CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DOS ALUNOS DO ENSINO MÉDIO SOBRE ALGUNS CONCEITOS FÍSICOS: ''POR QUE OS AVIÕES VOAM? "

## CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DOS ALUNOS DO ENSINO MÉDIO SOBRE ALGUNS CONCEITOS FÍSICOS: 'POR QUE OS AVIÕES VOAM? '

## Ericarla de Jesus Souza 1 , Luiz Adolfo de Mello 2

- 1 Instituto Federal de Sergipe/Departamento de Física, ericarla-matos@hotmail.com
- 2 Universidade Federal de Sergipe /Departamento de Física, ladmello@uol.com.br

## Resumo

Sabemos que um dos objetivos de um professor é o aprendizado do aluno, e para que essa aprendizagem seja duradora deve ser significativa. Os alunos não chegam sem conhecimento na sala de aula. Eles trazem conceitos empíricos, observações feitas dos fenômenos que ocorrem ao seu redor. Essa 'bagagem' trazida pelos discentes, deve ser trabalhada, para que eles consigam dar espaço ao conhecimento científico. Para atingir este proposto não basta ao professor dar uma boa aula, trabalhar bem os conteúdos, ele deve ter bem claro as concepções teóricas seguidas de práticas pedagógicas atrativas para a dinamização das aulas e o aprendizado dos conteúdos com metodologias diversificadas. A proposta desse trabalho parte da busca por um ensino que visasse produzir atividades experimentais de baixo custo, utilizasse simulações e animações virtuais e apostilas de apoio didático a este material. Para a sequência didática, escolhemos o conteúdo de Hidrodinâmica, por este explicar o voo do avião. Logo, o nosso objetivo foi analisar as teorias Físicas envolvidas em um voo de um avião, utilizando uma simulação do software Modellus, a realização de oficinas de aviões de papel e o uso de jogos no ambiente escolar no estudo da Hidrodinâmica

Palavras-chave : Ensino de Física, Concepções Alternativas, Sequência Didática

## Introdução

O Este trabalho é um recorte da dissertação de Souza (2015) sobre Ensino de Física. Onde foi utilizado o uso de um Sequência Didática para ensinar Hidrodinâmica. Sabemos que um dos objetivos de um professor é o aprendizado do aluno, e para que essa aprendizagem seja duradora deve ser significativa. Para atingir este proposto não basta ao professor dar uma boa aula, trabalhar bem os conteúdos, ele deve ter bem claro as concepções teóricas seguidas de práticas pedagógicas atrativas para a dinamização das aulas e o aprendizado dos conteúdos com metodologias diversificadas.

Os alunos não chegam sem conhecimento na sala de aula. Eles trazem conceitos empíricos, observações feitas dos fenômenos que ocorrem ao seu redor. Essa 'bagagem' trazida pelos discentes, deve ser trabalhada, para que eles consigam dar espaço ao conhecimento científico. Como realizar a tarefa de ensinar física de forma mais conceitual e experimental, com menos enfoque em teorias e formulações matemáticas e, ao mesmo tempo, realizar a conexão entre esta disciplina e o desenvolvimento científico de nossa sociedade?

A proposta desse trabalho parte da busca por um ensino que visasse produzir atividades experimentais de baixo custo, utilizasse simulações e animações virtuais e apostilas de apoio didático ao material. Para a sequência didática, escolhemos o conteúdo de Hidrodinâmica, por este explicar o voo do avião. Logo, o nosso objetivo foi analisar as teorias Físicas envolvidas em um voo de um avião, utilizando uma simulação do software Modellus, a realização de oficinas de aviões de papel e o uso

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de jogos no ambiente escolar no estudo da Hidrodinâmica. Elaboramos também um material de apoio para ser aplicado em forma de sequência didática nas turmas do segundo ano do Ensino Médio.

## Aprendizagem Significativa

Para que haja uma efetiva aprendizagem dos conteúdos de física estes devem poder articular e interpretar novos fatos científicos com os conceitos aprendidos. Resumidamente, Ausubel (1989) elaborou a teoria da aprendizagem significativa em contraposição à aprendizagem mecânica ou bancária (FREIRE, 2005), como um processo onde uma nova informação interage com algum aspecto relevante da estrutura do conhecimento do indivíduo. Essa aprendizagem dá-se quando há interação de uma nova informação a um aspecto relevante da estrutura cognitiva do aluno (MOREIRA, 1999).

## Modelos Mentais

Johnson-Laird (1987, p 163) defende que as pessoas raciocinam através de modelos mentais. Modelos mentais, analogicamente a modelos da arquitetura, são como blocos de construção cognitivos que podem ser combinados e recombinados conforme necessário. Como quaisquer outros modelos eles representam acuradamente ou não o objeto ou situação em si. Uma de suas características mais importantes é que sua estrutura capta a essência (se parece analogicamente) com essa situação ou objeto (HAMPSON; MORRIS, 1996, p. 243).

