MEDINDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA: COMPARAÇÃO ENTRE CONCEPÇÕES PARA DIFERENTES NÍVEIS DE FORMAÇÃO

## Medindo a Eficiência Energética: Comparação entre Concepções para Diferentes Níveis de Formação

## Mônica Menezes Lopim 1 , Márcio Fernandes 2 , Sérgio França 3 , Elaine Aparecida de Carvalho 4 , Bruno Gonçalves 5 , Bruno F. Rizzuti 6

1 Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física - Polo 24/Universidade Federal de Juiz de Fora/Departamento de Física, monicamenezeslopim1@gmail.com

- 2 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física, marcio@ice.ufjf.br
- 3 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física, selufra@hotmail.com
- 4 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física, elaine.carvalho@ifsudestemg.edu.br
- 5 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física, bruno.goncalves@ifsudestemg.edu.br
- 6 Universidade Federal de Juiz de Fora/Departamento de Física, brunorizzuti@fisica.ufjf.br

## Resumo

Este trabalho apresenta um produto educacional experimental e sua aplicação em sala de aula, ele proporciona o estudo de diversos conceitos em Física, incluindo as noções de temperatura, corrente elétrica, potência e energia em geral, a fim de comparar concepções sobre a eficiência de lâmpadas em turmas com três diferentes níveis de formação: Ensino Médio, Graduação e Mestrado Profissional em Ensino de Física. Os educandos receberam um roteiro em que mediam e anotavam os dados, para responder a uma única pergunta: Com base nos recursos disponíveis e no experimento apresentado: Qual lâmpada pode ser classificada como a mais eficiente? As respostas foram analisadas e classificadas e de acordo com a justificativa apresentada pelos discentes. O conceito de aprendizagem, em relação aos fenômenos físicos observáveis no experimento foram analisados. As turmas de graduação e mestrado apresentaram em quase sua totalidade, aprendizado efetivo sobre o conhecimento técnico-científico condizente com o fenômeno físico apresentado no experimento. Na turma de ensino médio, foram percebidas concepções primárias e motivação para aprendizagem para aprendizagem dos conceitos físicos relevantes apresentados no experimento, estes serão discutidos e ensinados com o decorrer das aulas.

Palavras-chave : Produto Educacional, Lâmpadas, Questionamento.

## Introdução

Valadares e Moreira (1998) justificam que o Ensino de Física seja estruturado de forma que os estudantes, obtenham conhecimento das tecnologias próximas de seu cotidiano: doméstico, social, profissional. Entende-se que Ensino de Ciências tem como objetivo que o estudante tenha clareza que seja parte integrante da natureza em transformação e que o conhecimento em Física se apresente como uma forma de expressão, produção tecnológica e de atuação crítica na sociedade.

Neste contexto, a utilização consciente de energia elétrica é uma questão em alta, principalmente em um momento em que as mudanças climáticas influenciam nossa principal fonte de energia elétrica, as usinas hidrelétricas (CHAVES, 2018). Podemos citar que no ano de 2010 foi publicada a Portaria Interministerial Número 1007 (Brasil, 2010), que exige mínima eficiência energética

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de lâmpadas para a sua comercialização. Lâmpadas incandescentes foram gradativamente sendo substituídas por lâmpadas mais eficientes, por exemplo as fluorescentes compactas e as lâmpadas de LED ( light emmiting diode ). Em função destas questões, apresentamos para o Ensino de Física o produto educacional experimental Luxímetro Didático Comparativo (Lúdico) que consiste em um quadro capaz de coletar medidas de corrente elétrica e temperatura das lâmpadas: incandescente, fluorescente e LED, além de apresentar uma escala de LED's alto brilho, que estão dispostos com as cores do espectro eletromagnético e respectivos valores de suas frequências, indicando o poder de iluminação de cada uma das lâmpadas que serão comparadas, sendo, por isso, considerado um luxímetro. (PEDROSO et al.,2016). O questionamento em ênfase é, quais as propriedades físicas de uma lâmpada que a caracteriza como sendo mais eficiente em relação as outras. O experimento propõe medidas e reposta a este questionamento. Desta forma foram analisadas determinadas competências e habilidades inseridas no contexto de aprendizagem.

'Os discentes deveriam conhecer e utilizar os conceitos físicos, compreender o enunciado, códigos e símbolos físicos, como também compreender a importância de medir, criar hipóteses, testar, observar, classificar, sistematizar, identificar regularidades, desenvolvendo desta forma a capacidade de investigação física e sendo assim capazes de emitir juízos de valor em relação a situações sociais que envolvem aspectos físicos relevantes. (ZABALA, 1998) (COLL, 1997)'.

