LABORATÓRIOS VIRTUAIS EM CURSOS DE ENGENHARIA: O USO DE CAMPOS CONCEITUAIS EM APRENDIZAGEM DE ELETROMAGNETÍSMO

## LABORATÓRIOS VIRTUAIS EM CURSOS DE ENGENHARIA: O USO DE CAMPOS CONCEITUAIS EM APRENDIZAGEM DE ELETROMAGNETÍSMO

José Vicente Cardoso Santos 1 , Melina Silva de Lima 2

- 1 Campus Integrado de Manufatura e Tecnologia SENAI CIMATEC / prof.vicentecardoso@gmail.com

## Resumo

Esta pesquisa considera o cenário da aprendizagem da Física nos cursos de Engenharia, a teoria dos campos conceituais e o uso de laboratórios virtuais. Considera-se que o domínio das (dez) leis do eletromagnetismo é essencial na formação do engenheiro e com isto temse como objetivo geral da pesquisa a construção de um Laboratório Virtual para a aprendizagem das leis do eletromagnetismo utilizando-se a teoria dos campos conceituais. Em consolidação dos objetivos adota-se uma metodologia lastreada na revisão de literatura da teoria dos campos conceituais, das leis da eletricidade e do magnetismo e nas diversas estratégias de construção de laboratório virtual com o viés desta teoria pedagógica e que se utilize destas leis. Procede-se a montagem de estratégias de aprendizagem de cada uma destas leis e aplicam-se as mesmas em laboratório virtual com acesso a grupos de estudantes que registrem a eficácia relativa do seu uso. Com isto construiu-se um laboratório virtual, com acesso restrito a usuários cadastrados e autorizados com fins de estudo das leis da eletricidade e do magnetismo com o uso da teoria dos campos conceituais.

Palavras-chave : Aprendizagem. Eletromagnetismo. Teoria dos Campos Conceituais.

## Introdução

Os estudos das dez leis físicas fundamentais que regem os fenômenos elétricos e magnéticos são de extrema importância para a formação de Engenheiros, pois, através destes estudos torna-se factível ao profissional a aprendizagem integrada destas leis e com isto o domínio técnico de todos estes fenômenos possibilitando a sua atuação profissional de forma plena, eficaz e eficiente.

O entendimento integral e concomitante destas leis proporciona ao Engenheiro uma construção de um senso comum multifacetado, indexado aos fenômenos eletromagnéticos de forma a possibilitar uma aplicação mais pragmática da sua profissão, justificando a propositura desta pesquisa na aprendizagem dos conceitos da eletricidade e do magnetismo a estudantes de Engenharia (NITZKE; FRANCO, 2014). Neste sentido o uso de laboratórios virtuais, que, segundo Souza, Oliveira e Lima Santos (2001), são ambientes eletrônicos com fins de experimentação á distancia de situações em simulação da realidade, permitirá uma melhor eficácia e eficiência no processo de aprendizagem destes estudantes.

Com isto tem-se como objetivo geral da pesquisa/artigo a construção de um Laboratório Virtual para a aprendizagem das leis de Eletricidade e do Magnetismo, baseado na teoria dos campos conceituais e como objetivos específicos a

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

identificação, junto ao aluno, de fenomenologias necessárias a construção de campos conceituais na física (nas áreas de eletricidade, magnetismo e afins); a proposta de construção de estratégias para o desenvolvimento cognitivo das leis da eletricidade e magnetismo.

## Materiais e Métodos

Para consolidar estes objetivos adota-se uma pesquisa com metodologia híbrida, envolvendo uma revisão de literatura, de cunho histórico, descritivo, documental e teórico. A metodologia é lastreada em estudo de caso em universo de pesquisa composto por estudantes de cursos de engenharia de instituições de ensino superior da região metropolitana de Salvador a compor uma amostra representativa deste universo na condição de sujeitos da pesquisa. Registra-se que foram adotados estudantes de qualquer das possíveis áreas, visto que a disciplina em análise faz parte da matriz curricular básica de todas elas.

Vale também o registro de que a construção do laboratório virtual foi pautada no uso de animações, gráficos e representações ilustrativas dos fenômenos que, elencados e explicitados, demonstram as relações preconizadas nas leis da eletricidade e do magnetismo utilizando-se de recursos de software tais como a programação em HTML de forma dinâmica á interação de objetos e applets em interação entre páginas de um browser e uma base de dados (remota ou local), permitindo-se com isto uma possibilidade de, uma vez mais elaboradas e interativas, interagir com outros códigos, a citar o Microsoft Front Page e Java.

