HISTÓRIA DA CIÊNCIA E ENSINO DE CIÊNCIAS: UMA OFICINA DIDÁTICA EXPERIMENTAL DE FÍSICA SOBRE A NOÇÃO DE ENERGIA E SUA LEI DE CONSERVAÇÃO

## UMA OFICINA DIDÁTICA EXPERIMENTAL DE FÍSICA SOBRE A NOÇÃO DE ENERGIA E SUA LEI DE CONSERVAÇÃO: HISTÓRIA DA CIÊNCIA E ENSINO DE CIÊNCIAS

Ivan Sena Machado 1 , Luciano da Silva Leite , Daniel Garcia de Souza da Silva , 2 3 *Ruan Gabriel da Cruz Cerqueira , Jonathan Dantas de Oliveira , José Carlos 4 5 Fagundes 6 , Êvanes Prado Ribeiro , José Fernando Moura Rocha 7 8

1 UFBA/Instituto de Física/senamachado@gmail.com ( ) 1 2 UFBA/Instituto de Física/luciano\_board2@hotmail.com 3 UFBA/Instituto de Física/haakan87@gmail.com 4 UFBA/Instituto de Física/evanespradoribeiro@gmail.com 5 UFBA/Instituto de Física/dantasjohn@hotmail.com 6 UFBA/Instituto de Física/jfagundes3@gmail.com 7 UFBA/Instituto de Física/ruangabrielc@yahoo.com.br

8 UFBA/Instituto de Física/Departamento de Física do Estado Sólido/jofer@ufba.br

## Resumo

O propósito deste trabalho é mostrar o resultado da aplicação de um projeto de oficina didática experimental de física com história, em escolas do ensino médio, de Salvador, elaborado pelo grupo temático 'Atividades Experimentais', do PIBID-FISICAUFBA, sobre o tema 'energia, sua lei de conservação e aplicações'. Esse projeto teve como objetivo geral oferecer aos alunos do ensino médio das escolas vinculadas ao PIBID a oportunidade de construir seu próprio conhecimento sobre temas de relevância científica, dentro da programação regular do curso ministrado pelo professor de física da escola, utilizando uma abordagem contextual, na perspectiva da física não só como ciência, mas também como cultura. Na primeira etapa de sua realização, os bolsistas do grupo temático 'Atividades Experimentais' desenvolveram cinco diferentes kits experimentais (com seus respectivos textos explicativos para consultas eventuais), mais um kit experimental específico de valor histórico, envolvendo a noção de energia e sua lei de conservação. Na segunda etapa (fase de aplicação), alunos de escolas públicas de ensino médio foram mobilizados para participar, em sua sala de aula, da aplicação da proposta. A proposta da oficina foi aplicada pelos bolsistas do PIBID, preliminarmente, em uma escola pública da cidade de Salvador e o resultado incentivou o grupo a levar a proposta a outras escolas. Os resultados da aplicação seguinte, em escolas vinculadas ao PIBID, avaliados através de questionários respondidos pelos alunos, mostraram que: a) nas turmas em que a oficina foi realizada, houve intensa participação dos alunos nesse projeto; b) há viabilidade da proposta de um ensino contextual - simultaneamente, histórico, experimental, matemático e conceitual; e c) o ensino contextualizado pode contribuir para uma compreensão mais substancial dos assuntos científicos - em lugar de um ensino baseado só em fórmulas e equações, com pouco ou quase nenhum conhecimento do que significam e a que se referem.

Palavras-chave : conservação de energia, história da ciência, oficina didática experimental de física.

