Ensino de Dilatação Térmica por Meio de Simulação Interativa

## Ensino de Dilatação Térmica por Meio de Simulação Interativa

## Marcus Vinícius Araujo de Oliveira , Ferdinand Martins da Silva , Wagner 1 2 Duarte José 3 ,

## Resumo

O presente trabalho apresenta uma pesquisa sobre o ensino da dilatação térmica por meio de uma atividade de estudo contendo uma simulação interativa representando um experimento virtual de Física, realizada com o objetivo verificar se o uso desta metodologia de ensino potencializa a aprendizagem da dilatação térmica. Este trabalho foi desenvolvido em três aulas junto ao 2º ano do ensino médio do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Bahia, situado na cidade de Valença. A simulação interativa apresenta a imagem de um dilatômetro linear, em que é possível analisar a dilatação térmica das barras de cobre, latão e alumínio. Para coleta de dados foram utilizados gravação de áudio e diário de bordo. Por meio da análise dos dados levantados durante a pesquisa foi possível constatar que a atividade de estudo contribuiu para o desenvolvimento do ensinoaprendizagem da dilatação térmica e nas resoluções de problemas, na medida em que desenvolveu a capacidade de observação dos estudantes, facilitou a compreensão conceitual e contribuiu para que identificassem a relação entre a teoria e o mundo real.

Palavras-chave : Dilatação Térmica, Atividade de Estudo, Simulação Interativa.

## Introdução

A física é uma ciência em processo de construção que proporciona grandes avanços tecnológicos e científicos para a sociedade, novas teorias vão surgindo e outras evoluindo. O pleno avanço que a física vem passando faz surgir novas áreas do conhecimento e consequentemente tecnologias cada vez mais modernas, tornando o mundo em que vivemos mais dinâmico e exigem mais da capacidade cognitiva dos cidadãos. Entretanto, as aulas de física nas escolas brasileiras têm sido basicamente expositivas, com imagens estáticas e uso excessivo da matemática, com poucas oportunidades para os estudantes refletirem sobre o fenômeno estudado, os conceitos físicos e o cotidiano.

As causas que costumam ser apontadas para explicar as dificuldades na aprendizagem da física são múltiplas e as mais variadas. Destacamos a pouca valorização do profissional do ensino, as precárias condições de trabalho do professor, a qualidade dos conteúdos desenvolvidos em sala de aula, [...], o enfoque demasiado na chamada física matemática em detrimento de uma física mais conceitual, o distanciamento entre o formalismo escolar e o cotidiano dos alunos, a falta

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de contextualização dos conteúdos desenvolvidos com as questões tecnológicas. (BONADIMAN E NONENMACHER, 2007, p.196)

A intenção de abordar o uso de experimentos nas aulas de física de forma contextualizada teve origem nas aulas da disciplina Processos e Sequencias de Ensino e Aprendizagem, do Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física da Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia (UESB), campus de Vitória da Conquista, culminando no projeto de dissertação com a seguinte questão de pesquisa: Qual o potencial das Atividades de Estudo realizadas por experimentos virtuais e reais de física térmica para contribuir no ensino-aprendizagem e favorecer a compreensão de fenômenos físicos?

Implementamos uma sequência didática para o ensino da física térmica utilizando como referencial teórico-metodológico a Atividade de Estudo, contemplando experimentos virtuais e reais utilizando tecnologias modernas, contendo os seguintes tópicos: dilatação térmica dos sólidos (experimento virtual), calor sensível e capacidade térmica (experimento real com suporte do Arduino) e calor latente (experimento virtual com simulação interativa).

Neste trabalho, relatamos e discutimos o experimento virtual de dilatação térmica com o objetivo de destacar como esse recurso educacional pode auxiliar o ensino-aprendizagem da física e na compreensão de conceitos físicos.

## Referencial teórico-metodológico

A física é uma ciência com forte viés experimental e está diretamente ligada ao nosso cotidiano. Schroeder (2007, p. 93) afirma: 'A possibilidade de participar de atividades nas quais os estudantes manipulem, explorem, interajam, ao invés de somente se dedicar a aulas expositivas e leituras de textos, é essencial para o desenvolvimento e o aprendizado (...)'. Uma possível forma, nesse caso, é por meio de experimentos concretos e virtuais, a partir de sequências didáticas que integrem as duas modalidades. Segundo Moro (2015, p.12), a 'inserção de atividades experimentais - reais e virtuais - durante as aulas de Física pode ser uma possibilidade para o professor modificar o ensino baseado única e exclusivamente em aulas expositivas'. Mas há dúvidas quanto à efetividade da aprendizagem quando o estudante é compelido a apenas seguir um roteiro experimental e comparar os dados obtidos com as previsões teóricas:

