Analisando a didática da preparação para o Brazilian Physicists' Tournament (BPT)

## ANALISANDO A DIDÁTICA DA PREPARAÇÃO PARA O BRAZILIAN PHYSICISTS' TOURNAMENT (BPT)

## Ariel Félix Guimarães 1

1 Universidade Federal de Minas Gerais/Departamento de Física/Instituto de Ciências Exatas, ariel\_guimaraes@hotmail.com

## Resumo

A disciplina optativa 'Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto' foi criada com o objetivo de aprender física trabalhando com a lista de problemas do International Physicists' Tournament (IPT) e preparar uma equipe para participar no torneio brasileiro, ou Brazilian Physicists' Tournament (BPT) que serve como qualificatório para o torneio internacional. Nessa disciplina são trabalhados aspectos importantes do fazer científico, sendo eles: Criação de Modelos Teóricos; Construção e Análise de experimentos; Uso de Simulações computacionais e Discussão entre pares. Por se tratar de uma disciplina em que práticas teóricas e experimentais se mesclam na construção do conhecimento, observou-se na turma a percepção dos alunos de que realmente estavam 'aprendendo física' como sugere o nome. A divisão da turma em grupos e a divisão de trabalho dentro dos grupos e as avaliações formativas dentro da disciplina propõem uma prática de ensino-aprendizagem de física contrastante com os modelos de ensino de física chamados de tradicionais, em que o professor 'transmite' o conhecimento ao aluno. Essa disciplina foi analisada dentro do Ensino de Ciências por Investigação (EnCI) e de acordo com a Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP).

Palavras-chave : Brazilian Physicists Tournament ; Aprendizagem Baseada em Problemas; Ensino de Ciências por Investigação

## Introdução

Os professores M.C.O. Aguiar e U.A. Batista foram convidados a participar do Brazilian Physicists Tournament (BPT) como jurados e decidiram criar uma equipe na Universidade para participar da edição seguinte do torneio. O torneio se caracteriza pela disputa entre equipes que apresentam soluções para problemas em aberto da física. Os problemas a serem solucionados pelas equipes participantes são divulgados pelo comitê organizador do torneio internacional, o International Physicists Tournament (IPT). No site oficial, os problemas são descritos como questões abertas da física, visto que 'O enunciado nunca é rigoroso demais, não existem condições gerais para a tarefa e assume-se que os fenômenos serão estudados tanto teoricamente como experimentalmente'. No texto original:

All the problems, to stimulate a good discussion, have been formulated as open physics questions. That's why the statement is never too stringent and it is assumed that every phenomenon will be studied both theoretically and experimentally (when possible) with dependence on all the most relevant parameters. More than that, there is not any general understanding of the task condition. (IPT)

Anualmente, esse comitê divulga a lista de problemas em aberto que serão discutidas dentro das disputas, chamadas de ' physics fights ', do IPT do ano seguinte. A disciplina 'Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto' surgiu com o

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

intuito de estudar os problemas do torneio e fundar uma equipe que representasse a Universidade nos próximos torneios.

Conforme indicado pelo nome, nessa disciplina, uma lista de problemas em aberto é utilizada como ferramenta para 'aprender física'. Os problemas a serem estudados são escolhidos pelos próprios alunos, que fazem grupos de acordo com o interesse despertado pelos enunciados. A existência do torneio internacional torna possível que a disciplina seja realizada sempre com novos problemas, possibilitando, inclusive, que o estudante faça novamente a matéria e aprenda com novos problemas.

Carvalho (2013) explica que a qualidade do conhecimento a ser ensinado passou a ser valorizada em relação à quantidade devido ao aumento exponencial do conhecimento produzido. Nas palavras da autora, como já 'não é mais possível ensinar tudo a todos', a ideia de transmissão do conhecimento, na qual o professor transmite e o aluno replica e decora, precisou ser superada. A autora salienta que as pesquisas piagetianas evidenciaram 'a importância de um problema para o início da construção do conhecimento' e aponta que propor aos alunos um problema para resolver proporciona condições para o raciocínio e a construção de conhecimento do aluno, rompendo com o ensino expositivo. Outra contribuição de Piaget que a autora destaca é 'o entendimento de que qualquer novo conhecimento tem origem em um conhecimento anterior', princípio construtivista que revolucionou o planejamento do ensino.

