PROPOSTA ALTERNATIVA PARA O LABORATÓRIO DE FÍSICA: PROGRAMAÇÃO EM PYTHON COM ABORDAGEM EM MATÉRIA ATIVA

## PROPOSTA ALTERNATIVA PARA O LABORATÓRIO DE FÍSICA: PROGRAMAÇÃO EM PYTHON COM ABORDAGEM EM MATÉRIA ATIVA

## Ana Sofia Moreira de Lira, Luciano Hugo Miranda Filho

Universidade Federal Rural de Pernambuco, sofiamlira@outlook.com

Palavras-chave

: Simulação, Modelo de Vicsek, EBS.

## Resumo expandido

A pandemia do Covid-19 causou grandes impactos nos mais diversos setores da sociedade, incluindo a educação que precisou ser repensada, uma vez que os estudantes não têm acesso à escola. Mesmo com os professores se reinventando com o ensino remoto, as práticas de laboratório não têm sido contempladas nesse contexto. No intuito de cumprir os objetivos traçados pelos documentos oficiais da educação, destacamos o desenvolvimento de competências e habilidades dispostas pela Base Nacional Comum Curricular (BNCC, 2017). Para o ensino de Ciências e suas Tecnologias, à qual o ensino de física é enquadrado, apontamos nesse trabalho a habilidade EM13CNT302:

Comunicar, para públicos variados, em diversos contextos, resultados de análises, pesquisas e/ou experimentos, elaborando e/ou interpretando textos, gráficos, tabelas, símbolos, códigos, sistemas de classificação e equações, por meio de diferentes linguagens, mídias, tecnologias digitais de informação e comunicação (TDIC), de modo a participar e/ou promover debates em torno de temas científicos e/ou tecnológicos de relevância sociocultural e ambiental.

Deste modo, o estudo da modelagem de sistemas é importante para aproximar os fenômenos do mundo físico com a nova realidade das salas de aula. Uma parte importante da aprendizagem de física é a compreensão do que é um modelo, o que eles significam, para que foram construídos, seus pressupostos simplificadores e seus limitados contextos de validade (MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C., 2002).

Modelos envolvendo matéria ativa são especialmente interessantes porque tratam da dinâmica de partículas autopropelidas - com forma motriz própria - , sendo os seres vivos seu maior exemplo. Tal temática pode ser observada nos movimentos coletivos, como o trânsito, dinâmica de opiniões, entre agentes econômicos e outros, complementando o estudo da física clássica, cujas regras de movimentos estão necessariamente subordinadas às Leis de Newton. Este trabalho é focado nas relações biológicas, com o modelo de Vicsek (1995) como protagonista, devido à sua simplicidade e ao fato dos conhecimentos necessários para aplicá-lo não exigirem profundos aportes da física teórica e do cálculo. Nele, é descrita a emergência do comportamento de bando entre agentes autônomos capazes de se alinhar com a direção média de propagação de seus vizinhos. A utilização de um ruído simula perturbações que comprometem um alinhamento perfeito das partículas.

Para introduzir o uso das tecnologias em sala de aula, o Ensino Baseado em Simulação (EBS), Simulation Based Learning , apresenta um potencial que engloba

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19 a 30 de julho de 2021 - Online

as temáticas citadas. Nele, o processo de aprendizagem é realizado em um ambiente computacional no qual o estudante infere características do modelo proposto enquanto realiza a simulação (JONG et al., 1998). Uma das vantagens de se adotar este método como alternativa aos laboratórios de física, além de ser mais barato, é que o EBS oferece menos riscos que um laboratório comum compartilhado poderia ter no contexto da pandemia, como a aglomeração em um ambiente fechado.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia, hoje não é preciso ter uma infraestrutura completa, como salas de computadores, para ensinar programação e utilizar simulações como apoio às aulas. Os smartphones possuem capacidade quase comparável ao de alguns computadores e possuem muitos aplicativos de compilação com funções mais do que suficientes para fazer programas simples, leves e divertidos, capazes de despertar a curiosidade dos estudantes. Trabalharemos apenas com o Python. Uma vantagem considerável é a extensa biblioteca de programas e funções que podem ser utilizadas de forma gratuita, além de diversos fóruns para esclarecimento de dúvidas.

Assim, como alternativa ao uso de laboratórios de ciências, através do EBS, apresentaremos uma proposta metodológica utilizando a modelagem de matéria ativa, com o Modelo de Vicsek (1995), a partir do uso da programação em Python em smartphones .

Chang (2008) afirma que para que o EBS seja beneficial para os estudantes, é importante que este possua as seguintes categorias de suporte à aprendizagem: (1) Apresentação de conhecimentos base necessários para realizar simulação, (2) Auxílio na elaboração de hipóteses sobre os problemas estudados, (3) Auxílio para realização das simulações, (4) Auxílio na interpretação de dados e (5) Auxílio aos estudantes na regulação de seus processos de aprendizagem. Este mesmo estudo concluiu que o método que utiliza a elaboração de hipóteses antes da utilização das simulações é mais efetiva do que aqueles que seguem experimentos roteirizados, por exemplo. Com base nisso, o Método das Hipóteses foi o escolhido para realização desta simulação.

Segue Quadro 1 como proposta:

Quadro 01: Método das Hipóteses de Chang (2008)

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Outros estudos sobre o EBS além do Chang (2008), como Luo et al. (2005) e Campbell et al. (2002) mostram resultados consistentes sobre a efetividade do método de aprendizagem baseado em simulação. Estimamos que uma carga horária de aproximadamente 10h é suficiente para introduzir a metodologia. Na Figura 1, foram gerados com Python possíveis resultados relativos ao Modelo de Vicsek (1995) a partir da simulação:

Figura 01: (1) partículas em uma caixa de lado tamanho 3; (2) 500 partículas em uma caixa de lado tamanho 25.

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Por fim, com o intuito de aprimorar o ensino de física na realidade do Brasil, acreditamos que práticas que incorporam a utilização de tecnologias e de conteúdos programáticos que resgatam do mundo físico são fundamentais para essa mudança de paradigma. É importante destacar que a ideia não é substituir as práticas de laboratório com o uso de simulações, mas sim oferecer possibilidades para a prática do ensino de física. Assim, nossa proposta é uma alternativa às aulas práticas do laboratório de física do ensino médio, sendo necessárias futuras pesquisas aplicando-a na sala de aula.

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## Referências

BRASIL. Ministério da Educação. BNCC . Brasília, DF: Ministério da Educação, Secretaria da Educação, 2017.

CAMPBELL, J. O. et al. The effectiveness of learning simulators for electroniclaboratories. J. Eng. Educ. , n. 91, 2002, p. 81-87.

CHANG, K.-E. et al . Effects of learning support in simulation-based physics learning. Computers &amp; Education , v. 51, p. 1486-1498, 2008.

JONG, T. et al. Self-directed learning in simulation-based discovery enviroments. J. Comput. Assist. Learn. , v. 14, n. 3, 1998, p. 235-246.

LUO, W. et al . Lessons learned from using a web-based interactive landform simulation model(WILSIM) in a general education physical geography course. J. Geosci. , v. 53, p. 489-493, 2005.

MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C.F. Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino da Física. Rev. Bras. Ensino Fís. , São Paulo, v. 24, ed. 2, p. 77-86, 2002.

VICSEK, T. et al. Novel Type of Phase Transition in a System of Self-Driven Particles. Phys. Rev. Letters , v. 75, n. 6, p. 1226-1229, 7 ago. 1995.

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