CONCEPÇÕES DE ESTUDANTES DO ENSINO MÉDIO SOBRE ENERGIA E ESTRATÉGIAS DE ENSINO

## CONCEPÇÕES DE ESTUDANTES DO ENSINO MÉDIO SOBRE ENERGIA E ESTRATÉGIAS DE ENSINO

Cristian Otávio de Lima , Vanessa Maíra dos Santos , Sandro 1 1 Inácio Souza , Daniel Henrique Resta Silva , José Brás Barreto de 2 2 Oliveira 1

1Universidade Estadual Paulista - Unesp, Faculdade de Ciências de Bauru, Departamento de Física, bras@fc.unesp.br

2Escola Estadual Dr. Luiz Zuiani/Bauru/São Paulo, sandro.insouza@gmail.com

## Resumo

Energia é um tema inter e multidisciplinar, com constante presença nos meios de comunicação e no cotidiano das pessoas, abordado com concepções que diferem do conceito cientificamente validado. As pesquisas e os debates sobre o ensino do conceito de energia, nos diferentes níveis de educação formal, ocorrem há décadas e mantêm-se relevantes. Ampla bibliografia aborda a pertinência de se considerar as concepções alternativas dos estudantes e a história da evolução do conceito de energia no processo de ensino e aprendizagem deste conceito. Neste trabalho é feita breve abordagem da evolução do conceito de energia, são analisadas as concepções de estudantes do segundo ano do ensino médio de Escola Pública do Estado de São Paulo, após ciclo de 20 aulas, parte expositivas e parte com discussões em rodas de conversa. Os dados obtidos e as referências da área subsidiaram discussão sobre seqüência didática, assentada nos princípios do ensino contextualizado e significativo e do ensino investigativo, que contempla os aspectos: contextualização social e econômica do tema energia, história da evolução do conceito de energia, experimentos para analisar as variações de energia dos objetos na sua interação com o entorno e possível evolução futura do conceito de energia.

Palavras Chaves: Ensino de Física, Energia, Concepções alternativas, Estratégias de ensino

## Introdução

No século XIX físicos americanos já discutiam aspectos do ensino de Física com os quais ainda lidamos hoje. Conforme descrito por Otero e Meltzer (2016) em 1909 Robert A. Millikan defendia a necessidade de se proporcionar autonomia aos estudantes. Desde a década de 1970, número crescente de pesquisas buscam compreender os complexos processos envolvidos na aprendizagem, particularmente dos conceitos de Física, e elaborar propostas de aperfeiçoamento das metodologias e ferramentas de ensino.

Trabalhos pioneiros como de Vienoot (1979) tendo em conta que a aprendizagem é um processo social fortemente dependente dos aspectos pessoais, portanto relacionados com o conhecimento adquirido previamente, impulsionaram as pesquisas das denominadas concepções alternativas, espontâneas ou prévias. Trabalhos que se seguiram advogaram que o processo de ensino e aprendizagem, não pode prescindir dos 'modelos' utilizados pelos estudantes para explicar o mundo (NARDI, 2004). No processo de apropriação de conceitos cientificamente validados o estudante confronta o que lhe é apresentado com o repertório de ideias que traz de sua vivência e aprendizado anteriores (AUSUBEL, 1980). A eficácia da estratégia de ensino aumenta quando são consideradas as concepções do

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estudante, que precisa adquirir consciência delas e ser estimulado a confrontá-las com os conceitos cientificamente validados.

A aprendizagem do conceito de energia representa grande desafio desde o ensino fundamental até o superior. As concepções alternativas e as melhores estratégias para abordar este conceito já foram objeto de grande número de pesquisas e publicações, mas ainda continua o debate. DUIT (2014) aponta que o conceito de energia é chave para a sociedade moderna e a compreensão dos estudantes é limitada, muitas vezes em decorrência de como é ensinado.

O processo de evolução do conceito de energia é dos mais representativos de como se dá o desenvolvimento da ciência (KUHN, 1977). Faremos breve abordagem desta evolução, cientes da impossibilidade de evitar lacunas. Esperamos que as obras citadas, nas quais nos baseamos, possam preenchê-las satisfatoriamente, como os trabalhos de Gomes (GOMES, 2015a; GOMES, 2015b).

