PROPOSTAS DE ROTEIROS DE EXPERIMENTOS EM FÍSICA TÉRMICA CONSIDERANDO NÍVEIS DE ABERTURA DE INVESTIGAÇÃO

## PROPOSTAS DE ROTEIROS DE EXPERIMENTOS EM FÍSICA TÉRMICA CONSIDERANDO NÍVEIS DE ABERTURA DE INVESTIGAÇÃO

## Marcelo Luís Monsores 1 , Glauco S F Silva 2

- 1 Licenciatura em Física, Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca CEFET-RJ, marcelo.monsores@aluno.cefet-rj.br
- 2 Licenciatura em Física/Programa de Pós-graduação em Ciência, Tecnologia e Educação, Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET-RJ, glauco.silva@cefet-rj.br

## Resumo

Esse texto se originou de atividades e discussões realizadas em aulas da disciplina de Projetos de Ensino de Física Térmica, de um curso de licenciatura em Física de uma universidade pública do interior do Estado do Rio de Janeiro, nas quais se reforçou a importância da experimentação em processos termodinâmicos e da reflexão sobre ela no contexto do desenvolvimento do pensamento científico e de habilidades associadas. O objetivo desse trabalho é elaborar roteiros a partir de experimentos de baixo custo envolvendo conceitos de calor, definindo graus variados de abertura de problema. Inicialmente, faz-se um breve levantamento da importância da atividade experimental em sala de aula, com destaque para a modalidade investigativa. Em seguida, descrevem-se os graus de abertura, do modelo mais fechado ao mais aberto. Segue-se com a apresentação de dois experimentos escolhidos para a execução do trabalho e a relação deles com o calor. Por fim, apresenta-se a produção do conjunto de roteiros para o estudo de cada tarefa, considerando como objetivo pedagógico a possibilidade de o professor planejar e colocar em prática aquele cujo nível de abertura contempla os objetivos conceituais, procedimentais e atitudinais esperados para sua turma, isto é, o que seja mais adequado ao grau de experiência e de habilidades que deseja reforçar ou desenvolver nos discentes.

Palavras-chave : Ensino de Física, Experimentação, Laboratório Investigativo.

## Introdução

O objetivo desse trabalho é relatar a elaboração de roteiros de experimentos de calor de baixo custo, considerando níveis de abertura de investigação. A proposta da elaboração de roteiros com níveis de aberturas de investigação distintos surgiu no contexto da disciplina de Projetos de Ensino de Física Térmica (PEFT).

A disciplina de PEFT pertence a grade curricular do Curso de Licenciatura em Física de uma universidade federal do interior do Estado do Rio de Janeiro, sendo ofertada para estudantes do quarto período letivo, em cuja ementa está prevista o estudo da história do calor e as diversas ideias associadas a esse conceito, por exemplo, o calor como temperatura e o calor como substância (calórico). A PEFT é parte de um grupo de disciplinas de Projetos de Ensino com o objetivo de articular teoria e prática, em atividades de ensino e de extensão. Essas disciplinas são distribuídas ao longo de todo curso com ênfases metodológicas específicas. No caso da PEFT, a ênfase é na experimentação.

O trabalho aqui relatado foi desenvolvido ao longo primeiro semestre letivo de 2024, e especificamente, baseia-se na discussão e da reprodução de alguns experimentos de baixo custo relacionados ao calor e retirados do artigo de Silva, Neto

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

e Silva (2019). Para o trabalho, foram selecionados dois dos experimentos apresentados pelos autores, para os quais foram elaborados quatro roteiros para cada experimento, com destaque ao papel do laboratório na sala de aula de Ciências, considerando-se, especialmente, o modelo investigativo e os possíveis níveis de abertura que podem ser dados aos experimentos, e aos diversos aspectos da conceituação do calor.

