UM ENSINO INVESTIGATIVO A PARTIR DA EXPERIMENTAÇÃO E DA HISTÓRIA DA CIÊNCIA: UMA PROPOSTA PARA DISCUTIR O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES

## UM ENSINO INVESTIGATIVO A PARTIR DA EXPERIMENTAÇÃO E DA HISTÓRIA DA CIÊNCIA: UMA PROPOSTA PARA DISCUTIR O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES

## Pedro Henrique Forgane Franco 1 , Thamyris Cristine Guimarães Britto Siqueira 2 , Karel Pontes Leal 3

- 1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET/RJ Campus Petrópolis, pedro.forgane1@gmail.com
- 2 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET/RJ Campus Petrópolis, thamyc.britto@gmail.com
- 3 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET/RJ Campus Petrópolis, karelpontes@yahoo.com.br

## Resumo

Este trabalho almeja apresentar uma possibilidade de inserção de questões relativas ao ensino por investigação e à história das ciências por meio de uma atividade experimental. Concebendo a importância de diferentes vieses para o ensino de ciências e os problemas que uma visão deturpada do conhecimento científico podem levar ao processo de ensinoaprendizagem. Utilizamos a famosa história de Arquimedes e a Coroa do Rei para questionar anedotas e propor uma alternativa de aparato experimental que corrobore o princípio de desse personagem da história das ciências, diferentemente do mito difundido em diferentes livros didáticos e, até mesmo, por professores. Partimos de uma visão construtivista para o desenvolvimento dessa proposta, acreditando que a participação dos estudantes como agentes da transformação do próprio conhecimento é fundamental para seu interesse e desenvolvimento intelectual, tanto no ensino de física quanto em qualquer outra parte de sua educação básica. Nesse sentido, acreditamos que as metodologias de ensino por investigação e da história das ciências, são grandes possibilidades para o cumprimento desses objetivos.

Palavras-chave : História da Ciência, Experimentação Investigativa, Princípio de Arquimedes.

## Introdução

As disciplinas de ciências da natureza têm variados problemas a respeito do aprendizado dos alunos. Em geral, essas áreas do conhecimento são vistas como muito complexas e afastam uma parcela da sociedade por conta de sua linguagem e, possivelmente, pela forma como é apresentada nas diferentes etapas da educação. Compreendendo tais dificuldades, diferentes áreas de pesquisa buscam possibilidades para a superação desses obstáculos à compreensão dos conceitos, almejando melhor processo de ensino-aprendizagem para os estudantes.

Ensino por investigação, história das ciências, abordagens de ciênciatecnologia-sociedade, utilização de tecnologias da informação, entre outros tratamentos têm o objetivo de apresentar possibilidades aos professores dos mais distintos níveis de educação. Nesse sentido, buscamos a apresentação de uma proposta que utiliza ingredientes de ensino por investigação e história das ciências.

Nessa proposta, indicamos a utilização da descrição da anedota de Arquimedes e a Coroa do Rei, em que Martins (2000) apresenta uma narrativa de Marcus Vitruvius Pollio (sec. I a.C) que coloca Arquimedes como um excêntrico pesquisador que ao descobrir a solução para um problema, saiu nu pelas ruas de

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Siracusa bradando o famoso ' Eureka '. Nesse artigo, o autor questiona diferentes etapas dessa romantizada descrição e aponta alternativas mais coerentes que Arquimedes poderia ter utilizado para resolver o dilema da coroa.

A partir dessas alternativas, utilizamos materiais de baixo custo para tentar reproduzir as experiências narradas por Vitruvius e questioná-las. Seguindo pela execução de um aparato descrito como a provável alternativa para o desenvolvimento do conceito de empuxo e densidade.

Esperamos, com esse trabalho, apresentar uma possibilidade de inserção de atividades investigativas, relacionadas à uma contextualização com a história das ciências, aos educadores interessados em discutir temas como esse em suas aulas. O desenvolvimento dessa proposta foi resultado de uma atividade de avaliação de uma disciplina do curso de licenciatura em física, da qual os autores fazem parte.

