APLICAÇÃO DE UMA ATIVIDADE EXPERIMENTAL SOBRE ÓPTICA GEOMÉTRICA UTILIZANDO A VIDEOANÁLISE NO ENSINO A DISTÂNCIA

## APLICAÇÃO DE UMA ATIVIDADE EXPERIMENTAL SOBRE ÓPTICA GEOMÉTRICA UTILIZANDO A VIDEOANÁLISE NO ENSINO A DISTÂNCIA

Giovana da Silva Cardoso 1 , Lucas Sigaud 2 , Germano Malioli Penello 3 , Wagner Moreira 4 , Katherine Maslova 5 , Vitor Luiz Bastos de Jesus 6

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ)/ giovana.cardoso@ifrj.edu.br

- 2 Universidade Federal Fluminense (UFF)/Instituto de Física/lsigaud@id.uff.br

3 Universidade de São Paulo (USP)/Instituto de Física/gpenello@if.usp.br

- 4 Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)/Instituto de Física/wagner.fisica.ufrj@gmail.com
- 5 Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)/Instituto de Física/katherinedefante@gmail.com
- 6 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ)/vitor.jesus@ifrj.edu.br

## Resumo

A videoanálise permite a investigação de experimentos de física que antes seriam difíceis de serem realizados por equipamentos didáticos tradicionais, a partir da exploração de quadros (frames) de vídeos, obtendo dados de posição como função do tempo. Para este estudo, apresentamos os resultados de uma atividade avaliativa experimental a distância utilizando a videoanálise no estudo de óptica geométrica, especificamente o conteúdo da refração da luz. Esta foi aplicada aos estudantes dos cursos de licenciaturas em biologia, física, matemática, química, engenharias de produção e meteorológica inscritos na disciplina de Introdução às Ciências Físicas I do Centro de Educação Superior a Distância do Estado do Rio de Janeiro (CEDERJ). A atividade é composta de um vídeo e questões para que os estudantes identifiquem e meçam os raios de luz incidente, refletido e refratado, meçam os ângulos de incidência, reflexão e refração, e calculem o índice de refração da lente semicircular utilizando a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração. Parte das avaliações realizadas pelos estudantes foram selecionadas, discutidas e apresentadas como resultado deste trabalho. A versatilidade da atividade permite sua adaptação para diferentes níveis de ensino, desde o ensino médio até a educação superior, tornando-se uma ferramenta útil para futuros professores de física que desejam integrar práticas experimentais com o uso de tecnologias digitais em suas estratégias pedagógicas, ou que porventura não tenham acesso a um laboratório de óptica em sua instituição.

Palavras-chave : ensino a distância, videoanálise, óptica geométrica.

## Introdução

Este trabalho visa descrever uma atividade avaliativa de óptica geométrica usando a videoanálise para cursos na modalidade a distância. A utilização dessa ferramenta ocorre há duas décadas no ensino de física, mas poucos trabalhos foram publicados sobre práticas de ensino de óptica geométrica. Por exemplo, Maslova e Pérez (2019) construíram um banco óptico para estudar a difração da luz em fendas únicas e duplas utilizando a videoanálise, e Silva et al . (2024) aplicaram uma atividade sobre o

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

Princípio de Fermat em duas turmas do ensino médio. Além desses, Oliveira e De Jesus (2022) abordaram as vantagens das tecnologias baseadas em vídeos para a realização de atividades experimentais e para a compreensão de conceitos de óptica. As pesquisas de Rodrigues e Carvalho (2014) e de Oliveira e De Jesus (2022) trouxeram contribuições para este campo e abordaram as vantagens das tecnologias baseadas em vídeos para a realização de atividades experimentais e para a compreensão de conceitos de óptica. Por isso, neste estudo, foi utilizada a videoanálise no contexto da óptica geométrica para uma atividade experimental.

A utilização de atividades experimentais favorece a interação entre os estudantes e o professor, além de proporcionar experiências práticas de conceitos físicos apresentados na teoria (Couto, 2009). Além disso, pode oferecer ao aluno um maior contato com a realidade e o conteúdo escolar, além de permitir que ele seja protagonista na aprendizagem (Benfica e Prates, 2020). Outros exemplos de atividades experimentais no ensino de física são as que exploram materiais de baixo custo e as que usam as Tecnologias Digitais de Comunicação e Informação (TDIC) (De Jesus e Sasaki, 2014; Maslova e Pérez, 2019), que são consideradas fortes aliadas para o processo de ensino-aprendizagem nas diversas áreas do conhecimento (Lapa e Belloni, 2012).