No presente trabalho, a disciplina 'Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto', bem como a preparação da equipe para o Torneio Brasileiro de Física (BPT), serão analisadas como intensificadoras do aprendizado de Física dentro Departamento de Física da Universidade. O caráter investigativo da disciplina aproxima-a do Ensino de Ciências por Investigação (EnCI) e o protagonismo dos problemas em aberto na construção da disciplina corresponde a Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP).

## Diferencial da Disciplina

A disciplina criada dentro do Departamento de Física para guiar a equipe que participa do torneio é singular em relação a todas as outras disciplinas do departamento. Modelos teóricos, experimentos e simulações computacionais são criadas pelos alunos dentro dessa disciplina, que trabalham em grupos criados a partir do interesse comum em um dos problemas da lista do torneio. Essas quatro ações são essenciais para o desenvolvimento do trabalho de cientistas da Natureza: Criação/Compreensão de Modelos Teóricos; Construção/Análise de experimentos; Uso de simulações computacionais para compreender o fenômeno e Discussão entre pares. Ter uma disciplina onde essas etapas do fazer científico dialogam entre si vem se mostrando uma eficaz ferramenta para aprender a Física e suas linguagens. O termo Física e suas linguagens foi utilizado de acordo com a teoria Vygotskyana, na qual o desenvolvimento da Linguagem é amplamente valorizado e a interação social é fundamental no processo de aprendizagem.

'(...) o conceito de interação social mediada pela utilização de artefatos sociais e culturalmente construídos (o mais importante entre eles é a linguagem) mostra que a utilização de tais artefatos culturais é transformadora do funcionamento da mente, e não apenas um meio facilitador dos processos mentais já existentes'. (Vygotsky, 1984 apud Carvalho 2013, p. 4)

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Ainda sobre as linguagens da Ciência, Carvalho explica que as linguagens verbais - oral e escrita - não são suficientes para comunicar o conhecimento científico. Segundo ela, 'As Ciências necessitam de figuras, tabelas, gráficos e até mesmo da linguagem matemática para expressar suas construções'. (2013, p. 7)

Considerando que os estudantes estão em constante diálogo dentro dos grupos e com os professores para criar um modelo que explique o fenômeno descrito pelo problema em aberto, o conceito de Vygotsky de Zona de Desenvolvimento Proximal pode justificar a escolha dos professores de montar os grupos mesclando estudantes com maior e menor experiência dentro do curso de graduação. Como zona de desenvolvimento proximal, Vygotsky (1984, p. 97) apresenta a seguinte definição:

Ela é a distância entre o nível de desenvolvimento real, que se costuma determinar através da solução independente de problemas, e o nível de desenvolvimento potencial, determinado através da solução de problemas sob a orientação de um adulto ou em colaboração com companheiros mais capazes. (Vygotsky, 1984, p. 97)

## Analisando a disciplina

Os professores disponibilizam a lista de problemas e os estudantes devem lêla e identificar qual (ou quais) problema têm interesse em trabalhar. Uma planilha com os nomes dos problemas é preenchida pelos alunos, de acordo com o interesse nos problemas. Quais problemas serão enfrentados e quais estudantes farão parte do grupo que enfrentará cada problema são definidos após o preenchimento da planilha. A disciplina é dividida em três etapas e em cada etapa os problemas a serem trabalhados e a formação dos grupos é feita de acordo com essa planilha. Espera-se que ao final da terceira etapa o máximo de problemas da lista tenham sido discutidos e que alguns problemas tenham soluções a serem apresentadas durante o torneio.