Assim, outro fator a ser considerado nas dificuldades associadas ao ensino e aprendizagem de Física está nos aspectos abstratos dessa disciplina. Por sua natureza as teorias físicas são construídas a partir da construção de modelos matemáticos, hipóteses e teoremas confrontados com fatos experimentais. Os exemplos clássicos são os modelos atômicos, o uso e abuso da aproximação do oscilador harmônico e outros. Assim, é consenso entre um grupo de pesquisadores na área denominada 'teoria cognitiva da Ciência' que para explicar os sistemas físicos os físicos constroem modelos conceituais da natureza.

## Experimentação e simulações computacionais no Ensino de Física

O que fazer ou como gerar uma aprendizagem significativa quando as concepções dos estudantes não são as científicas, mas sim as prévias. Uma das formas mais eficientes é a da utilização de atividades experimentais e/ou simulações computacionais.

Como tem sido enfatizada por muitos autores, o uso da experimentação e de simulações computacionais no ensino de Física é de fundamental importância no processo ensino-aprendizagem (ARAUJO, 2012; ALVES, 2012; VEIT, 2002;TEODORO, 2002). Atividades experimentais (ZANON, 2008), e modelagens (KOPONEN, 2007) podem assumir papel fundamental na promoção de aprendizagens significativas em ciências e, por isso, cada vez mais se tem dado importância à valorização de propostas alternativas de ensino que demonstrem potencialidade da experimentação através de inter-relações entre os saberes teóricos e práticos inerentes aos processos do conhecimento escolar.

## Sequência didática

Assim, desenvolveu-se nesse projeto um Produto Educacional com o objetivo de se buscar uma maior relação entre teoria, atividades lúdicas e as TICs, de modo que, se produzisse uma aprendizagem significativa a partir de uma sequência didática para o conteúdo de Hidrodinâmica.

Com esse material instrucional procura-se explicar e discutir os conceitos de Hidrodinâmica tendo como motivação suas aplicações nos voos de aeronaves. A

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sequência didática que descreveremos adiante utiliza uma pré-avaliação das concepções prévias e espontâneas dos conteúdos que serão abordados, simulação computacional no software Modellus para simular um voo de avião ou aeroplano, atividades lúdicas como campeonatos de avião de papel e o uso de jogos didáticos como método de avaliação.

## Oficina de aviões de papel

Como o intuito de problematizarmos o tema a 'Física do voo do avião' introduzimos uma oficina de construção de avião papel, que teve como objetivo ensinar e/ou auxiliar aos alunos na confecção de quatro modelos diferentes de aviãozinho de papel. Após a confecção de cada modelo, os alunos faziam lançamento na sala de aula e podiam perceber as propriedades aerodinâmicas dos aviõezinhos e as diferentes maneiras de lançar cada modelo. A partir desta atividade o professor os questionava da razão do voo de alguns modelos terem maior alcance, em quantos outros terem maior tempo de permanência no ar.

Em cada escola demos um prazo de duas semanas para que os alunos treinassem em casa o lançamento dos aviões e utilizassem a teoria e técnica estudada nas simulações no Modellus. Na semana seguinte, desta atividade realizamos um Campeonato de avião de papel na Universidade Federal de Sergipe, onde os seis selecionados de cada escola nas modalidades maior tempo de queda e maior alcance competiram entre si, disputando medalhas de ouro, prata e bronze.

Durante essa oficina procurou-se investigar as concepções prévias que os alunos traziam e ao mesmo tempo apresentar novos conceitos e explicações de fatores que influenciam no voo de um avião de papel, como também, a melhor forma de fazer lançamentos para se atingir um maior alcance e um maior tempo de permanência no ar.

## Material apostilado (Hidrodinâmica)

Atualmente a grande maioria dos livros didáticos produzidos no Brasil para o Ensino Médio não apresenta o conteúdo de Hidrodinâmica e quando este conteúdo é abordado ou faz parte do último capítulo. Assim, decidimos produzir um material de apoio em forma de apostila, permeado com atividades experimentais. Esse texto pode ser encontrado em Souza (2015) foi elaborado no 'espírito' do GREF (2013). Ele foi escrito na forma de diálogo, onde o leitor é convidado a uma viagem de avião Esse material foi produzido de modo que os conceitos físicos eram sempre precedidos ou por algumas atividades experimentais ou por simulações. Como atividades experimentais temos:

## Atividade experimental I: corre-corre e anota

Essa atividade tinha como objetivo que os alunos revisassem o conceito de velocidade média. Pedia-se a eles que se dividissem em grupo e registrassem o tempo gasto por um membro do grupo para percorrer um espaço fixo, do fundo da sala até quadro. Com o valor do tempo e espaço era pedido que os discentes calculassem a velocidade de cada um deles e construíssem uma tabela e um gráfico.