Apesar de as atividades experimentais estarem há quase 200 anos nos currículos escolares e apresentarem uma ampla variação nos possíveis planejamentos, nem por isso os professores têm familiaridade com essa atividade. A grande maioria destes laboratórios se traduz em aulas extremamente estruturadas com guias do tipo 'receitas de cozinha'. Nessas aulas, os alunos seguem planos de trabalho previamente elaborados, entrando nos laboratórios somente para seguir passos do guia, onde o trabalho do grupo de alunos se caracteriza pela divisão de tarefas e muito pouco pela troca de ideias significativas sobre o fenômeno estudado. (CARVALHO et al., 2010, p.53)

Felizmente, há um grande arcabouço nas pesquisas de ensino de física para transpor essas dificuldades. Entre os trabalhos que mostram a importância do uso das atividades experimentais utilizando tecnologias no ensino da Física Térmica, Neves, Charret e Carvalho (2017) mostram os resultados da utilização de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa baseada no uso de um laboratório virtual. Eles utilizaram uma simulação do efeito estufa para discutir o tema energia

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no ensino fundamental. A unidade de ensino foi aplicada em duas turmas do nono ano em um colégio privado no município de Lavras, Minas Gerais, mas o trabalho deles apresenta somente a análise de uma destas turmas. Os autores concluíram que a maioria dos estudantes compreendeu o efeito estufa e como ele influencia a temperatura do planeta.

Moro, Neide e Rehfeldt (2016) fizeram uma pesquisa com estudantes do 2º ano do Ensino Médio de uma escola particular do município de Erechim, Rio Grande do Sul e concluíram que as atividades experimentais conjuntamente com as simulações computacionais de física térmica proporcionaram uma aprendizagem significativa para os alunos. Relataram que no final das atividades propostas, os alunos manifestaram o interesse de que os demais conteúdos da Física ocorressem mediante o uso de atividades experimentais e simulações computacionais.

Grasselli e Gardelli (2014) destacam que os experimentos físicos são importantes para compreensão de alguns fenômenos físicos e contribuem significativamente para aa apropriação de conceitos por parte dos estudantes. Além disso, os autores salientam que as atividades experimentais são desenvolvidas de forma dinâmica o que ajuda facilitar o processo de aprendizagem.

Entre as diversas inovações e aperfeiçoamento de métodos de ensino que proporcionem desenvolvimento cognitivo e formação em ciências, podemos destacar o uso da Atividade de Estudo . Para Alberti e Bastos (2008), as atividades de estudo contribuem para o desenvolvimento psíquico e cognitivo dos discentes, além de contribuírem para diferentes realizações de novas tarefas, permitindo aos alunos contextualizarem o que estão aprendendo e desenvolverem a autonomia.

A atividade de estudo é pensada pelo professor e nela está a finalidade pretendida que o aluno alcance. Apoiado em Arruda (2010), Vidmar e colaboradores (2015) conceituam a atividade de estudo a partir de uma heurística, conjunto de ações contendo diversas operações, mentais ou práticas, propostas pelo professor, a serem desenvolvidas pelo estudante com um objetivo bem definido que se constitui no motivo da atividade. 'As ações estão relacionadas às finalidades da atividade, enquanto que as operações consistem nos passos concretos necessários para realizar as ações' (VIDMAR et al., 2015, p. 70).

No ensino de física, a atividade de estudo diferencia-se do roteiro experimental do tipo 'receita de bolo' porque os estudantes assumem uma atuação mais ativa, tirando suas próprias conclusões dos dados obtidos por meio de resoluções de problemas, observações e/ou manipulações do experimento durante a realização da atividade. Além disso, a atividade de estudo é iniciada com uma situação-problema cuja resolução se desenvolve em torno dos passos da heurística confeccionada para a interação com o recurso didático. Quando este é uma hipermídia educacional, uma simulação interativa por exemplo, denomina-se de Atividade de Estudo Hipermidiática (AEH).

Por meio de atividade de estudo é possível desenvolver problemas que, para serem solucionados, é necessário que o estudante manipule os experimentos, sejam eles reais ou virtuais. Desta forma, é possível integrar o mundo físico e o virtual no desenvolvimento de sequencias didáticas. A atividade de estudo está em sintonia com as orientações curriculares (BRASIL, 2002), possibilita que o aluno perceba e lide com os fenômenos naturais e tecnológicos viabilizando a reflexão sobre o conteúdo estudado, além de proporcionar um estudo da física que considera o cotidiano dos sujeitos educativos.

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A Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos (BRASIL, 2002, p. 59).