Atualmente entende-se que energia é uma abstração, portanto, sem existência real, não é algo material nem um mecanismo, mas um valor ou número a ser calculado e que se manterá o mesmo conforme as transformações ocorrem. Energia está associada à interação dos objetos e às transformações que ocorrem a partir desta interação e se conserva; se trata de um estado do objeto ou do sistema e pode proporcionar mudanças internas ou no seu entorno (FEYMMAN, 2006).

Há consenso de que o princípio de conservação permeou o processo de evolução do conceito de energia, a existência de 'algo' indestrutível que se mantém constante nos processos, está presente nos escritos do século XVII de Galileu, Leibniz e Descartes. A impossibilidade do moto-perpétuo, concluída a partir da lei da causalidade (não há causa sem efeito e vice-versa) e também a experiência com as máquinas, incluindo a pilha de Volta, foram importantes para se chegar ao princípio da conservação da energia, isto é, ao próprio conceito de energia.

Energia esteve sempre associada a movimento, sendo chamada de força viva (vis viva) ou apenas força. O desenvolvimento do conceito moderno de energia ocorreu em meados do século XIX, com contribuição majoritária de engenheiros e cientistas franceses, alemães e ingleses. A necessidade de se compreender o funcionamento das máquinas, quantificar o seu desempenho e aperfeiçoá-las teve importante papel no processo, embora deva se destacar que foi a fisiologia do corpo humano que motivou o pioneiro trabalho do médico alemão Julius R. Mayer (MARTINS, 1984).

Jean R. D'Alembert contribuiu com a idéia de que a vis viva não se perdia, mas parte dela era transferida para partes microscópicas da matéria. Duas outras idéias suas foram: de que a vis viva é a medida de uma força atuando ao longo de uma distância, enquanto a quantidade de movimento é a medida da ação da força durante dado intervalo de tempo, ou seja, o que denominamos teoremas trabalhoenergia cinética e impulso-quantidade de movimento, respectivamente. Thomas Young foi o primeiro a usar o termo energia em substituição à 'força viva' e associála à equação mv , o dobro do que definimos como energia cinética [GOMES, 2015a]. 2

Em meados do século XIX, o conceito de conservação, indissociável do próprio conceito de energia, extrapolou o domínio da mecânica para ganhar dimensão mais geral com os estudos da termodinâmica, e culminou com o princípio de equivalência entre calor e trabalho mecânico (PASSOS, 2016). Em muitas obras o feito é atribuído ao cientista amador inglês James P. Joule, porém, foi Mayer que,

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usando resultados experimentais obtidos por Gay-Lussac, chegou ao mesmo resultado, publicando-o antes que Joule (MARTINS, 1984).

As discussões se estenderam até o início dos anos 1850 quando o inglês Willian Thomson, também conhecido por lord Kelvin, procurou conciliar as ideias de Joule com os estudos de Sadi Carnot sobre os processos termodinâmicos, empreendimento que também contou com a contribuição de Willian J. M. Rankine. Os termos energia potencial e energia cinética foram forjados nos anos 1850-1860 (GOMES, 2015b).

No início do século XX, as teorias da Física Quântica e da Relatividade, como era de se esperar, mantiveram o conceito de energia em tela. Na teoria da Relatividade, Einstein não diferenciou a conservação de energia da conservação de massa ou matéria e no princípio da incerteza de Heinsemberg, na teoria Quântica, uma medida da grandeza energia tem sua precisão atrelada à precisão ou à incerteza na medida do tempo envolvido, além de poder assumir valores discretos.

Finalizamos esta sucinta discussão reforçando que o conceito de energia, como compreendido hoje, não é trivial, foi forjado por muitos durante longo período, que as concepções dos estudantes precisam ser consideradas no processo de ensino e aprendizagem e que o conceito não deve ser tratado como definitivo, mas como um conceito em construção, haja vista o intenso debate na comunidade científica sobre fenômenos cosmológicos que vêm sendo tentativamente explicados pela existência de matéria e de energia escuras.

Neste trabalho são levantadas concepções sobre energia de estudantes do segundo ano do ensino médio, de uma escola pública do Estado de São Paulo, após ciclo de 20 aulas conduzidas principalmente por meio de aulas expositivas. A partir dos resultados do levantamento discute-se possível sequência didática, baseada nos princípios do ensino contextualizado e significativo e do ensino investigativo, para aprofundar a compreensão dos estudantes sobre o conceito.