## Introdução

O propósito deste trabalho é mostrar o resultado da aplicação de um projeto de oficina didática experimental de física com história, em escolas do ensino médio

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27 de janeiro a 01 de fevereiro de 2019 - Salvador - BA

(de formação geral ou técnica), de Salvador, elaborado pelos bolsistas (e orientador temático) do grupo 'Atividades Experimentais', do PIBID-FISICA-UFBA, sobre o tema 'energia, sua lei de conservação e aplicações'. Esse projeto teve como objetivo geral oferecer aos alunos do ensino médio das escolas vinculadas ao PIBID a oportunidade de construir seu próprio conhecimento sobre temas de relevância científica, dentro da programação regular do curso ministrado pelo professor de física da escola, utilizando uma abordagem contextual, na perspectiva da física não só como ciência, mas também como cultura. Esse objetivo geral pode ser desdobrado em três objetivos específicos: 1) aqueles referentes à temática; 2) os relativos ao ensino e 3) aqueles referentes à motivação do aluno. Entre os objetivos referentes à temática, estão o de: a) discutir as origens históricas da lei de conservação de energia e suas aplicações; b) mostrar diversas situações de transformação de energia de uma modalidade em outra, enfatizando que a mesma nunca é criada ou destruída; e c) discutir os princípios físicos de funcionamento dos kits experimentais construídos pela própria turma em sala de aula. Entre os objetivos referentes ao ensino, estão o de: a') criar situações que possibilitem ao aluno 'aprender a fazer', isto é, analisar criticamente uma situação-problema; b') construir seu kit experimental; e c') expressar-se com clareza, seja oralmente ou por escrito, sobre o resultado do seu trabalho. Finalmente, entre os objetivos motivacionais, encontram-se o de despertar no aluno a curiosidade para a ciência e o de estimular no aluno a vontade de aprender.

Um dos aspectos inovadores dessa proposta de oficina é a exploração do mencionado tema dentro de uma abordagem contextual, simultaneamente, histórica, fenomenológica (experimental), matemática e conceitual, entendendo aqui por contextual não só a abordagem que vincule os conteúdos escolares a situações que fazem sentido para o aluno, incorporando a sua vivência (o que pode ser entendido como motivação), como também a recuperação do contexto em que o conteúdo científico foi produzido, o que pode ser feito com a ajuda da História da Ciência (História da Física).

Vários profissionais do ensino falam da importância da utilização da História da Ciência e de atividades experimentais no ensino das Ciências, onde se inclui o ensino de Física. Matthews (1994), por exemplo, em seu conhecido livro Science Teaching: the role of history and philosophy of science , propõe que a aprendizagem das ciências deve ser acompanhada por uma aprendizagem sobre as ciências e enfatiza a importância não só da história como também da filosofia das ciências para a formação científica de qualidade. Para ele, a utilização da história no ensino de ciências serve, entre outras utilidades, para promover a melhor compreensão dos conceitos e métodos científicos; para conectar o desenvolvimento do pensamento individual com o desenvolvimento das ideias científicas; e também, por examinar a vida e o tempo do cientista, serve para humanizar o assunto científico, tornando-o menos abstrato e mais envolvente para o estudante. (MATTHEWS, 1994, p. 50).

Documentos oficiais também enfatizam a importância da contextualização no ensino de ciências, em particular, no de física, e a necessidade da utilização de atividades experimentais no ensino de física, conforme se pode observar, por exemplo, nas 'Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio' (PCN+). (BRASIL, 2002, págs. 32 e 84).

A noção de energia e as origens históricas de sua lei de conservação

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O conceito de energia é muito sutil. Diferentemente do que ocorre com um corpo material, como uma bola ou uma pedra, que pode ser tocado e pode facilmente ser visto em movimento, energia é uma quantidade física que não se associa aos sentidos humanos como o tato e a visão. Não é fácil imaginar, por exemplo, que possa haver uma certa qualidade imaterial em uma bola em movimento e que parece desaparecer quando a mesma se choca com algum obstáculo. Tais sutilezas tornam difícil o entendimento do conceito de energia e não menos difícil sua definição, pelo menos numa frase curta.

Conceitualmente, energia é vista como uma quantidade que tem a mesma dimensão de trabalho e que se conserva ao mudar de forma. ' É o que permite executar tarefas' (grifo nosso) (LUCIE, 1979, p. 239).