## Materiais e métodos

O vídeo 1 a ser utilizado foi gravado usando um goniômetro de base móvel, uma lente semicircular e um feixe de luz branca. Para a gravação, o laboratório foi mantido à meia-luz para permitir a leitura dos ângulos registrados no goniômetro e, ao mesmo tempo, permitir que os raios de luz da fonte permanecessem visíveis. Com isso, o aparato experimental foi parcialmente isolado da luz ambiente, como pode ser visto na Figura 1, onde o smartphone foi posicionado embaixo da cobertura escura, paralelo ao plano do goniômetro.

Figura 1: Montagem do experimento para filmagem. O smartphone foi posicionado embaixo da cobertura escura, paralelo ao plano do goniômetro.

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A filmagem foi feita com vista superior do experimento, utilizando um suporte para o smartphone . O vídeo disponibilizado para os estudantes pode ser analisado utilizando

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qualquer programa de visualização de vídeos. Um quadro ( frame ) do vídeo pode ser visto na Figura 2, à esquerda.

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Figura 2: Esquerda: Um frame retirado do vídeo disponibilizado para os alunos. Direita: Uma possível resolução da primeira questão da Atividade a Distância.

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## Descrição da atividade

A Avaliação a Distância (AD) foi baseada em um experimento obrigatório, realizado em laboratório nos polos, presencialmente, com os estudantes da disciplina de Introdução às Ciências Físicas (ICF1) e tutores presenciais. Foi planejada para fazer parte das avaliações formativas a distância da disciplina (Sarmiento, Penello e Sigaud, 2020) e avaliar os conhecimentos dos estudantes sobre a reflexão e a refração da luz após as atividades laboratoriais. Tanto o vídeo quanto as questões da AD foram disponibilizados aos estudantes no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA) de ICF1, bem como as instruções de envio e prazos.

A disciplina de ICF1 é ofertada para os cursos de licenciaturas em biologia, física, matemática e química, e engenharias de produção e meteorológica do Centro de Educação Superior a Distância do Estado do Rio de Janeiro (CEDERJ) e aprofunda o conteúdo de física abordado no ensino médio, propondo atividades experimentais que busquem a reflexão sobre o método científico, além da observação dos fenômenos, a relação de ideias e a construção de analogias para a produção de conhecimento em física (Almeida; Barroso; Magalhães, 2009).

A atividade foi dividida em oito questões e planejada de modo que a compreensão do conteúdo fosse construída ao longo do questionário. Na primeira questão da atividade, esperávamos que os estudantes demonstrassem compreensão sobre a base conceitual necessária para o entendimento do conteúdo, reconhecendo a reta normal, os raios incidentes, refletidos e refratados, e seus ângulos. Neste momento inicial, não era necessário realizar medições ou cálculos, apenas fazer um desenho esquemático. Como o vídeo foi disponibilizado aos estudantes sem cortes, eles tinham a autonomia para escolher os ângulos de incidência que preferissem, de acordo com os frames selecionados do vídeo. Se o estudante escolhesse um frame no final do vídeo, em que só é possível visualizar os raios incidente e refletido, percebe-se que o estudante não compreendeu o que foi solicitado. Nessa parte do vídeo, o feixe sofre reflexão

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total e não há feixe refratado. Almejava-se uma resposta como a Figura 2, à direita. Ressaltamos que, caso o estudante preferisse, também era possível baixar o vídeo, imprimir um frame dele mantendo a escala e fazer as anotações a mão. Os estudantes foram informados que, caso a imagem fosse impressa, a escala precisaria ser mantida.

Na segunda questão, foi pedido aos estudantes que realizassem uma leitura quantitativa dos ângulos solicitados, utilizando o frame escolhido anteriormente, assim como as respectivas incertezas e justificativas. Os estudantes que não identificassem corretamente os raios e ângulos da questão anterior possivelmente não resolveriam esta questão com êxito. A discussão que esperávamos neste momento era sobre os critérios que os estudantes utilizaram para a determinação da incerteza. O fato dos raios incidente, refletido e refratado possuírem espessuras diferentes seria uma possível justificativa para estimar as incertezas da medição, não necessariamente iguais entre si.

