EXPERIMENTOS EMPÍRICOS VERSUS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS: UMA CONTROVÉRSIA NO ENSINO DE FÍSICA

## EXPERIMENTOS EMPÍRICOS VERSUS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS: UMA CONTROVÉRSIA NO ENSINO DE FÍSICA EMPIRICAL EXPERIMENTS VERSUS COMPUTATIONAL SIMULATIONS: A CONTROVERSY IN PHYSICS TEACHING

Leonardo Albuquerque Heidemann 1 , Ives Solano Araujo , Eliane Angela Veit 2 3

1 Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, RS, Brasil, leonardo@heidemann.com.br.

2 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, RS, Brasil, ives@if.ufrgs.br.

3 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, RS, Brasil, eav@if.ufrgs.br.

## Resumo

Com a popularização dos computadores, as Atividades baseadas em Simulações Computacionais (ASC) se tornaram uma alternativa atraente para os professores de Física. Por outro lado, a manipulação de instrumentos concretos, tanto para o desenvolvimento de habilidades manuais como para evidenciar a aplicabilidade dos conteúdos, é vista como algo muito importante pelos docentes. Neste trabalho, propomos uma reflexão destacando as diferenças entre as potencialidades das Atividades Práticas de Laboratório (APL) e das ASC, assim como apresentamos uma discussão relacionando as combinações de tais recursos com o ensino focado no processo de modelagem científica. Defendemos que essas integrações podem ser úteis para enfatizar aos estudantes as diferenças substanciais entre os modelos teóricos e os fenômenos físicos. Nosso objetivo primordial é o de amparar os professores de Física que se deparam com o dilema de conduzir ASC utilizando computadores, que cada vez mais fazem parte do cotidiano de seus alunos, ou conduzir APL, onde os estudantes tem contato direto com toda a complexidade dos fenômenos estudados. Para o desenvolvimento de nossa reflexão, nos valemos dos resultados de algumas das principais investigações que têm sido desenvolvidas com o intuito de avaliar as potencialidades das APL e das ASC. Visto que, majoritariamente, elas têm apontado melhores resultados com ASC, o que naturalmente sugere que elas podem substituir as APL no ensino de Física, estendemos nossa discussão refletindo sobre esses controversos resultados amparados em recentes investigações que têm se focado em avaliar combinações de APL e ASC. Concluímos, então, que tais ferramentas devem ser tratadas como complementares, promovendo nos alunos uma melhor compreensão conceitual dos conteúdos de Física do que cada uma delas isoladamente.

Palavras-chave : atividades experimentais, atividades computacionais, modelagem computacional.

## Abstract

Computer-based Simulations Activities (CSA) has become an attractive alternative for physics teaching since the computers popularization. On the other hand, teachers see the manipulation of concrete tools for the development of manual skills and to demonstrate the applicability of the contents as very important. In this paper we propose a reflection, highlighting the differences between the potential of Laboratory Practical Activities (LPA) and CSA, as well a discussion relating the combinations of such resources on the process of scientific modeling in an educational point of view. We

argue these integrations can be useful to emphasize for the students substantial differences between theoretical models and physical phenomena. Our primary objective is to support teachers of physics who face the dilemma of conduct CSA using computers, that increasingly are part of everyday life for their students, or conduct LPA, where students have direct contact with all complexity of the phenomena studied. For the development of our thinking, we make use of the results of some major investigations that have been developed in order to evaluate the potential of CSA and the LPA. Because, mostly, they have shown better results with CSA, which of course suggests that they may replace the LPA in the physics teaching, we extend our discussion by reflecting on these controversial results supported by recent investigations that have focused on evaluating combinations of LPA and CSA. We conclude that such tools should be treated as complementary, fostering in students a better conceptual understanding of physics content than each of them separately.

Keywords : experimental activities, computational activities, computational modeling.