## Metodologia

Foram ministradas 20 aulas de 50 minutos sobre o conceito de energia e sua conservação para estudantes do segundo ano do ensino médio (faixa etária entre 14 e 16 anos) de Escola da Rede Estadual de São Paulo, da cidade de Bauru, tendo por base o Caderno de Física do Professor, Volume 1, do Programa São Faz Escola, da Secretaria de Educação do Estado No Caderno os temas trabalho de uma força e energia são introduzidos gradualmente, utilizando situações do seu cotidiano, buscando proporcionar a reflexão do estudante ou seja, uma abordagem investigativa dos fenômenos (GOVERNO, 2017).

Durante as aulas, o professor procurou combinar momentos de exposição dos conceitos, principalmente na abordagem matemática do princípio de conservação, com momentos de reflexão, através de rodas de conversa, sobre o significado do princípio. Também, foram resolvidos problemas propostos no mesmo Caderno e explicitadas aplicações consideradas clássicas envolvendo principalmente as transformações de energia e sua relação com o trabalho de uma força, com exemplos relacionados ao transporte de cargas, ao movimento dos veículos, levantamento por guindastes etc (GOVERNO, 2017).

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Após as aulas terem sido ministradas, foi aplicado teste com seis questões sendo: 1) A questão aberta 'O que é energia para você?'; 2) Solicitação de identificação da presença, ou não de energia em 20 situações caracterizadas por imagens e, para cada uma delas, solicitação de justificativa sobre o 'tipo de energia' presente. Usamos, com permissão, 20 das 21 imagens no trabalho de Barbosa e Borges (2006), a primeira daquele trabalho (fone de ouvido) foi usada como exemplo; 3) Apresentação de quatro imagens: uma usina hidrelétrica, um carro em movimento, um carrinho em montanha russa e pessoas correndo; para cada uma foi apresentada questão que procurou avaliar a compreensão do estudante sobre os processos de transformação da energia. O teste foi aplicado usando formulário eletrônico, respondido no laboratório de informática da Escola sob supervisão de dois dos autores (V.M.S e C.O.L).

As concepções dos estudantes foram sistematizadas e analisadas de acordo com as categorias propostas por Driver (1994): a) Antropocêntrica, b) Energia armazenada ou agente causal, c) Associada à força e movimento, d) Energia como combustível e e) Energia como fluído, com existência material. A análise se fundamentou na análise do conteúdo (BARDIN, 2009).

## Resultados e discussões

Iniciamos a apresentação dos resultados com a transcrição literal, sem nenhuma edição, das respostas à questão 'O que é energia para você?':

'É um trabalho produzido pela uma força que gera o trabalho, Energia é tudo que produz trabalho, tudo que pode gerar trabalho, o que alimenta o meu mundo, é o que nos dá força, é o que gera trabalho, é uma força que da energia para algo se locomover ou funcionar, existe muitos tipos de energia, E algo que faz uma coisa se movimentar, É o que gera o trabalho, fonte elétrica obtida por varios meios, é o que move algumas coisa ,exemplo:se não tem energia elétrica ,ficamos sem luz, então precisamos da energia elétrica para ter luz, A energia move as coisas, as pessoas e as coisas. No geral move tudo, Energia é aquilo que tem fontes elétricas, é uma forca existente em um determinado trabalho todo trabalho tem uma energia, é o que temos no nosso corpo, uma força que surge através de alguma matéria, Energia é aquilo que é usada para mover um corpo, energia para mim é tudo aquilo que nós consumimos e usamos para se mexer. exemplo um alimento nós comemos um pão e usamos a energia que ganhamos dele para andar,correr ou fazer alguma outra coisa, é uma força obtida atravez de trabalho ou de maquinas, energia é tudo o que vc pode gastar ou consumir..., É a capacidade que um sistema tem de produzir trabalho, tudo aquilo que pode ser convertido, Energia é a capacidade que um sistema tem de produzir trabalho., capacidade que um corpo tem para realizar trabalhos, A energia é o que faz uma máquina ou algum objeto de movimentar, Energia é toda capacidade de produzir trabalho. Energia é algo que podemos usar , Energia seria uma

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eletricidade produzida pelo sol para aparelhos eletronicos ou energia produzidas pelo corpo que nos move Energia para mim é um tipo de força constante no universo, ou seja, não se perde e nem se cria., é o que faiz algo ou alguem se movimentar, Força que alimenta um trabalho, energia é aquilo que produs trabalho, Energia é tudo aquilo que transmite uma força, tudo que nós consumimos, energia elétrica, energia é alguma caloria ou algo que pode se ser transformado.'