## O papel da experimentação na sala de aula de ciências

A discussão sobre o uso de experimentação nas aulas de ciências é antiga, mas nem por isso menos importante. Segundo Araújo e Abib (2002, p. 191), a experimentação tem sido considerada pelos docentes como uma ferramenta para o aprimoramento do ensino como um todo, o que envolve também a disciplina de Física. Os professores vislumbram nas aulas práticas uma forma de preparar os estudantes para atingir as metas educacionais que Bybee e DeBoer (1996 apud Borges, 2002) traçam a seguir:

As metas que mais comumente expressam aquilo que os estudantes devem aprender têm sido: 1) Adquirir conhecimento científico; 2) aprender os processos e métodos das ciências; 3) compreender as aplicações da ciência, especialmente as relações entre ciência e sociedade, e ciência-tecnologiasociedade. (p. 294).

A análise dos fenômenos naturais pode contribuir para um ensinoaprendizagem mais eficaz, ao proporcionar aos alunos a integração da teoria com a prática e ao desenvolver neles um conjunto de capacidades específicas que apenas conhecimentos teóricos teriam maior dificuldade de desenvolver isoladamente.

## O laboratório de ciências e suas abordagens

De acordo com Tamir (1991 apud Borges, 2002, p. 296), o laboratório pode ser visto sob duas abordagens a partir do objetivo de ensino: o tradicional e o investigativo. O primeiro está relacionado a práticas de demonstração de leis, teorias e cálculos. Os trabalhos seguem um modelo fechado com uma sequência de instruções (descrita em roteiros, por exemplo), que contemplam o preparo do material, os procedimentos e um questionário a ser preenchido a partir da observação de um fenômeno a fim de corresponder a hipóteses e dados previsíveis. Muitas vezes, o professor está no centro do processo, os alunos reproduzem os comandos, e os objetivos dos experimentos parecem pouco relevantes para o aprendizado dos discentes e bastante dissociados de suas realidades.

O segundo modelo é o do laboratório investigativo, que consiste basicamente em tornar as práticas laboratoriais pedagógicas mais ativas, reflexivas, tendo aqui o estudante como figura central. Essa modalidade tem sido defendida por estudiosos, como Mourão (2018) ao assinalar, com base em Wilsek e Tosin (2010), que:

(...) ensinar Ciências pela metodologia da investigação científica significa inovar e mudar o foco, fazendo com que a aula deixe de ser uma mera

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transmissão de conteúdo. Essa metodologia tem por finalidade a aprendizagem por meio de situações-problema ou enigmas que desenvolvam habilidades cognitivas primordiais a todas as áreas de conhecimento, focando a aprendizagem no aluno. (p. 429).

Borges (2002) também defende a modalidade e descreve sua principal característica:

Uma alternativa que temos defendido há mais de uma década, e mais recentemente temos investigado e utilizado com nossos alunos, consiste em estruturar as atividades de laboratório como investigações ou problemas práticos mais abertos (...). Pode não existir uma solução conhecida por estudantes e professores ou até ocorrer que nenhuma solução exata seja possível. Para resolvê-lo, tem-se que fazer idealizações e aproximações. (p. 303).

Assim, os estudantes exercitam a formulação de suas próprias hipóteses diante de um problema dado, o planejamento e a execução das ações a fim de obter respostas para as hipóteses, e a remodelação do trabalho a partir do par tentativa e erro, repetidas vezes que forem necessárias até considerarem a atividade resolvida. O professor, por sua vez, tem aqui um papel diferenciado, como o de ajudar o aluno na construção de suas novas habilidades, sendo as principais: reflexão, previsão de fenômenos, pensamento crítico, capacidade de síntese, imaginação, produção e análise de dados, vivência do fazer e pensar científicos.

## Os níveis de abertura de um experimento investigativo

Um experimento investigativo pode ser organizado por variados graus de abertura, o que influencia diretamente na elaboração dos objetivos pedagógicos e científicos da atividade e na realização dela. Tamir (1991, apud Borges, 2002, p.305306) apresenta esses graus em quatro níveis, descritos no Quadro 01 :

Quadro 01: Níveis de abertura de problemas em investigação .

O nível zero mostra um trabalho mais fechado em sua forma, sendo esta semelhante à atividade com abordagem tradicional; do nível 1 até o 3, a abertura é dada gradativamente, de acordo com o objetivo pedagógico e científico de cada experimento.

