ATIVIDADE EXPERIMENTAL CATIVANTE: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DO CONCEITO DE ENERGIA MECÂNICA E SUA CONSERVAÇÃO

## ATIVIDADE EXPERIMENTAL CATIVANTE: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DO CONCEITO DE ENERGIA MECÂNICA E SUA CONSERVAÇÃO

Cleidson Santiago de Oliveira , Mauro Vanderlei Amorim , Elizabeth Baptestini 1 1 1

1 Instituto Federal de São Paulo - Câmpus Capivari / Núcleo Básico Comum, clsantiago@ifsp.edu.br

## Resumo

Ao preparar uma aula, o professor não pode ignorar que a ocorrência de aprendizagem pelos alunos depende, fundamentalmente, do quanto eles estão motivados e interessados dentro da sala de aula. Sabemos que obter e manter a atenção e o interesse dos estudantes não é uma tarefa muito simples, na verdade consiste num desafio para os professores e para a escola. Nesse sentido, as atividades experimentais têm um papel muito importante no processo de ensino-aprendizagem de Física, pois estimulam a motivação dos alunos levando-os a se engajarem na busca pela compreensão do conteúdo que está sendo abordado. Para tanto, as atividades devem ter um formato cativante, ou seja, serem potencialmente motivadoras. Caso contrário, ela estará fadada a fracassar no seu propósito de levar os alunos a um comprometimento mais efetivo com a aprendizagem daquilo que se quer ensinar. Considerando os benefícios que as atividades experimentais podem proporcionar para os estudantes, em todos os níveis de ensino, este trabalho propõe uma atividade experimental, para discutir o conceito de energia mecânica e sua conservação no Ensino Médio, por meio de uma estratégia que instiga a motivação, ou seja, que atribui características cativantes a atividade experimental, conforme sugerido por Laburú (2006). Esperamos com esta proposta subsidiar professores de Física no planejamento de atividades experimentais potencialmente motivadoras que favoreçam um engajamento mais efetivo dos educandos com o processo de aprendizagem.

Palavras-chave : Atividade experimental cativante, Motivação, Energia mecânica.

## 1. Introdução

O número reduzido de aulas de Física no Ensino Médio (EM), comumente duas aulas de 50 min por semana, e a vasta quantidade de conteúdos propostos nos livros didáticos e sugeridos nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN's) acaba levando o professor, ao elaborar seu plano de ensino anual, a selecionar os conteúdos que irá trabalhar em cada turma durante o ano letivo. A escolha de certos conteúdos em detrimento de outros dependerá dos objetivos traçados pelo docente e da sua importância histórica e social. Ao definir os conteúdos de Mecânica, por exemplo, as leis de Newton e a conservação da energia mecânica dificilmente ficarão de fora.

Antes de escolher e decidir sobre quais conteúdos irá trabalhar em determinada série ou escola, é importante o professor considerar que a ocorrência de aprendizagem pelos alunos depende, fundamentalmente, do quanto eles estão motivados e interessados dentro da sala de aula. Sabemos que obter e manter a atenção e o interesse dos alunos não é uma tarefa muito simples, na verdade consiste num desafio para os professores e para a escola.

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É praticamente consenso entre os professores de Física que atividades experimentais (AE) despertam o interesse nos estudantes. Para muitos pesquisadores as AE estimulam a motivação dos alunos levando-os a se engajarem na busca pela compreensão do conteúdo que está sendo abordado (CARRASCOSA et al., 2006; LABURÚ, 2006; BONADIMAN; NONENMACHER, 2007; ZANCUL, 2008).

No entanto, para atrair e prender a atenção dos alunos as AE devem ter um formato cativante, ou seja, serem potencialmente motivadores. Caso contrário, como qualquer outra estratégia de ensino inserida dentro de uma proposta tradicional de ensino, a atividade estará fadada a fracassar no seu propósito de levar os alunos a um comprometimento mais efetivo com a aprendizagem daquilo que se quer ensinar (LABURÚ, 2006).

Considerando os benefícios que as AE podem proporcionar para o processo de ensino-aprendizagem de Física, tanto no ensino básico como no ensino superior, este trabalho propõe uma AE, para discutir a conservação da energia mecânica no EM, por meio de uma estratégia que instiga a motivação, ou seja, que atribui características cativantes a AE, conforme sugere Laburú (2006).