Mas se, como um conceito geral, energia é muito difícil de ser definida , o mesmo não ocorre com algumas formas específicas de energia. Neste caso, importa-nos encontrar uma maneira de enunciá-las de modo que possam ser expressas algebricamente e possam ser medidas. Energia cinética de um corpo, por exemplo, é uma propriedade que o capacita a realizar trabalho e matematicamente é tomada como igual ao trabalho que o corpo pode realizar devido a seu movimento (o trabalho sendo, portanto, a medida da energia transformada). Esta foi a primeira forma de energia a ser identificada e seu enunciado matemático (a menos de um fator ½) foi formulado essencialmente pelos cientistas Gottfried Leibniz e Christiaan Huygens. As contribuições de Huygens, anunciadas em 1668, decorreram de suas investigações para explicar os curiosos resultados de uma experiência realizada em uma das reuniões regulares da Royal Society de Londres, em 1666, na qual duas bolas de madeira dura suspensas da extremidade de dois fios (de modo a constituírem dois pêndulos), eram colocadas para colidir (HOLTON, 1985, p. 21). Tal experiência provocou grande interesse entre os membros daquela instituição, tendo provocado também, nos anos que se seguiram, discussões acaloradas e muitas vezes confusas. Perguntava-se então: por que o movimento era transferido de uma bola para outra no momento do choque? Por que as bolas atingiam quase a mesma altura? Por que a primeira não ressaltava para trás ou continuava a se mover lentamente para frente? Nessa época, já havia sido formulada uma lei física chamada 'lei da conservação da quantidade de movimento' (ou do momento linear), mas ela não explicava todos os resultados observados nesse experimento. A explicação veio dois anos depois, em 1668, quando os cientistas ingleses John Wallis e Christopher Wren, e o citado cientista holandês C. Huygens apresentaram, independentemente, à citada instituição, suas conclusões sobre o problema das colisões (elásticas). Huygens foi o que deu a contribuição mais interessante. Huygens explicou o comportamento dos pêndulos de madeira dura mostrando que, em tais colisões, além da citada lei de conservação da quantidade de movimento (descoberta pelo francês René Descartes algumas décadas antes, e para quem o movimento tinha a sua verdadeira medida no produto da massa pelo módulo da velocidade do corpo, hoje expresso na forma mv), uma outra lei de conservação se verificava, isto é, não só se conservava a quantidade de movimento, mas também a soma algébrica de quantidades que hoje expressamos por mv 2 . Sob a forma algébrica moderna , a relação que Huygens descobriu, experimentalmente, pode ser escrita como segue:

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onde va e vb são as velocidades dos corpos antes da colisão e va' e vb' depois da colisão.

Huygens, entretanto, não deu um nome específico à expressão do produto da massa pela velocidade ao quadrado, foi Leibniz quem o fez , chamando-a de vis viva , ou força viva, a qual, acrescida de um fator ½, é hoje chamada de energia cinética. Para saber mais sobre a história do conceito de energia, ver os capítulos 9 e 10 de Holton (1980) e o livro de Pietrocola et al. (2010).

