A INTRODUÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA ATRAVÉS DE SIMULADORES COMPUTACIONAIS DIDÁTICOS: UMA PERSPECTIVA NEUROCIENTÍFICA

## A INTRODUÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA ATRAVÉS DE SIMULADORES COMPUTACIONAIS DIDÁTICOS: UMA PERSPECTIVA NEUROCIENTÍFICA

Milton Alves Gonçalves Jr. 1 , *Mônica B. Gomes 2

- 1 Escola SESC de Ensino Médio, malves@escolasesc.com.br
- 2 Escola SESC de Ensino Médio, mborges@escolasesc.com.br

## Resumo

Este trabalho tem como objetivo apresentar uma perspectiva neurocientífica para a introdução de conceitos de física moderna no ensino médio, considerados abstratos e complexos, através de simuladores computacionais didáticos. É apresentada uma revisão bibliográfica sobre o uso de simuladores no ensino de física e de estudos em neurociências com ênfase em aprendizagem. O viés neurocientífico na utilização de simuladores computacionais didáticos vai de encontro à possibilidade de realização de uma experiência multissensorial durante a operação de dispositivos eletrônicos e da interação com o simulador. O manuseio desses dispositivos, bem como a configuração de parâmetros e a execução de comandos exigem movimentação e controle do dispositivo, num esquema de retroalimentação em função dos desdobramentos monitorados no simulador. Assim como o tato, visão e audição são os outros sentidos mais comumente mobilizados na realização de uma experiência virtual. A realização de práticas experimentais virtuais normalmente são baseadas em teorias de aprendizagem. Aqui, entretanto, é sugerida um deslocamento do referencial teórico para as neurociências, tendo em vista os seus avanços recentes e a possível identificação de estruturas e mecanismos associadas à aprendizagem com os seus respectivos correlatos neurais. A experiência virtual descrita no presente trabalho é uma alternativa viável à realização do experimento real para o estudo do fenômeno em questão. A 'visualização' de fótons e elétrons e a possibilidade de alteração de propriedades de entes físicos através da configuração do programa ajudam na internalização dos modelos, na correlação entre as grandezas e conclusões do experimento. Os recursos tecnológicos também promovem motivação e engajamento dos estudantes, sem que esses aspectos sejam prejudicados pela não utilização de um aparato experimental físico.

Palavras-chave : Neurociências e Aprendizagem. Simuladores Computacionais Didáticos. Efeito Fotoelétrico.

## Introdução

Dos desafios que se apresentam ao ensino de Física no ensino médio, a falta de interesse dos alunos talvez seja um dos maiores. Conceitos tradicionalmente difíceis de serem explicados, aulas meramente expositivas e a passividade do estudante diante do processo de ensino-aprendizagem são fatores que contribuem negativamente nesse sentido. Além disso, uma reclamação recorrente é a presença de cálculos fundamentais para análises quantitativas. É quase uma lei: quem tem dificuldades em matemática ou simplesmente não gosta dessa disciplina, fatalmente apresentará certo grau de resistência à disciplina de Física. Para aproximar o estudante e conscientizá-lo da importância de fenômenos naturais para a sua formação, é necessária a implementação de estratégias educacionais diferenciadas e a diversificação dos recursos didáticos disponíveis. Desta forma, a elaboração e

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execução de atividades práticas, que permitam a interação entre o estudante e o objeto de estudo, podem auxiliar na mudança da situação, na 'virada do jogo'.

Em (CARDOSO e DICKMAN, 2012) é apresentada uma sequência de atividades bem detalhada, baseada no uso de simuladores computacionais para o ensino do efeito fotoelétrico. No presente trabalho, entretanto, o referencial teórico é deslocado do campo das teorias de aprendizagem cognitivistas (MOREIRA, 2015) para algo mais essencial, para a base neurocientífica que dá suporte a elas. É possível relacionar o desencadeamento de processos mentais e o próprio desenvolvimento cognitivo à composição química de neurônios, como a produção de proteínas ou a falta de íons fundamentais para a produção e propagação de sinais elétricos em função de subnutrição. Evidenciando, portanto, a compatibilidade entre as teorias de aprendizagem e as neurociências.