## 2. Fundamentação teórica

Apesar da dificuldade, sabemos que obter e manter a atenção dos alunos em sala de aula é fundamental para que a aprendizagem de fato ocorra. Embora não seja uma condição indispensável, a motivação constitui, com certeza, um fator altamente relevante e facilitador da aprendizagem (AUSUBEL; NOVAK; HANESIA, 1980).

Nesse sentido, as AE constituem um elemento significativo para estimular a motivação dos alunos nas aulas de Física. No entanto, deve-se tomar o cuidado para que essa motivação não seja apenas momentânea. Para envolver os alunos num processo de estudo não basta despertar sua atenção, mas é imprescindível, também, mantê-la desperta. É muito comum após a observação do fenômeno presente na experimentação, os alunos perderem o interesse nas tarefas subsequentes mais árduas e menos prazerosas, como fazer cálculos para determinar o valor de certa grandeza, por exemplo. Para que isso não ocorra é importante a instauração de processos motivacionais que tendam a se realimentar nos alunos durante toda a atividade, pois só assim a aprendizagem dos conteúdos acontecerá (TAPIA op. cit. apud LABURÚ, 2006).

A motivação pode ser gerada tanto por estímulos externos à atividade quanto pela própria atividade em si. Os pesquisadores do assunto costumam denominá-las de motivação extrínseca, no primeiro caso e motivação intrínseca, no segundo caso (LABÚRU, 2006; GUIMARÃES, 2009).

A motivação extrínseca se dá pela obtenção de recompensas materiais, sociais ou de reconhecimento. No contexto escolar, ela se dá por meio de elogios, notas, prêmios e até mesmo para se livrar de alguma punição. Por outro lado, a motivação intrínseca advém da própria atividade, por ser interessante, atraente, envolvente ou por proporcionar algum tipo de satisfação. Assim, um indivíduo intrinsecamente motivado se compromete com uma atividade por seu próprio interesse e como a atividade torna-se um fim em si mesma, não são necessárias

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pressões externas, internas ou prêmios por sua realização, uma vez que a participação na tarefa é a principal recompensa (GUIMARÃES, 2009).

Por ser mais significativa para aprendizagem dos alunos, os professores devem valorizar a motivação intrínseca em detrimento da motivação extrínseca. É claro, que em algumas situações a motivação extrínseca pode ser útil, como, por exemplo, quando uma atividade que se iniciou por uma situação envolvente vai perdendo essa dimensão devido às tarefas subsequentes, ficando os objetivos finais da atividade comprometidos, por esse motivo (LABÚRU, 2006).

É comum, quando se pretende utilizar AE para prender a atenção do aluno, explorar a novidade (situações curiosas ou inesperadas) ou o lúdico (situações que provocam sensações de prazer ou que desafiam). No entanto, quando se trata de ensino-aprendizagem, deve-se tomar cuidado, pois a atividade não pode redundar em simples entretenimento.

Nesse sentido, as AE escolares devem, basicamente, explorar duas dimensões do interesse, denominadas por Laburú (2006), de dimensão por apelo à satisfação de baixo nível e dimensão de apelo à satisfação de alto nível.

A esse respeito Laburú (2006, p.395 e 396), escreve:

A característica de uma atividade sustentada na dimensão do interesse por apelo à satisfação de baixo nível pretende instigar a motivação recorrendo ao bizarro, ao chocante, ao lúdico, à magia, à fantasia e, essencialmente, atua na esfera da gratificação sensorial. Adicionando, o objeto psicológico relacionado com essa dimensão compreende, também o desafio em dominar ou exercitar destrezas mecânicas. Como se vê, ambos os aspectos dessa dimensão têm uma aproximação direta com o entretenimento.

Por sua vez, as atividades empíricas com propriedades baseadas na dimensão do interesse por apelo à satisfação de alto nível, pretendem instigar a motivação, invocando a maestria, como o objetivo de solucionar problemas ou de recorrer à competência intelectual, a fim de controlar o ambiente experimental defrontado.

Enquanto na primeira dimensão se pretende promover a motivação a partir do lúdico, do divertido e do surpreendente, na segunda dimensão se intenta promover a motivação a partir da habilidade e da competência intelectual para resolver problemas e monitorar as situações apresentadas pela experimentação.

Analisando essas duas dimensões, verifica-se que apesar de estarem contidas em esferas diferentes, uma AE cativante deve ser planejada de forma a conjugar a dimensão do interesse por apelo à satisfação de baixo nível com a dimensão do interesse por apelo à satisfação de alto nível.

