SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS COMO FERRAMENTA AUXILIAR AOENSINO DE CONCEITOS BÁSICOS DE ELETROMAGNETISMO

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências e Matemática

SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS COMO FERRAMENTA AUXILIAR AO ENSINO DE CONCEITOS BÁSICOS DE ELETROMAGNETISMO: Elaboração de Um Roteiro de Atividades para Professores do Ensino Médio

Josué Antunes de Macêdo

BELO HORIZONTE 2009

Josué Antunes de Macêdo

SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS COMO FERRAMENTA AUXILIAR AO ENSINO DE CONCEITOS BÁSICOS DE ELETROMAGNETISMO: Elaboração de Um Roteiro de Atividades para Professores do Ensino Médio

Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Ensino de Ciências e Matemática da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

Orientador: Profª Dra Adriana Gomes Dickman.

Belo Horizonte 2009

FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Macêdo, Josué Antunes M141s Simulações computacionais como ferramenta auxiliar ao ensino de conceitos básicos de eletromagnetismo: elaboração de um roteiro de atividades para professores do Ensino Médio / Josué Antunes de Macêdo. – Belo Horizonte, 2009.

136 f. : il.

Orientadora: Adriana Gomes Dickman.

Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática.

Bibliografia.

1. Eletromagnestimo – Estudo e Ensino (Ensino médio). 2. Física Estudo e Ensino (Ensino médio). I.Dickman, Adriana Gomes.

II. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós- Graduação em Ensino de Ciências e Matématica. III. Título.

CDU: 53:37.02 Bibliotecária –Valéria Inês S. Mancini – CRB 6/1628

À meu pai Manoel Antunes de Macêdo (in memorian), que não teve oportunidade ao ensino. À minha mãe Maria dos Anjos Antunes de Macêdo que não mediu esforços para que eu chegasse aonde cheguei. À minha esposa Mônica que suportou os momentos de ausência.

Aos meus filhos Emanuel, Emilly e Daniel que são a razão do meu viver.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, fonte inesgotável da luz que diariamente ilumina os meus caminhos.

A todos os meus colegas do Mestrado, pela convivência e troca de experiência durante o curso, ponto de fundamental valor na construção do conhecimento. Aprendi muito com todos vocês. Carinhosamente, agradeço a Anildo, Carlos, Cleonir, Elrismar, Frederico, Maurisete, Paulo e Vagno.

Especialmente agradeço aos meus colegas Pedro e Anete, pelos bons momentos que passamos juntos e principalmente pelo incentivo dado nos momentos difíceis. Vocês são dois irmãos que consegui durante o curso. Jamais me esquecerei de vocês.

Aos Professores do Curso de Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática, por ampliar meus horizontes. À Profª Drª Maria Inês Martins, não somente pelos conhecimentos que me proporcionou, mas pela amizade construída durante o período do curso. Agradeço também pela disponibilidade em participar da minha banca de defesa.

Agradeço à profª Drª Marisa Almeida Cavalcante, por ter encontrado tempo em sua agenda para participar da banca de defesa e pelas enormes contribuições dadas ao trabalho.

Aos amigos professores e funcionários do Centro Estadual de Educação Continuada (CESEC) de Montes Claros e das Faculdades ISEIB e FACIGE. Principalmente aos colegas da área de Matemática e Física, por terem contribuído de uma forma ou de outra na realização deste trabalho.

Aos colegas do Núcleo de Estudos e Pesquisa em Educação Matemática e Ensino de Física da UNIMONTES (NEPEMEF). Agradeço a Edson, Yara, Janine, Lailson, Fred e Higino.

Agradeço, o inestimável apoio recebido da secretária do Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática, Ângela Rocha, pelo tratamento cordial e ajuda, nos momentos necessários.

Finalmente, não poderia deixar de evidenciar neste momento, a minha gratidão pela contribuição da minha Orientadora, Profª Dra Adriana Gomes Dickman, que muito contribuiu para a realização deste trabalho, principalmente nos dias que antecederam a minha defesa.

Adriana; saiba que sou muito grato. Você demonstrou ser uma pessoa amiga e me deu forças e incentivo nos momentos de angústias e sofrimento. Que Deus lhe abençoe e ilumine sempre!

”É melhor refugiar-se no Senhor do que confiar no homem.”