## História das Ciências e a Importância das Narrativas

Muitos livros educacionais utilizados nas escolas apresentam pequenos resumos de histórias controversas da ciência. É possível observar, em grande parte desses livros, que na introdução dos conteúdos são relatados pequenos resumos de como os cientistas chegaram à determinada descoberta. Essas histórias narram as grandes contribuições como acontecimentos simples e inesperados. Um exemplo dessas narrativas é a famosa história da história da maçã, que após cair sobre a cabeça de Isaac Newton (1642-1727), o fez desenvolver a teoria sobre a gravidade. Acreditamos que essa descrição simplificada entre os processos de observação do fenômeno e a construção de uma teoria pode se tornar um obstáculo para o estudante. Isso acontece pois, no momento que o aluno lê contos históricos descritos dessa forma ou, até mesmo os conhece a partir dos próprios professores, o papel da genialidade é imposto sobre ele, podendo distanciá-lo do interesse pelas ciências e, possivelmente, de se tornar um cientista (Martins, 2006).

A história das ciências tem como um dos seus objetivos investigar, a partir de variadas fontes de informação, a complexidade do desenvolvimento da ciência e, a partir disso, promover uma humanização desse campo do conhecimento (Moura, 2012). Utilizar uma narrativa em sala de aula nos cursos de ciências pode ajudar a desenvolver uma construção de pensamento que auxilie na autonomia dos alunos, abordando textos históricos que visam contextualizar determinado assunto em seu período de elaboração.

O estudo de episódios históricos, com o uso de uma narrativa, pode fazer com que o aluno, ao realizar essas leituras, observe uma organização da experiência, expondo os detalhes e cuidados a serem utilizados no processo de experimentação e descoberta. Nessa conformidade é observada também uma descrição do mundo trazendo uma ideia de como ele se comporta. Assim, a articulação com pequenas análises de fatos históricos sobre determinada ação, estabelece uma construção de pensamento fundamentado, a partir do qual os alunos podem começar a investigar se, de fato, as pequenas histórias presentes nos livros didáticos são possíveis e reais (Penha, Carvalho e Vianna, 2015).

Diversos documentos históricos podem ser utilizados numa aula de ciências. Gráficos apresentados pelos pensadores, desenvolvimentos de equações e descrições de experimentos realizados são alguns exemplos. Acreditamos que a apresentação de uma narrativa histórica, pautada na historiografia contemporânea (Martins, 2001; Baldinato e Porto, 2008; Forato et al, 2011; Moura, 2012; Forato et

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al, 2017), agregada a atividades experimentais podem trazer um grau de complexidade que instigue os alunos a investigar um determinado fato científico (Pinto et al, 2017). Buscaremos, na próxima sessão, apresentar alguns argumentos a respeito da importância da experimentação no ensino de ciências e a possibilidade de inserir uma atividade como essa em um contexto de uma atividade pautada na história das ciências.

## Experimentação Investigativa

O ensino tradicional de ciências nas escolas tem se mostrado pouco edificante, atuando de forma que não facilite a compreensão dos estudantes, o trabalho dos professores e as expectativas da sociedade (Fourez, 2003). Essa perspectiva é vista, dentre outras, pela ausência do uso dos laboratórios ou experimentos feitos em sala, retirando do aluno a oportunidade de montar projetos, tanto durante as aulas quanto em feiras de ciências (Bybee e DeBoer, 1996).

Falar de laboratório tradicional significa pensar em um pequeno grupo de alunos dispostos a realizar atividades práticas com observações constantes dos fenômenos determinados pelo professor (Tamir, 1991). Dessa forma, os alunos seguem as instruções através de um roteiro, ilustrando ideias e conceitos aplicados de maneira experimental. Nesse contexto o aluno é apenas um reprodutor de métodos pré-estabelecidos, não possuindo liberdade para interferir, nem mesmo executá-lo de forma equivocada. A atividade se resume na observação fatos, que implica em sugerir ao aluno uma visão empírica e indutivista da ciência (CACHAPUZ et al, 2000).

As principais críticas que se fazem a estas atividades práticas é que elas não são efetivamente relacionadas aos conceitos físicos, e que muitas delas não são relevantes do ponto de vista dos estudantes, já que tanto o problema como o procedimento para resolvê-lo estão previamente determinados. As operações de montagem dos equipamentos, as atividades de coleta, dados e os cálculos para obter respostas esperadas consomem muito tempo disponível. Com isso, os estudantes dedicam pouco tempo à análise e interpretação dos resultados e do próprio significado da atividade realizada. Em geral, eles percebem as atividades práticas como eventos isolados onde o objetivo é chegar à resposta certa (Tamir, 1989).