- É importante que a atividade tenha o seu caráter lúdico, curioso, ou desafiador, mas deve avançar no sentido de instigar questionamentos que promovam a tomada de consciência das relações envolvidas, assim como a conceituação de fenômenos e a solução de problemas.

Dessa forma, para a AE ser potencialmente estimulante além de desafiadora e provocativa ela deve ser estruturada de forma a promover questionamentos que levem os estudantes a recorrerem as suas habilidades ou conhecimentos para responderem as questões postas.

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É relevante ressaltar que a motivação inicial, disparada pela AE, pode se perder durante o desenvolvimento da atividade. Isso ocorre quando o aluno não vê conexão entre partes ou procedimentos da atividade, ou então, quando os questionamentos apresentam um nível de dificuldade elevado, ou ainda, quando a atividade envolve etapas trabalhosas. Para evitar essa queda na motivação inicial é fundamental que a atividade seja significativa para o aluno, ou seja, faça algum sentido para ele. Em alguns casos, elementos de motivação extrínseca, como notas, podem ajudar a manter a motivação inicial durante a atividade.

A seguir será apresentada uma AE que possibilita discutir a energia mecânica e sua conservação e uma estratégia para torná-la cativante.

## 3. Atividade Experimental: Movimento de uma esfera em um trilho com looping

Acreditando na importância da motivação como elemento facilitador da aprendizagem e no papel que as AE podem desempenhar nesse processo, será discutido a seguir um experimento para abordar o conceito de conservação da energia mecânica de forma mais atrativa. Para tanto, é necessário que o formalismo matemático, fundamental para abordagem dos conceitos envolvidos, não ultrapasse os limites do EM e que a AE apresente traços potencialmente motivadores.

## 3.1 Considerações preliminares

O objetivo desta AE consiste em determinar a altura mínima que uma esfera de resina plástica deve ser abandonada em um plano inclinado, ao final do qual entra numa pista circular ( loop ) de raio R, e comparar o valor encontrado com o valor obtido empiricamente.

Para a realização desta experiência será utilizado um trilho de alumínio inclinado contendo um loop e uma esfera de resina plástica como mostra a Fig. 1.

Figura 1: Esfera de resina plástica abandonada no trilho de alumínio contendo um looping .

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A teoria prevê que se a esfera rolar pela pista de alumínio sem deslizar, atuará sobre ela uma força de atrito estática em vez de cinética, pois o ponto de contato da esfera com a pista está em repouso em relação à pista em qualquer instante. Como a força de atrito estática age sem deslocamento, ela não realiza trabalho sobre a esfera e não causa diminuição da energia mecânica da mesma (CHAVES, 2001).

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Com base no esquema da montagem experimental mostrado na Fig. 2 e na discussão acima, podemos escrever a seguinte relação:

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onde m é a massa da esfera, g é a aceleração da gravidade local, hA a altura mínima que a esfera deve ser abandonada para completar o movimento circular, hB a altura do ponto B em relação ao nível de referência ( hB = 2·R ), v a velocidade linear do centro de massa ao passar pelo ponto B, ω a velocidade angular em torno do centro de massa no instante em que a esfera passa pelo ponto B e a momento de inércia I da esfera.

Figura 2: Esquema da montagem experimental.

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O momento de inércia de uma esfera maciça é dado por 2 5 2 mr I · = e a velocidade angular pode ser expressa como r v = ω , onde r representa o raio da esfera.

Substituindo esses valores na equação 1, teremos:

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Para que a altura hA seja mínima, a esfera deverá passar pelo ponto B da pista circular com a mínima velocidade necessária para não se destacar da pista ao fazer o ' looping '.

Essa situação acontecerá quando a força centrípeta sobre a esfera no ponto B seja dada apenas pelo peso da esfera. Nessa condição, a esfera passará pelo ponto B apenas contornado o trilho sem comprimi-lo. Em vista disso, podemos escrever que no ponto B a velocidade da esfera quando abandonada da altura mínima ( hA ) será:

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Substituindo a equação 3 na equação 2, encontraremos:

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então,

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Nota-se, pela equação 4, que a altura mínima ( hA ) que a esfera deve ser abandonada para conseguir fazer o 'looping' depende apenas do raio ( R ) da pista circular e que há uma proporção direta entre essas variáveis.

