ESTROBOCORDA: UM APARATO DIDÁTICO PARA O ENSINO DE ONDAS E ASSUNTOS CORRELATOS

## ESTROBOCORDA: UM APARATO DIDÁTICO PARA O ENSINO DE ONDAS E ASSUNTOS CORRELATOS

## Jonatha Tavares Gonçalves 1 , Bruno F. Rizzuti 2 , Bruno Gonçalves 3

- 1 Universidade Federal de Juiz de Fora, Departamento de Física, jonatha.tavares2004@gmail.com
- 2 Universidade Federal de Juiz de Fora, Departamento de Física, brunorizzuti@ice.ufjf.br
- 3 IF Sudeste MG - Campus Juiz de Fora, Núcleo de Física, bruno.goncalves@ifsudestemg.edu.br

## Resumo

Este trabalho apresenta o Estrobocorda, um aparato experimental com recursos eletrônicos e mecânicos, desenvolvido para abordar conteúdos básicos de ondas, como frequência e características de ondas estacionárias. A confecção do dispositivo foi motivada pela necessidade de facilitar o ensino de oscilações e conteúdos relacionados, utilizando um aparato que seja visualmente atrativo. Além do produto, foi elaborada uma sequência didática baseada no ensino por investigação, visando que os conceitos sejam compreendidos de maneira interessante e engajante, promovendo a participação ativa e a valorização do aluno, com foco na liberdade intelectual dos estudantes. A análise dos dados obtidos nas aplicações do Estrobocorda indica resultados promissores e detalhes relevantes que demonstram a eficiência do ensino por investigação na sala de aula. Esse método estimula o desenvolvimento de raciocínio coerente sobre os fenômenos abordados, de maneira segura e objetiva, além de engajar as turmas no processo de aprendizagem, sem a necessidade de o professor expor os conceitos de forma tradicional.

Palavras-chave : Ensino por investigação. Ondulatória. Experimentação para o ensino.

## Introdução

Entre os vários temas acadêmicos abordados em salas de aula, o estudo de ondas destaca-se por exigir tanto dos alunos quanto dos professores um elevado grau de dedicação e capacidade de abstração para compreender e explicar suas características e peculiaridades. A falta de compreensão desses aspectos pode comprometer o processo de ensino, resultando em frustrações, desinteresse e bloqueios na aprendizagem. Essa necessidade de superar tais dificuldades torna o ensino de ondas particularmente desafiador. De acordo com Moreira (2021, p. 2), é comum o ensino da Física iniciar com situações que não fazem sentido para os alunos, frequentemente em níveis de abstração e complexidade superiores às suas capacidades cognitivas, o que pode afastá-los do interesse pela disciplina.

A motivação para o desenvolvimento deste trabalho surgiu durante atividades no curso de graduação, na disciplina de Instrumentação de Ensino II, no IFET Sudeste de Minas - Campus Juiz de Fora, em conjunto com o Programa de Educação Tutorial da Física (PET-Física). Foi nesse contexto que se desenvolveu um projeto de construção de um produto educacional relacionado a ondas, que despertou o interesse por aprimorá-lo durante o curso de pós-graduação. Além disso, as dificuldades pessoais e de colegas em compreender conceitos de Física que requerem grande abstração motivaram a busca por métodos que ofereçam um ensino objetivo, interessante e eficaz. Conforme Moreira (2021, p. 4), "despertar o

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

interesse dos alunos é sempre um desafio no ensino da Física e de muitas outras disciplinas, se não todas, do currículo escolar".