Os problemas em aberto desafiam os estudantes a buscarem soluções, exercitando conhecimentos teóricos e experimentais em conjunto. A criação de simulações computacionais que corroborem com o modelo teórico em construção é amplamente incentivada. A divisão do trabalho dentro do grupo potencializa as discussões sobre as possíveis soluções do problema, pois as tentativas experimentais e computacionais e a busca bibliográfica por explicações do fenômeno demorariam muito mais se tudo fosse feito por apenas uma pessoa. A conversa sobre dúvidas conceituais também é facilitada por essa divisão de trabalho. Os professores, entusiastas das 'metodologias ativas', afirmam que as discussões entre colegas são mais eficientes do que discussões feitas apenas com os professores.

Outra característica dessa disciplina é o formato de avaliação. Existem, para cada conjunto de problemas enfrentados em uma etapa, as apresentações parciais e finais. Na apresentação parcial, o grupo deve apresentar o problema em que está trabalhando para a turma e as ideias que estão sendo utilizadas para tentar resolvêlo. São tópicos a serem apresentados: os conceitos teóricos relacionados ao fenômeno físico; o experimento criado para reproduzir o fenômeno em laboratório; os resultados experimentais; a simulação computacional do fenômeno; e as dificuldades encontradas em cada um desses tópicos, além de próximos passos para construir a solução do problema escolhido. Após o final da apresentação de um grupo, os estudantes que estão nos outros grupos fazem perguntas e sugestões sobre o problema que foi apresentado. É nesse momento em que toda a turma se reúne para discutir cada um dos problemas e suas possíveis soluções. Na apresentação final, a

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solução do problema deve ser apresentada da maneira mais completa possível, incluindo um modelo teórico para explicação do fenômeno, os resultados experimentais e de simulação e como os resultados encontrados corroboram com o modelo teórico apresentado. As dificuldades também são apresentadas. No caso de algum conceito teórico utilizado na apresentação parcial ter sido retirado do modelo teórico, o motivo para tal também deve ser explicado, mostrando porque o conceito não é adequado para explicar o fenômeno.

A dificuldade dos professores que criaram e ministram a disciplina Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto em responder perguntas como: 'Qual vertente pedagógica você segue? Quais métodos de ensino são utilizados nessa matéria? Quais abordagens didáticas estão presentes na sua prática docente?' dificultou a realização do presente trabalho, pois, como o método utilizado não é reconhecido como um método já existente, apenas como algo "diferente do tradicional", faz-se necessária uma procura cuidadosa pela definição do campo de pesquisa. É importante observar que os métodos de ensino considerados novidade por um nicho não necessariamente são novos ou recém-criados. Principalmente quando o grupo de docentes em questão é formado exclusivamente por bacharéis.

Decidiu-se analisar a disciplina à luz do Ensino de Ciências por Investigação (EnCI) e da Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP). A autora considera que as práticas dos docentes dentro da disciplina se adequam ao campo do Ensino de Ciências por Investigação, com métodos da Aprendizagem Baseada em Problemas.

Ao propor sequencias de ensino investigativas (SEIs), Carvalho (2013) defende que as teorias de Piaget e Vygotsky sejam usadas para 'criar um ambiente propício para os alunos construírem seus próprios conhecimentos' e explica que:

(...) queremos criar um ambiente investigativo em salas de aula de Ciências de tal forma que possamos ensinar (conduzir/mediar) os alunos no processo do trabalho científico para que possam ir ampliando sua cultura cientifica e adquirindo a linguagem científica, se alfabetizando cientificamente' (Sasseron e Carvalho, 2008 apud Carvalho 2013). As sequencias de ensino investigativas, na maioria das vezes, iniciam-se com um problema que introduz o tópico desejado do conteúdo programático. Após a resolução desse problema, é necessária uma atividade de sistematização do conhecimento construído, em que os alunos possam ler um texto escrito, e discuti-lo, comparando com o que fizeram e pensaram enquanto resolviam o problema. Uma terceira atividade contextualiza o conhecimento no dia a dia dos alunos, para que 'eles possam sentir a importância da aplicação do conhecimento construído do ponto de vista social'. Algumas SEIs com conteúdos curriculares mais complexos demandam ciclos dessas três atividades. (Carvalho, 2013, p.9)