Salmos 118:8

RESUMO

No presente trabalho relatamos a elaboração de um Roteiro de Atividades dirigido a professores do Ensino Médio, no qual integramos a utilização de novas tecnologias, apoiadas na informática, em particular, a manipulação de simulações computacionais para o ensino de temas selecionados de Eletromagnetismo. A escolha do tópico foi feita com base no fato dos estudantes apresentarem muitas dificuldades na aprendizagem dos conceitos relacionados a esta área da Física e considerando–se a importância do assunto, principalmente devido a sua ligação com fenômenos naturais e presença em equipamentos tecnológicos. A utilização de simulações no ensino é uma prática cada vez mais comum, abordada como pesquisa de vários autores. As simulações permitem ao estudante centrar-se na essência do problema, tornando mais eficiente a assimilação dos conteúdos propostos em cada atividade. Além disso, a utilização de simuladores permite o estudo de situações que, na prática, seriam difíceis ou até mesmo inviáveis de serem realizadas, permitindo, desta forma, uma melhor compreensão dos fenômenos e um maior aprofundamento em seu estudo. As atividades foram desenvolvidades baseadas nos momentos pedagógicos de Delizoicov: Problematização inicial, Organização do conhecimento e Aplicação do conhecimento. Nas atividades iniciais problematiza-se situações ou fenômenos familiares aos estudantes. Na organização do conhecimento, parte-se de uma discussão do fenômeno para chegar aos conceitos específicos. Na aplicação do conhecimento os conceitos são sistematizados e extendidos para situações que não foram abordadas nos momentos prévios. O Roteiro de Atividades é constituído de treze atividades sobre Circuitos Simples e de oito atividades sobre Ímãs, corrente elétrica e indução eletromagnética. A maioria das atividades baseia-se nas simulações Kit para construção de circuitos (KCC) e Laboratório de Eletromagnetismo. Ambas desenvolvidas pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (PhET), da Universidade do Colorado e estão disponíveis gratuitamente on-line.

Palavras-chave: Ensino de física. Eletromagnetismo. Simulações computacionais.

ABSTRACT

In this work we report on an investigation carried out during the elaboration of a guide composed of activities for High School teachers, integrating the use of new technologies, especially the manipulation of computer simulations for teaching selected topics of electromagnetism. Our choice of topics is based on the reported difficulty students experience when learning concepts related to these physics contents, and also due to the relevance of this subject, mainly for its connection to natural phenomena and technology. The use of simulations in teaching is becoming a common practice, besides being the research theme of a growing number of authors. Simulations allow students to concentrate on the essence of the problem, contributing to a more efficient assimilation of the topic viewed in each computer experiment. The use of simulators also allows students to investigate situations which are difficult or impossible to realize in a laboratory, thus providing a better and deeper comprehension of the phenomena involved. The proposed activities are based on Delizoicov’s pedagogical phases: initial problematization, knowledge organization and concept application.

First, teachers instigate students to explain the physics of familiar situations or phenomena. In the knowledge organization phase, we build and systematize concepts by discussing a given phenomenon. In the knowledge application phase, the concepts discussed in the second phase are extended to situations not approached previously. The guide consists of thirteen activities about electric circuits and eight activities about magnetic fields and electromagnetic induction. Most of the activities use the Circuit Construction Kit and Faraday’s Electromagnetic Lab, both developed by the Physics Education Technology project, from the University of Colorado and are available online without charge.

Keywords: Physics education. Electromagnetism. Computer simulations.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Ensino-aprendizagem por meio do computador. .................................................... 16 Figura 2 – Exemplo de uma simulação não interativa.............................................................. 37 Figura 3 – Representação de uma simulação não interativa..................................................... 38 Figura 4 – Exemplo de uma simulação com pouca interação, mas muito qualitativa.............. 38 Figura 5 – Exemplo de uma simulação interativa. ................................................................... 39 Figura 6 – Pólos de Ensino-Aprendizagem por meio do computador...................................... 47 Figura 7 – Circuito simples. ..................................................................................................... 50 Figura 8 – Circuito simples com uma chave geral. .................................................................. 51 Figura 9 – Circuito paralelo, com uma chave e dois interruptores........................................... 51 Figura 10 – Circuito com três lâmpadas ligadas em série. ....................................................... 53 Figura 11 - Circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo. .................................................. 54 Figura 12 - Circuito com uma e três lâmpadas em paralelo. .................................................... 54 Figura 13 – Circuito com uma e três lâmpadas em série.......................................................... 55 Figura 14 – Utilizando o amperímetro. .................................................................................... 57 Figura 15 – Utilizando o amperímetro e o voltímetro. ............................................................. 58 Figura 16 – Utilizando o amperímetro. .................................................................................... 59 Figura 17 - Circuito em série.................................................................................................... 61 Figura 18 - Circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo. .................................................. 62 Figura 19 – Materiais condutores e isolantes. .......................................................................... 63 Figura 20 – Campo magnético produzido por um ímã em barra.............................................. 66 Figura 21 - (a) Montagem experimental e (b) Fio percorrido por corrente elétrica. ................ 68 Figura 22- Um eletroímã simples. ............................................................................................ 69 Figura 23 - Orientação de uma bússola em um campo magnético. .......................................... 69 Figura 24 - Regra da mão direita. ............................................................................................. 70 Figura 25 – Simulação de um eletroímã................................................................................... 71 Figura 26 – Motor de corrente contínua. .................................................................................. 72 Figura 27 (a) e (b) – Regra da mão esquerda. .......................................................................... 73 Figura 28 – Representação da roda de Barlow. ........................................................................ 74 Figura 29 – Demonstração do fenômeno da indução eletromagnética..................................... 75 Figura 30 – Simulação de um Transformador. ......................................................................... 76 Figura 31 – Simulação de um Gerador..................................................................................... 77 Figura 32 – Simulação de um kit de experimentação de eletrônica que permite a montagem de diversos circuitos elétricos. ...................................................................................................... 79 Figura 33 – Menus Arquivo, Opções e Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua. 80 Figura 34 – Menu Arquivo da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ............................. 80 Figura 35 – Menu Opções da simulação Circuitos de Corrente Contínua. .............................. 81 Figura 36 – Menu Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ................................ 81 Figura 37 – Menu Ferramentas da simulação Circuitos de Corrente Contínua........................ 82 Figura 38 (a) e (b) – Menu Miscelânea da simulação Circuitos de Corrente Contínua. .......... 82 Figura 39 – Menu Arquivo da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ............................. 82 Figura 40 – Menu Limpar da simulação Circuitos de Corrente Contínua................................ 83 Figura 41 – Menu Visual da simulação Circuitos de Corrente Contínua................................. 83 Figura 42 – Menu Ferramentas da simulação Circuitos de Corrente Contínua........................ 83 Figura 43 – Menu Tamanho da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ........................... 84 Figura 44 – Menu Avançado da simulação Circuitos de Corrente Contínua. .......................... 84 Figura 45 – Menu Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ................................ 84 Figura 46 – Menu Parar (a) e Avançar (b) da simulação Circuitos de Corrente Contínua. ..... 85