Assim, a busca pelo engajamento dos alunos constitui um dos principais impulsionadores deste trabalho. O desenvolvimento do aparato experimental, denominado Estrobocorda, foi fundamental para alcançar o objetivo de facilitar o ensino de Física em temas básicos relacionados a ondas, com ênfase em frequência. O aparelho consiste em um motor com hélice acoplado a uma estrutura de madeira, onde uma extremidade de uma corda é conectada ao motor e a outra é fixada na parte superior do aparato, que é móvel, permitindo ajustar a distância entre as extremidades da corda. A rotação do motor pode ser alterada por um dimmer localizado na lateral, o que gera perturbações na corda, resultando em diferentes formas de ondas. Adicionalmente, ele incorpora efeitos gerados por um circuito eletrônico com duas fitas de LED, três potenciômetros e um Arduino. O primeiro potenciômetro ajusta o tempo que as fitas de LED permanecem apagadas (0-5 segundos), o segundo controla a intensidade da luminosidade das fitas, e o terceiro altera o tempo que as fitas permanecem acesas (0-5 segundos), criando diversos efeitos visuais sobre a corda. A Fig. 1 apresenta o Estrobocorda.

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Figura 1 -

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Fonte:

Estrobocorda. Próprio Autor (2023).

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Paralelamente, foi desenvolvida uma metodologia de ensino baseada na sequência de ensino por investigação (SEI), que visa promover um ambiente de aprendizado no qual os alunos possam interagir sem receio de cometer erros. O ensino por investigação frequentemente se fundamenta no levantamento e teste de hipóteses, proporcionando aos estudantes o desenvolvimento de habilidades para reconhecer a complexidade do mundo e identificar fenômenos em diferentes contextos. Conforme Costa e Amaral (2022, p. 42), "o processo investigativo possibilita a expressão de opiniões baseadas em evidências".

## Referencial Metodológico

Uma das preocupações dos professores é despertar o interesse dos estudantes pela investigação científica, desenvolvendo habilidades como a elaboração de hipóteses, busca de soluções e análise de resultados. O ensino por investigação é uma metodologia que atende a esse propósito. Segundo Carvalho (2018, p. 766), 'é definido por aquele ensino em que o professor cria condições em sala de aula para os alunos pensarem, levando em consideração a estrutura do conhecimento, falarem, evidenciando seus argumentos e conhecimentos construídos, lerem, entendendo criticamente o conteúdo lido, e escreverem, mostrando autoria e clareza nas ideias expostas.' No estudo de ondulatória, esses conceitos podem ser aplicados experimentalmente ao analisar fenômenos como interferência e difração de ondas, permitindo aos alunos explorar a natureza das ondas de forma prática.

Um ambiente favorável à discussão e troca de ideias é fundamental para o ensino por investigação. O professor deve adquirir experiência para criar condições onde os alunos se sintam à vontade para participar. Carvalho (2018, p. 767) enfatiza a necessidade de criar um ambiente onde os alunos possam participar sem medo de errar. A investigação é essencial para a aquisição de conhecimento e pode ser estimulada pela curiosidade e questionamento. Uma metodologia de ensino investigativo como o POE (Predizer - Observar - Explicar) promove um processo investigativo de ensino por meio de um aparato experimental, questões elaboradas e três etapas: prever, observar e explicar (Sazaki e Jesus, 2016, p. 2). A metodologia POE demanda demonstração de um experimento qualitativo pelo professor. Na primeira etapa, pede-se ao estudante que faça previsões sobre um evento e as justifique com base em conhecimentos prévios. Na etapa de observação, o aluno realiza ou observa o evento e compara suas previsões com os resultados. Na etapa de explicação, o aluno tenta explicar as diferenças entre o previsto e o observado. Sasaki e Jesus (2016, p. 2) apontam que o conflito cognitivo entre previsão e observação pode estimular a curiosidade e o interesse dos alunos.

Para maximizar o potencial da metodologia POE, recomenda-se a formação de pequenos grupos, favorecendo a interação e a troca de ideias. Sasaki e Jesus (2016, p. 2) afirmam que o ensino por investigação é mais eficiente em grupos pequenos, pois aumenta a interatividade entre os alunos. No ensino por investigação, o professor deve ter cautela em suas intervenções, priorizando as manifestações dos alunos. A liberdade de expressão é crucial para o estímulo ao aprendizado. Aparatos experimentais são vitais, pois permitem a abordagem dinâmica e prática de conceitos, confrontando-os com fenômenos reais. Borges (2002, p. 295) enfatiza que 'o importante não é a manipulação de objetos, mas o envolvimento comprometido com a busca de soluções articuladas.'