Na questão 3, o estudante deveria utilizar os dados obtidos na questão anterior para calcular o índice de refração da lente utilizada, assim como a incerteza associada. As equações para o cálculo da incerteza para este caso são apresentadas no material didático do estudante.

As questões 4 e 5 são similares às questões 1 e 2, respectivamente. Porém, solicitouse que as medidas fossem refeitas mais três vezes, cada uma com um ângulo diferente. As questões 1 e 2 tinham a expectativa de que o estudante construísse o conhecimento passo-a-passo e de que identificássemos em qual ponto houve dificuldade. Por exemplo, se o estudante não realizou a primeira questão, não há compreensão suficiente para fazer as outras. Se os estudantes não conseguiram resolver a segunda questão corretamente, pode ter havido uma dificuldade na leitura de ângulos ou no entendimento das incertezas. Caso a terceira questão não tenha sido resolvida corretamente, então houve dificuldades com os cálculos matemáticos, apesar da compreensão do conceito físico e da medição correta dos ângulos.

Na questão 6, os estudantes deveriam produzir um gráfico e reconhecer que a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão é uma função identidade, respeitando a proporção constante entre esses ângulos, como previsto pela Lei da Reflexão. Já na questão 7, eles deveriam perceber que o resultado da disposição dos valores dos senos dos ângulos de incidência e de refração em um gráfico, produzido por eles, resultaria em uma reta. Isto ocorre, naturalmente, porque a Lei de SnellDescartes estabelece uma relação diretamente proporcional entre os senos desses ângulos. Nessas questões, era esperado que ocorressem dois tipos de dificuldades: o estudante poderia não saber fazer um gráfico e/ou não saber interpretá-lo. Essas dificuldades seriam independentes das outras questões que o estudante deveria realizar.

## Resultados e discussão

Para a análise das oito questões, optamos pelo uso de códigos a fim de identificar os erros, conforme a Tabela 1. A partir disso, elaboramos a Tabela 2, elencando nove colunas para cada estudante - identificados com números para preservar o anonimato - com informações sobre os erros cometidos e a respectiva nota final na atividade. Como há questões semelhantes entre si - a saber, os pares 1 e 4, 2 e 5, 3 e 8, e 6 e 7 - os resultados foram analisados simultaneamente.

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Tabela 1: Tipos de erros associados às questões.

Tabela 2: Erros cometidos por questão para cada atividade avaliada

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As questões 1 e 4 tinham um caráter qualitativo e conceitual. Dos 29 estudantes avaliados, sete conseguiram fazer as questões conforme o que havia sido solicitado. Outros sete não pontuaram nestas questões, sendo que cinco destes não pontuaram a atividade como um todo. Os 15 alunos restantes deixaram de marcar raios e/ou ângulos.

Porém, ao analisar as questões 2 e 5 destes 15 estudantes, afirmamos que conseguiram respondê-las, mesmo apresentando erro de incerteza e/ou justificativa. Isso significa que os erros das questões 1 e 4 puderam ser interpretados como falta de atenção, acarretando esquecimento de desenhar e nomear raios e ângulos, ainda que as medidas dos ângulos das questões 2 e 5 tenham sido feitas corretamente. Assim, para a maioria dos estudantes da disciplina, que realizaram a atividade, a parte conceitual da física foi compreendida, mas, ainda assim, excetuando os estudantes que não pontuaram a atividade, os demais tiveram erros quanto à incerteza e/ou justificativa da incerteza da medição dos ângulos. Como esta atividade é aplicada para diferentes cursos e em diferentes momentos de formação, percebemos que a estimativa de incertezas precisa ser melhor discutida em tutorias e outras atividades.

Já nas questões 3 e 8, mais uma vez excetuando os estudantes que obtiveram zero pontos, apenas dois não conseguiram realizar o cálculo do índice de refração em ambas as questões, o que consideramos um erro matemático mais grave. Dos 29 estudantes, sete efetuaram pelo menos uma das questões por completo. Retirando estes sete e os que não pontuaram nada, 14 dos 15 estudantes restantes tiveram dificuldade quanto ao arredondamento da questão 3. Embora matematicamente o arredondamento seja conceitualmente simples, é possível imaginar que o erro dos estudantes não esteja de fato no arredondamento. Como estes estudantes tiveram dificuldades com as incertezas nas questões anteriores, a falha se propaga para estas questões, pois o arredondamento do número certo de casas decimais utilizadas dependia diretamente das incertezas obtidas para as medições dos ângulos