## 3.2 Etapas da Atividade Experimental

Considerando a importância que a interação social entre os alunos e entre eles e o professor exerce no contexto da aprendizagem, conforme estudos vigotskianos (VIGOTISKI, 2007), o trabalho em grupo, mediado pelo professor, deve ser valorizado durante toda a aplicação da proposta.

Para que a AE apresente características cativantes, imprescindíveis para motivar intrinsecamente os estudantes durante a sua realização, sugerimos que ela seja desenvolvida em cinco etapas: i. Apresentação do aparato experimental, ii. Provocação, iii. Realização, iv. Discussão do conflito e v. Fechamento, descritas a seguir.

## i. Apresentação do aparato experimental

Nesta primeira etapa, o aparato experimental deve ser apresentado aos alunos reservando um tempo para eles manusearem o dispositivo, ou seja, abandonar a esfera de diversas alturas e verificar se a esfera faz ou não o ' looping '. Essa brincadeira e a relação que os alunos certamente farão com alguns brinquedos presentes em parques de diversão devem gerar uma motivação inicial.

## ii. Provocação

Após essa parte inicial mais lúdica, é necessário manter os alunos motivados durante toda a realização da atividade. Para satisfazer essa demanda, sugerimos que eles sejam desafiados a determinar teoricamente a altura mínima que a esfera deve ser abandonada para conseguir fazer o ' looping '. Após resolver o desafio, encontrando como solução o resultado obtido na equação 4, a etapa seguinte consiste em testar esse resultado.

## iii. Realização

Para testar o resultado teórico encontrado na etapa ii, será necessário medir o raio da pista circular. Essa tarefa não é muito simples, pois o formato do perfil de alumínio e da pista dificulta consideravelmente a medição.

Para a pista circular mostrada na Fig.1, verifica-se que a medida do seu raio é de 13,3 cm. Substituindo esse valor na equação 4, encontraremos que a altura mínima que a esfera deve ser abandonada para fazer o 'looping' é de 35,9 cm.

Após determinar a altura mínima (hA), vem o momento mais aguardado: abandoar a esfera de resina plástica da altura de 35,9 cm e verificar se ela consegue fazer o ' looping '.

Ao abandonar a esfera, os alunos vão se deparar com um resultado conflitante: a esfera não consegue realizar o ' looping '!

## iv. Discussão do conflito

Inicialmente o resultado observado na etapa iii pode ser frustrante para os estudantes, mas essa frustração pode ser convertida em motivação. Para tanto, sugerimos que o professor proponha a eles um novo questionamento: por que o resultado obtido na experiência não é condizente com o resultado previsto pela

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teoria? Esse desafio deve motivá-los a buscar uma explicação para esse resultado. A mediação do professor durante as discussões nos pequenos grupos é fundamental para que os alunos não se desviem da questão proposta.

## v. Fechamento

Após a discussão do questionamento proposto na etapa iv, cada grupo deve apresentar para os demais colegas suas conclusões. Se os alunos analisarem com mais cuidado a experiência, perceberão que o resultado não foi o esperado porque o sistema foi considerado conservativo, quando de fato não é. Durante o rolamento da esfera parte da sua energia mecânica inicial é convertida em outras formas de energia menos organizadas, como por exemplo, energia sonora, energia de vibração do trilho e o aumento da energia interna do sistema. Além disso, não temos certeza que a esfera rola pelo trilho sem deslizar e o quanto a resistência do ar afeta o movimento da esfera. Por fim, o professor deve encerrar a atividade com uma explanação sistematizada retomando as dificuldades e as soluções encontradas pelos estudantes para os desafios propostos em cada etapa, assim como os conceitos envolvidos no desenvolvimento da AE. Nesse momento, as dúvidas que ainda existirem devem ser esclarecidas pelo docente.

## 3.3 Comentários

Embora experimentos com pistas contendo looping sejam frequentemente sugeridos na literatura, procuramos apresentar nesse trabalho uma proposta de AE com características cativantes, ou seja, com um formato que busca explorar as duas dimensões do interesse, a dimensão por apelo à satisfação de baixo nível e a de alto nível, conforme discutido no item 2.