## Atividade experimental II: ação e reação

Essa atividade tinha como objetivo verificar e revisar o princípio da ação e reação, utilizando uma bexiga, canudo e barbante. Foi pedido para que os alunos enchessem a bexiga com ar, e utilizando uma fita adesiva prendesse a bexiga a um canudinho. Logo em seguida, passasse um barbante pelo canudo e o mantivesse esticado. Depois, foi pedido para os alunos soltarem a bexiga e observasse o que

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acontecia com o balão. Na Fig. 1 podemos observar os alunos realizando essa atividade (CIENCIAMÃO, 2014).

Fig. 1 - Verificando a terceira lei de Newton.

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## Atividade experimental III: simulando uma asa de avião

Para facilitar o entendimento de como o vento se comporta em uma asa de avião e confrontar a concepção prévia com a científica, foi construído com cartolina, canudo e barbante uma simulação de uma asa. Depois de confeccionado os alunos fizeram o teste diante do ventilador da sala de aula. Esticava-se o barbante com uma determinada inclinação, o vento fazia com que a asa se movimentasse para cima. Podemos observar o modelo da asa na Fig. 2 (CIÊNCIA BACANA, 2014).

Fig. 2 - Simulação da asa de um avião.

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## Atividade experimental IV: comprovando o efeito de Bernoulli

Esta atividade foi organizada de modo a ilustrar e introduzir o Efeito Bernoulli. Nesta atividade foi construído um pequeno pulverizador. Foi utilizado um canudinho e feito um corte transversal, sem dividir o canudinho em duas partes. Dobrou-se o canudo e colocou-se a parte menor dentro de um copo com água e um pouco de tinta. Foi pedido que os alunos assoprassem pela extremidade, com isso, a água subiu pelo tubo e ao atingir o corte do canudo, se pulverizou e os alunos tentaram fazer desenhos como é mostrado na Fig. 3 (SAAD, 2014).

Fig. 3 - Construindo um pulverizador, comprovando o Efeito de Bernoulli.

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## Simulação no Software Modellus

Nessa atividade foram utilizadas duas simulações de voos, uma de um avião 'normal' e outra de um aviãozinho de papel feito usando o software de ensino Modellus . A referência da modelagem matemática para essa simulação foi retirada da dissertação de J. F. Mendes (2009). Para a atividade de simulação do nosso trabalho tivemos que fazer algumas adaptações da modelagem matemática.

A modelagem matemática foi feita de modo que o parâmetro que modelava a dimensão horizontal das asas (Flap), das asas traseiras (Profundor) e o empuxo

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(Turbina) ficavam livres, ou seja, podiam ser alterados durante a simulação ao modo de um controle de simulador. Assim, os alunos podiam manusear os controles do 'flap, profundor e turbina' do avião, fazendo com que o avião decolasse e controlasse seu voo em uma determinada altura. Já para a simulação do avião de papel, a turbina era desligada automaticamente depois de um determinado 'tempo de lançamento' e era representada pela força exercida pelo garoto ao lançar o avião de papel como podemos observar na Fig. 4.

Fig. 4 - Visão da tela do simulador de voo de um avião de papel usando o software Modellus.

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## Resultados e discussões

Apresentaremos aqui um resumo dos resultados quantitativos e qualitativos resultante da aplicação da sequência didática nas duas escolas. Aproximadamente 80 alunos participaram das nossas atividades, somando os alunos das duas escolas.

Após o campeonato de aviões de Papel aplicou-se um questionário do tipo Pós-Teste. Objetivou-se primeiramente em analisar a aprendizagem significativa dos alunos em relação ao conteúdo abordado no material de apoio, verificar se os mesmos passaram em média a usar mais explicações aos fenômenos Físicos baseadas em concepções científicas do que em alternativas e a consolidação desse método. Foi observado que mesmo ocorrendo na escola A uma quebra na aplicação da sequência didática devido a uma greve obtivemos resultados extremamente positivos. A média geral nas duas escolas ocorreu um aumento de mais de 84%. Ver Fig. 5.

Fig. 5 - Gráfico da média dos resultados comparativos do pré-teste e pósteste das duas escolas.

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A seguir apresentaremos uma análise geral comparada das questões em forma de gráficos, onde o lado esquerdo encontram-se os resultados da escola A e do lado direito os valores da B. Começaremos analisando as possíveis mudanças nas concepções alternativas dos alunos seguidas de aprendizagem significativas.