## Introdução

Quase 100 milhões de unidades! Esse é o número de computadores em uso somente no Brasil em 2012 (FGV, 2012). Tal dado evidencia como os computadores vêm adquirindo um papel de destaque no cotidiano das pessoas. Naturalmente, devido às suas potencialidades, o computador também tem sobressaído como um recurso importante para auxiliar no aprendizado de estudantes nos mais diversos níveis e disciplinas. No ensino de Física, de modo particular, o uso de Atividades baseadas em Simulações Computacionais (ASC) tem ganho grande notoriedade, e, para alguns pesquisadores, elas podem até mesmo substituir Atividades Práticas em Laboratório (APL) sem prejuízos aos alunos (CHEN, 2010). Por outro lado, é frequente que professores atribuam grande importância para a interação dos estudantes com materiais concretos (HODSON, 1994; HEIDEMANN, 2011). Mas será mesmo fundamental para o ensino de Física que os alunos explorem experimentos empíricos? Ou será que as APL podem ser substituídas pela manipulação de simulações computacionais sem prejuízo do aprendizado de Física pelos estudantes? Para se buscar respostas para essas perguntas, devemos entender as potencialidades e as limitações dessas alternativas didáticas. Buscando fomentar uma discussão sobre as relações entre APL, ASC e o ensino de Física, começamos este trabalho destacando algumas das potencialidades desses recursos mais ressaltadas na literatura. No entanto, antes de mais nada, é importante que tornemos claro o significado que atribuímos aos termos APL e ASC.

Dentre as diversas possibilidades existentes para o desenvolvimento de atividades com simulações computacionais, neste trabalho restringimos a expressão 'atividades baseadas em simulações computacionais' para designar atividades em que os alunos interagem com uma simulação computacional individualmente ou em pequenos grupos. Nessa definição, não delimitamos a forma como a atividade é estruturada, ou seja, se elas são dirigidas, abertas, exploratórias ou expressivas. No entanto, não abarcamos nesse termo demonstrações realizadas pelo professor com um projetor, por exemplo. De modo similar ao que utilizamos para definir ASC, a expressão 'atividades práticas em laboratório' será usada neste trabalho para designar atividades em que os alunos interagem com um experimento empírico em pequenos grupos. Novamente, não delimitamos a forma como a atividade é estruturada, assim como os instrumentos que são utilizados. Nesse caso, atividades de videoanálise ou com

aquisição automática de dados, que implicam no uso de computadores, são englobadas nessa categoria, pois envolvem a interação dos alunos com experimentos empíricos. Não abarcamos nesse termo demonstrações realizadas pelo professor.

Após tratarmos das potencialidades das ASC e das APL, apresentamos neste trabalho alguns argumentos defendendo combinações de APL e ASC como uma forma mais eficaz para se ensinar Física. Por fim, destacamos como essas integrações podem ser desenvolvidas com o intuito de enfatizar aos estudantes o caráter aproximativo dos modelos teóricos, promovendo neles uma melhor concepção sobre o fazer Ciência.

## Potencialidades das Atividades Práticas de Laboratório

A busca por experimentos que corroborem seus modelos teóricos sempre foi uma atividade que permeou o desenvolvimento da Física. Possivelmente em função disso as APL têm sido continuamente tratadas pelos pesquisadores como algo intrínseco ao ensino de Física. Como consequência, desde as primeiras investigações produzidas na área, pesquisas sobre os efeitos de APL na aprendizagem dos alunos assumiram posição de destaque. É nesse contexto que, em meados da década de 50 do século passado, foi realizado um dos mais importantes projetos com o intuito de promover um ensino de Física em que o aluno aprendesse de forma ativa por meio de experiências: o Physical Science Study Committee (HABER-SCHAIM, DODGE, GARDNER, SHORE, & WALTER, 1971) ou simplesmente PSSC, como ficou conhecido.

