos alunos. Por outro lado, ressalta-se que o desenvolvimento de questões para mensuração desta habilidade não é uma tarefa trivial, demandando tempo para elaboração e repetidos testes de validação de questões.

Nas duas últimas unidades nota-se índices mais discretos de ganho, acompanhados de perdas mais pronunciadas. Este resultado aponta a dificuldade de se desenvolver estratégias efetivas para estas unidades, bem como sua avaliação.

É importante ressaltar que os conceitos utilizados para a classificação do desempenho dos alunos em cada item dos testes foram definidos visando maior conveniência na análise dos resultados. Estes conceitos, por conseguinte, podem ser redefinidos segundo a eventual necessidade ou especificidade de cada investigação em particular. No entanto, independentemente da forma como sejam definidos, o cerne da investigação jaz na forma como estes conceitos são interpretados e utilizados como ferramentas norteadoras para novas investigações.

## Referências

[ARONS, 1997] ARONS, Arnold B. Teaching Introductory Physics . New York: John Wiley &amp; Sons, 1997.

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[CONSUNI, 2010] Conselho Universitário da Universidade Federal do Rio de Janeiro . Resolução nº 17/2010 . Rio de Janeiro, 2010. Disponível em: http://www.consuni.ufrj.br/images/Resolucoes/res17-10.pdf Acesso em: 21 de agosto de 2016.

[DE ALMEIDA et al, 2001] DE ALMEIDA, Maria Antonieta T. et al. Reversão do Desempenho de Estudantes em um Curso de Física Básica. Revista Brasileira de Ensino de Física , vol. 23, n. 1, p. 83-92, março, 2001.

[ENGELHARDT, 2009] ENGELHARDT, Paula V. An Introduction to Classical Test Theory as Applied to Conceptual Multiple-Choice Tests. Reviews in PER , vol. 2. American Association of Physics Teachers, College Park, MD, 2009.

[FLORES, 2004] FLORES, Sergio; KANIM, Stephen E. Student Use of Vectors in Introductory Physics. American Journal of Physics , vol. 72, n. 4, p. 460468, abril, 2004.

[HALADYNA 2004] HALADYNA, Thomas M. Developing and Validating Multiple-Choice Test Items . 3rd Edition. Mahwah: Lawrence Earlbaum, 2004.

[LAWSON, 1987] LAWSON, Ronald A.; MCDERMOTT, Lillian Christie. Student Understanding of the Work-Energy and Impulse-Momentum Theorems. American Journal of Physics , vol. 55, n. 9, p. 811-817, setembro, 1987.

[MCDERMOTT, 1987] MCDERMOTT, Lillian Christie; ROSENQUIST, Mark L.; VAN ZEE, Emily H. Student Difficulties in Connecting Graphs and Physics: Examples from Kinematics. American Journal of Physics , vol. 55, n. 6, p. 503-513, junho, 1987.

[MCDERMOTT, 1994] MCDERMOTT, Lillian Christie; SHAFFER, Peter S.; SOMERS, Mark D. Research as a Guide for Teaching Introductory Mechanics: An Illustration in the Context of the Atwood's Machine. American Journal of Physics , vol. 62, n. 1, p. 46-55, janeiro, 1994.

[MCDERMOTT ET AL, 2002] MCDERMOTT, Lillian Christie et al. Tutorials in Introductory Physics . 1st Edition. New Jersey: Prentice Hall, 2002.

[NGUYEN, 2003] NGUYEN, Ngoc-Loan; MELTZER, David E. Initial Understanding of Vector Concepts Among Students in Introductory Physics Courses. American Journal of Physics , vol. 71, n. 6, p. 630-638, junho, 2003.

[PLANALTO, 2012] BRASIL. Lei nº 12.711 de 29 de agosto de 2012. Dispõe sobre o ingresso nas universidades federais e nas instituições federais de ensino técnico de nível médio e dá outras providências. Diário Oficial da República Federativa do Brasil , Brasília, DF, 30 de agosto de 2012.

[SHAFFER ET AL, 2005] SHAFFER, Peter S.; MCDERMOTT, Lillian Christie. A Research-Based Approach to Improving Student Understanding of the Vector Nature of Kinematical Concepts. American Journal of Physics , v. 73, n. 10, p. 921-931, outubro de 2005.

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