A teoria da aprendizagem significativa elaborada por David Ausubel estabelece que a aprendizagem só ocorre quando o novo conhecimento é ancorado em conhecimentos já existentes. Os conhecimentos prévios (ou subsunçores) correspondem a todo conhecimento que o aprendiz já possui bem sedimentados, corretos ou não, mas que são fundamentais como suporte (ponto de ancoragem) e para dar sentido ao novo conhecimento adquirido, valorizando dessa forma, a formação pregressa do estudante. Portanto, para Ausubel, há uma estrutura cognitiva responsável pela organização e integração das ideias de um indivíduo em uma área específica pelo conhecimento (MOREIRA, 2015). Dois aspectos apresentados até aqui são extremamente relevantes. O primeiro diz respeito ao fato de que o aluno e toda a bagagem cultural que traz consigo são centrais no processo de ensino-aprendizagem e não devem, de maneira alguma, ser ignorados pelo professor. A interação entre a nova informação e os subsunçores vai resultar na assimilação da nova informação ou na reestruturação do conhecimento já existente. O outro é relativo ao papel do professor, no sentido de criar ambientes e estratégias que sejam intrinsecamente motivadoras para o aluno. É fácil perceber uma relação direta entre subsunçores e a formação/evocação de memória (IZQUIERDO, 2011), (COSENZA e GUERRA, 2011), ressaltando o seu papel na aprendizagem. Bem como as funções da memória de trabalho e da memória de longo prazo na interação entre a nova informação e o conhecimento preexistente. Sobre a criação estratégias motivadoras, a utilização de simuladores didáticos computacionais seria uma delas. A teoria da aprendizagem significativa de Ausubel é a fundamentação teórica para muitas atividades pedagógicas que levam em conta a utilização de simuladores didáticos computacionais no ensino de Física. Trabalhos de qualidade e bem embasados na teoria em questão podem ser encontrados em (CARDOSO e DICKMAN, 2012) e (FILHO, 2010).

## Atividades práticas e neurociências

As atividades práticas podem ser compreendidas como qualquer atividade em que o aluno esteja envolvido de maneira ativa: atividades interativas realizadas com o computador, construção de tabelas e gráficos, análise de dados, elaboração de hipótese e proposição de modelos, pesquisas bibliográficas e entrevistas. Dessa forma, atividades experimentais, que requerem a manipulação de equipamentos e instrumentos de medição em um laboratório, a simples 'quebra' de rotina com a troca de ambiente, a movimentação, a possibilidade de vestir um jaleco e de se ver mais próximo de um cientista podem produzem um efeito surpreendentemente

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efetivo em termos de motivação. Se não pela disciplina de Física, pela atividade experimental inerente às Ciências Naturais. Além de fomentar a curiosidade e o prazer pela investigação. Uma abordagem mais fenomenológica também pode fazer com que os estudantes mais resistentes criem alguma afinidade a partir da experiência. Lembrando que não basta ter um laboratório bem equipado. Uma boa proposta é fundamental para a aproximação do saber científico aos estudantes através da relação entre teoria e prática e considerando o conhecimento preexistente (MAIATO, 2013).

De outro lado, temos as novas tecnologias cada vez mais presentes nas escolas. Os avanços tecnológicos, a crescente preocupação sobre a importância da democratização da internet e o acesso à computadores e dispositivos móveis como tablets e smartphones, tem ampliado as possibilidades de adoção de estratégias pedagógicas e de novas práticas, de maior viabilidade que a construção e manutenção de um laboratório físico, por exemplo. Nesse contexto, a utilização de simuladores didáticos computacionais pode ser o caminho. Os simuladores computacionais são programas escritos em linguagem de programação específica (JAVA, html, Flash etc) para a reprodução de fenômenos físicos. A programação é baseada em modelos físicos que, se de um lado pode limitar a compreensão mais completa do fenômeno (raramente esse é o objetivo), por outro, permite a visualização de fenômenos microscópicos, configuração de parâmetros, manipulação e a verificação da relação entre variáveis de forma interativa, bem como a redução substancial do risco de acidentes.

O levantamento realizado em (SILVA e SILVA, 2017) apresenta o crescente número de experimentos virtuais, voltados para o ensino de Física, publicados entre 2004 a 2015. A análise foi baseada particularmente nos anais dos seguintes eventos: SNEF (Simpósio Nacional de Ensino de Física), EPEF (Encontro de Pesquisa em Ensino de Física) e ENPEC (Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências), que são encontros que envolvem estudantes de graduação de pós-graduação, professores de ensino médio, professores universitários, pesquisadores em educação e demais integrantes da comunidade científica interessados em ensino. São congressos consagrados e de grande relevância para formação e troca de experiências e de crescente visibilidade no cenário nacional. Foram 346 publicações dentre comunicações orais relacionadas ao uso de TIC (Tecnologias da Informação e Computação) publicadas nos anais dos eventos, artigos que enfocavam o uso de TIC no ensino de Física e aqueles que exploravam o Ensino de Física por meio das TIC. A elevada quantidade de publicações sobre o tema (34,6 em média por ano) revelam a tendência de utilização de TIC nas salas de aula espalhadas pelo Brasil. É provável, entretanto, que um número muito maior de experiências estejam sendo realizadas, mas que não chegam aos congressos, não ganham a devida visibilidade e acabam não sendo compartilhados, devido a ainda baixa participação percentual de professores de Física de ensino médio nesses eventos.