Figura 47 – Laboratório de Eletromagnetismo: conjunto de simulações que demonstram a aplicação da Lei de Faraday. .................................................................................................... 85 Figura 48 – Menus Arquivo, Opções e Ajuda da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. .................................................................................................................................................. 85 Figura 49 – Menu Arquivo da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. ......................... 86 Figura 50 – Menu Opções da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. .......................... 86 Figura 51 – Menu Ajuda da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.............................. 86 Figura 52 - Simulações disponíveis no Laboratório de Eletromagnetismo.............................. 86 Figura 53 (a) e (b) - Menu Ímã de Barra da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. .... 87 Figura 54 - Menu solenóide da simulação Laboratório de Eletromagnetismo......................... 87 Figura 55 - Menu Ímã de Barra (a) e Solenóide (b) da simulação Laboratório de Eletromagnetismo..................................................................................................................... 88 Figura 56 (a) e (b) - Menu eletroímã da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. .......... 89 Figura 57 - Menu Transformador da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. ............... 90 Figura 58 - Menu Eletroímã (a) e Solenóide (b) da simulação Laboratório de Eletromagnetismo..................................................................................................................... 90 Figura 59 - Menu Gerador da simulação Laboratório de Eletromagnetismo. .......................... 91 Figura 60 - Menu Turbina (a) e Solenóide (b) da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo..................................................................................................................... 92 Figura 61 – Termos de uso das simulações desenvolvidas pelo PhET. ................................. 130 Figura 62 – Explicações (a), Licença (b) e Créditos dos desenvolvedores (c) da Simulação Circuitos de Corrente Contínua. ............................................................................................. 131 Figura 63 – Explicações (a), Licença (b) e Créditos dos desenvolvedores da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo. ......................................................................................... 132 Figura 64 – Termos de uso da simulação Campo magnético e orientação da bússola........... 133 Figura 65 (a) e (b) – Termos de uso da simulação Motor de corrente contínua..................... 133 Figura 66 – Termos de uso e tradução da simulação Motor de corrente contínua. ................ 133 Figura 67 – Autorização concedida via e-mail permitindo a utilização da simulação Motor de Corrente Contínua. ................................................................................................................. 134

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Variação da tensão de entrada, mantendo a resistência constante. ......................... 57 Tabela 2 - Variação da resistência e da tensão, mantendo a intensidade de corrente constante. .................................................................................................................................................. 59 Tabela 3 - Variando a tensão da bateria e a resistência interna da lâmpada............................. 60

LISTA DE QUADROS

Quadro 1: Conteúdo Básico Comum (CBC). ......................................................................... 109 Quadro 2: Conteúdo Básico Comum (CBC). ......................................................................... 110 Quadro 3: Conteúdo Básico Comum (CBC). ......................................................................... 111 Quadro 4: Conteúdo Básico Comum (CBC). ......................................................................... 113 Quadro 5: Conteúdo Básico Comum (CBC). ......................................................................... 115

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO ............................................................................................................14

1.1

INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO .............................................................................. 14