Em relação as habilidades e competências apresentadas aspira -se que os educandos criem hipóteses em relação a eficiência de uma lâmpada através das medições de corrente elétrica e temperatura; sobre a análise de LED's alto brilho acesos no painel; observem regularidades entre as seguintes grandezas físicas corrente elétrica, temperatura, cores de Led's alto brilho e frequência; e associem o que é observado experimentalmente com o meio social em que vivem. Desta forma, podemos concluir o nível de aprendizado dos educandos das distintas turmas, utilizando de forma geral as referências sobre os processos de Aprendizagem significativa de David Ausubel (1918-2008).

- O presente trabalho organiza-se da seguinte forma: descrição detalhada do produto utilizado na aplicação; metodologia de aplicação do produto em sala de aula; análise dos dados; e, por fim conclusão.

## O produto

O produto educacional consiste de um quadro de madeira (65 cm largura, 48 cm comprimento e 5 cm de profundidade), composto de três tipos de lâmpadas, uma incandescente da marca Philips de 60W, uma fluorescente compacta da marca Ourolux de 20W e uma de LED da marca Avant de 2,2W. Um potenciômetro ( dimmer ) é utilizado para controlar o brilho da lâmpada incandescente. No centro do quadro há um multímetro (CE-Modelo DT9205A) utilizado para determinar as correntes elétricas que alimentam as lâmpadas. Pode-se determinar as temperaturas das lâmpadas em funcionamento com um termômetro infravermelho (INSTUNTEMP-Modelo ITTI380), encaixado em um tubo. Por fim, sensores LDR's são postos em um tubo cilíndrico. Eles funcionam como um potenciômetro eletrônico, que baixa sua resistividade ao receber luz. Os LDR's controlam a fonte que alimentam uma escala composta por 68 LED's de alto brilho (16 vermelhos, 8

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amarelos, 6 laranjas,14 verdes,10 anis,10 azuis, 4 violetas). Assim, ao iluminarmos os LDR's com as lâmpadas, acendemos a escala com LED's, indicando o poder de iluminação das lâmpadas. Os detalhes podem ser vistos nas figuras 1 e 2.

Figura 1: Apresentação do produto.

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Figura 2: Produto em funcionamento .

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## Funcionamento do Produto

O funcionamento do produto pode ser facilmente compreendido conhecendo dois de seus componentes, os LDR's e LED's. O LDR é um resistor que altera sua resistência quando iluminado, chegando a variar a resistência da ordem de megaohms quando o sensor está no escuro a ohms quando é iluminado. O LED é um diodo que emite luz e suas aplicações vão da formação de letras/números em placares digitais, passando pela iluminação de lares com baixo custo energético, e chegando até mesmo à transmissão de dados com LED's infravermelhos em controles remotos.

Assim, conectamos uma associação de LDR's em série com a fonte, gerando com isso uma bateria ruim, pois sua resistência interna é alta, a ponto de que nenhuma corrente passa pelo circuito com os LED's e ainda não há tensão mínima para acender nem mesmo o LED vermelho. (Dentre os LED's de alto brilho utilizados, o vermelho é o que necessita de menor tensão para ser aceso. Curiosamente, quanto maior a frequência da cor emitida, maior a tensão mínima para ser acesa.) Esta situação ocorre com o tubo coletor de iluminação totalmente no escuro. À medida que o tubo é iluminado, seja por luz ambiente ou por alguma das lâmpadas, baixamos a resistência dos LDR's, fazendo com que nossa bateria melhore. Desta maneira, podemos acessar as tensões necessárias para o acendimento da escala de LED's, que por sua vez caracteriza o poder de iluminação de cada lâmpada. O efeito de uma escala que acende na ordem do espectro visível confere ao produto um caráter visualmente atrativo.

Figura 3: Representação esquemática do produto

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Com a sequência de imagens apresentadas nas figuras abaixo, representamos simbolicamente situações em que a luz é colocada sobre o LDR, acendendo somente até o LED verde, passando pelo vermelho, laranja e amarelo. Observamos também que quando utilizada uma lâmpada com maior poder de iluminação todos os LED's do painel se acenderam, indicando que quanto mais longe do LDR está a lâmpada acesa, menor é o seu poder de iluminação.

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Figura 4 : Analogia da intensidade luminosa no fotosensor e o acendimento dos LED's

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## Metodologia

A primeira etapa de aplicação do produto em sala de aula consiste na sua apresentação pelo professor aos alunos. O produto é colocado na mesa do professor e levemente inclinado para que a turma possa enxergar todo o painel. Os estudantes recebem um roteiro, contendo atividades e uma questão, que será respondida ao longo da aplicação.