O trabalho ainda trata da classificação dos laboratórios e experimentos virtuais como laboratórios multimídia, laboratórios de realidade virtual e laboratórios de realidade aumentada. A utilização de simuladores didáticos computacionais pertence ao conjunto de atividades realizadas em laboratórios multimídias, cuja definição pode ser atribuída a uma categoria de apoio ao aprendizado, de acesso fácil e amplo, com a presença de sons, textos, animações, vídeos e imagens, a fim de promover uma exposição favorável e didática de um conteúdo. Nesse sentido, o

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viés neurocientífico na utilização de simuladores computacionais didáticos vai de encontro à possibilidade de realização de uma experiência multissensorial durante a operação de dispositivos eletrônicos e da interação com o simulador. O manuseio desses dispositivos, bem como a configuração de parâmetros e a execução de comandos exigem movimentação e controle do dispositivo, num esquema de retroalimentação em função dos desdobramentos monitorados no simulador. Assim como o tato, visão e audição são os outros sentidos mais comumente mobilizados na realização de uma experiência virtual. Dependendo da proposta e da abordagem, o estudante tem a chance de observar o fenômeno, ajustar parâmetros, monitorar informações, levantar dados e organizá-los em uma tabela ou gráfico, responder perguntas sobre a experiência, elaborar relatórios, reproduzir a experiência, correlacionar variáveis etc. A ativação de neurônios simultaneamente por vários dendritos, em função de estímulos sensoriais recebidos por diferentes canais, podem fazer com que eles disparem juntos melhorando a qualidade do sinal elétrico conduzido e, consequentemente, reforçando as informações propagadas pelo sistema nervoso. Além de favorecer a formação de memória, primordial para a aprendizagem e construção do conhecimento.

A exigência operacional das atividades práticas pode ampliar a capacidade perceptiva dos estudantes. Porém, o simples fato dos estudantes acompanharem visualmente a tela enquanto o professor manuseia o equipamento/simulador, produz uma oportunidade diferenciada de aprendizagem conhecida como aprendizagem observacional (ALMEIDA et al ., 2013). Em função da utilização de dispositivos amigáveis (considerando o apelo tecnológico) e da observação, existe uma tendência do estudante em reproduzir, numa tentativa às vezes inconsciente de imitação, os procedimentos realizados pelo professor durante a demonstração. O estudante constrói memórias auditivas e visuais que dão suporte à realização da experiência virtual.

A ativação de neurônios diante da realização de uma tarefa específica pode ser verificada a partir de registro elétricos do cérebro, através de técnicas de imageamento. Em um trabalho seminal (MAIATO, 2013), foi realizado um estudo com o objetivo de verificar as relações entre atividades práticas experimentais e a atividade cerebral, a multissensorialidade das atividades práticas e a formação de memória e quantidade de áreas ativadas e a aprendizagem. Foi feito o monitoramento da atividade cerebral com Emotiv Epoc , realizada a partir da variação no fluxo sanguíneo, de 3 estudantes colaboradores, de 13 anos de idade. A idade escolhida foi devida à maturidade cerebral. Eles realizaram 3 atividades pedagógicas. Na atividade denominada observa , eles precisavam observar um experimento realizado por uma professora. Na segunda atividade, executa , eles precisavam realizar o experimento realizado anteriormente pela professora. E na última atividade, observa novamente , eles precisavam observar a professora realizando o experimento já realizado pela própria professora e por eles, mais uma vez. Foram analisados 168 canais para cada situação pedagógica. Em síntese, durante as atividades observa e executa , a maior parte dos canais ativados estava no hemisfério direito. O lobo frontal foi o mais ativado, seguido do lobo temporal. Na atividade observa novamente , a quantidade de canais ativados caiu drasticamente. Entretanto, o lobo frontal foi o mais ativado novamente, seguido do temporal.

A queda na quantidade de canais ativados na última atividade pode ser associada à falta de motivação decorrente de uma atividade já conhecida, que já não representa um desafio e que exige menos mobilização das funções executivas.