1.2

INFORMÁTICA, CIÊNCIA E MUNDO....................................................................... 18

1.3

MODELAGEM COMPUTACIONAL E SIMULAÇÕES ............................................ 20

1.3.1

Animações e simulações.................................................................................................22

1.3.2

Applets............................................................................................................................22

1.4

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E ENSINO DE FÍSICA...................................... 23

1.5

MANEIRAS DE UTILIZAR SIMULAÇÕES PARA CRIAR MOMENTOS DE APRENDIZAGEM......................................................................................................... 27

2

MÉTODO DE PESQUISA ..........................................................................................30

2.1

UM POUCO DE HISTÓRIA SOBRE A ELABORAÇÃO DO TRABALHO ............. 30

2.2

CONTEÚDOS ABORDADOS NO ROTEIRO DE ATIVIDADES ............................. 32

2.2.1

Ensino da Física no Ensino Médio .................................................................................32

2.2.2

Diretrizes Norteadoras....................................................................................................33

2.2.3

Escolha dos conteúdos....................................................................................................35

2.3

CRITÉRIO DE ESCOLHA DAS SIMULAÇÕES ........................................................ 37

2.3.1

Simulações interativas e não interativas.........................................................................37

2.3.2

Cuidados no desenvolvimento e/ou escolha de uma simulação .....................................39

2.4

MOMENTOS PEDAGÓGICOS DE DELIZOICOV .................................................... 42

3

ROTEIRO DE ATIVIDADES.....................................................................................45

3.1

A NOSSA PROPOSTA: ROTEIRO DE ATIVIDADES............................................... 46

3.2

MOMENTOS PEDAGÓGICOS DE DELIZOICOV .................................................... 48

3.3

ATIVIDADES UTILIZANDO SIMULAÇÕES ............................................................ 49

3.3.1

Trabalhando com circuitos simples ................................................................................49

3.3.2

Atividade: Ímãs, corrente elétrica e indução eletromagnética........................................65

3.4

DESCRIÇÃO E TUTORIAL DAS PRINCIPAIS SIMULAÇÕES UTILIZADAS NO ROTEIRO DE ATIVIDADES ................................................................................ 79

3.4.1

Kit para construção de circuitos (KCC)..........................................................................79

3.4.2

Laboratório de Eletromagnetismo ..................................................................................85

4

CONSIDERAÇÕES FINAIS E RECOMENDAÇÕES.............................................93

REFERÊNCIAS ..........................................................................................................................97 APÊNDICE A – RELAÇÃO ENTRE ELETRICIDADE E MAGNETISMO: ASPECTOS HISTÓRICOS............................................................................................................................101 APÊNDICE B – PÁGINAS E REPOSITÓRIOS CONSULTADOS ....................................103 APÊNDICE C – TEMA ESTRUTURADOR: EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS E TELECOMUNICAÇÕES.........................................................................................................107 APÊNDICE D – ARTIGO APRESENTADO NO XVIII SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA.................................................................................................................116 ANEXO A – COPYRIGHT E AUTORIZAÇÕES .................................................................130

14

1

1.1

INTRODUÇÃO

INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO

Por volta de 1970, Herbert Marshall McLuhan, filósofo, professor e escritor canadense, causou polêmica ao prever que os avanços tecnológicos nas telecomunicações e na informática transformariam o mundo em uma imensa aldeia global. O termo aldeia global utilizado por ele, quer dizer simplesmente que o progresso tecnológico estava reduzindo todo o planeta à mesma situação que ocorre em uma aldeia, ou seja, a possibilidade de se intercomunicar diretamente com qualquer pessoa que nela vive. Hoje, percebe-se que ele estava à frente de seu tempo, ao constatar que a humanidade passa por uma efervescência tecnológica nunca vista até o presente momento, com presença marcante de computadores pessoais, celulares e internet. A informação e a comunicação têm alcançado um plano fundamental na vida dos indivíduos (LIMA, 1988; BRASIL, 2002). Uma conseqüência disso é a familiaridade das pessoas, principalmente os jovens, com a utilização do computador em diversos ambientes. É, portanto, natural questionar a situação da escola e da educação nesse contexto.

Os Parâmetros Curriculares Nacionais afirmam: “É inegável que a escola precisa

acompanhar a evolução tecnológica e tirar o máximo de proveito dos benefícios que esta é capaz de proporcionar.” (BRASIL, 2002, p.88). Assim, percebe-se uma crescente necessidade em introduzir o uso da informática e tecnologias afins na educação. Embora haja uma concordância geral em torno desse fato, estudos mostram que a tendência de utilização das tecnologias digitais nas escolas não está ocorrendo com a mesma velocidade que ocorre em outros espaços, como ressalta Coelho (2002), Qualquer olhar sobre a sociedade atual percebe a presença da tecnologia estendendo suas influências sobre quase todos os campos do agir humano e do saber social, do sistema como um todo ao indivíduo isoladamente. As relações interpessoais estão hoje fortemente intermediadas por instrumentos informáticos e telemáticos: a eletrônica de forma crescente permeia a comunicação entre os indivíduos. A conseqüência disso seria também a presença dessa mesma tecnologia nos procedimentos educacionais, nas atividades pedagógicas de uma sala de aula. Entretanto, parece que isto está acontecendo de forma muito lenta e diversificada. (COELHO, 2002, p.