## Metodologia

A proposta de oficina didática experimental de física com história, para o Ensino Médio, ora em apreciação foi programada para ser realizada em duas etapas. Na primeira, completada em junho de 2017, os bolsistas do grupo 'Atividades Experimentais' desenvolveram cinco diferentes kits experimentais (ver, nas Figuras 1 e 2, modelos de kits construídos), mais um kit específico de valor histórico, envolvendo a noção de energia, sua lei de conservação e aplicações. Esses kits serviram de apoio à etapa seguinte do projeto, juntamente com os slides para a apresentação das origens históricas da noção de energia. Para servir de 'material de consulta' eventual, foram também produzidos pelos bolsistas, para cada kit experimental, um resumo explicativo sobre a construção e funcionamento de cada kit, onde se fala em objetivos, material, montagem/procedimentos, análise/explicação, e na relação da física com a sociedade (cada um deles com uma média de 3 páginas), sendo que nesse último é destacada a importância social do produto, inclusive alguns aspectos históricos a ele relacionados. Na segunda etapa, foram mobilizados alunos de cada escola parceira do PIBID-FISICA-UFBA para participar da aplicação projeto de oficina, que consta de três momentos principais. Primeiro, após o professor de física, da respectiva escola, indicar a turma (de 2º ou 3º ano do ensino médio) para participar do projeto, um grupo de bolsistas do PIBID visitava a sala de aula dessa turma e apresentava a proposta de oficina para os alunos. Durante tal visita, os alunos da escola, agrupados em equipes de, no máximo, 3 ou 4 alunos, eram desafiados a, nos oito dias seguintes, pesquisarem sobre a construção, dentro de determinadas exigências , de um dispositivo capaz de 2 transformar uma determinada forma de energia em outra, (escolhida entre 5 transformações listadas previamente pelos próprios bolsistas -Quadro 1), explicando o seu respectivo funcionamento. Ainda na segunda etapa, durante a realização da proposta em sala de aula, os alunos, já agrupados em equipes de 3 ou 4 membros, constroem também em sala de aula os seus respectivos kits (atividade

Figura 2 -Montagem do Experimento 5.

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Figura 1 -Montagem do Experimento 1.

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acompanhada pelos bolsistas) e, em seguida apresentam para toda a classe o principio de funcionamento do mesmo. Na sequência, em um tempo de cerca de 20 minutos, um bolsista realiza a apresentação do sexto experimento, envolvendo choques elásticos, reforçada pelo uso de slides sobre as origens históricas da lei de conservação - escolha inspirada em Holton (1980 p. 21) - com concomitante , discussão. Na eventualidade de um dos grupos de alunos não conseguir construir o seu próprio kit , estava previsto - para eventualmente preencher esse espaço - um kit construído pelo próprio bolsista, na primeira etapa do projeto, mencionada anteriormente, para que não se deixasse de discutir o conteúdo físico daquele kit específico. Antes de iniciarem a construção dos kits , em sala de aula, os alunos eram solicitados a escrever um texto de, no máximo, 10 linhas, esclarecendo o que entendem por energia e também por lei de conservação de energia, citando exemplos, se for o caso. Um questionário avaliativo, a ser discutido adiante, foi respondido pelos alunos após a realização da oficina, que se estendia por, no mínimo, 2 horas, a depender do número de alunos da turma.

A proposta foi aplicada pelos bolsistas do PIBID, preliminarmente, em uma escola pública da cidade de Salvador. O resultado positivo da realização da oficina nessa primeira escola incentivou o grupo a levar a proposta a outras escolas interessadas na sua realização, com custo financeiro insignificante.

## Quadro 1: Experimentos propostos

## Resultados

Antes de apresentar e discutir os resultados da aplicação da oficina propriamente dita, vamos apresentar um breve comentário a respeito dos conhecimentos prévios dos alunos sobre a noção de energia e sua conservação, obtidos através de questionário aplicado minutos antes de iniciar os trabalhos da oficina. As três escolas pesquisadas serão aqui denominadas Escola A, Escola B e Escola C. Na Escola A, participaram da oficina 18 estudantes (sendo que 12 responderam ao questionário final); na Escola B, participaram 7 estudantes; e, na Escola C, 20.

Conhecimentos prévios dos alunos sobre a noção de energia e sua lei de conservação

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No que diz respeito à noção de energia, foi verificado que dos 18 alunos 3 que iniciaram as atividades na Escola A, 6 tinham alguma noção de energia, mesmo que imprecisa, pois relacionaram energia com o que permite executar uma tarefa, afirmando que é a capacidade de realizar trabalho. Verificou-se ainda que 11 alunos não explicitaram o que entendia por energia e que 1 aluno respondeu de forma ilegível. Nas Escolas B e C, 1 aluno de cada uma delas também tinha alguma noção de energia, pois também relacionou energia com o que permite executar uma tarefa, afirmando que é a capacidade de movimento e ação de um corpo ou a capacidade que um corpo, uma substância ou um sistema físico tem de realizar trabalho. Os demais se referiram vagamente ao conceito, citando, por exemplo, como na Escola B, que energia é um fenômeno da natureza, é algo que ajuda no dia a dia, é fonte de vida, e, como na Escola C, citando que tudo que se move necessita de energia, ou mesmo relacionando o conceito de energia com atividade física (16 deles).