Sem apresentar detalhes técnicos sobre o funcionamento, o professor mostra como o produto educacional funciona. As diferentes lâmpadas são acesas, e cobertas pelo sensor, a escala de LED's acende e o professor indica a leitura das medidas da corrente elétrica e temperatura das lâmpadas, após essa etapa o docente rotaciona o dimmer para mostrar que a lâmpada incandescente com pouco brilho não consegue acender todos os LED's da escala. Os alunos são então convidados a brincar com o produto, repetindo a ação do professor, coletando dados para que possam responder à questão proposta:

'Com base nos recursos disponíveis e no experimento apresentado: Qual lâmpada pode ser classificada como a mais eficiente? A sua justificativa deve conter as seguintes palavras: corrente elétrica, temperatura, escala de LED's.'

O produto educacional foi aplicado a três turmas de estudantes de diferentes níveis de formação. A primeira aplicação aconteceu para uma turma de oito alunos dos cursos de Engenharia Mecatrônica e Física, ambas de graduação. A segunda turma com sete alunos do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física e por fim, o produto foi aplicado também a uma turma de dezoito alunos do terceiro ano do ensino médio de uma escola pública estadual. Todas as aplicações tiveram duração de cinquenta minutos.

## Análise de Dados

As respostas obtidas do questionamento acima estão expostas na tabela 1.

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Tabela 1 - Análise comparativa das respostas

Fonte: Autores do trabalho

Começaremos a análise com os alunos do ensino superior. Esses estudantes apresentaram suas respostas justificando o fenômeno físico, caracterizando a lâmpada de LED como a mais eficiente por consumir menos corrente elétrica, demonstrar menor temperatura em funcionamento e conseguir acender a escala de LED's até a cor violeta. Esta resposta unânime, pode ser entendida pelo nível de formação acadêmica destes, sendo que muitos já haviam sido bolsistas de iniciação científica, inclusive com trabalhos experimentais. Um fato marcante notado por essa turma foi a analogia com a famosa fórmula de Einstein para quantização de energia: E=hf. Esta constatação foi feita quando eles utilizaram o dimmer para alterar o brilho da lâmpada incandescente sobre os LDR's. Quanto mais energia luminosa era depositada sobre o fotosensor de LDR's, maior era a frequência do LED aceso na escala. Eles também sugeriram que o produto fosse utilizado no ensino médio, por conter componentes eletrônicos normalmente estudados somente por alunos de cursos tecnológicos.

O resultado da turma de mestrado foi similar ao da graduação. A justificativa para tal resultado é a mesma dada acima: os estudantes já haviam obtido conhecimento dos conceitos físicos e técnicos para fornecer a resposta considerada como aprendizado, apesar de um estudante não emitir opinião.

Nas turmas de Graduação e Mestrado em Ensino de Física, podemos citar que os discentes já tiveram sucessivas aprendizagens dos fenômenos físicos propostos pelo experimento, resultado da interação de um subsunçor se sobrepondo a outro novo subsunçor e assim subordinando todas as concepções anteriores. Devemos destacar aqui que a teoria de aprendizagem significativa de David Ausubel afirma que a estrutura cognitiva é a hierarquia de concepções que interagem se relacionando para a formação do aprendizado. A aprendizagem mecanicista e memorística é utilizada por um tempo relativamente curto e o educando não compreende a necessidade de reaprendizagem, por isso ela é facilmente esquecida. Na aprendizagem significativa o aprendiz também pode esquecer os conceitos, porém esse esquecimento ocorre de forma lenta e gradual, e em situações em que não foi trabalhada a reaprendizagem. Desta forma podemos dizer que os resultados da tabela 1, são satisfatórios, pois os discentes das turmas de graduação e mestrado em quase sua totalidade, apresentaram aprendizagem significativa sobre os fenômenos físicos abordados no produto experimental LÙDICO, pois em suas justificativas demonstraram conhecimento e organizadores prévios exigidos, comprovando que estes já estão existentes em suas estruturas cognitivas.