9).

15

Entretanto estamos vivendo duas situações distintas: De um lado temos os estudantes fascinados pela revolução tecnológica. Do outro lado os professores com suas dificuldades em acompanhar este mesmo processo evolutivo. Nesse contexto é relevante aprimorar os meios de capacitação desses professores, pois a melhoria do ensino passa indiscutivelmente pela formação docente. A formação continuada e as condições de trabalho oferecidas, incluindo a informatização das escolas, com equipamentos suficientes para o desenvolvimento das atividades docentes com qualidade, é um fator contribuidor para o aprimoramento do ensino, auxiliando ainda o professor no acompanhamento desta revolução tecnológica, pois: O que sabemos é que hoje há computadores nas escolas, ligados ou não à internet, mas não são integralmente aproveitados no processo de ensino e aprendizagem. Enquanto aqueles professores acostumados a lidar com as tecnologias de informação e comunicação transitam com bastante desenvoltura pelo cenário educacional que incorpora essas tecnologias, muitos há que não se sentem à vontade para utilizar essas ferramentas e vivem, com isso, situações de angústia. (BRASIL, 2002, p.231).

Segundo Valente (1995a), o computador tem provocado uma revolução na educação por causa de sua capacidade de "ensinar". As possibilidades de implantação de novas técnicas de ensino são praticamente ilimitadas. Apesar das dificuldades financeiras enfrentadas, principalmente pelas escolas públicas, contamos atualmente com um custo relativamente baixo para a implantação e manutenção de laboratórios de informática, cada vez mais demandados tanto por pais quanto por alunos. “Contudo, apesar das suas potencialidades, o computador ainda é pouco utilizado em laboratórios de física, quer pela falta de informação dos professores dos recursos oferecidos, quer pela dificuldade em adquirir interfaces e programas de aquisição.” (CAVALCANTE et al; 2008, p.1).

Tudo isso causa insegurança nos professores, que em um primeiro momento temem sua substituição por máquinas e programas capazes de cumprir o papel antes a eles reservado.

Valente (1995b) ressalta que o computador pode realmente provocar uma mudança no paradigma pedagógico e pôr em risco a sobrevivência profissional daqueles que concebem a educação como uma simples operação de transferência de conhecimentos, do mestre para o aluno.

No paradigma instrucionista, o uso do computador na educação consistiria simplesmente na informatização dos meios tradicionais de instrução. "No entanto, o computador pode enriquecer ambientes de aprendizagem onde o aluno, interagindo com os objetos desse ambiente, tem chance de construir o seu conhecimento" (VALENTE, 1995b, p.

1 e 2). Aí está a grande "sacada" do uso do computador. Uma reviravolta pode potencialmente

16

mudar o foco de ensino do instrucionismo para o construcionismo, muitas vezes sem que haja uma declaração teórico-pedagógica explícita.

Na educação, o computador tem sido utilizado tanto para ensinar sobre computação (digitação, programação, aplicativos, e outros), ou para ensinar qualquer assunto. O ensino por meio do computador advém do aluno utilizar a máquina para adquirir os conceitos necessários à sua aprendizagem. A figura abaixo, adaptada de Valente (1995a, p.2), mostra que a aprendizagem por meio do computador, oscila entre dois grandes pólos.

Figura 1 – Ensino-aprendizagem por meio do computador.

Fonte: Valente (1995a, p.2).

Os dois pólos são constituídos por computador, software e aluno. O interessante é perceber a polaridade que ocorre na relação entre eles. No lado esquerdo, seguindo o sentido da seta, percebemos que o computador, por meio do software, ensina o aluno. Do outro lado, o aluno, por meio do software, “ensina” o computador.

No primeiro caso, o computador assume o papel de máquina de ensinar e tem suas raízes nos métodos tradicionais, porém, ao invés do papel ou do livro, é usado o computador.

Neste método o aprendiz segue as instruções que são dadas pelo computador por meio de software, nos quais os mais utilizados para essa prática são os tutoriais, os software de exercício-e-prática e os jogos, como definidos por Valente, a seguir: “Os tutoriais enfatizam a apresentação das lições ou a explicitação da informação. No exercício-e-prática a ênfase está no processo de ensino baseado na realização de exercícios com grau de dificuldade variado. Nos jogos educacionais a abordagem pedagógica utilizada é a exploração livre e o lúdico ao invés da instrução explícita e direta” (VALENTE, 1995c, p.2).