Com relação à lei da conservação , foi observado, na Escola A, que 3 alunos tinham noção da lei de conservação, pois afirmaram que 'energia não se perde e nem se cria, mas pode ser transformada e que, em um sistema isolado, a energia total é sempre constante', enquanto 5 alunos não mostraram conhecer a lei de conservação, pois a relacionam com forma de armazenamento de um único tipo de energia: garrafa térmica, bateria etc., e outros 9 não souberam ou não responderam sobre a lei de conservação, sendo que um único questionário estava ilegível. Nas Escolas B e C, nenhum aluno mostrou conhecer a lei de conservação de energia, sendo que 3, na Escola B, e 4 na Escola C, relacionaram-na com a diminuição dos gastos; e, na Escola C, 3 a relacionaram também com armazenamento de energia.

## Resultados da aplicação da oficina

Na Tabela 1, são apresentados os resultados da aplicação da oficina obtidos em cada escola do PIBID, os quais não diferiram, significativamente, entre si, a menos de uma ou outra resposta específica, mesmo com turmas de tamanhos diferentes. Seguem então, em forma de tabela, as opiniões avaliativas dos alunos referentes à realização da oficina didática experimental de física, nas citadas escolas.

TABELA 1: Opinião dos alunos sobre as atividades da oficina

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os aspectos históricos contribuíram, dizendo, por exemplo, que 'Ele me explicou como tudo ocorreu de início ao fim', que 'Olhando pelo lado histórico deu para entender pelas fórmulas o lado do cálculo, para entender como se forma a energia', que 'Tirou algumas dúvidas e acrescentou algumas ideias'; que 'Energias são apenas transferidas de um tipo para outro', que 'Agora tenho uma noção do que é a lei da conservação de energia, agora sei como surgiu, de onde surgiu e o porque (sic) da conservação de energia', que contribuiu 'Nos conceitos'; que 'Nos slides foram passados 3 físicos importantes para o estudo da energia e de conservação de energia'. A outra parte, entretanto, não explicou claramente ou não explicou como contribuiu.

5) As atividades aqui desenvolvidas na forma de oficina acerca da noção de energia, sua lei de conservação e aplicações contribuíram também para a sua compreensão sobre esse tema?

## Discussão dos resultados da aplicação da oficina

Uma primeira consideração a se fazer é que em uma proposta dessa natureza são importantes não só os ganhos referentes à compressão da temática, mas também os ganhos referentes ao 'aprender a fazer' e à motivação dos alunos. No que diz respeito aos ganhos referentes à compreensão da temática, estes foram identificados, por exemplo, na resposta ao item 3 da Tabela 1, quando cerca de 81% dos alunos (valor médio dos percentuais das três escolas) afirmaram que entenderam os aspectos físicos relativos ao funcionamento do kit ou quando 19% (valor médio) disseram que entenderam 'mais ou menos'. Para explicar o funcionamento do kit , entretanto, os alunos restringiram-se a explicar a montagem do equipamento e a explicitar as transformações de energia envolvidas, sem fazer referência ao princípio físico específico de funcionamento de seu kit . De qualquer forma, a parte que foi entendida pelos alunos também é relevante, numa atividade dessa natureza, em que houve pouco tempo disponível para o aprofundamento das discussões sobre o assunto.

