SIMULADORES COMPUTACIONAIS DE FÍSICA EM PYTHON: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE MECÂNICA

## SIMULADORES COMPUTACIONAIS DE FÍSICA EM PYTHON: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE MECÂNICA

## Lucas Queiroz Galvão 1 , Suiane Ewerling da Rosa 2 , Wanisson Santana 3 , Clebson dos Santos Cruz 4

- 1 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/ lucas.g5847@ufob.edu.br
- 2 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/suiane.rosa@ufob.edu.br
- 3 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/wanisson.santana@ufob.edu.br
- 4 Universidade Federal do Oeste da Bahia/Centro das Ciências Exatas e das Tecnologias/clebson.cruz@ufob.edu.br

Palavras-chave : Simulador Computacional; Python; Vpython

## Resumo expandido

A realidade atual, marcada pela pandemia do novo coronavírus (SARS-CoV2), implicou a necessidade de adaptações de tarefas de diferentes naturezas. Nesse cenário, as tecnologias da informação e comunicação (TIC) se tornaram aliadas para o andamento de diversas atividades. No entanto, a inserção das TIC no âmbito escolar ainda é um desafio, em especial em contextos em que há a falta de acesso a elas. Porém, entende-se que as TIC são ferramentas fundamentais para o processo de ensino-aprendizagem, pois, além de possibilitarem uma maior interação com os objetos de conhecimento e entre os sujeitos do processo, trazem uma abordagem para além da tradicional, recorrentemente marcada por críticas. Diante disso, propomos como objetivo apresentar um simulador computacional (SC), desenvolvido com a linguagem de programação python , juntamente com a sua biblioteca gráfica vpython, capazes de reproduzir experimentos de Física e potencializar o processo de ensino-aprendizagem.

As TIC se tornaram populares após a democratização do computador pessoal no início de 1970 [5]. Além disso, o surgimento da internet em 1980, assim como as melhorias na portabilidade desses computadores no início dos anos 2000, contribuíram para a construção do cenário científico-tecnológico conhecido atualmente. Articulado a esse contexto, os ambientes educacionais foram se apropriando desses recursos à medida em que se tornavam cada vez mais acessíveis.

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Esses fatos foram de suma importância para a ampliação de perspectivas relacionadas ao ensino, levando autores a considerarem a inserção das TIC no ensino uma revolução educacional [1,3,5].

Dentre as inúmeras possibilidades de uso das TIC, os SC se destacam pela possibilidade de trabalhar com assuntos que exigem uma maior capacidade de abstração, visto que conseguem modelar situações da realidade de forma relativamente satisfatória. Além disso, proporcionam dinamismo às aulas devido à sua capacidade de promover uma maior interação entre os estudantes e as situações problemas [4]. Com isso, é possível reproduzir experimentos difíceis ou até inviáveis de serem feitos na prática. E ainda, os SC permitem que os experimentos sejam analisados com clareza, sejam repetidos e envolvam inúmeras variáveis [2].

Para a criação desses simuladores, algumas linguagens de programação, como o caso do python , ganham destaque, visto que, em conjunto com o vpython , pode proporcionar ao programador a autonomia de inserir/manipular figuras geométricas tridimensionais. As diversas propriedades que podem ser atribuídas a elas (massa, velocidade, tamanho, cor) possibilitam a simulação de processos envolvendo sistemas de grande interesse na Física. Assim, são capazes de proporcionar uma abordagem interativa de determinados conteúdos, além de inserir os estudantes em um contexto científico-tecnológico ao qual a maioria faz parte. No entanto, apesar desses aspectos, alguns cuidados são necessários. Os SC não devem ser tratados como uma simples alternativa aos experimentos com aparatos físicos, já que constitui outra modalidade, com outra natureza/objetivo. Uma animação nunca pode ser comparada à uma cópia do real, pois ela está fundamentada em uma modelagem do real [6].