Em um laboratório investigativo, em contrapartida, os alunos assumem o planejamento da atividade buscando meios de solucionar uma situação problema. Eles têm liberdade para testar suas hipóteses, corrigindo-as quando necessário, discutir alternativas com os colegas de turma e até mesmo alterar o aparato experimental utilizado. Essa participação ativa permite compreender que a ciência se constrói não apenas sob a verificação ou falseamento de hipóteses, e tampouco de forma espontânea. Não existe método pré-estabelecido, o que permite maior autonomia frente à tomada de decisões e estimula o pensamento crítico. O nível de liberdade empregado nessas atividades rompe com o formalismo que impõe certa carga negativa ao erro e com os sistemas de avaliação baseados em resultados corretos, de forma que o aluno não se sinta repreendido em expor suas ideias (Souza et al, 2014).

Um laboratório investigativo pode ser pautado numa perspectiva de ensino construtivista. Nessa concepção, o estudante, é o principal agente na construção do

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seu conhecimento, tendo o professor apenas como mediador. Ele investiga situações problema, a fim de elaborar hipóteses e suposições, dialoga com seu conhecimento prévio com os conteúdos abordados em sala de aula, buscando então de forma ativa uma solução para os questionamentos levantados (Alves Filho, 2000). O laboratório didático, sob essa concepção, é responsável por estabelecer relações entre a realidade do aluno e as teorias estudadas.

De acordo com Rosa e Rosa (2012), atividades experimentais devem ser planejadas de modo a reservar maior parte do tempo para discussões, argumentações e análises críticas do que para o momento voltado à prática experimental em si. Dessa forma, a participação do aluno é instigada e o mesmo é aproximado da prática científica, superando uma visão descontextualizada, infalível e dissociada de problematização. Na primeira etapa, conhecida como préexperimental, o professor tem o papel de fazer uma revisão dos conceitos já vistos em sala relacionados com o experimento, apresentando o problema envolvido na atividade. Sem obter nenhum resultado ou hipóteses os alunos têm o objetivo de se planejarem com as investigações necessárias. No estágio da experimentação os alunos elaboram suas investigações fazendo registros sobre as razões de cada procedimento. Nesse período, os estudantes elaboram seus resultados de forma independente sem que os colegas influenciem nos registros. O estágio pósexperimental é um período que requer um tempo maior, à medida que os alunos começam a interagir entre si, fazendo comparações com os resultados encontrados. Nesse momento, os alunos buscam discussões e defesas sobre seus diferentes pontos de vista a partir de argumentos teóricos desenvolvidos com a atividade.

A partir da aplicação de atividades experimentais pautadas nos métodos investigativos, a participação em uma atividade baseada em análises críticas provindas de relatos históricos, fugindo ao modelo experimental tradicional, oferece aos alunos uma oportunidade de escolha garantindo interpretações individuais e esclarecimento de hipóteses a partir de questionamentos indiretos provindo do professor. Essa participação indireta do educador pode influenciar o aluno na elaboração de hipóteses com o objetivo de defender sua teoria a partir de argumentos registrados durante o experimento.

A participação da história das ciências na atividade experimental permite ao aluno compreender partes do processo de desenvolvimento em seu contexto. Com a narrativa escolhida pelo professor, podem ser observadas as complexidades que fundamentaram o experimento em questão. A seguir, apresentamos uma proposta de ensino que visa o desenvolvimento do conceito de empuxo a partir de atividades investigativas pautadas em um episódio histórico

## Arquimedes e a Coroa do Rei, uma proposta de abordagem

Como alternativa ao modelo de laboratório tradicional e corroborando com os ideais construtivistas de ensino por experimentação, traremos aqui uma ideia de proposta de atividade que tem por objetivo desmistificar um procedimento experimental narrado em livros didáticos. Trata-se da lenda de Arquimedes e a Coroa do Rei, que teria sido descrito por Marcus Vitruvius Pollio no século I a.C. Um trecho da lenda, traduzido e citado por Martins (2000) é:

Quanto a Arquimedes, ele certamente fez descobertas admiráveis em muitos domínios, mas aquela que vou expor testemunha, entre muitas outras, um engenho extremo. Hieron de Siracusa, tendo chegado ao poder real, decidiu colocar em um templo, por causa de seus sucessos, uma coroa