## Metodologia

A proposta foi desenvolvida entre outubro e novembro do ano de 2017, junto a vinte alunos do segundo ano do ensino médio do curso integrado em Informática, no Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA), Campus Valença - Ba. Na realização deste trabalho, foram confeccionados planos de aulas e atividades de estudo sobre temas da física térmica por intermédio de mídia computacional e/ou experimento utilizando o Arduino com planilha eletrônica para aquisição e análise de dados. Para facilitar o acesso ao material que compõe as atividades de estudo elaboramos um site contendo as mídias computacionais da dilatação térmica, calor latente, instruções para elaboração do experimento do calor sensível e as heurísticas, disponível em www.fisica.dx.am. Na implementação das atividades de estudo, utilizamos o laboratório de informática do IFBA. O desenvolvimento das três heurísticas ocorreu em nove aulas que foram divididas em três aulas por dia para cada heurística.

Para a coleta de dados de pesquisa as aulas foram gravadas em áudio e utilizamos um diário de bordo para anotar informações a partir das falas dos estudantes e participação na aula, registrar os aspectos que mais chamaram a atenção no comportamento dos estudantes, aspectos do conteúdo que pareceram mais interessantes e as dificuldades encontradas nas aulas. As heurísticas respondidas pelos alunos contêm dados referentes aos conteúdos de física, estes foram utilizados para verificar se houve aprendizado do conteúdo ministrado.

Neste trabalho, descreveremos a AEH - Dilatação Térmica que encerra o experimento virtual (Dilatômetro Linear) e os passos da heurística. A fim de realizar esta atividade de estudo foram utilizados dez computadores, um para cada dupla. Os alunos permaneceram no laboratório por cerca de uma hora e quarenta minutos. Na referida aula cada aluno recebeu uma heurística impressa contendo os passos a serem seguidos e a situação-problema. Nesta simulação interativa é possível simular a dilatação do cobre, latão e aço utilizando barras que medem 500, 400 e 300 mm sobre uma variação de temperatura de 25ºC até 100ºC (ver Figura 1):

Figura 1: Experimento virtual da Dilatação Térmica.

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No Quadro 01 a seguir, destacamos a AEH - Dilatação Térmica:

Situação-problema: Conforme as figuras abaixo, por que as pontes e os trilhos dos trens têm um espaçamento entre eles?

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Figura 2: Intervalos de Dilatação

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## Heurística referente ao experimento virtual Dilatômetro Linear.

- 1º Passo : Verifique o medidor de variação de comprimento da barra de metal e o funcionamento do reservatório térmico clicando no botar iniciar.

2º Passo : Procure TIPO DE MATERIAL e escolha Latão, depois procure TAMANHO DA BARRA e escolha o comprimento inicial de 400 mm. Observe as mudanças que ocorreram na barra.

- 3º Passo : Clique no botão iniciar.
- a) O que você observou?
- b) Qual o valor da variação da temperatura  θ?
- c) Qual o valor da variação do comprimento  L?
- d) Qual o valor do comprimento final da barra L?
- e) Através da equação  L=Lo.α.  θ encontre o valor do coeficiente de dilatação linear do latão.
- f) Para o mesmo material e mesma variação de temperatura é possível encontrar valores diferentes da variação de comprimento? Justifique sua resposta.
- g) Calcule o coeficiente da dilatação linear do latão para a barra de 300 mm e 500 mm e verifique se o valor é o mesmo do encontrado na barra de 400 mm. Que conclusão você pode tirar do valor de α encontrado?
- 4º Passo : Materiais diferentes produziriam variações de comprimento diferentes? (verifique considerando o aço ao invés do latão)
- 5º Passo : Tendo realizado os passos 2 e 3, como você descreveria a dilatação de uma barra de cobre em comparação com os materiais anteriores?
- 6º Passo : Você acredita que é importante saber o coeficiente de dilatação linear de um material? Por quê?
- 7º Passo : Você poderia citar uma situação cotidiana relacionada com algum processo de dilatação?
- 8º Passo: A partir do conhecimento adquirido até aqui, responda a pergunta introdutória.

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## Resultados e Discussões

No início do desenvolvimento dos trabalhos ocorreram alguns obstáculos, pois como os alunos ainda não tinham tido contato com ferramentas tecnológicas voltadas para o ensino de física, foi necessária uma breve explicação sobre as ferramentas que seriam utilizadas na realização das atividades de estudo. Outro aspecto a destacar está relacionado ao fato dos alunos estarem habituados com aulas expositivas, gerando neles a expectativa de explicações orais sobre os conteúdos trabalhados de física. Assim, esclarecemos que na metodologia empregada, eles eram agora os 'protagonistas da construção do conhecimento' e as respostas dadas nas heurísticas dependiam da interação deles com os experimentos real e virtual.