17

Quando o computador é utilizado como máquina de ensinar pode-se ter duas situações possíveis, a saber: A primeira situação é mais limitada e é controlada pelo software. Neste caso a participação do aprendiz limita-se simplesmente em mudar de tópicos, isto também poderá ser feito pelo próprio software, de acordo com a resposta dada pelo usuário. A segunda situação é mais abrangente e é controlada pelo próprio aprendiz, ao poder escolher aquilo que deseja ver. Os softwares para permitirem o controle do usuário, geralmente são elaborados na forma de hipertextos, permitindo a “navegação” em todos os itens.

No segundo caso, para o aluno “ensinar” o computador, este deve ser usado como uma máquina para ser ensinada. Nesse caso, é o aluno que deve passar as informações para o computador, como afirma Valente: Os software que permitem esse tipo de atividade são as linguagens de programação, como BASIC, Pascal, Logo; os software denominados de aplicativos, como uma linguagem para criação de banco de dados, como DBase ou um processador de texto; ou os software para construção de multimídia. Esses software oferecem condições para o aluno resolver problemas ou realizar tarefas como desenhar, escrever etc. Isso significa que o aluno deve representar suas idéias para o computador, ou seja, "ensinar" o computador a resolver a tarefa em questão. (VALENTE, 1995c, p.3 e 4).

A tendência na atualidade é descartar a utilização do computador como "máquina de ensinar”

e

utilizá-lo

como

uma

ferramenta

educacional

de

complementação

e

aperfeiçoamento, objetivando uma melhoria na qualidade de ensino. O mundo está em constantes mudanças, nas quais as informações e os processos ocorrem de maneira muito rápida, e na maioria das vezes imperceptível. Os estudantes devem aprender a buscar e usar as informações, ao invés de simplesmente decorar fatos ocorridos. Para que isso ocorra, é imprescindível a utilização do computador, pois, segundo Valente (1995a, p.6), “estas mudanças podem ser introduzidas com a presença do computador que deve propiciar as condições para os estudantes exercitarem a capacidade de procurar e selecionar informação, resolver problemas e aprender independentemente”.

O uso da informática como um recurso a mais, a ser utilizado pelo professor em sala de aula é a principal característica da Informática Educativa. Nesse sentido, o computador é inserido no processo ensino-aprendizagem dos conteúdos curriculares de determinada disciplina e é explorado pelo docente em toda sua potencialidade e capacidade, “[...] tornando possível simular, praticar ou vivenciar situações, podendo até sugerir conjecturas abstratas, fundamentais a compreensão de um conhecimento ou modelo de conhecimento que se está construindo.”. (BORGES, 1999, p.136).

18

Os PCN+ esclarecem bem esta questão ao afirmar que “Em primeiro lugar, Informática não deve ser considerada como disciplina, mas como ferramenta complementar às demais já utilizadas na escola, colocando-se, assim, disponível para todas as disciplinas.”

(BRASIL, 2002, p.8). Cabe então ao professor utilizar adequadamente este recurso, pois: A Informática Educativa privilegia a utilização do computador como a ferramenta pedagógica que auxilia no processo de construção do conhecimento. Neste momento, o computador é um meio e não um fim, devendo ser usado considerando o desenvolvimento dos componentes curriculares. Nesse sentido, o computador transforma-se em um poderoso recurso de suporte à aprendizagem, com inúmeras possibilidades pedagógicas, desde que haja uma reformulação no currículo, que se criem novos modelos metodológicos e didáticos, e principalmente que se repense qual o verdadeiro significado da aprendizagem, para que o computador não se torne mais um adereço travestido de modernidade. (ROCHA, 2008, p.2 e 3).

Nessa nova perspectiva de utilização do computador, na qual sua verdadeira função não deve ser a de ensinar, mas sim a de criar condições de aprendizagem, implica também em mudança na postura do professor, pois segundo Valente (1995a, p. 6) “... o professor deve deixar de ser o repassador do conhecimento - o computador pode fazer isto e o faz muito mais eficientemente do que o professor - e passar a ser o criador de ambientes de aprendizagem e o facilitador do processo de desenvolvimento intelectual do aluno.”

A esse respeito os PCN+ dizem: É nesse contexto que, cada vez mais, o professor não funciona como apenas um bom transmissor de conteúdos. No caso específico do trabalho com o universo informatizado, atua como um estimulador do diálogo entre o mundo escolar e o virtual. É urgente a criação de um espaço escolar onde o monologismo ceda lugar à polifonia, onde diferentes vozes entrem em dialogismo, onde impere a negociação de sentidos e a construção coletiva do conhecimento. (BRASIL, 2002, p.229 e 230).