Com relação aos ganhos referentes ao ensino, ou ao 'aprender a fazer', podemos dizer que os mesmos foram obtidos, por exemplo, quando, no item 2 da Tabela 1, 100% dos alunos afirmaram que construíram, na sala de aula, seus kits experimentais, sendo que, destes, 13% (valor médio) construíram sozinhos e 87% (valor médio) construíram com a ajuda dos monitores (bolsistas), o que também faz parte do processo de ensino-aprendizagem. As respostas dos alunos aos questionários foram confirmadas pelos bolsistas que haviam presenciado e documentado, inclusive com fotos, mas sem gravação, todas as atividades na escola.

No que diz respeito aos ganhos referentes à motivação dos alunos, estes foram verificados, por exemplo, quando no item 1 da Tabela 1, os alunos afirmaram que atenderam ao desafio de pesquisar sobre a questão proposta pelos bolsistas, sendo que 50% (valor médio dos percentuais) afirmaram que pesquisaram e o restante afirmou que tentou e não conseguiu (58%, na Escola A; 0%, na B, e 25%, na C; recorde-se que a Escola B participou com poucos alunos) ou que não tentou.

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Essas informações, entretanto, devem ser vista com reserva, na medida em que não foram comprovadas pelos alunos, por uma falha da equipe de bolsistas que, no dia da primeira visita, não avisou que a pesquisa realizada em casa deveria ser apresentada no dia da realização da oficina. De qualquer forma, cerca de 50% afirmaram que realizaram a pesquisa.

Mas não foi só isso. No item 6 da Tabela 1, os alunos, na sua ampla maioria (91% deles - valor médio), citaram também vários aspectos que consideraram positivo na oficina. Foram citados, por exemplo: o aprendizado aplicável ao dia-adia; o aprendizado prático; o trabalho em grupo; a diversão aliada ao conhecimento; a forma em que o assunto foi passado; a aquisição de conhecimento sobre energia; e o acréscimo de informação e aprendizado sobre componentes que transformam diferentes tipos de energia; construção de uma nova ideia; entender assuntos que nunca foram vistos; envolvimento dos alunos; tratamento dado pelos bolsistas aos alunos; e o diálogo com os demais alunos. Cerca de 28% (valor médio) viram também aspectos negativos, citando explicitamente o relacionamento entre um monitor e uma das equipes; a demora na explicação dos slides; o projeto terminou cedo; a falta de entendimento do grupo; falha de um dispositivo (LED). (item 7, Tabela 1).

## Conclusão

Podemos dizer que os objetivos do projeto da oficina foram alcançados, pelo menos parcialmente, pois, nas turmas em que a oficina foi realizada, em 3 escolas vinculadas ao PIBID, houve intensa participação dos alunos nas atividades da oficina; foi mostrada, mesmo pontualmente, a viabilidade da proposta de um ensino contextual, simultaneamente, histórico, experimental, matemático e conceitual; e, finalmente, foi mostrado, que o ensino contextualizado pode contribuir para uma compreensão mais substancial dos assuntos científicos, em lugar de um ensino baseado só em fórmulas e equações, com pouco ou quase nenhum conhecimento do que significam e a que se referem.

Agradecemos ao PIBID-FÍSICA-UFBA-CAPES e aos seus coordenadores Dr. Luiz Antônio V. Mendes, Dra. Flora S. Bacelar e Dra. Maria Cristina M. Penido pelo apoio.

## Referências

BRASIL. Ministério da Educação e Cultura. Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCN+). Brasília: DF: Ministério da Educação, 2002. Disponível em: &lt;http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf&gt;. Acesso em: 23 ago. 2014.

HOLTON, G, Projecto Física - Unidade 3. Lisboa: Fundação Calouste Gulbekian, 1980.

LUCIE, P. Física Básica - Mecânica 1 . Rio de Janeiro: Editora Campus, 1979.

MATTHEWS, M. R. Science Teaching: The Role of History and Philosophy of Science. New York: Routledge, 1994.

PIETROCOLA, M; POGIBIN, A.; ANDRADE, R. de; e ROMERO, T. R. Física em Contextos - energia, calor, imagem e som . v . 2 . São Paulo: FTD, 2010.

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