## Aprendizagem de Eletromagnetismo na Engenharia

## As teorias de aprendizagem

Segundo Moreira (2014), para o Professor (Docente), uma das tarefas mais difíceis é a de possibilitar oportunidades aos alunos para que os mesmos desenvolvam seus esquemas de aprendizagem, e para Vergnaud (1998), a organização do conhecimento está estruturada em campos conceituais, e o domínio desse conhecimento se dá a longo prazo, por meio de experiências, maturidades adquiridas e aprendizagem construída nesse processo (VERGNAUD, 1994; 2001).

Neste sentido a acumulação de conhecimentos técnico/tecnológico implica uma complementação entre criação de conhecimento, inovação e difusão, o que implicaria em novas modalidades de aprendizagem com novos processos da relação conhecimento e trabalho de forma que a nova concepção de ensino que perpassa por adequações á forma de apresentar os conteúdos e em consonância á nova sociedade da informação e comunicação, gerando assim novas formas de aprendizagem nos mais diversos conceitos (CALLAGHAN et al. , 2007).

Jean Piaget construiu uma teoria sólida e muito bem fundamentada, pois, ele tenta nos explicar como se desenvolve a inteligência nos seres humanos. Daí o nome dado a sua ciência de Epistemologia Genética, que é entendida como o estudo dos mecanismos do aumento dos conhecimentos (PIAGET, 2001).

Com este cenário Piaget propôs os períodos de desenvolvimento, que é conhecido como construtivismo sequencial, ou seja, Piaget afirma que o desenvolvimento do sujeito inicia-se no período intra-uterino e vai até os 15 ou 16

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

anos e em sua teoria Piaget, distingue quatro períodos que são chamados de Períodos de Desenvolvimento Mental e que ele os designa por 'períodos gerais de desenvolvimento cognitivo' (BRUNNER; ZELTNER, 1994).

Já a proposta de Vygotsky, utiliza-se do conceito de mediação, que pode ser definido como sendo a ação que o indivíduo, por meio de instrumentos, modifica a natureza e, ao fazê-lo, acaba por modificar a si mesmo. Ele acreditava, portanto, que o aprendiz, ao fazer uso do signo-linguagem, algébrico, mapa, esquema etc ., modifica suas próprias funções psíquicas superiores. Vygotsky (1999) dedicou-se especialmente ao estudo do que denominamos por funções psicológicas superiores, ou seja, processos mais sofisticados, complexos, que envolvem o controle consciente do comportamento (VYGOTSKY, 1999).

Vergnaud, na teoria dos Campos Conceituais, considera que, se S é o conjunto de situações que dão sentido ao conceito (o referente); I o conjunto de invariantes operatórios associados ao conceito (o significado); e L o conjunto de representações linguísticas e não linguísticas que permitem representar simbolicamente o conceito, suas propriedades, as situações às quais ele se aplica e os procedimentos que dele se nutrem (o significante).

Vale também o registro de que, para Verganud (1990), existem dois tipos de situações (ou problemas) que, quando assumem algum significado para o aprendiz, podem gerar dois tipos de processos diferentes para a sua resolução, a primeira classe de situações é onde o sujeito já possui em seu repertório de competências e a segunda classe de situações é aquela onde o sujeito não dispõe de todas as competências requeridas para o tratamento da situação (TORRES, apud VERGNAUD, 2010).

Desta maneira, de uma forma resumida, pode-se afirmar que a Teoria dos Campos Conceituais de Vergnaud supõe que o centro do desenvolvimento cognitivo é a conceitualização, e, uma vez dominando-se, nos conceitos chaves do respectivo conteúdo, tem-se consolidada uma aprendizagem eficaz ou significativa do mesmo bem como o seu respectivo contexto.

## A tarefa do Professor/Docente e a zona de desenvolvimento proximal

Para o Professor (Docente) a tarefa mais difícil é a de prover oportunidades aos alunos para que os mesmos desenvolvam seus esquemas ou conexões para as suas respectivas construções na chamada zona de desenvolvimento proximal 1 .