Embora tenha causado um grande impacto no ensino de Física e produzido materiais de notável qualidade, o PSSC foi alvo de muitas críticas, principalmente direcionadas à ideia implicitamente presente nos seus livros de que a experimentação levaria à compreensão ou, até mesmo, à redescoberta de leis científicas por parte dos alunos. Essa visão, que ainda hoje encontra adeptos, mostrou-se ser um grave equívoco epistemológico (GASPAR, 2004).

Os questionamentos enfrentados pelo PSSC evidenciaram a necessidade de que mais estudos envolvendo o uso de APL fossem realizados e hoje ele é visto por diversos pesquisadores como um marco inicial da pesquisa em ensino de Física como conhecemos hoje, ou seja, fundamentada teórico-epistemologicamente (e.g. GASPAR, 2004). Desde então, frente a tal contexto, muitos trabalhos foram produzidos com o intuito de avaliar o potencial das APL e grande parte deles tem concluído que existem vantagens no seu uso.

- O fato das APL oportunizarem uma conexão entre conceitos científicos discutidos em sala de aula e em livros-texto com observações de um fenômeno ou sistema é um dos aspectos muito destacados na literatura (HODSON, 1994; HOFSTEIN & LUNETTA, 2004). Essa conexão pode facilitar a aprendizagem e compreensão de conceitos por parte dos estudantes, além de ressaltar para os alunos as relações entre os modelos teóricos da Física e fenômenos físicos do mundo empírico. Voltaremos a tratar desse tema na seção 'Modelagem Científica e Combinações de APL e ASC'.

Diversas outras potencialidades das APL são enfatizadas na literatura. Trabalhos apontam, por exemplo, que essas atividades podem influenciar a atitude do aluno, aumentando seu interesse pela Ciência (HOFSTEIN & LUNETTA, 2004), e também podem promover relações sociais colaborativas (GASPAR, 2004). No entanto, talvez o aspecto que mais diferencie as APL das ASC seja a possibilidade de promoverem a aquisição de habilidades práticas e técnicas de laboratório. Tal potencialidade é tratada pelos pesquisadores com parcimônia. Hodson (1994), por

exemplo, questiona como o fato de usar uma pipeta corretamente possa ser transferido para outra situação de laboratório. Nessa reflexão, o autor busca defender que o trabalho prático não é necessário no sentido de desenvolver certas habilidades de laboratório nos estudantes, mas certas habilidades são indispensáveis quando se pretende engajar os estudantes em atividades práticas. Nessa mesma direção, Borges (2002) afirma que o foco durante as APL deve ser no desenvolvimento de técnicas de investigação, que são ferramentas importantes e úteis para qualquer cidadão e relacionam-se com a obtenção do conhecimento e sua comunicação. Alguns exemplos deste tipo de técnica são repetir procedimentos para aumentar a confiabilidade dos resultados obtidos e aprender a colocar e a obter informação de diferentes formas de representação - como diagramas, esquemas, gráficos, tabelas, etc. O autor destaca ainda a capacidade das APL em promover a argumentação lógica baseada em evidências, o que auxilia os estudantes a compreenderem o trabalho do cientista e a adquirirem uma concepção de Ciência mais adequada.

Assim como as APL, as ASC também apresentam uma série de características proveitosas para o ensino de Física, apresentadas na próxima seção, com destaque principalmente àquelas que as distinguem das APL.

## Potencialidades das Atividades baseadas em Simulações Computacionais

A popularização dos computadores foi um aspecto crucial para que o número de propostas que exploram seu uso para favorecer a aprendizagem de Física tenha crescido em passo acelerado nas últimas décadas. Ainda que apenas uma pequena parcela delas tenha passado por uma avaliação rigorosa, de modo similar ao ocorrido com as APL (ARAUJO, VEIT & MOREIRA, 2004), os trabalhos realizados com o intuito de avaliar o potencial das ASC têm atribuído muitas vantagens ao seu uso.