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## Apresentação dos experimentos

Após discussões sobre o conceito de calor em suas zonas de perfil conceitual - por meio de textos como o de Amaral e Mortimer (2001) - e sobre o laboratório investigativo, foram reproduzidos diversos experimentos de Física Térmica a partir de sugestões disponíveis em Silva, Neto e Silva (2019). A escolha se deve ao fato de se utilizarem materiais simples, cotidianos e de baixo custo, o que desperta a curiosidade e o envolvimento dos alunos nas atividades, pois podem visualizar a relação entre elas e as suas próprias vivências.

Dois foram escolhidos para a criação de roteiros de laboratório investigativo em vários níveis de abertura; ou seja, foram criados quatro roteiros (níveis 0 a 3) para cada fenômeno a ser estudado. O objetivo era comparar esses roteiros e refletir sobre os casos em que cada um poderia ser aplicado de acordo com o nível de abertura e o grau de habilidades que as turmas já possuem ou que devem adquirir com a atividade.

## Latinhas com velas: calor é temperatura?

Esse experimento envolvia um par de sistemas de aquecimento montados com latinhas de refrigerante, de forma semelhante a fornos, nos quais a chama das velas aquecia quantidades diferentes de água (ver Figura 1). A atividade consistiu em verificar que o calor sensível depende de variações de temperatura em uma determinada massa. Além disso, a ideia era comparar as variações sofridas por duas quantidades distintas de água e relacionar esse fato ao conceito de capacidade térmica, que é a quantidade de energia térmica necessária para variar a temperatura de um corpo em 1 °C. Seu valor depende da massa e do calor específico da substância. Ou seja, quanto mais massa existir no corpo aquecido ou resfriado, mais calor será necessário para cada grau Celsius ser aumentado ou diminuído. De fato, a latinha com menos água teve uma variação maior em sua temperatura durante a medição.

Figura 01: Experimento das latinhas com velas .

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## Parafina na colher: calor é substância?

Esse experimento teve como objetivo a observação de mudanças bruscas de estado físico em lascas de parafina conforme o aquecimento e o resfriamento (ver Figura 2 ). As lascas foram depositadas sobre uma colher. O sistema foi inicialmente aquecido sobre a chama de uma vela, podendo se observar o derretimento da parafina; em seguida, ao retirar a colher, foi possível notar que o material sobre ela se solidificou nova e rapidamente.

Figura 02: Experimento da parafina na colher .

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## Construção dos roteiros

Após a execução dos experimentos, passou-se à produção dos roteiros. Optou-se por montar quatro roteiros para cada atividade, considerando um de cada nível. A ideia central dessa proposta está em trabalhar atividades práticas em sala de aula de forma progressiva, do nível mais fechado até o mais aberto, de acordo com as habilidades que os estudantes adquirirem a partir da vivência com as aulas práticas, do conteúdo ensinado através dele e da variabilidade de fenômenos explorados, portanto é um processo a longo prazo.

Assim, roteiros de nível 0 seriam aplicados para alunos iniciantes em atividades de experimentação; os de nível 1, para aqueles que possuem habilidade de síntese sobre os fenômenos naturais explorado; os de nível 2, para estudantes com habilidade de planejamento e execução de ações e conclusões; e os de nível 3, para os mais avançados nas habilidades inerentes à investigação científica.

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Em relação às instruções presentes em cada roteiro, procedeu-se considerando as habilidades específicas de cada nível de abertura. No mais fechado, a hipótese e todas as instruções são dadas; após a execução, os discentes respondem a questões diretas sobre a tarefa que executaram. É dada também uma imagem do experimento para auxiliar na montagem. No nível 1, a hipótese passa a ser formulada por eles a partir de uma reflexão inicial, assim como as questões diretas dão lugar a uma nova seção de reflexões. A imagem pode ser dada, mas optou-se por não o fazer nos roteiros desse nível nas atividades aqui trabalhadas. No nível 2, dão-se apenas o problema e instruções genéricas de laboratório - como planeje a montagem do material , formule os procedimentos , reflita e afins. Não há descrições além do que esse nível de abertura pede. No nível 3, é dado apenas um enunciado mais aberto possível para que os estudantes façam todo o trabalho de investigação com apoio de um conjunto de materiais e utensílios. Os roteiros da latinha e os da parafina seguem esse padrão.