Neste aspecto considera-se o Professor (Docente) como um facilitador (ou pretenso facilitador) e orientador do sujeito enquanto o mesmo dispõe-se a consolidar a cognição dos respectivos conteúdos. Pode-se inclusive utilizar-se de uma metodologia de trabalho híbrida, pois, observa-se que Vigotsky, em seu modelo/estratégia, aponta a existência de um outro nível de desenvolvimento -o proximal ou potencial - que, tanto quanto o nível real, deve ser considerado na prática pedagógica (GRECA; MOREIRA, 2003).

Para tornar-se efetivamente factível, de forma inclusive a materializar-se, o conhecimento do processo que o(s) sujeito(s) (discente(s)) realiza mentalmente para consolidar a sua aprendizagem é fundamental. Acreditamos que sem conhecer este

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

processo o facilitador (docente) estará cada vez mais distante do sujeito (discente) e das suas necessidades de cognição.

## Laboratório virtual como repositório de conteúdos sobre eletricidade e magnetismo

Os laboratórios acessíveis via internet, indo desde um simples laboratório, que apenas permite a realização de uma sequência predeterminada de experimentos, até laboratórios virtuais de alcance mundial, são formados por conexões de várias instalações menores, quiçá em redes colaborativas (GRECA; MOREIRA, 2003).

Os conteúdos do laboratório virtual com fins de criação de campos conceituais na área de eletromagnetismo são hospedados no endereço http://labvirteletro.com.br/ e denominado de 'LABVIRT', que tem a arquitetura modular com células divididas nos conceitos fundamentais, nas leis associadas e no repositório de links públicos que foram escolhidos pelo docente responsável com fins de consubstanciar a criação de campo conceitual equivalente sobre os respectivos conteúdos da célula, conforme se evidencia na figura 1 a seguir, onde observa-se uma imagem de abertura do LabVirt e um exemplo de conteúdo:

Figura 1 : Imagem de abertura do LabVirt (Laboratório Virtual) Fonte: registro dos próprios autores.

<!-- image -->

Além disto deve-se registrar também que o acesso é público e a atualização de conteúdos também pode ser feita de forma livre mas mediante registro e credenciamento.

## Um exemplo de campo conceitual no eletromagnetismo

Um exemplo de uso recursivo em diversos tópicos no estudo da eletricidade e magnetismo é o conceito e sentido do campo elétrico que, para um determinado sujeito (discente), é o conjunto de esquemas que ele pode utilizar para lidar com situações com as quais se depara e que implicam a ideia de campo e de

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

eletricidade. É também o conjunto de esquemas que ele pode usar para operar com símbolos numéricos ou algébricos e linguísticos que representam o referido campo. Mas o Professor (Docente) deve estar atento aos invariantes específicos da teoria em si.

Acredita-se também que se isto for posto mecanicamente, o sujeito (discente) não irá estabelecer esquemas corretos durante a sua vida profissional e desta forma, absorvendo o conhecimento de maneira mecânica, estará fadado a não utilizá-lo quando vier a se deparar com outras situações que exigiriam o mesmo raciocínio/comportamento, passando, assim, a limitar-se com relação a todos os conhecimentos/informações associados à este esquema.

Por exemplo, em um curso de Engenharia, o aluno deverá estabelecer conexões pertinentes entre conteúdos que abranjam o conceito de campo elétrico, ou qualquer outro conceito, em diversos momentos de sua vida acadêmica. De fato ele estudará os conceitos iniciais e sua definição ou outra disciplina com ementa correspondente, mas usará em disciplinas mais avançadas este conceito, ao estudar, por exemplo, aplicações do conceito de campo elétrico e as suas respectivas aplicações (KERR, 1964) e (RAMOS-PAJA; SCARPETTA; MARTÍNEZSALAMERO, 2010).

Se o aluno construiu um campo conceitual particular referente aos conceitos de campo, elétrico ou magnético, de forma que seus invariantes permeiem os sentidos exatos (aplicações e conceitos secundários que derivem destes), então a estrutura de direcionamento das aulas pode permanecer. Caso contrário, o Professor (Docente) deve intervir para linearizar as rupturas existentes na formação dos conceitos, por exemplo, com o uso de laboratórios virtuais que complementem as ações em sala de aula.