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Assim como a maior ativação do lobo frontal durante a atividade executa pode estar relacionada à necessidade de mais esforços cognitivos dos mecanismos atencionais. Apesar das atividades propostas nesse estudo serem referentes aos experimentos físicos, diante das semelhanças aqui apresentadas, as conclusões poderiam ser estendidas aos experimentos virtuais. Em caso de distúrbios de aprendizagem como dislexia ou discalculia, em que não há comprometimento intelectual, a utilização de simuladores computacionais didáticos também pode ser considerada uma boa alternativa.

Por tudo o que foi apresentado até o momento, os simuladores computacionais didáticos são ferramentas poderosas e uma excelente alternativa no processo de ensino-aprendizagem de conceitos mais abstratos. Neste trabalho é apresentada uma estratégia para introduzir alguns elementos primordiais para uma futura compreensão da mecânica quântica, como a dualidade onda-partícula, a quantização da energia e a idéia de quantum/fóton e o efeito fotoelétrico.

## Descrição das aulas

A atividade foi realizada nas 11 turma de 1ª série da Escola SESC de Ensino Médio no ano de 2017, em 3 aulas consecutivas de 45 minutos cada. Porém, antes da primeira aula, os estudantes foram orientados a fazer download do simulador Efeito Fotoelétrico (Disponível em <https://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulation/photoelectric> Acesso em 07 de agosto de 2017).

Como a Escola disponibiliza rede wi-fi e cada estudante dispõe de um laptop , que é fornecido pela própria instituição, isso possibilita a realização de tarefas digitais/ on-line com mais facilidade. Sendo assim, na primeira aula, foram apresentadas opções de configurações e comandos para o simulador e, a partir deles, fazer observações. Também eram fornecidas definições, por exemplo, de emissor e coletor de elétrons, submúltiplos de escala de comprimento (nanômetro, micrômetro) , e notas que auxiliavam nas conclusões. Previamente havia sido feita uma discussão sobre a natureza da luz, em que as concepções ondulatória e corpuscular eram apresentadas numa perspectiva histórica. Já que os estudantes não tinham visto o conteúdo de ondas, também foram apresentados, ainda na primeira parte, alguns elementos através de outro simulador manipulado pelo professor (Disponível em <https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/wave-on-astring> Acesso em 07 de agosto de 2017).

Ao final da segunda aula, o professor, juntamente com a turma, fez a sistematização dos conteúdos trabalhados na atividade do simulador e a resolução de exercícios sobre efeito fotoelétrico. A expectativa era que os estudantes percebessem que, de maneira qualitativa, a energia dos fótons emitidos pela fonte luminosa é proporcional a frequência da onda e que a constante de proporcionalidade é a constante de Planck. Também foi possível perceber que a energia de cada fóton não depende da intensidade da luz. Ou seja, se não há a ejeção de elétrons do material alvo diante da luz incidente, a variação da intensidade luminosa não altera essa condição. Por outro lado, uma vez a energia do fóton é suficiente para produzir corrente elétrica, o aumento de intensidade luminosa faz com que mais elétrons sejam ejetados, aumentando a corrente elétrica no circuito. O conceito de função trabalho surgiu da necessidade de compreender o porquê de a

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ejeção de elétrons acontecer com um material e não com outro, para luz de mesma frequência.

Na terceira aula foi exibido um vídeo sobre dualidade onda-partícula (Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=-ceQ42fF9o8> Acesso em 07 de agosto de 2017), que apresentam as ideias desenvolvidas na experiência virtual. Na sequência, foi aplicada uma breve avaliação individual sobre o assunto estudado, apresentada na Figura 01, que deveria ser realizada nos 10 minutos finais.

Figura 01: Modelo de avaliação individual aplicada ao final da atividade

## Resultados

Apesar da complexidade do tema abordado, os estudantes desenvolveram toda a atividade com bastante interesse e curiosidade. Além das configurações e observações propostas, eles foram além na alteração de parâmetros e propriedades físicas e trouxeram outras questões para o debate, o que enriqueceu as aulas.

Os simuladores computacionais utilizados se mostraram ótimas ferramentas para o trabalho proposto em função da ludicidade característica desse recurso, da grande possibilidade de interação e da boa representação dos modelos físicos.

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Figura 02: Gráfico de desempenho dos estudantes na avaliação

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De acordo com o gráfico da Figura 02, de 164 estudantes da segunda série, apenas 3% ficaram com notas abaixo de 7,0, que é a média da Escola. A maior quantidade de erros foi verificada na questão discursiva, uma questão direta, mas que envolvia a operação de potências de 10 e notação científicas. O resultado serviu de subsídios aos professores para a elaboração de ações específicas para os estudantes com esse tipo de dificuldade.