Uma das propostas que apresentamos é a simulação construída com o python , em conjunto com o vpython, para o oscilador harmônico simples - sistema massamola em uma superfície sem atrito (figura 1) -, onde os usuários inserem dados, como o tempo de execução da simulação, a massa do bloco, a amplitude de deformação da mola e a sua constante elástica, por meio da interface gráfica desenvolvida com a biblioteca Tkinter. Com esses dados, é possível descrever, no código do programa, o comportamento do simulador de acordo com a sua equação dinâmica (1).

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Figura 1: Simulação do sistema massa-mola

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Para a construção do código da simulação, foram usados elementos do vpython para inserção dos objetos tridimensionais e legendas ( labels ), bem como para realizar o movimento do sistema. No caso da criação dos objetos, é preciso inserir qual a sua geometria - paralelepípedo, elipsoide, cone, hélice, entre outros - e definir sua posição inicial, eixo orientado e tamanho desejado, além de parâmetros que ajudam a ilustrar a simulação, como a cor. Para dinamizar a simulação, é preciso modificar o valor das variáveis responsáveis pela mudança de posição do bloco e da mola, na interface do vpython, de acordo com a equação responsável por caracterizar o seu tipo de movimento (1). Por fim, para representar a passagem do tempo, a mudança desses valores deve ser feita em uma estrutura de repetição, tendo o tempo como contador 2 .

Tendo em vistas as informações presentes no simulador, é possível denotar alguns conceitos de complexa abstração por parte dos estudantes, como ponto de equilíbrio, inércia e conservação da energia mecânica, e, além da ilustração, ainda são gerados gráficos em tempo real da posição versus o tempo (figura 2) e da energia cinética e potencial versus o tempo (figura 3), uma vez que o vpython proporciona

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esse tipo de construção. Nesse sentido, os estudantes podem compreender, de forma dinâmica, como esses elementos se relacionam com a equação (1), tendo, a partir da inserção de dados distintos, resultados diferentes, tanto na ilustração, quanto nos gráficos. No caso do segundo gráfico, por exemplo, é possível trabalhar a lei da conservação da energia em um sistema massa-mola.

Figura 3: Gráfico da energia mecânica (energia cinética e energia potencial elástica) versus tempo

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Portanto, o uso de SC desenvolvidos em python , se mostra uma alternativa potencializadora do ensino da Física, tanto pela capacidade de dinamizar as aulas

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devido à interatividade, quanto pela facilidade em aplicá-los em sala de aula, uma vez que podem ser reproduzidos em diversos ambientes computacionais, mesmo com baixa capacidade de processamento. Outrossim, cabe ressaltar que, em instituições que não possuem um laboratório de Física ou material necessário para a reprodução de experimentos como esse, os simuladores apresentam-se como alternativa viável, desde que haja um laboratório computacional na instituição - o que é mais simples de se encontrar se comparado a um laboratório de Física.

## Referências

- [1]. CENTENARO, F.; SAUERWEIN, I.; SAUERWEIN, R.; PASTORIO, D.; ALVES, J. As TIC no ensino de física: uma proposta de atividade didática com o uso de uma simulação computacional acerca do movimento de um pêndulo simples. Revista de Enseñanza de la Física . v. 29, n. extra, p. 353 -359, nov. 2017.
- [2]. COELHO, R. O. O uso da informática no Ensino de Física do nível médio . Dissertação (Mestrado em Educação) - Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, Rio Grande do Sul, 2002.
- [3]. FIOLHAIS, Carlos; TRINDADE, Jorge. Física no computador: O Computador Como Ferramenta no Ensino e na Aprendizagem das Ciências Física. Revista Brasileira de Ensino de Física , [ S. l. ], v. 25, p. 259-272, 3 set. 2003.
- [4]. MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide. Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física , [ S. l. ], v. 24, p. 77-86, 2 jun. 2002.
- [5]. PASTORIO, Dione. Processos Avaliativos Reflexivos Integrados a Tarefas Contínuas no Âmbito do Ensino Superior em Física . 2018. 223 p. Tese (Doutorado em Educação em Ciências: Química da Vida e Saúde) Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, 2018.
- [6]. WESENDONK, F. O Uso da experimentação como recurso didático no desenvolvimento do trabalho de professores de física do ensino médio . 2015. Dissertação (Mestrado em Educação para a Ciência) - Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Bauru, São Paulo, 2015.

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