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Manter os alunos informados sobre o que precisam fazer e quais atividades ocorrerão é essencial para evitar desvios e garantir resultados precisos. A metodologia POE integra componentes estratégicos para promover o ensino por investigação, oferecendo liberdade intelectual aos alunos ao longo das três etapas: previsão, observação e explicação. A etapa de previsão deve ser livre de informações externas para evitar interpretações tendenciosas. Formulários com questões podem ajudar a guiar discretamente o raciocínio dos alunos, preservando suas hipóteses para posterior comparação com os resultados observados. Borges (2002, p. 303) sugere estruturar atividades como investigações abertas, sem direção rígida por roteiros ou instruções. Antes de iniciar a etapa de previsão, é crucial que os alunos façam uma análise baseada apenas em seu conhecimento prévio, sem qualquer interferência externa que possa direcionar suas conclusões. Isso preserva a originalidade das previsões e fornece um ponto de partida genuíno para o processo investigativo. Na etapa de observação, os alunos devem confrontar suas previsões com o fenômeno real. Essa etapa é fundamental, pois é quando ocorrem os conflitos cognitivos entre o previsto e o observado, que são cruciais para o aprendizado significativo. Experimentos de ondulatória, como a observação de padrões de interferência ou a medição de frequências de ondas em diferentes meios, fornecem oportunidades ideais para esses momentos de confronto entre teoria e prática, estimulando o desenvolvimento do pensamento crítico.

Durante a etapa de explicação, os alunos são encorajados a articular suas observações e compreender as razões por trás das discrepâncias entre o previsto e o observado. Isso promove a consolidação do conhecimento e o desenvolvimento de habilidades de argumentação e justificativa científica. O sucesso do ensino por investigação e da metodologia POE depende da criação de um ambiente de aprendizagem que valorize a participação ativa e a liberdade intelectual dos alunos. A aplicação prática desses métodos no estudo de ondulatória, por meio de experimentos como a análise de ondas de luz e som, reforça a relevância dos conceitos físicos, tornando-os mais acessíveis e compreensíveis para os alunos. A integração de práticas investigativas no ensino de ondulatória, portanto, não apenas promove um aprendizado mais profundo dos conceitos, mas também prepara os alunos para a aplicação desses conhecimentos em contextos experimentais reais.

## Sequência Didática

A metodologia descrita foi desenvolvida para turmas em regime presencial em um momento pós pandemia, permitindo aos alunos uma observação próxima do fenômeno produzido pelo Estrobocorda, e maior interação durante as atividades. O uso adequado do Estrobocorda, alinhado a uma sequência didática planejada, é crucial para o sucesso da proposta, que visa ao comprometimento dos alunos e à promoção de um ambiente de reflexão.

A sequência didática é uma sugestão, permitindo que o docente a adapte conforme as peculiaridades de cada turma. A metodologia de ensino por investigação POE foi selecionada, sendo aplicada a um formulário de questões distribuído aos alunos. O professor deverá preparar o ambiente de aula e organizar a turma em grupos de até cinco alunos, garantindo boa visibilidade do aparato experimental.

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Antes de iniciar as atividades, o professor deve enfatizar que, para que o objetivo da atividade não seja comprometido, neste primeiro momento da atividade, não será permitido interação entre os alunos e de que não há limite de tempo para a escrita das respostas. Além disso, informará que o formulário que estará sendo distribuído neste momento e que cada questão, logo após sua leitura, deverá ser respondida individualmente de forma escrita no espaço destinado para tal, no referido formulário, e que em seguida será utilizado o aparato experimental para produzir a situação abordada na questão, para que possam observar e contestar suas opiniões dentro dos grupos, gerando conclusões. Por fim, deverá ser disponibilizado um momento para que cada grupo manifeste suas conclusões. É de suma importância deixar claro que nesta primeira etapa, do "predizer", é possível, caso seja de interesse do professor, permitir o registro de hipótese por pequenos grupos, já que estudos indicam que o conhecimento também pode ser construído de forma coletiva. Segundo Rocha e Faria (2020, p. 33), 'as evidências de aprendizagem vêm do aprimoramento das explicações individuais ou do grupo decorrente da colaboração e do compartilhamento de significados.' As questões que norteiam as atividades são as seguintes:

- 1 -Que efeito seria produzido pelas fitas de LED se o potenciômetro que regula o tempo apagado dos LEDs estivesse posicionado no mínimo? E no máximo?
- 2 -Que efeito seria produzido pelas fitas de LED se o potenciômetro que regula o tempo aceso dos LEDs estivesse posicionado no mínimo? E no máximo?
- 3 -O que visualizaríamos caso ocorra um casamento de frequências entre LED piscando e corrente girando?

Como dito previamente, o professor deve promover um ambiente de discussão livre, valorizando a construção coletiva do conhecimento. A aula termina com a consolidação dos conceitos abordados, utilizando as palavras e comentários dos próprios alunos, e o recolhimento dos formulários preenchidos.

- O trabalho faz parte de uma dissertação do Mestrado Nacional Profissionalizante em Ensino de Física (MNPEF), que pode ser visto em Gonçalves, 2023. No texto completo é possível encontrar exemplos práticos que demonstram como o Estrobocorda é utilizado em cada etapa da metodologia POE, detalhando as observações esperadas. São apresentados também dados quantitativos e qualitativos mais robustos para evidenciar a eficácia do aparato no processo de ensino-aprendizagem.Há também a descrição de uma etapa prévia na SEI em que os estudantes formalizam matematicamente suas hipóteses e constroem uma situação-problema mais concreta a ser proposta no processo investigativo sobre o experimento proposto.

## Relato de Experiência - Aplicação do produto em sala de aula

Uma aplicação que merece destaque ocorreu em 06 de dezembro de 2022, no laboratório do Programa de Educação Tutorial (PET) Física, com sete alunos da turma de Física Experimental III. O laboratório esteve disponível alguns minutos antes da aula, permitindo a preparação do local e dos materiais. Foram identificados cuidados importantes, como a posição do Estrobocorda para uma melhor observação pelos alunos, e a necessidade de proximidade com a fonte de energia,

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destacando a utilidade de uma extensão elétrica. A luminosidade da sala também foi considerada, já que nem todas as salas possuem cortinas ou recursos para bloquear a luz externa. Foram utilizadas extensão e cortinas para ajustar a luminosidade, proporcionando um ambiente adequado para a atividade.

A sequência didática iniciou com uma revisão através de um processo investigativo, utilizando imagens impressas e perguntas como 'O que vem à sua mente quando olha para estas imagens?'. Isso possibilitou que os alunos identificassem o tema e relembrassem classificações básicas de ondas, sem a necessidade de uma explicação completa por parte do professor, diferenciando-se de uma aula expositiva tradicional. Respostas como 'Ondas', 'Ondas transversais' e 'Ondas eletromagnéticas' foram observadas.

A atividade investigativa começou com a restrição de interação entre os alunos na primeira etapa. Foi enfatizada a importância de registrar as hipóteses de forma detalhada, sem pressa. O professor distribuiu os formulários e informou que seriam realizadas duas atividades, sendo a primeira com duas questões e a segunda com uma única questão. Os alunos deveriam completar cada etapa do método investigativo POE para cada questão, antes de avançar para a próxima.

A primeira questão durou cerca de 7 minutos para ser concluída, quando o último aluno terminou seu registro. Durante este período, enquanto alguns alunos completavam suas respostas, surgiram conversas paralelas, o que exigiu uma intervenção mais firme do professor para manter a disciplina e o ambiente adequado para o aluno que ainda estava respondendo. Após completarem a primeira etapa, a curiosidade e interação entre os alunos aumentaram, com trocas de comentários como 'Frequência' e 'Frequência ficará mínima'.