1.2

INFORMÁTICA, CIÊNCIA E MUNDO

Segundo Rocha (2001), pelo menos parte dos estudantes sente a necessidade de relacionar a ciência com o mundo que os rodeia, com suas aplicações e seus contornos, apesar da imagem deformada que recebem, produzindo na grande maioria dos casos, um desconhecimento total da possibilidade de transformar a aprendizagem da Física em algo apaixonante.

19

Por outro lado, no mundo contemporâneo, cada vez mais as decisões políticas de peso tendem a girar em torno de problemas e questões relacionadas direta ou indiretamente com o conhecimento científico e tecnológico. Desse modo, o domínio desse conhecimento constitui componente importante, não apenas para a construção de uma visão de mundo apropriada, mas também para o exercício da própria cidadania.

Para uma parcela considerável da população é no Ensino Médio que se dá o único contato formal com esse conhecimento. Contudo, os conteúdos científicos de modo geral, e os de Física, em particular, como são geralmente abordados nesse nível de ensino, estão distantes da verdade de sua construção e pouco ligados aos fenômenos naturais e às aplicações tecnológicas que justamente deveriam procurar descrever. Em outras palavras, a prática que origina e fundamenta o conhecimento científico é apenas parcialmente comunicada à parcela da população em sua vivência escolar.

Coelho (2002) diz que a Educação passa por uma significativa crise de paradigmas caracterizada por uma mudança conceitual ou uma mudança de visão de mundo. Com isso o professor deve adequar os seus procedimentos e o sistema de avaliação em sala de aula de acordo com a realidade. A Educação, ao se realizar em múltiplos contextos, precisa acontecer no campo social, a fim de que as experiências possam ser trocadas em um processo de reconstrução significativo e de mútua realimentação. A esse respeito os PCN+ dizem: A escola não pode ficar alheia ao universo informatizado se quiser, de fato, integrar o estudante ao mundo que o circunda, permitindo que ele seja um indivíduo autônomo, dotado de competências flexíveis e apto a enfrentar as rápidas mudanças que a tecnologia vem impondo à contemporaneidade. (BRASIL, 2002, p.229 e 230).

O ensino de Física possui características específicas que devem ser levadas em consideração ao utilizar a Informática Educativa. Apesar disso, falta compreensão da atual realidade do seu uso no ensino dessa disciplina em nível médio. A escola deve passar a viver em consonância com a realidade externa aos seus portões e deixar de praticar um modelo de ensino baseado em procedimentos reprodutivistas e conteudistas.

Philippe Perrenoud (2000), um dos principais teóricos do desenvolvimento das matrizes de competências e habilidades na escola, sustenta a tese de que o professor contemporâneo precisa ele mesmo desenvolver algumas competências com reflexo direto no trabalho com os alunos. Uma das competências para ensinar propostas é a utilização de novas tecnologias. Uma classe dessas novas tecnologias é conhecida como objetos de aprendizagem.

20

Objetos educacionais de aprendizagem são recursos suplementares ao processo ensinoaprendizagem, caracterizado principalmente pela sua reusabilidade a diversas situações, a portabilidade, podendo ser operados em uma gama enorme de hardware e softwares, a acessibilidade e a durabilidade. Esses objetos devem ainda permitir flexibilidade de uso e ter diferentes tamanhos (granularidade) e formatos de mídia, tais como applet Java; aplicativo em Macromedia Flash; vídeo ou áudio; apresentação PowerPoint entre outros. (BARROSO et al, 2006; GAMA et al, 2004; TAROUCO et al, 2003).

Acredita-se, portanto, que a inserção de novas tecnologias, como simulações e o uso da internet, contribuirão bastante na exploração do aluno às inúmeras conexões entre os conhecimentos científicos básicos, os fenômenos naturais e aplicações tecnológicas.

1.3

MODELAGEM COMPUTACIONAL E SIMULAÇÕES

Na atualidade, um dos recursos utilizados para tornar o ensino de Física, a partir da modelagem matemática, algo mais atrativo tem sido o uso de recursos computacionais envolvendo manipulação simbólica com base nos fundamentos da informática educativa.

Assim, nessa seção são definidos alguns termos básicos ligados à modelagem matemática e computacional, que contribuirá para o entendimento do processo de construção de uma simulação, como também para a percepção das suas limitações.

Um modelo matemático é uma representação ou interpretação simplificada da realidade, ou uma interpretação de um fragmento de um sistema, segundo uma estrutura de conceitos mentais ou experimentais. O termo modelo foi introduzido na Matemática no último século e atualmente é amplamente utilizado no circuito acadêmico. (MACINTYRE, 2002) Segundo Biembengut (2005) um conjunto de símbolos e relações matemáticas que traduz, de alguma forma, um fenômeno em questão ou um problema de situação real, é denominado de Modelo Matemático.

A seguir são destacados alguns dos objetivos estabelecidos para a construção de um Modelo Matemático propostos por Davis e Hersh (1985), citado por Macintyre (2002, p. 57 e 58).