Além disso, os roteiros são seguidos por dois momentos de discussão: um antes do experimento e outro ao fim da atividade. Em ambos, é feito um debate sobre os fenômenos térmicos e as possíveis relações que os alunos possam fazer com os processos cotidianos vividos por eles, como, por exemplo, no cozimento de alimentos e na queima de velas. Buscam-se também simetrias com os experimentos em si. O encaminhamento das perguntas também segue o nível de abertura das atividades, podendo elas serem feitas antes ou depois dos experimentos, de acordo com a necessidade e com o nível de interação de cada turma.

No Quadro 2 , segue um breve detalhamento dos roteiros construídos para os dois experimentos.

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Quadro 0 2 : Descrição dos roteiros elaborados.

## Considerações finais

Das discussões sobre as várias conceituações cotidianas e científicas de calor e sobre o modelo investigativo de laboratório, surgiu a iniciativa de fazer alguns experimentos simples de física térmica. Sobre eles, refletir sobre formas diversas de apresentá-los, dadas variações de grau de abertura das atividades. O laboratório investigativo, mais do que o tradicional, possibilita aos discentes a construção de habilidades específicas como o levantamento de hipóteses, o planejamento das ações, a organização de dados e a formação de conclusões acerca dos dados e dos procedimentos. Utilizando materiais de baixo custo e de uso corrente dos jovens, os experimentos podem ser realizados na própria sala de aula e podem a despertar a curiosidade e o envolvimento deles com a tarefa e com o aprendizado dos conceitos estudados, nesse caso os de calorimetria. Com a formulação de diferentes roteiros, com variados graus de abertura, é possível explorar habilidades específicas de acordo com a experiência que os alunos possuem com investigação e com a vivência do que é fazer ciência. Como conclusão do trabalho produzido até aqui, um dos papéis do professor nessa modalidade pode ser a calibração do roteiro em um nível que

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considere adequado para o experimento a ser feito, para as competências e habilidades que seus discentes já possuem e para aquelas que deseja desenvolver e reforçar neles.

## Referências

AMARAL, Edenia Maria Ribeiro; MORTIMER, Eduardo Fleury. Uma proposta de perfil conceitual para o conceito de calor. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências , v. 1, n. 3, 2001.

ARAÚJO, Mauro Sérgio Teixeira de; ABIB, Maria Lúcia Vital dos Santos. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de ensino de física , v. 25, p. 176-194, 2003.

BORGES, Antônio Tarciso. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de ensino de Física , v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.

BYBEE, R. W.; DEBOER, G. E. Research on goals for the science curriculum. Handbook of Research on Science Teaching and Learning.National Science Teachers Association New York: McMillan Pub, 1996. p.357-387. In: BORGES, . Antônio Tarciso. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de ensino de Física, v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.

MOURÃO, Matheus Fernandes; SALES, Gilvandenys Leite. O uso do ensino por investigação como ferramenta didático-pedagógica no ensino de Física. Experiências em Ensino de Ciências , v. 13, n. 5, p. 428-440, 2018.

SILVA, Ana Paula Cirino; NETO, José Euzebio Simões; SILVA, João Roberto Ratis Tenório. Abordagem do Conceito de Calor por meio de Atividades Experimentais a partir da Teoria dos Perfis Conceituais. Experiências em Ensino de Ciências , v. 14, n. 3, p. 438-454, 2019.

TAMIR, P. Practical work at school: An analysis of current practice. Practical Science. Milton Keynes: Open University Press, 1991. In: BORGES, Antônio Tarciso. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de ensino de Física , v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.

WILSEK, Marilei Aparecida Gionedis; TOSIN, João Angelo Pucci. Ensinar e aprender ciências no ensino fundamental com atividades investigativas através da resolução de problemas. Portal da Educação do Estado do Paraná, v. 3, n. 5, p. 1686-1688, 2009. In: MOURÃO, Matheus Fernandes; SALES, Gilvandenys Leite. O uso do ensino por investigação como ferramenta didático-pedagógica no ensino de Física . Experiências em Ensino de Ciências , v. 13, n. 5, p. 428-440, 2018.

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