A dimensão por apelo à satisfação de baixo nível é explorada na primeira etapa da AE através do lúdico, já que o 'looping' no experimento (que é muito comum para os estudantes nas montanhas-russas dos parques de diversão) pode instigar a motivação. Já a dimensão por apelo à satisfação de alto nível, é explorada nas segunda, terceira e quarta etapas da atividade por meio da contradição entre os resultados obtidos teorica e experimentalmente e também pelos questionamentos (desafios) propostos nessas etapas, que podem instigar a motivação nos estudantes invocando suas habilidades e competência intelectual para solucionar os desafios.

Vale destacar que, por razões diversas, conceitos de dinâmica de rotação como momento de inércia e energia cinética de rotação, por exemplo, nem sempre são trabalhados no EM. Para contornar essa situação, uma alternativa seria desprezar a rotação da esfera, ou seja, considerar apenas o movimento de translação do centro de massa da esfera. Nesse caso, o termo referente à energia cinética de rotação na equação 1 desaparece e o valor encontrado para a altura 25

mínima, na equação 4, se tornaria R h A 10 = . Essa aproximação, no entanto, nos

remete a um resultado ainda mais distante do valor obtido empiricamente e, portanto, não pode deixar de ser discutido com os alunos.

## 4. Considerações finais

Vimos que AE podem gerar a motivação necessária para aprendizagem de novos conceitos, mas desde que elas apresentem características cativantes, ou seja, elas devem apresentar um caráter lúdico, desafiador ou provocativo que é necessário para gerar uma motivação inicial. Já para manter essa motivação,

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durante toda a atividade, é fundamental que ela apresente questionamentos que instiguem os estudantes a utilizarem suas habilidades e competência intelectual para solucionar o problema posto pela AE. Assim, para que a AE proposta neste trabalho, para explorar o conteúdo energia mecânica e sua conservação com alunos do EM, apresentasse características cativantes, elaboramos cinco etapas para desenvolvêla: i. Apresentação do aparato experimental, ii. Provocação, iii. Realização, iv. Discussão do conflito e v. Fechamento. Por meio dessas etapas, entendemos ser possível conjugar a dimensão do interesse por apelo à satisfação de baixo nível com a de alto nível para disparar a motivação da aprendizagem dos conceitos estudados.

Dessa forma, esperamos que este trabalho possa subsidiar outros professores no planejamento de AE com formato cativante, ou seja, potencialmente motivadoras que favoreçam um engajamento mais efetivo dos educandos com o processo de aprendizagem. Obviamente não podemos ignorar que há outras variáveis igualmente importantes para a motivação que não foram consideradas neste trabalho, mas que devem ser investigadas no contexto escolar, pois associadas às mencionadas aqui podem promover um interesse ainda maior dos alunos pela aprendizagem dos conceitos físicos.

## 5. Referências

AUSUBEL, D. P.; NOVAK, J. D.; HANESIAN, H. Fatores motivacionais na aprendizagem. In: \_\_\_\_\_\_. Psicologia educacional . Tradução de Eva Nick. 2. ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1980. p. 331-359.

BONADIMAN, H.; NONENMACHER, S. E. B. O gostar e o aprender no Ensino de Física: uma proposta metodológica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 24. n. 2, p. 194-223, ago. 2007.

CARRASCOSA, J. et al. Papel de la atividad experimental em la educación científica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 23, n. 2, p. 157-181, ago. 2006.

CHAVES, A. S. Dinâmica da rotação. In: \_\_\_\_\_\_. Física: curso básico para estudantes de ciências físicas e engenharias . Rio de Janeiro: Reichmann &amp; Affonso, 2001. v.1. 246p.

GUIMARÃES, S. E. R. Motivação intrínseca, extrínseca e o uso de recompensas em sala de aula. In: BZUNECK, J. A.; BORUCHOVITCH, E. A motivação do aluno . 4 ed. Petrópolis: Editora Vozes, p.37-57, 2009.

LABURÚ, C. E. Fundamentos para um experimento cativante. Caderno Brasileiro de Ensino de Física . Florianópolis, v. 23, n. 3. p. 382-404, dez. 2006.

VIGOTSKI, L. S. A formação social da mente . 7. ed. São Paulo: Martins Fontes, 2007. 182 p.

ZANCUL, M. C. S. O ensino de ciências e a experimentação: algumas reflexões. In: PAVÃO, A. C.; FREITAS, D. (Orgs.). Quanta Ciência há no Ensino de Ciências . São Carlos: EdUFSCar, 2008. p. 63-68.

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