Por fim, para as questões 6 e 7, mesmo sem considerar os estudantes que não pontuaram a atividade, oito obtiverem zero pontos em pelo menos um dos gráficos, seis cometeram erros em, no mínimo, um gráfico e oito estudantes tiveram erros conceituais e/ou de justificativa. Ainda assim, cinco conseguiram realizar as duas questões por completo. Esses erros nos mostram que há áreas específicas onde os estudantes encontram dificuldades, indicando a necessidade de reforço ou revisão nos conceitos e habilidades relacionados à elaboração e interpretação de gráficos e justificativas conceituais.

Alguns trabalhos apontam que o uso de gráficos para explicar conceitos físicos é importante para os estudantes compreenderem os conteúdos abordados (Beichner, 1994; Agrello; Garg, 1999). Neste estudo, observamos que pelo menos uma parte dos estudantes não indicou as informações de um gráfico de dispersão, como evidenciado na Figura 3, à esquerda. Na mesma figura, à direita, o estudante não indicou os valores do seno do ângulo de incidência no eixo vertical e os valores dos senos dos ângulos de refração no eixo horizontal.

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Figura 3 : Esquerda: Gráfico da questão 6 do aluno 7. Outros alunos apresentaram erro semelhante. Direita: Gráfico da questão 7 do aluno 5

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Entretanto, mesmo aqueles que fizeram corretamente os gráficos, tiveram alguma dificuldade ao extrair informações deles e justificar suas respostas, como pode ser visto na Tabela 2. A necessidade de utilizar as ferramentas de cálculos matemáticos (Okuno; Caldas; Chouw, 1982; Hewitt; 1998), pode ser considerada mais uma dificuldade apontada na realização das questões pelo estudante.

## Considerações finais

Este trabalho permitiu aos estudantes realizar uma atividade experimental a distância para medir raios de luz incidente, refletido e refratado, além de calcular o índice de refração da lente semicircular.

Para os estudantes analisarem seus resultados de maneira aprofundada, solicitou-se que organizassem as informações em um gráfico, a fim de extrair as relações entre os ângulos de incidência e reflexão (Lei da Reflexão) e entre os senos dos ângulos (Lei de Snell-Descartes). Os resultados das correções das questões 1 e 4, nas quais os estudantes obtiveram mais pontos, estavam diretamente relacionados com as tarefas que observaram durante a prática de laboratório presencial da disciplina de ICF1. Isso sugere a possibilidade de que foi estabelecida uma relação entre a prática no laboratório e a atividade descrita neste texto. Por outro lado, os resultados das correções das questões 6 e 7 mostraram que alguns estudantes têm dificuldades fundamentais em apresentar dados em um gráfico, e mesmo aqueles que foram bem sucedidos nesta tarefa encontraram dificuldades em extrair informações do mesmo.

Em relação aos conceitos físicos, a maioria dos estudantes não apresentou falhas conceituais ao apontar e identificar os fenômenos físicos envolvidos nos processos da refração e reflexão da luz. No entanto, a qualidade das respostas decresce quando o formalismo matemático se torna necessário. As cinco maiores notas das avaliações analisadas são justamente as dos estudantes que responderam corretamente às questões 6 e 7, relativas a gráficos e interpretações, enquanto as menores notas são daqueles que demonstraram dificuldades com o ferramental matemático necessário para a realização da atividade.

Concluímos que a atividade proposta pode ser implementada em programas de ensino de óptica geométrica, tanto no ensino médio quanto superior, presencial ou à distância. Nesse relato temos o CEDERJ como foco por proporcionar uma dificuldade inerente ao ensino a distância, sendo o contato professor-estudante, e um número

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grande de estudantes por semestre, criando um grande conjunto amostral que pode ser acompanhado ao longo de sucessivos períodos. No entanto, uma vez que seja uma prática experimental a ser feita individualmente e fora do ambiente de ensino por meio da videoanálise, pode ser implementada em outros contextos sem grandes modificações.

## Referências

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ALMEIDA, M. A.; BARROSO, M. F. MAGALHÃES, S. D. de. Introdução às Ciências Físicas I . 3.ed. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2009.

BEICHNER, R. Testing student interpretation of kinematics graphs. American Journal of Physics , v. 62. n. 8, 1994.

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