Comparando a descrição feita por Carvalho da estrutura de uma Sequência de Ensino Investigativa, pode-se dizer que a escolha do problema corresponde à primeira atividade, que possui etapas de compreensão do problema e tentativas de resolução pelo grupo. A avaliação parcial corresponde à segunda, onde o texto é a apresentação produzida pelos próprios alunos e discutida com toda a turma, promovendo uma construção social do que se sabe sobre esse problema. A volta para o problema após essa apresentação parcial é o momento em que o grupo usa as dificuldades encontradas e as sugestões de colegas e professores para continuar o processo de estudo do problema e preparar a apresentação final, onde o problema

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em aberto será 'fechado' por um modelo teórico que corrobore com os resultados experimentais e de simulação.

## Sobre a avaliação de uma SEI, Carvalho defende que

'não deve ter o caráter de uma avaliação somativa, que visa a classificação dos alunos, mas sim uma avaliação formativa que seja instrumento para que alunos e professor confiram se estão ou não aprendendo. E tais instrumentos de avaliação precisam ter as mesmas características que o ensino proposto' (Carvalho, p. 18)

As avaliações feitas nessa disciplina são formativas, principalmente a avaliação parcial, onde os erros e as dificuldades fazem parte da discussão e são valorizados dentro do processo de solução do problema. A apresentação final, que deve ser o mais completa possível, também incorpora esses valores e o ato de apresentar é definido pelos professores que criaram a disciplina como formador, visto que cientistas e, mais especificamente físicos, devem ser capazes de comunicar aos pares os resultados de suas pesquisas.

Outras características de uma SEI não estão presentes nessa disciplina, como a aula expositiva e o conteúdo programático previamente definido. Portanto, esse modelo sozinho não caracteriza a disciplina. Aspectos que não foram descritos por Carvalho dentro de sua definição das Sequencias de Ensino Investigativo são encontrados em outro método, chamado de Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP).

Berbel (2021) explica que a Aprendizagem Baseada em Problemas é uma metodologia que foca na resolução de problemas reais, onde alunos devem se engajar a propor soluções que resolvam os problemas e estruturada por ciclos de aprendizagem. Essa explicação de Berbel resume bem a didática da disciplina.

Em revisão da literatura sobre problemas em aberto no ensino de física, Oliveira, Araújo e Veit (2017) contam que

No ensino de Física e, em geral, no ensino de Ciências e Matemática, diversos são os autores que defendem, com diferentes argumentos, atividades didáticas de resolução de problemas (abertos). Por exemplo, para Clement e Terrazzan(2012) tais atividades são fundamentais para a promoção da aprendizagem dos alunos, mostrando-se produtivas para o tratamento de vários conteúdos de Física (conceitos, princípios e modelos), bem como para o tratamento de procedimentos necessários à resolução desse tipo de problema (técnicas, estratégias de solução, argumentação) e atitudinais (juízos, normas e valores). Já Abdullah (2014) considera que esse tipo de atividade fornece uma oportunidade para aquisição, solidificação e aplicação de conhecimento científico a partir de uma perspectiva pedagógica. Pizzolato et al. (2014) afirmam que as dificuldades tanto conceituais quanto epistemológicas em resolver problemas poderiam ser superadas introduzindo os alunos em um ambiente de raciocínio científico, promovido por processos de investigação via resolução de problemas abertos.

Nesse mesmo trabalho, os autores classificam os trabalhos encontrados em subcategorias e, as com maior número de artigos são: 'Ênfase em aprendizagem colaborativa; ênfase em habilidades de resolução de problemas; e abordagens de resolução de problemas'. Essas categorias são encontradas na disciplina Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto.