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O resultado no ensino médio apresentou concepções primárias espontâneas devido a análise das medidas realizadas nas tabelas em que se analisavam corrente elétrica e temperatura, e corrente elétrica e número de LED's acesos na escala por cor.A maioria dos alunos conseguiu caracterizar a lâmpada de LED como a mais eficiente e apresentaram uma justificativa fisicamente aceita pela comunidade acadêmica. Podemos descrever que a intenção é despertar nesses alunos o subsunçor adequado para o novo conhecimento e a partir deste experimento ter como finalidade construir uma ponte entre o conhecimento primário e os organizadores prévios, oferecendo a possibilidade de aprendizagem significativa. Salientamos aqui que esta turma irá realizar o experimento no LÙDICO novamente com sequência didática já estabelecida, utilizando-a como facilitadora na organização prévia dos subsunçores presentes e estimulando a pré-disposição no aprendizado. Somente um estudante, indicou a lâmpada de LED como a mais eficiente, sem justificativa. Duas respostas chamaram a atenção. Dois estudantes disseram que a lâmpada incandescente é a mais eficiente porque 'utiliza mais energia' e 'possui mais potência de luz'. Estes três educandos que não apresentaram o subsunçor necessário para a construção do aprendizado devem suprir essa ausência, o professor desta forma deve oferecer um significado pessoal, que requer um envolvimento professor-aluno de forma que o aluno sinta se propenso aos processos de aprendizagem.

'A tarefa coerente do educador que pensa certo é, exercendo como ser humano a irrecusável prática de inteligir, desafiar o educando com quem se comunica, a quem comunica, a produzir sua compreensão do que vem sendo comunicado. Não há inteligibilidade que não seja comunicação e intercomunicação e que não se funde na dialogicidade. O pensar certo, por isso, é dialógico e não polêmico' (Freire, 1996)

## Conclusão

O produto educacional foi aplicado a turmas de diferentes níveis de formação a fim de que suas análises sobre a eficiência de lâmpadas pudessem ser comparadas. Com justificativa conceitual a lâmpada de LED foi indicada pela maioria dos alunos como a mais eficiente.

Podemos ver na tabela que somente na turma da graduação isso foi unânime, na turma de mestrado 85,72%, e na classe de ensino médio a turma indicou e explicou através dos dados o porquê a lâmpada de LED ser considerada a mais eficiente. Estes resultados foram importantes na aplicação e análise dos professores que aplicaram o experimento. Houve uma percepção em que muitas vezes o docente desconhece as primeiras concepções para a construção da aprendizagem de um conceito.

Na turma de ensino médio, um discente não justificou sua resposta ao questionamento proposto e outros dois afirmaram que a lâmpada mais eficiente é a incandescente, argumentando que 'esta possui mais potência de luz e utiliza mais energia' deve-se ressaltar que o experimento foi apresentado sendo investigativo e o ensino em ciências enfatiza o ser humano no contexto em que vive, a forma que este influencia e é influenciado, em sua linguagem, interpretações e interações. A turma do Ensino Médio em que foi aplicado o produto e experimento, irá receber reaplicação do LÙDICO com sequência didática interativa para o estudo dos conceitos físicos, respeitando o planejamento anual da escola. As questões

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investigativas através do experimento são excelentes atividades para o Ensino de Física, pois o docente tem a oportunidade de conhecer as especificidades do aprendizado pretendido através da apresentação dos subsunçores ou ideia-ancôra de cada educando e desta forma ampliar suas possibilidades de aplicação de novos conceitos em sala de aula a fim de alcançar uma aprendizagem significativa, efetiva e eficaz. Em investigação podemos citar a importância para o educador, quando os resultados observáveis estão em conflito com as concepções primárias do aluno, sendo de suma importância, e com ele superar a visão empírica para a realidade científica do fenômeno estudado.

## Referências

AUSUBEL, D.P (2003). Aquisição e retenção de conhecimentos. Lisboa : Plátano Edições Técnicas. Tradução do original The acquisition and retention of Knowledge, (2000)

CHAVES, A. A água, o vento, o sol e a eletricidade. Disponível em &lt; http://alorchaves.com.br/wpcontent/uploads/2018/04/A-%C3%81GUA-O-VENTO-OSOL-E-A-ELETRICIDADE-2.pdf. Acesso em 05 de junho de 2018.

FREIRE, Paulo. Pedagogia da autonomia: saberes necessários à prática educativa. São Paulo: Paz e Terra, p 39, 1996.

ZABALLA &amp; COLL. Ensino de Física / Anna Maria Pessoa de Carvalho... [et al.]. - São Paulo: Cengage Learning, p 9, 2010. Coleção Ideias em Ação.

VALADARES, E. C.; MOREIRA, A. M. Ensinando Física Moderna no Ensino Médio: Efeito Fotoelétrico, Laser e Emissão de Corpo Negro. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 15, n. 2, p. 359-372, 1998.

PEDROSO, L. S.; MACEDO, J. A.; ARAUJO, M. S. T. e VOELZKE, M. R. Construção de um luxímetro de baixo custo. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 38, n. 2, e2503, 2016.

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