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de ouro que havia prometido aos deuses imortais. Ofereceu assim um prêmio pela execução do trabalho e forneceu ao vencedor a quantidade de ouro necessária, devidamente pesada. Este, depois do tempo previsto, submeteu seu trabalho, finalmente manufaturado, à aprovação do rei e, com uma balança, fez uma prova do peso da coroa. Quando Hieron soube, através de uma denúncia, que certa quantidade de ouro havia sido retirada e substituída pelo equivalente em prata, incorporada ao objeto votivo, furioso por haver sido enganado, mas não encontrando nenhum modo de evidenciar a fraude, pediu a Arquimedes que refletisse sobre isso. E o acaso fez com que ele fosse se banhar com essa preocupação em mente e ao descer à banheira, notou que, à medida que lá entrava, escorria para fora uma quantidade de água igual ao volume de seu corpo. Isso lhe revelou o modo de resolver o problema: sem demora, ele saltou cheio de alegria para fora da banheira e completamente nu, tomou o caminho de sua casa, manifestando em voz alta para todos que havia encontrado o que procurava. Pois em sua corrida ele não cessava de gritar, em grego: [Encontrei, encontrei!]. Assim encaminhado para sua descoberta, diz-se que ele fabricou dois blocos de mesmo peso, igual ao da coroa, sendo um de ouro e o outro de prata. Feito isso, encheu de água até a borda um grande vaso, no qual mergulhou o bloco de prata. Escoou-se uma quantidade de água igual ao volume imerso no vaso. Assim, depois de retirado o corpo, ele colocou de volta a água que faltava, medindo-a com um sextarius, de tal modo que o nível voltou à borda, como inicialmente. Ele encontrou assim o peso de prata correspondente a uma quantidade determinada de água. Feita essa experiência, ele mergulhou, então, da mesma forma o corpo de ouro no vaso cheio, e depois de retirá-lo fez então sua medida seguindo um método semelhante: partindo da quantidade de água necessária, que não era igual e sim menor, encontrou em que proporção o corpo de ouro era menos volumoso do que o de prata, quando tinham pesos iguais. Em seguida, depois de ter enchido o vaso e mergulhado desta vez a coroa na mesma água, descobriu que havia escoado mais água para a coroa do que para o bloco de ouro de mesmo peso, e assim, partindo do fato de que fluía mais água no caso da coroa do que no do bloco, inferiu por seu raciocínio a mistura de prata ao ouro e tornou manifesto o furto do artesão (VITRUVIUS, apud MARTINS, 2001, p. 117-118) '.

Utilizaremos o trecho acima como um recorte a ser trabalhado na elaboração da problematização inicial. Sabe-se que o princípio de Arquimedes (empuxo) trata da força exercida pelos fluidos em um corpo total ou parcialmente submerso, e relaciona o peso aparente do corpo com seu volume. Este segundo método é associado à Arquimedes em textos datados do início da era cristã, e também foi proposto por Galileu Galilei como o mais plausível de ter sido utilizado por ele (Martins, 2000).

Supondo que o conceito de empuxo tenha sido apresentado previamente aos alunos pelo professor, a estratégia utilizada é fazer a leitura da lenda no local de estudo, seja a sala de aula ou o laboratório disponível na escola, e estimulá-los a refletir, em pequenos grupos, se é possível que a narrativa seja verdadeira ou não, com base no texto e no conceito já discutido. Dessa forma, os alunos estariam participando de uma análise de um experimento histórico, com a orientação do professor de como procederem. Como tópicos norteadores dessa análise, Martins (2000) sugere: '1) quem descreveu os procedimentos, quando e a partir de que fontes de informação? 2) esses procedimentos são possíveis e plausíveis (do ponto de vista científico)? 3) que documentos, testemunhos e objetos do passado podem ser utilizados para tentar esclarecer esse ponto? 4) até que ponto se pode chegar a uma conclusão segura sobre essa questão? ' (MARTINS, 2000, p. 116).

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Após os alunos tomarem suas conclusões acerca da veracidade da lenda, propomos que os mesmos investiguem, dados os materiais necessários, um método experimental que consiga demonstrar se a suposta coroa seria feita de ouro puro ou não. Neste momento, indicamos a verificação de hipóteses e a utilização dos princípios físicos discutidos em aula. Os seguintes materiais serão disponibilizados: Uma coroa de plástico, (pode-se utilizar duas unidas para aumentar o peso); um recipiente (preferencialmente transparente) que comporte com folga a coroa; um dinamômetro de 1N (ou de acordo com o peso da coroa utilizada); Fio de nylon; Massa de modelar. Esses objetos foram adotados na intenção de alcançar uma melhor visualização do experimento, buscando utilizar materiais de baixo custo e de fácil acesso.