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## Relato de experiência com um dos problemas do BPT de 2023

Um dos problemas presentes na lista de 2024, divulgada em 2023, foi o problema Bolhas sob Copo Molhado, ou ' Bubbles under a wet glass '. A autora trabalhou com esse problema em duas etapas e ele foi discutido durante o BPT por uma representante da equipe da Universidade. A autora não estava entre os seis participantes da equipe durante o torneio. O problema é enunciado da seguinte forma:

Nas condições certas, se um copo molhado é virado de cabeça para baixo e deixado sobre uma superfície lisa (mas não necessariamente polida), bolhas de ar começam a aparecer na borda do copo. Reproduza e explique o fenômeno. Quais parâmetros definem o número de bolhas (e linhas nas quais se juntam) e seu tempo de vida? É possível fazer um círculo completo de bolhas junto à parede interna do copo? (Tradução própria, lista de problemas de 2024, IPT)

Durante a leitura desse enunciado, várias perguntas surgem: Quais são as condições certas? O copo deve estar molhado por dentro ou por fora? Qual o tamanho de copo ideal para reproduzir esse fenômeno? Quanto tempo uma bolha de ar geralmente dura? (essa pergunta surge com a pergunta imposta). Ao elencar essas questões no grupo, outras são adicionadas: o quão lisa a superfície é, será um dos parâmetros? Será que as bolhas surgem em qualquer temperatura? Após essa discussão inicial, foi acordado que cada membro do grupo iria tentar reproduzir o fenômeno em casa antes da aula seguinte e procurar artigos sobre bolhas. Dentre essas tentativas iniciais, o copo foi molhado com água aquecida, água em temperatura ambiente e água gelada. Ninguém conseguiu reproduzir o fenômeno nessa primeira semana, então partimos para leitura de artigos encontrados sobre bolhas, formação de bolhas em fluidos, solubilidade de gases, e artigos que tangenciavam os temas de bolhas e copos, como artigos sobre bolhas em copo com refrigerante e outras bebidas gaseificadas, que não têm relação com o fenômeno em questão.

A primeira vez que observou-se o fenômeno foi em um copo aquecido e deixado por horas em uma superfície lisa. Essa montagem (copo virado numa bancada) foi filmada, o que possibilitou a visualização do fenômeno no vídeo. Na aula seguinte, copos, água em diferentes temperaturas e um isqueiro foram levadas ao laboratório para reproduzir as condições do vídeo. Após muitas tentativas, percebeuse que quanto mais aquecido o copo, melhor o fenômeno era observado. Dessa observação surgiram novas perguntas. Será a temperatura o parâmetro principal do fenômeno? É possível aproximar esse problema com um sistema de gás ideal? Como a relação entre temperatura e solubilidade de gases explica esse fenômeno?

Na Apresentação Parcial, o grupo relatou a dificuldade em reproduzir o fenômeno e algumas hipóteses: são necessárias imperfeições na superfície para o surgimento de bolhas, o copo aquecido e água fria foram as condições em que o fenômeno foi observado, medir a temperatura do copo com um termopar quando as bolhas surgiam não é um método preciso. Para os próximos passos, apresentou a hipótese de que um termômetro infravermelho seria capaz de medir a temperatura do copo e, conhecendo a variação da temperatura ao longo do tempo, o fenômeno poderia ser melhor compreendido. Um termômetro infravermelho realmente foi mais preciso do que o termopar do laboratório de Física Experimental, porém as medidas continuaram imprecisas.

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Prezando pela precisão dos dados coletados e utilizando conhecimentos adquiridos anteriormente sobre aplicações da radiação infravermelha, a autora chegou à conclusão de que era necessário observar o fenômeno com uma câmera infravermelha, que mostrasse toda a superfície do copo e seu gradiente de temperatura. Felizmente, existe na Escola de Engenharia um laboratório que dispõe de câmeras térmicas e conseguiu-se a colaboração desse laboratório, chamado CEMTEC. Juntando as informações das fotografias da câmera térmica com o vídeo (no visível) do experimento, foi possível observar diferentes temperaturas do copo ao longo do tempo e caracterizar melhor o fenômeno.

Figura 01: Imagem do copo captada pela câmera térmica. Escala de temperatura no canto direito. Imagem tratada pela autora. Fonte: CEMTEC/UFMG , 2023.