Por meio das respostas dos 20 estudantes aos passos da heurística foi construída a Tabela 1, que apresenta a distribuição dos acertos em números absolutos e percentuais, considerando a interação com o experimento virtual de dilatação térmica apresentado na Figura 01. Para compor esta tabela utilizamos os acertos das questões do 3º passo (itens de b até g ) e das questões dos passos 4, 5, 7 e 8, perfazendo o total máximo de 10 acertos.

Tabela 1: Distribuição dos acertos em números absolutos e percentuais correspondentes à heurística do experimento virtual de dilatação térmica.

Observamos na Tabela 1 que o percentual de acertos variou entre 70% e 100%, sendo que 3 alunos acertaram 70% enquanto 8 acertaram 100% das questões. Isto é importante porque, nas práticas escolares em geral, quando os estudantes são compelidos a simplesmente responderem exercícios a partir da explicação teórica prévia, a interação com o material de estudo (exercícios de aplicação de fórmulas) e o número de acertos é baixo.

Por meio do diário de bordo, foi possível constatar que, durante o desenvolvimento da atividade de estudo referente à dilatação térmica, os estudantes se envolveram e mantiveram o foco na execução das atividades. Participaram ajudando os colegas e fizeram muitas perguntas durante a aula, também deram opiniões sobre a física térmica e o experimento virtual. Foi perceptível a interatividade dos alunos com a simulação interativa e elaboração de respostas aos questionamentos feitos durante a realização das atividades.

Nesta aula, os alunos se empenharam para responder a heurística, além disso, muitos deles tentavam responder de forma mais precisa, sempre questionando se a resposta estava coerente. A relação do aumento de temperatura com a variação de comprimento foi algo que os alunos acharam muito interessante. A principal dificuldade conceitual enfrentada estava relacionada ao conceito de calor e temperatura. Alguns estudantes ao verificar o termômetro, percebiam que ocorreu um aumento de temperatura, porém, informavam que houve um aumento de calor,

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indicando um erro conceitual, o que foi resolvido com explicações sobre a diferença entre os dois conceitos.

Alguns estudantes tiveram dificuldades em relação à matemática e a interpretação das perguntas, em determinados momentos eles disseram não entender o que estava sendo perguntado. Outra dificuldade que ocorreu foi em relação à simulação interativa, no início não relacionaram o aumento de temperatura com a dilatação, abrindo espaço para que fossem discutidos os aspectos teóricos do experimento (a relação entre as duas grandezas).

- A partir das gravações foi possível constatar que os estudantes questionaram e interagiram entre si e com o professor e de forma espontânea. Alguns alunos manifestaram que as aulas foram muito interessantes e que o uso de experimentos facilita bastante o entendimento do conteúdo trabalhado como exemplificamos: A atividade foi muito legal. Consegui compreender melhor o conteúdo. (Aluno 1).

## Considerações Finais

Segundo Arruda (2010), o ensino de física precisa considerar as demandas da sociedade, que está em constante processo de evolução científica e tecnológica, e requer 'o aperfeiçoamento dos currículos e dos métodos de ensino nas universidades, nas escolas de ensino médio e fundamental' (p. 198). Dentre as recentes inovações educacionais, o uso das simulações interativas para simular experimentos virtuais de física pode favorecer o aprendizado dos alunos, pois tem o potencial de tornar objetos abstratos mais reais, contribuindo para o entendimento de assuntos que exigem uma maior capacidade de abstração.

Nosso trabalho sugere que atividades de estudos são centrais para a formação científica dos estudantes, possibilitam o exercício do questionamento, da formulação de hipóteses e da resolução de problemas por meio de conceitos, procedimentos e atitudes desenvolvidos no aprendizado escolar (BRASIL, 2002). A partir do levantamento e discussão de nossos achados, concluímos que a Atividade de Estudo realizada com o experimento virtual da dilatação térmica contribuiu para o desenvolvimento do ensino-aprendizagem, na medida em que potencializou a capacidade de observação dos estudantes, a compreensão conceitual e a relação entre a teoria e o mundo real.

É importante ressaltar que o papel das simulações interativas não é substituir os experimentos reais de física, mas ser uma ferramenta que ajuda a facilitar o uso de experimentos em aulas de física. O estudante pode, através de um experimento virtual, simular um fenômeno físico com o qual, talvez, nunca tivesse contato, pois alguns experimentos têm características que fica inviável seu uso nas escolas, devido aos custos, perigo ou grandes dimensões.

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## Referências Bibliográficas

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