Nessa etapa, inicialmente os alunos devem utilizar um recipiente de modo que preencham pelo menos até a metade com água, com a finalidade de comportar o volume da coroa. A utilização do uso do fio de nylon implica na suspensão desse objeto, com o propósito de observar o comportamento de alguma variação na altura do fluido ao posicioná-lo de maneira submersa.

Após esse momento, os alunos com o auxílio do professor irão aprender a manusear o dinamômetro, medindo o peso da coroa dentro e fora d'água. A função da massa de modelar nesse experimento é simbolizar o ouro da coroa. Com a utilização do dinamômetro, foi estabelecido que a massa de modelar e a coroa tivessem o mesmo peso exato. Essa premissa foi imposta para representar a mesma situação contada na narrativa de Vitruvius, de modo que a falsa coroa teria o mesmo peso da quantidade de ouro correta. A medição feita de maneira submersa, seria o momento de indicação que aquele objeto se apresentava de maneira impura, visto que por mais que os dois objetos possuíssem o mesmo peso fora d'água, de maneira submersa apresentavam densidades diferentes, corroborando a interpretação de impureza.

Uma outra vertente exposta para os alunos, seria a utilização desse mesmo recipiente, porém preenchido com água até a eminência de transbordar. Assim, colocando materiais de maneira lenta, pode-se observar a água criando uma superfície convexa, de modo que esse volume não transbordaria, podendo assim explicar esse fenômeno físico conhecido como tensão superficial. Esse experimento é elementar para a narrativa investigativa, de modo que provoque questionamentos pela turma do por qual motivo alguém colocaria água na banheira até o limite, tendo a consciência que iria transbordar. Esse apontamento contradiz a narrativa da descoberta de Arquimedes.

Manipulando um experimento como a descrição de Vitruvius, os estudantes perceberão que diversos procedimentos terão grandes margens de erro, intrínsecos às medidas. Essa observação será importante no objetivo, dentre outros já apresentados, de os discentes abandonarem a ideia da anedota e buscarem a construção de respostas mais plausíveis para o problema da densidade dos objetos e do empuxo promovido pelo fluido.

Essa atividade busca, como possibilidade de avaliação, uma observação continuada das reações dos estudantes em cada etapa. Desde um início em que o conceito de empuxo fora discutido até a manipulação dos materiais ao comparar seu método de investigação com a narrativa inicialmente apresentada. O professor

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poderá indicar a construção de um relatório por parte dos estudantes, visando uma sistematização dos seus atos e conclusões.

Acreditamos que a proposta apresentada pode contribuir para uma formação que entenda o conhecimento como uma construção humana, evidenciando a possibilidade de erros, de reformulação de hipóteses e de reproduções equivocadas de histórias sem fundamentos físicos. O estudo de textos que evidenciem a real natureza da ciência, e o protagonismo que os estudantes podem assumir durante as atividades, corroboram para a desmistificação do conhecimento e aproximam os discentes e as ciências.

## Considerações Finais

Ao longo desse trabalho, buscamos analisar a possibilidade de interação entre diferentes abordagens para o ensino de ciências. A utilização de ingredientes das histórias das ciências, do ensino por investigação e da experimentação nas aulas de ciências foi estruturada para buscar uma alternativa de problematização do conceito de empuxo. A história de Arquimedes é envolvida em narrativas fantasiosas que podem aumentar a distância entre os estudantes e interesse pelos assuntos das ciências. Acreditamos que essa proposta de ensino pode apresentar um desenvolvimento da ciência mais crítico e próximo de sua complexa construção.

- O desenvolvimento de atividades que permitam ao professor a utilização de diferentes metodologias de ensino-aprendizagem é uma demanda permanente no ensino de ciências no Brasil. André Martins (2007) já apresentava a necessidade de buscar alternativas para a inserção das histórias das ciências no ensino e mesmo depois de dez anos essa cruzada ainda existe. Esperamos que a breve descrição dessa proposta possibilite professores e professoras, de diferentes níveis de ensino, a problematização de temas relacionados à construção do pensamento científico.

Acreditamos que com os procedimentos propostos aqui, é possível estruturar diálogos sobre diferentes nuances que compõem o fazer científico. Os erros nos procedimentos experimentais, a imagem que a ciência passa para o público, o questionamento sobre a plausibilidade de um discurso que se propõe científico, entre outros. Estes e outros fatores podem ser abordados na investigação proposta por esse trabalho. Tais objetivos e resultados por essa pesquisa fazem parte de uma busca por aproximar a prática docente com as legislações do ensino básico do Brasil, que apontam para a necessidade de diversidade de abordagens.

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