Em resposta à questão 2, dados não mostrados em detalhes aqui, as situações mais citadas como 'possuindo' energia foram: carro em movimento 25 (76%), mola esticada (76%), arco estendido 23(70%) lâmpada acessa 24(73%); as situações jogador de futebol, menino de bicicleta e foguete tiveram 20 citações (61%). Por outro lado as menos citadas foram: estátua 3 (9%), esfera sobre a mesa 10 (30%) e chama 13 (39%). Ressalta-se a prevalência da concepção de que os objetos ou seres em movimento possuem energia (carro, jogador, menino de bicicleta), enquanto os que estão em repouso (estátua, bola sobre a mesa) não possuem energia.

Diferentemente de outros estudos, os sistemas em que se evidencia energia potencial elástica, isto é, mola esticada e arco estendido foram citados por 76% e 73% dos 36 respondentes. No estudo de Barbosa e Borges (2006) apenas 34 e 31%, respectivamente, indicaram estas imagens/situações. Atribuímos este fato à influência das aulas ministradas anteriormente à aplicação do teste.

Constata-se grande dispersão no rol de 'tipos'' de energia associados a cada situação/imagem. A energia elétrica é associada a diferentes situações: lâmpada acessa (25), pilha elétrica (14), pilha-lâmpada (11), transmissão via satélite (7), foguete (5), petróleo (3), chama acessa (2), carro em movimento (1).

Dos 14 estudantes que consideram haver energia no sistema 'terra-lua', oito a caracterizaram como ''energia gravitacional'; da mesma forma o fizeram sete dos dez que consideraram haver energia no sistema 'bola parada sobre a mesa'. Este resultando possivelmente também reflete o impacto das aulas ministradas.

Analisando as manifestações discursivas no seu conjunto, é possível verificar que a ideia de que a energia é criada ou produzida pela ação das máquinas, seres ou objetos é muito marcante e coerente com a visão cotidiana e propalada nos meios de comunicação, algumas citações ilustrativas são: 'é criada no motor do carro, pela força ou pressão da água, no gerador ou no transformador da usina, pelo corpo do jogador'. Dois estudantes citaram que a água é transformada em energia.

Algumas outras ideias explicitadas que nos ajudam a compreender as concepções dos estudantes sobre energia são: 'tudo que pode ser convertido, caloria que pode ser transformada, tudo que pode ser consumido ou gasto, é gerada no ato do treinamento do corredor, água é transformada em energia, pressão ou força da água gera energia'. Um mesmo estudante explicita diferentes concepções. Foi possível identificar a manifestação de diferentes concepções 52 vezes, que puderam ser distribuídas entre as cinco categorias propostas por Driver (1994).

A categoria mais citada é da energia como movimento ou trabalho, com 21 citações; em nove delas energia foi definida como a capacidade de realizar trabalho e três estudantes igualaram energia a força. Onze estudantes explicitam a

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concepção de energia armazenada. A concepção antropocêntrica é encontrada na manifestação de oito estudantes, por meio de afirmações: tudo que consumimos, está presente nos músculos, nas pernas, é o que nos dá força. Oito estudantes identificaram energia como combustível. A idéia de energia como fluído aparece nos textos de quatro estudantes, por exemplo: água fluindo, energia elétrica fluindo nos cabos elétricos.

Da análise dos dados concluímos que os estudantes participantes do trabalho, como já apontado por outros estudos, (NARDI, 2004) mesmo após ciclo de ensino formal, mantêm concepções alternativas, assentadas sobre a experiência cotidiana. As concepções de que a energia é algo que se conserva e que está associada às transformações, ideias explicitadas pelo professor nas 20 aulas, são encontradas em algumas manifestações dos estudantes, mas não majoritariamente. O entendimento de energia como decorrente da interação entre corpos ou sistemas não se evidencia nas manifestações o que constitui relevante limitação do aprendizado alcançado.