Talvez a potencialidade mais evidente das ASC seja o fato de serem uma alternativa viável para casos que envolvam experimentos potencialmente perigosos, caros, ou que, por algum motivo, não são passíveis de reprodução em laboratório (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002; HENNESSY, DEANEY, & RUTHVEN, 2006). Nesse sentido, como o ensino cada vez mais avança em direção a ideias abstratas, as experiências dos alunos relacionadas ao que está sendo estudado se tornam cada vez mais escassas. Dessa forma, as simulações podem proporcionar um ambiente em que podem ser realizados experimentos visando o desenvolvimento de conceitos abstratos da Física.

Outra potencialidade das ASC está relacionada com a possibilidade de trabalhar múltiplas representações simultâneas de determinado fenômeno físico com os alunos, indo ao encontro das ideias dos autores que destacam o domínio de ferramentas de representação como um aspecto que facilita a aprendizagem dos estudantes (e.g. HESTENES, 1996). Hennessy, Deaney e Ruthven (2006) afirmam que essa vantagem representa a superação de uma limitação imposta pela APL, já que nelas, de modo geral, as representações dos fenômenos físicos apresentadas não são simultâneas. Com isso, os estudantes apresentarão maior facilidade para explorar relações entre as variáveis do fenômeno em estudo, promovendo conexões entre os diferentes tipos de representações dos fenômenos físicos.

Ainda tratando dos aspectos que diferenciam as ASC das APL, ganha destaque o fato de elas possibilitarem a diminuição ou aumento do nível de complexidade do fenômeno a ser investigado, incluindo ou excluindo certos aspectos, adotando condições idealizadas e criando situações experimentais que permitam aos estudantes

a concentração em conceitos fundamentais (HODSON, 1994). Desse modo, o professor pode adequar a complexidade das atividades de ensino evitando uma sobrecarga cognitiva em seus alunos.

Já destacamos neste trabalho algumas das potencialidades tanto das APL como das ASC. Pode-se perceber que as vantagens apresentadas pelo uso desses recursos são distintas em diversos aspectos, o que levou pesquisadores a investigarem qual dos recursos pode promover uma melhor compreensão conceitual sobre conteúdos de Física. Na próxima seção, destacaremos alguns desses trabalhos.

## Experimentos Empíricos vs. Simulações Computacionais: qual recurso promove melhores resultados?

Grande parte dos investigadores que tem se empenhado em avaliar diferenças de desempenho entre estudantes de Física que realizam ASC ou APL tem concluído que a aprendizagem conceitual de alunos que trabalham com ASC é igual ou maior do que a dos que realizam APL (e.g. ZACHARIAS & CONSTANTINOU, 2003; FINKELSTEIN et al., 2005). Tais resultados, obtidos majoritariamente por meio de testes objetivos, podem naturalmente sugerir que as ASC têm potencial para substituir as APL, sem prejuízos aos estudantes. No entanto, até mesmo alguns dos próprios autores dessas investigações preferem não ser taxativos em relação a tal tese. Finkelstein et al. (2005), por exemplo, destacam que, com suas conclusões, não têm a intenção de defender que as APL devem ser substituídas por ASC, mas sim de destacar que a experiência prática não é necessariamente mais eficaz para promover a aprendizagem de conceitos e o desenvolvimento de habilidades para a confecção de circuitos elétricos em alunos de Física.

Zacharias & Constantinou (2008) apresentam também uma reflexão sobre seus resultados que evidenciaram performances iguais entre alunos que aprendem sobre calor com ASC e com APL. Eles defendem uma reestruturação das atividades experimentais nas aulas de Física para incluir manipulações físicas e virtuais. Com isso, ressaltam os pesquisadores, surge a necessidade de se compreender como ambos modos de experimentação podem ser integrados em sequências de atividades para o ensino-aprendizagem de Física. Nessa perspectiva, diversas pesquisas foram conduzidas com o intuito de avaliar integrações entre APL e ASC no ensino de Física. Na próxima seção, destacaremos alguns dos principais resultados dessas investigações.