Figura 2 : Modelo de conteúdo do Labirt Fonte: registro do próprio autor.

<!-- image -->

Nos conceitos abordados na teoria dos campos conceituais identifica-se, segundo Vergnaud apud Moreira (2014), o que chama-se de tripleto de conjuntos, C = (S, I, R) onde: S é um conjunto de situações que dão sentido ao conceito; é um I conjunto de invariantes (objetos, propriedades e relações) sobre os quais repousa a

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

operacionalidade do conceito e R é um conjunto de representações simbólicas que podem ser usadas para indicar e representar esses invariantes.

No caso do eletromagnetismo, o conjunto S , que é o conjunto de situações que dão sentido aos conceitos, não são, necessariamente, não tem todas as situações vivenciadas pelos alunos dos cursos superiores em estudo, e nesta proposta em análise, sugere-se que os docentes encaminhem estas situações aos alunos através de experimentos/exercícios que proporcionem vivenciá-las.

## Sugestões de estratégias de uso do laboratório virtual de eletromagnetismo

Assim, através de experiências ou práticas de aprendizagem compartilhadas (com diversos sujeitos - discentes), estamos propondo uma atuação a ser definida no escopo do trabalho e da pesquisa, na zona de desenvolvimento proximal ou zona de desenvolvimento potencial , de modo que as funções ainda não consolidadas venham a florescer e/ou amadurecer com mais eficácia e eficiência. Ressaltando a importância das trocas interpessoais, na constituição do conhecimento, Vigotsky mostra, através do conceito de zona de desenvolvimento proximal ou potencial , o quanto a aprendizagem influencia o desenvolvimento e a sua recíproca.

Paralelamente a isto sabemos que a aplicabilidade da matemática (e de todos os seus conceitos associados) nas demandas de formação profissionais (em diversas áreas) vem crescendo a cada dia ao tempo em que a necessidade de criação de estratégias para consolidar o processo cognitivo dos conceitos, inclusive com práticas de relacionamentos interpessoais, através de isomorfismos, exemplos ilustrativos e/ou de um ' novo logos 2 ', vem se consolidando ao tempo em que, devido a diversos fatores de formação e/ou base (dos ensinos médio e fundamental) o (s) sujeito (s) , em geral, tem uma zona de desenvolvimento proximal ampla, e, em alguns casos, muito bem sedimentada porem estática, ou seja, uma zona de desenvolvimento proximal que não está sendo trabalhada (desenvolvida).

Para solidificar este conceito devemos descrever os ingredientes de um esquema. São eles: objetivos e antecipações (proatividade associada); regras de ação do tipo "se ... então" que permitem gerar a sequência de ações do sujeito; são regras de busca e controle da informação; invariantes operatórios ("teoremas-emato " e "conceitos-em-ato") que dirigem o reconhecimento, de parte do sujeito, dos 3 elementos pertinentes à situação e a categoria da informação sobre tal situação; possibilidades de inferência (ou raciocínios inferenciais) que permitem "calcular" as regras e antecipações a partir das informações e invariantes operatórios de que dispõe o sujeito (discente).

Destes ingredientes, os invariantes operatórios, cujas categorias principais são ' teoremas-em-ato' e ' conceitos-em-ato' , constituem a base conceitual

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

implícita, ou explícita, que permite obter a informação pertinente e, a partir dela e dos objetivos a alcançar, inferir as regras de ação mais pertinentes.

Os conceitos fundamentais e fundantes para o estudo do eletromagnetismo são indexados aos conceitos de força, campo elétrico, campo magnético e campo eletromagnético e no laboratório virtual inicialmente estão indexados aos links de vídeos a seguir elencados no Quadro 1:

Quadro 1: Construção dos Campos Conceituais dos elementos fundantes Fonte: registro do próprio autor.

Além dos conceitos fundamentais, das leis e suas aplicações, tem-se também, o conjunto das equações diferenciais ou integrais que regem os fenômenos descritos por estas dez leis e que são utilizadas geralmente como elementos de conteúdos terminais. Nestes conceitos ou disciplina específica verifica-se que estas equações, além de poderem ser devidamente demonstradas, também podem ser ilustradas nos links eleitos para consolidar uma primeira versão do laboratório virtual.