Em síntese, os dados mostram que, mesmo após ciclo de aulas sobre o tema energia, o conhecimento dos estudantes ainda é marcado pelas suas concepções anteriores, remetendo-nos à busca de outras estratégias de ensino que possam aprofundar a compreensão dos estudantes, aproximando-a da cientificamente aceita.

Para garantir este aprofundamento conceitual sobre energia, propomos o desenvolvimento de uma sequencia didática com foco em quatro ideias centrais, de acordo com a discussão de Duit (2014): a) conservação da energia, b) transformação da energia, c) transferência de energia e d) degradação da energia. Ademais, propomos que a sequência possa contribuir para qualificar a concepção dos estudantes sobre a evolução da ciência como sendo processual (POZO, 2008) e se assente sobre os princípios do ensino significativo e contextualizado (MOREIRA, 2016) e do ensino investigativo (CARVALHO, 2013). A sequência deverá contemplar os seguintes aspectos: a) a contextualização econômica e social do tema energia, b) a histórica da evolução do conceito de energia, c) a reflexão sobre energia na perspectiva da interação dos objetos com o seu entorno e d) a característica mutável do conceito de energia. Especificamente, propomos a realização das atividades abaixo, distribuídas em 5 aulas de 50 minutos:

- a) Proposta de trabalho em grupo sobre o tema energia na sociedade: sua produção e o meio ambiente, consumo, escassez e preço. Os grupos deverão produzir e apresentar pôster com o resultado do trabalho que serão distribuídos na sala para consulta e discussão dos demais na primeira aula da sequência (uma aula, 50 minutos);
- b) Preparação e distribuição de texto abordando a história do desenvolvimento do conceito de energia e discussão do texto em sala de aula (uma aula, 50 minutos);
- c) Realização de experimentos, com rampa elevada (30 cm) acoplada a uma parte plana (aproximadamente 120 cm), para tratar da transformação e conservação da energia.
- Parte 1: Usando pedra de gelo para minimizar atrito, comparar o valor da energia potencial gravitacional na parte superior da rampa (de onde será solta) e a energia cinética adquirida na parte plana do trajeto. A velocidade poderá ser medida usando a função câmera lenta dos celulares.

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Parte 2: Usando pequeno bloco de madeira lisa ou de metal repetir o procedimento. O pequeno bloco deve ser escolhido de modo que cesse seu movimento antes do final da parte plana do trajeto.

- Observações: a) importante não escolher peças esféricas para evitar a energia cinética de rotação e b) o roteiro deve ser aberto para propiciar aos estudantes a reflexão sobre as observações feitas nos dois casos, comparando-as e refletindo sobre seus achados (duas aulas, 100 minutos);
- d) Apresentar vídeo (aproximadamente 10 minutos) sobre as pesquisas atuais sobre matéria escura e energia escura com discussão posterior na sala de aula, possibilitando a reflexão sobre eventual mudança futura do conceito de energia no futuro.

## Considerações finais

Neste trabalho discutimos a relevância de se considerar as concepções alternativas dos estudantes nos processos de ensino e aprendizagem do conceito de energia, cuja evolução histórica foi brevemente descrita. Dados derivados das respostas de estudantes do segundo ano do ensino médio a questionário aplicado confirmam que concepções cientificamente inadequadas ou incompletas persistem, mesmo após ciclo de 20 aulas sobre o assunto, que não se limitaram a aulas expositivas. Com base em estudos anteriores e nos dados obtidos e analisados propomos sequência didática para abordar o tema energia, contemplado uma contextualização social e econômica, acesso a material sobre evolução histórica do conceito de energia, experimentos para analisar a influência da interação dos objetos com seu entorno e a degradação ou dissipação da energia mecânica e discussão sobre o futuro do conceito de energia, que pode se mostrar transitório.

## Agradecimentos

Os autores agradecem ao apoio do Programa Núcleos de Ensino da PróReitoria de Graduação da Unesp e à Direção da Escola Estadual Dr. Luiz Zuani.

## Referências

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