## Integrações entre APL e ASC: a alternativa

São diversas as pesquisas que buscaram avaliar os resultados de combinações entre ASC e APL (e.g. RONEN & ELIAHU, 2000; ZACHARIA, OLYMPIOU & PAPAEVRIPIDOU, 2008; ZACHARIA & CONSTANTINOU, 2008; OLYMPIOU & ZACHARIA, 2011; DORNELES, ARAUJO & VEIT, 2012). Os resultados obtidos por tais pesquisas são consensuais em um ponto: a combinação desses recursos didáticos pode ser mais eficaz no ensino de Física do que o uso de apenas um deles individualmente. As vantagens apontadas por tais estudos ao uso de ASC e APL combinadas podem ser agrupadas em quatro categorias:

- · podem explorar as potencialidades de ambos os métodos de experimentação (empírica e computacional);

- · evidenciam as diferenças substanciais entre as teorias e o mundo empírico;
- · promovem a compreensão conceitual melhor do que os dois recursos isoladamente;
- · influenciam a atitude dos alunos, motivando-os e promovendo seu engajamento nas atividades propostas.

Cabe ressaltar que são muitas as possibilidades de integração entre APL e ASC. Alguns autores concretizam a combinação propondo atividades em que fazem uso concomitante das duas possibilidades; outros promovem atividades em que o aluno usa uma delas antes da outra. No entanto, independentemente da maneira como tais recursos são integrados, as investigações têm igualmente chegado à conclusão de que combinações são mais eficazes do que usos isolados dessas ferramentas (OLYMPIOU & ZACHARIA, 2011), o que tem se repetido independentemente do conteúdo de Física abordado nas investigações (ZACHARIA, OLYMPIOU & PAPAEVRIPIDOU, 2008).

Um dos aspectos mais interessantes envolvendo o uso de integrações de ASC e APL está relacionado ao fato de que elas podem evidenciar as diferenças entre as teorias físicas e o mundo empírico (RONEN & ELIAHU, 2000; DORNELES, ARAUJO & VEIT, 2012). Na próxima seção, apresentamos uma reflexão sobre o processo de modelagem científica buscando esclarecer os motivos pelos quais integrações de ASC e APL têm potencial para promover uma melhor concepção de Ciência nos alunos.

## Modelagem Científica e Combinações de APL e ASC

Quando se faz Ciência, um dos pontos-chave das investigações é a construção de modelos teóricos que nortearão a busca por respostas para as questões estudadas. Nesse processo, o pesquisador deve decidir quais aspectos do mundo empírico serão apreendidos por esses modelos, que obviamente não abarcarão a realidade em sua completude. Cabe ao investigador definir, então, com base em sua experiência e sua necessidade, quais são os traços fundamentais do fenômeno estudado que devem ser considerados para que o modelo teórico construído forneça uma explicação satisfatória para o problema explorado na investigação. É comum, ainda, que esses modelos envolvam elementos imaginários para elucidarem os mecanismos internos dos fenômenos físicos. Desse modo, devido ao fato de os modelos teóricos serem aproximativos e convencionais, eles nunca se adequarão completamente para descrever um sistema empírico, ou melhor, os modelos teóricos são construções tipicamente humanas na qual os cientistas buscam representar fenômenos físicos, com grau de precisão variado e contexto limitado. Em outras palavras, queremos destacar que os modelos teóricos sempre abrangem um domínio de validade, e que eles, cedo ou tarde, falharão (BUNGE, 1974).