Na segunda etapa, o fenômeno foi demonstrado com o Estrobocorda, ajustando o potenciômetro para produzir diferentes efeitos visuais nos LEDs, que foram mostrados aos alunos em várias repetições para garantir a observação detalhada. Durante a terceira etapa, os alunos discutiram suas hipóteses e observações, buscando explicar as conclusões alcançadas. A maioria ratificou suas hipóteses na primeira situação, mas houve divergências na segunda, com alguns alunos equivocadamente afirmando que os LEDs ficariam apagados continuamente.

A discussão entre os grupos permitiu que muitos alunos ajustassem suas concepções, embora alguns ainda demonstrassem confusão. Esse processo aumentou o interesse para a próxima questão, evidenciando o impacto positivo do método investigativo. Observou-se também a importância de o professor manter o foco nas intervenções, sem fornecer respostas diretas, para preservar o objeto de aprendizagem da metodologia investigativa. Foi sugerido pelo professor convidado o uso de negrito para as palavras 'aceso' e 'apagado', facilitando a interpretação das questões.

Na segunda questão, a restrição de comunicação durante a primeira etapa foi novamente reforçada. A rapidez no registro das hipóteses indicou um ganho de confiança dos alunos em relação à primeira atividade. A segunda etapa envolveu a observação, onde os alunos se depararam com contradições, mas buscaram ativamente relacionar as observações com suas hipóteses. Notou-se que alguns alunos que acertaram na primeira questão tiveram dificuldades nesta, mas rapidamente ajustaram suas conclusões nas etapas seguintes.Na última etapa, os grupos apresentaram explicações coerentes e alinhadas com as observações feitas. Houve alinhamento na compreensão de que os potenciômetros ajustam o tempo em

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que os LEDs permanecem acesos ou apagados, sem influência mútua. As conclusões permitiram que os alunos confrontassem e ajustassem suas concepções pré-existentes sobre frequência e período, o que foi reforçado com perguntas adicionais do professor, como 'O que está ocorrendo no meio da corda?', estimulando os alunos a identificar interferências construtivas e destrutivas.

Na questão única da Atividade 2, que envolvia o movimento da corda, o professor apresentou o Estrobocorda em funcionamento para auxiliar na compreensão do solicitado. Durante a primeira etapa, os alunos demonstraram um alto nível de concentração, utilizando toda a experiência adquirida para formular suas hipóteses. Essa etapa demandou mais tempo, indicando um aprofundamento no processo investigativo.

Antes da segunda etapa, os alunos foram questionados sobre o que esperavam observar, respondendo com suposições como 'interferência' e 'casamento de frequência é o mesmo que frequências iguais?'. Durante a observação, o ajuste do Estrobocorda sob diferentes condições de iluminação revelou uma onda aparentemente parada, embora a corda estivesse em movimento contínuo. Esse fenômeno gerou uma combinação de comentários entusiásticos e momentos de silêncio, indicando um forte engajamento e surpresa.

Na etapa de explicação, a maioria dos alunos conseguiu articular corretamente o fenômeno observado, embora muitos tivessem registrado hipóteses divergentes inicialmente. Isso reforçou o impacto positivo da atividade em ajustar as concepções dos alunos, promovendo um aprendizado dinâmico e autônomo. Ao final, o professor recolheu os formulários para análise futura e reforçou os conceitos utilizando as próprias palavras dos alunos. Com o tempo restante, foi oferecida a oportunidade de manusear o Estrobocorda, encorajando os alunos a interagir com o equipamento, superando hesitações e reforçando o aprendizado prático.