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Os dados experimentais foram analisados e ajustados no modelo teórico que estava em construção: imperfeições na superfície da bancada/mesa e também na superfície do copo geraram pontos de nucleação para as bolhas, que surgiam quando a borda do copo aquecido entrava em equilíbrio térmico com a água, oportunizando a visualização de bolhas na borda do copo. A mistura de gotas de detergente diluído com a água tornou possível fazer círculos completos de bolhas dentro do copo, mostrando que a tensão superficial da água (ou solução aquosa) também influencia no fenômeno. Esse modelo foi a teoria apresentada na apresentação final.

Na última etapa da disciplina retomou-se esse problema, agora com novos integrantes no grupo, incluindo uma pessoa que participou do Torneio Brasileiro, o BPT. Nessa nova etapa, os experimentos foram repetidos; um novo experimento foi realizado para conferir a influência da diferença entre as pressões interna e externa do copo no surgimento de bolhas; o modelo teórico recebeu as novas informações sobre pressão comprovadas no novo experimento. Em dezembro de 2023, aconteceu a sexta edição do Brazilian Physicists' Tournament e o problema ' Bubbles under a wet glass ' foi um dos problemas discutidos em um physics figth . A equipe da UFMG obteve a maior pontuação na final do torneio e representou o Brasil no IPT em 2024.

## Considerações finais

A abordagem didática utilizada dentro da disciplina 'Aprendendo Física Enfrentando Problemas em Aberto' está inserida no campo de Ensino de Ciências por Investigação (EnCI). A Metodologia investigativa utilizada possui ferramentas da Aprendizagem Baseada em Problemas. E cada etapa de resolução de problemas, com as avaliações parcial e final, pode ser considerada uma Sequência de Ensino

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Investigativo. Baseada no conceito de reequilibração da teoria de Piaget, Carvalho explica que:

'(...) a passagem da ação manipulativa para a construção intelectual do conteúdo deve ser feita, agora com a ajuda do professor, quando este leva o aluno, por meio de uma série de pequenas questões a tomar consciência de como o problema foi resolvido e porque deu certo, ou seja, a partir de suas próprias ações.' (Carvalho, 2013, p. 3)

Como cada grupo enfrenta um problema diferente, as orientações dos professores precisam ser específicas de acordo com o problema e com as dúvidas e dificuldades apresentadas pelo grupo. Nesse ponto, a disciplina distancia-se da definição de SEI dada por Carvalho e se insere na Aprendizagem Baseada em Problemas.

## Referências

IPT Problems 2024. Setembro de 2023, Problems. International Physicists' Tournament. Disponível em: https://iptnet.info/problems/ Acesso em: 10/07/2024

CARVALHO, A. M. P. Ensino de Ciências por Investigação: Condições de implementação em sala de aula. São Paulo: Cengage Learning, 2013.

VIGOTSKY, Lev Semenovich. A Formação Social da Mente. São Paulo: Martins Fontes, 1984.

BERBEL, W. C. O CREF NA SALA DE AULA: APRENDIZAGEM BASEADA EM PROBLEMAS NO ENSINO DE FÍSICA. 2021. Produto Educacional elaborado a partir de Dissertação de Mestrado do MNPEF com mesmo título e orientação de Nelson Studart - UFABC. 2021. https://mnpef.propg.ufabc.edu.br/wpcontent/uploads/2021/12/Produto-Willian-Calegari-Berbel-versao-final-final-3.pdf

OLIVEIRA, V.; ARAÚJO, I. S.; VEIT, E. A. Resolução de problemas abertos no ensino de física: uma revisão da literatura. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.39, n. 3, e3402, 2017. Disponível em:

https://www.scielo.br/j/rbef/a/wMDjDHqFxwZJZdkbRp9mfrt/?lang=pt

CENTRO MULTIUSUÁRIO DE TERMOGRAFIA CIENTIFICA. 2023. Disponível em: https://cemtec.demec.ufmg.br/

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