## Considerações Finais

Este trabalho além de descrever aplicação para a teoria dos campos conceituais nas aplicações inerentes ás leis da eletricidade e do magnetismo com o uso de um laboratório virtual com fins de prover a construção destes conceitos fundamentais. Evidencia-se que essa teoria é bastante conhecida na área da educação, porém relativamente pouco no campo da aprendizagem da eletricidade e do magnetismo, e foi esta a principal razão fomentadora da pesquisa.

Ao prover esta situação considera-se que a teoria de Vergnaud apresenta um grande potencial para descrever, analisar e interpretar aquilo que se passa no âmbito da eletricidade e do magnetismo e nos processos de aprendizagem associados.

Além de descrever a teoria, propriamente dita, procurou-se neste texto estabelecer elos com a teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e os seus lastros piagetianos como elementos de construção da mesma além de evidenciar, com a proposta do laboratório virtual, diversos elementos de construção de conceitos disponíveis na rede mundial de computadores e que consolidem experiências cotidianas destas leis físicas. Com isto tem-se o produto final uma primeira versão do Laboratório Virtual para a aprendizagem das leis de Eletricidade e do Magnetismo com base na construção de conceitos tal qual preconizam os ditames da proposta de Vernaud, inclusive identificando, junto ao aluno, estas

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

fenomenologias necessárias, as ações e estratégias para tal bem como os conceitos do cotidiano que por muitas vezes ficam distantes de salas de aulas.

Por fim, recomenda-se para ações futuras o aprimoramento ou até mesmo a produção de conteúdos que elenquem estes conceitos associados bem como o registro de expansão da hospedagem e o acesso livre ao laboratório virtual e aos seus respectivos conteúdos de texto, imagens de vídeos.

## Referências

BRUNNER, Reinhard; ZELTNER, Wolfgang. Dicionário de Psicopedagogia e Psicologia Educacional . Petrópolis, RJ: Vozes, 1994.

CALLAGHAN, Michael, J.; HARKIN, Jim; MCGINNITY, Thomas M.; MAGUIRE, Lion P. Client server architecture for collaborative remote experimentation . Journal of Network and Computer Applications, Northland, v. 30, p. 1295-1308, set/2007.

GRECA, Ileana; MOREIRA, Marco Antonio. Além da Detecção de Modelos Mentais dos Estudantes - uma Proposta representacional Integradora , Rio Grande do Sul. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/public/ensino/vol7/n1/v7\_n1\_a2.html. Acesso em 20 jan 2018.

KERR, John F. Pratical work in school science : an account of an inquiry into the nature and purpose of pratical work in school science in England an Wales. Leicester: Leicester University press, 1964.

MOREIRA, Marco Antonio. Teorias de Aprendizagem . São Paulo: EPU, 2014.

NITZKE, J. A, FRANCO, S. R. Aprendizagem cooperativa : utopia ou possibilidade. Informática na Educação: teoria e prática, v.5 nº2, 2ª Ed. Porto Alegre, 2014.

PIAGET, Jean. Seis Estudos de Psicologia. 24ª. ed. Rio de Janeiro: Forense Universitária, 2001.

RAMOS-PAJA, Andrés C.; SCARPETTA, José M. R.; MARTÍNEZ-SALAMERO, Luis. Integrated Learning Platformfor Internet-Based Control Engineering Education . 2010. Trabalho apresentado em IEE Transation Industrial Eletronics, 2010.

SOUZA, A. L. de; OLIVEIRA, J. C. de; LIMA SANTOS, M. P. Recursos da computação gráfica para o desenvolvimento de um laboratório virtual de Teoria Eletromagnética . Anais do XXIX Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. Porto Alegre. 2001.

TORRES, Lima Patrícia. Competências matemáticas de jovens e adultos em alfabetização. Brasilia: UNB. 2010. Disponível na Internet em http://www.anped.org.br/25/patricialimatorrest19.rtf. Acesso em jan 2018.

VERGNAUD, G. A Comprehensive Theory of Representation for Mathematics Education. JMB, V17, N2, pp. 167-181, 1998

VERGNAUD, G. Epistemology and Psychology of Mathematics Education , em NESHER &amp; KILPATRICK Cognition and Practice, Cambridge Press, Cambridge, 1994.

VYGOTSKY, L.S. Teoria e Método em Psicologia . 2ª .ed. São Paulo: Martins Fontes, 1999.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_