## Considerações finais

Além do aparato experimental, foi elaborada uma sequência didática para aplicação do Estrobocorda em sala de aula, fundamentada no ensino por investigação. A intenção é explorar todos os recursos oferecidos pelo Estrobocorda, estimulando o processo de ensino-aprendizagem de forma dinâmica e objetiva, despertando curiosidade, interesse, e promovendo a formulação de concepções lógicas baseadas em teoria e prática. Com a sequência didática sugerida neste trabalho, o aplicador poderá abordar conceitos relacionados a ondas de uma maneira não-tradicional, otimizando o tempo em sala de aula com eficiência. A metodologia utiliza não apenas o Estrobocorda, mas também figuras e formulários com questões específicas que buscam confrontar o raciocínio lógico dos alunos com os pré-conceitos adquiridos em suas vidas acadêmicas e pessoais. Isso pode levar à reformulação ou confirmação de conceitos já existentes sobre ondas, ou ao aprendizado de novos conteúdos, todos consolidados nos parâmetros acadêmicos atuais.

O Estrobocorda foi aplicado também em aulas para turmas de graduação no Instituto Federal do Sudeste de Minas - Campus Juiz de Fora, onde foi possível coletar dados que foram analisados, levando a conclusões otimistas em comparação com o ensino tradicional. A coleta de dados foi realizada por meio de formulários distribuídos aos alunos para o registro de suas respostas ou hipóteses, complementados pelas observações do professor. Foi observado um engajamento

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significativo por parte da maioria dos alunos, que demonstraram curiosidade e interesse em compreender os fenômenos apresentados, frequentemente interagindo com perguntas e tentativas de explicações, como "O que acham que está acontecendo?" e "Por que?". Esse envolvimento manteve os alunos focados na aula e ajudou a inibir distrações.

Por fim, há incertezas durante a aplicação, especialmente quanto à participação efetiva dos alunos, o que só pode ser confirmado nas etapas seguintes. Essa situação gera um desafio para o professor, que deve resistir à tentação de intervir ou explicar os conceitos antes do momento adequado, preservando o caráter investigativo da metodologia. Apesar dessas dificuldades, o ambiente da aula se mostrou descontraído e positivo, com reações entusiásticas por parte dos alunos em vários momentos, como evidenciado por frases como "Não falei que era isso!", "Pensei que isso acontecia por outro motivo.", "Nunca vi nada parecido." e "Muito legal." Esses resultados reforçam a ideia de que o ensino por investigação é desafiador, mas capaz de gerar impactos surpreendentemente positivos, incentivando os alunos a aprenderem de forma descontraída e envolvente conteúdos que tradicionalmente não despertam tanto interesse.

## Referências

BORGES, A. Tarcísio. Novos Rumos para o Laboratório Escolar de Ciências+* - Caderno. Brasileiro de Ensino de Física, v. 19, n.3: p.291-313, 2002.

CARVALHO, A. M. P. Fundamentos Teóricos e Metodológicos do Ensino por Investigação Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências - 18(3), 765-794, dezembro, 2018.

COSTA, David Gadelha e AMARAL, Edenia Maria Ribeiro. O Ensino por Investigação e a Pedagogia Libertadora de Paulo Freire: Analisando Articulações Pedagógicas Possíveis, 2022.

MOREIRA, Marcos Antônio. Desafios no ensino de física - Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 43, suppl 1, 2021.

SASAKI &amp; JESUS Avaliação de uma metodologia de aprendizagem ativa em óptica geométrica através da investigação das reações dos alunos - Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 39, no 2, 2017.

ROCHA, D.; FARIA, A. Concepções de aprendizagem nas Pesquisas em Ensino de Física que lidam com pequenos grupos - Revista de Enseñaza de la Física, vol. 2, no 1, 2020.

GONCALVES, Jonatha Tavares. Estrobocorda: um aparato experimental para o ensino de ondas e assuntos relacionados. 2023. Dissertação (Mestrado Profissional em Ensino de Físca) - Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal de Juiz de Fora, 2023. Disponível em https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16448, Acesso em 22/10/24

## Agradecimentos

O autor BG agradece ao FNDE pelo suporte financeiro para desenvolvimento do trabalho, pelo vínculo com o Programa de Educação Tutorial.

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