A abordagem adotada no trabalho não tem a pretensão de colocar os simuladores no centro da solução para os desafios encontrados no processo de ensino aprendizagem de Física ou de Ciências. E os resultados dessa experiência, por si só, não justificam a estratégia. Afinal, o estudo apresentado se refere a uma única atividade, estabelecida com o objetivo de introduzir um determinado conteúdo. Por outro lado, os estímulos criados em função da atividade podem ser diretamente associados ao funcionamento do sistema nervoso, de como o cérebro os interpreta e processa as informações. A mobilização de processos psicológicos (ou funções mentais) superiores como percepção, aprendizagem, atenção, memória, motivação e emoção podem ser favorecidos pelo uso de simuladores computacionais. Portanto, para além de enfatizar o quanto os simuladores podem ajudar os estudantes na compreensão de conceitos abstratos e complexos, recurso que vem sendo explorado há alguns anos nas salas de aula Brasil a fora, o maior objetivo aqui é de chamar a atenção de como as neurociências podem auxiliar os professores na adoção de abordagens e boas práticas educacionais.

## Considerações Finais

Foi apresentada uma perspectiva neurocientífica na utilização de simuladores computacionais em aulas de Física do ensino médio. Diante do desafio estabelecido, os avanços em pesquisas em neurociências e a melhor compreensão de funcionamento do sistema nervoso, alavancadas por técnicas de imageamento, fornecem contribuições extremamente relevantes para a elaboração de estratégias educacionais que favoreçam o processo de ensino-aprendizagem.

Muitos trabalhos científicos, que investigam a utilização de simuladores computacionais didáticos, possuem o seu alicerce teórico em teorias de

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aprendizagem cognitivistas. Tais teorias são reforçadas pelas descobertas em neurociências permitindo, inclusive, a identificação de correlatos neurais de conceitos e estruturas fundamentais dessas teorias.

A crescente utilização dos simuladores computacionais em sala de aula para o ensino de Física (e de Ciências, de uma maneira geral) e estudos realizados evidenciam o potencial dessa ferramenta como agente motivador e como facilitador na compreensão de fenômenos complexos, o que pode ser comprovado através de relatos de professores, de resultados publicados em revistas científicas e anais de congresso e, mais recentemente, da verificação de ativação de áreas específicas do córtex a partir do monitoramento cerebral durante a realização de atividades práticas.

A experiência virtual a partir do simulador utilizado é uma alternativa viável à realização do experimento real para o estudo do fenômeno em questão. A 'visualização' de fótons e elétrons e a possibilidade de alteração de propriedades de entes físicos através da configuração do programa ajudam na internalização dos modelos, na correlação entre as grandezas e conclusões do experimento. Os recursos tecnológicos também promovem motivação e engajamento dos estudantes, sem que esses aspectos sejam prejudicados pela não utilização de um aparato experimental físico.

## Referências

CARDOSO, S. O. O.; DICKMAN, A. G. Simulação Computacional Aliada à Teoria da Aprendizagem Significativa: Uma Ferramenta para Ensino e Aprendizagem do Efeito Fotoelétrico. Caderno Brasileiro de Ensino de Física. 2012, v. 29, n. Especial 2: pp. 891-934.

MOREIRA, M. A. Teorias de Aprendizagem. 2 ed. ampli. São Paulo: E. P. U., 2015.

IZQUIERDO, I. Memória. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.

COSENZA, R. M.; GUERRA, L. B. Neurociência e Educação: como o cérebro aprende. 1a. ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.

FILHO, G. F. S. Simuladores Computacionais para o Ensino de Física Básica: Uma Discussão sobre Produção e Uso. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós Graduação em Ensino de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2010.

SILVA, I. P.; SILVA, A. T. M. O Tema 'Experimentos Virtuais' Nos Anais Dos Eventos Brasileiros De Ensino De Física (2005 - 2014). Revista de Ensino de Ciências e Matemática. v.8, n.1, p.137-154, 2017.

MAIATO, A. M. Neurociências e Aprendizagem: O Papel da Experimentação no Ensino de Ciências. Dissertação (Mestrado em Educação em Ciências) - Programa de Pós Graduação Educação em Ciências: Química da Vida e Saúde, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande. 2013.

ALMEIDA, A. P.; LIMA, F. M. V.; LISBOA, S. M.; LOPES, A. P.; FRANCO JR., A. J. A. Comparação entre as Teorias da Aprendizagem de Skinner e Bandura. Cadernos de Graduação - Ciências Biológicas e da Saúde. v. 1, n.3, p. 81-90, nov. 2013.

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