Praticamente todos os detalhes dos modelos teóricos podem hoje ser implementados em programas de computador. Desse modo, o computador surge naturalmente como uma ferramenta de modelagem, onde é possível se emular o comportamento de fenômenos físicos com rapidez e facilidade impressionantes (HESTENES, 1996). No entanto, assim como os modelos teóricos da Física, os modelos computacionais não agregam toda a complexidade do mundo empírico. Desse modo, ainda que o processo de modelagem possa ser mais facilmente enfatizado com o uso de computadores, tal processo não é completo quando apenas tal recurso é utilizado para simular fenômenos físicos. Assim, como é feito desde antes de Galileu, a modelagem de fenômenos físicos deve se valer de experimentos para que dados

coletados empiricamente possam ser confrontados com resultados teóricos provenientes dos modelos científicos. Desse modo, é importante que as atividades de ensino de Física também se amparem em experimentos realizados no mundo empírico de modo a evidenciar aos estudantes a intenção dos modelos em representar fenômenos físicos. Em outras palavras, é desejável que as aulas de Física não se foquem apenas na construção e na análise dos modelos teóricos, mas que busquem também validar tais modelos por meio da comparação de suas predições com o comportamento de seus referentes de modo a tornar claro aos estudantes o caráter aproximativo dos modelos científicos, promovendo neles uma concepção de Ciência mais adequada, o que vai claramente ao encontro das ideias dos pesquisadores que defendem usos integrados de ASC e APL.

## Considerações Finais

Frequentemente nos deparamos com dúvidas em relação à metodologia de ensino que utilizaremos em nossas aulas. Uma dessas possíveis questões é abordada neste trabalho: Conduzimos ASC ou APL em nossas aulas? Essa questão ecoa nas investigações sobre o ensino de Física, de modo que pesquisadores desenvolvem trabalhos tanto comparando tais recursos, como avaliando combinações deles. Amparada nos resultados dessas investigações, nossa opinião é de que a resposta para tal pergunta está intimamente relacionada com os objetivos do professor. As potencialidades de tais recursos são distintas, o que implica no desenvolvimento de diferentes habilidades e competências nos alunos que os exploram. Desse modo, entendemos que APL e ASC não devem ser tratadas como excludentes, mas sim como complementares, sendo ambas exploradas na medida em que se mostram adequadas dentro das pretensões dos docentes com o desenvolvimento de suas aulas.

Ressaltamos também que, quando o processo de modelagem científica é entendido como algo prioritário no ensino de Física, combinações de ASC e APL podem ser ainda mais importantes. Nesse sentido, uma alternativa pode ser o desenvolvimento de ciclos de modelagem. Essa metodologia, que foi desenvolvida por David Hestenes (1996), professor da Universidade do Arizona (EUA), busca evidenciar as relações entre os modelos da Física e a descrição de fenômenos físicos. Nesses casos, o computador se mostra útil para facilitar a construção e análise dos modelos teóricos que devem ser validados por meio da comparação com resultados empíricos. Mais detalhes sobre essa metodologia são apresentados em Heidemann, Araujo & Veit (2012).

Por fim, ainda que não tenha sido o foco de nossa reflexão, deve-se ressaltar que a implementação de ASC ou APL não necessariamente promove a aprendizagem de Física. É importante que o professor tenha uma série de cuidados para que o uso desses recursos efetivamente se traduza em um ensino mais eficaz. A literatura tem destacado alguns problemas que são frequentes quando professores desenvolvem atividades com tais ferramentas. Alguns deles são: emprego de roteiros do tipo 'receitas de bolo', em que os alunos seguem os passos indicados rigorosamente, sem refletir sobre o conteúdo abordado (HODSON, 1994; HOFSTEIN & LUNETTA, 2004); emprego de roteiros excessivamente 'abertos', que promovem uma sobrecarga cognitiva nos discentes prejudicando seu aprendizado (HOLTON, 2010); ou ainda atividades em que os alunos as percebem como eventos isolados, que têm como objetivo chegar à 'resposta certa' (BORGES, 2002). É comum ainda que alguns professores promovam atividades com o intuito de que seus alunos 'descubram' leis físicas, o que há mais 50 anos, desde o PSSC, já era muito criticado pelos pesquisadores. Apesar de serem bem conhecidos, esses equívocos continuam onipresentes nas salas de aula.

## Referências

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