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Quanto às questões do tipo concepções alternativas observou-se um aumento, em geral, de mais de 70% no uso de concepções científicas em contraposição às alternativas. Em alguns itens essa melhora foi de 200% até 440%. Como exemplo de questão do tipo concepções alternativas para ser analisada aqui, escolhemos a terceira questão de nosso questionário, tirada do artigo Ure at all (1994), pois esta tem o objetivo de demonstrar o domínio do conceito de conservação da quantidade de movimento. Para as demais questões, ver Souza (2015).

03 - Pedro e Paulo estão em pé sobre dois carrinhos que podem se movimentar com atritos despreziveis sobre um plano horizontal no laboratorio. No inicio, os dois estão em repouso, com Pedro segurando uma bola pesada.

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Pedro lança a bola para Paulo, que a apanha e lança de novo para Pedro, o qual por sua vez a apanha, conservando-a com ela. Qual dos seguintes esquemas representa as quantidades de movimento de Pedro e Paulo no final da sequência?

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O aluno deveria ter atenção para o início da questão onde afirmava que o atrito era desprezível, com isso a quantidade de movimento se conserva. Logo, a opção correta é a 'D', e se observa que menos de 36% dos alunos acertam no préteste (Fig. 5). O aluno que optou pela alternativa 'C', de acordo com Ure at al. (1994) intuitivamente confundiu quantidade de movimento com força.

Analisando o gráfico comparativo de acertos da questão 3 (Fig. 6) é fácil perceber que aconteceu uma mudança quanto ao uso de concepções alternativas para científica com relação a este item. Os valores da alternativa 'D' que é a correta, passaram de no máximo 36% no primeiro momento para no mínimo 62% no pósteste, resultando num aumento aproximado de 100%. As demais alternativas obtiveram redução significativa nos valores no pós-teste.

Analisando o lado direito da figura para a escola B, percebemos duas situações as quais merecem nosso destaque. O número de estudantes que optaram pela alternativa correta dobrou, mas a alternativa 'B' passou de 2% no pré-teste para 23% no pós-teste, ou seja, apesar da porcentagem na alternativa correta ter sofrido um aumento, muitos alunos ainda permanecem com a concepção alternativa que o bonequinho mais 'forte' apresenta a maior força, confundindo força com quantidade de movimento. Em geral, observou-se que em média 25% dos estudantes ainda continuavam a usar concepções prévias.

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Fig. 6 - Gráfico comparativo dos resultados da questão 03 do pré-teste e pós-teste duas escolas.

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## Considerações finais

A utilização de um campeonato de avião de papel como atividade motivadora para introduzir o conteúdo de Hidrodinâmica e revisar conceitos de Mecânica que influenciam na física do voo de um avião, fez com que despertassem nos alunos interesse e o gosto pela Física como também contribuiu com uma maior aprendizagem.

Comparando os valores dos escores encontrados com aplicação do préteste e pós-teste sobre concepções alternativas percebemos que a sequência didática contribuiu para uma evolução significativa do uso de concepções científicas por parte dos discentes. Logo, podemos concluir que em média ocorreu uma mudança conceitual e aprendizagem significativa por parte dos estudantes. Ou seja, o conhecimento intuitivo foi confrontado aos conceitos científicos. Comparando as porcentagens de acerto das questões do tipo vestibular com as do tipo concepções prévias, percebe-se que apesar dos estudantes estarem preparados para responder as primeiras, eles não estão para as segundas. Ou seja, o ensino tradicional, mesmo em escolas padrão, não produz aprendizagem significativa.

Durante as atividades no laboratório de informática com o software Modellus os alunos demonstraram interesse e surpresa. As simulações ajudaram aos alunos a compreenderem os conteúdos abordados, assim como visualizar melhor o problema físico modelado. Comentários como: 'podendo visualizar quase que diretamente o que é visto em aula, nós alunos, nos interessarmos mais pelo assunto', 'foi divertido', 'legal', 'adorei aprender brincando', fizeram parte das opiniões dos alunos. Pode-se ver aqui, uma demonstração da aplicação das ideias sobre modelos mentais de Johnson-Laird.

Esta sequência didática demonstrou que há várias formas de se tornar o ensino de conteúdos de Física mais atraente. Como o exemplo usado aqui, temos que o tema de divulgação científica - a física envolvida em um voo de um avião com a realização de oficinas de aviões de papel, conjuntamente com o uso de jogos no ambiente escolar e com a utilização de uma simulação computacional no estudo da Hidrodinâmica pode tornar o aprendizado deste tema da Física prazeroso e significativo (AUSUBEL, 1980).

## Referências

ALVES, F. S. Ensino de física para pessoas surdas: o processo educacional do surdo no ensino médio e suas relações no ambiente escolar . Dissertação (Mestrado). Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2012.

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