1) obter respostas sobre o que acontecerá no mundo físico; 2) influenciar a experimentação ou as observações posteriores; 3) promover o progresso e a compreensão conceituais;

21

4) auxiliar a axiomatização da situação física; e, 5) incentivar a Matemática e a arte de fazer modelos Matemáticos.

Percebe-se que o caminho para atingir um Modelo Matemático requer algum esforço e dedicação. O tipo de modelo a ser utilizado dependerá de vários fatores, tais como: situação analisada, variáveis envolvidas e recursos disponíveis. Para se chegar ao Modelo Matemático tem-se que passar por um processo denominado Modelagem Matemática.

A intenção geral da modelagem matemática é gerar condições para aquisição de saberes em um ambiente de investigação. O método científico é o eixo sobre o qual a modelagem está assentada. A observação dos fenômenos com o intuito de gerar um estado de dúvida e problematização é o ponto de partida para a construção de um modelo matemático que exprima as relações entre as grandezas observadas.

A modelagem matemática é de suma importância no ensino de Física, de acordo com Vasconcelos et al, (2005) Um dos grandes problemas enfrentados pelos alunos do Ensino Médio no Brasil consiste em compreender conteúdos que envolva física e matemática. [...] A modelagem matemática é de fundamental importância para proporcionar a construção e manipulação de modelos dinâmicos quantitativos matematicamente de modo que estes possam ser analisados de forma mais clara e concisa.

(VASCONCELOS et al, 2005, p.1 e 2).

Para Biembengut (2005, p. 12), Modelagem Matemática é o processo envolvido na obtenção de um modelo, podendo, sob alguns aspectos, ser considerado um processo artístico.

Para elaborar um modelo, além de conhecimento apurado de Matemática, o modelador deve ter uma dose significativa de intuição e criatividade para interpretar o contexto, discernir qual conteúdo matemático melhor se adapta e senso lúdico para jogar com as variáveis envolvidas.

A modelagem computacional é a área que trata da simulação de soluções para problemas científicos, analisando os fenômenos, desenvolvendo modelos matemáticos para sua descrição, e elaborando códigos computacionais para obtenção daquela solução. É importante ressaltar que a linguagem matemática desempenha um papel essencial na representação do Mundo, entretanto, essa não pode ser confundida com explicação. Veit e Teodoro (2002) apresentam um ótimo exemplo que diferencia representação e explicação: ...a lei da gravitação universal de Newton é uma forma de representar, através de um modelo matemático, a interação entre corpos celestes. Nada nos diz acerca do que é gravitação. O poder da linguagem matemática resulta, pois, não da sua capacidade de

22

explicação, mas da sua capacidade de representação, de descrição do processo natural. Isto é, utilizando-se equações, é possível reproduzir no papel (no caso de Newton, que não tinha computador, mas paciência para realizar inúmeros cálculos repetitivos...) ou no computador o que se passa no céu (com certo grau de aproximação)!

(VEIT e TEODORO, 2002, p. 88).

1.3.1

Animações e simulações

Animação consiste em empregar técnicas matemáticas em computadores com o propósito de imitar um processo ou operação do mundo real. Desta forma, para ser realizada uma animação, é necessário construir um modelo computacional correspondente à situação real que se deseja simular. Uma simulação contempla uma animação, sendo mais abrangente, pois permite ao aluno não somente manipular o evento, mas conhecer e/ou modificar as relações entre as grandezas físicas presentes.

Os professores de Física, constantemente enfrentam vários problemas ao tentar explicar para seus alunos fenômenos abstratos e complicados. A maioria destes problemas ocorre porque os fenômenos abstratos são difíceis de serem imaginados e visualizados somente por meio de palavras e gestos, ou complicados de serem representados por figuras.

As simulações possibilitam aos alunos observar em alguns minutos a evolução temporal de um fenômeno que levaria horas, dias, meses ou anos em tempo real, além de permitir ao estudante repetir a observação sempre que o desejar.

1.3.2

Applets

De acordo com Xavier, Xavier e Montse (2003) um applet é um programa computacional realizado em linguagem JAVA (Java-Sun), e possui a vantagem de ser executado diretamente de uma página web. Os applets permitem múltiplas aplicações, tais como elementos móveis, sistemas de controles, introdução de dados, mecanismos interativos, entre outros.

As principais características dos applets, de acordo com os mesmos autores:

São programas relativamente pequenos;

São programados para serem incorporados e executados diretamente em uma página web;

23

São configuráveis, isto é permitem ao professor fazer as adaptações de acordo com sua realidade;

São interativos, isto é permitem ao usuário manipular determinados elementos, modificando o resultado gráfico ou textual.

São distribuídos, na sua maioria, gratuitamente na internet.

Dessa maneira, applets são programas leves e rápidos, necessitando de pouco tempo para serem carregados no computador. A utilização é relativamente simples, não necessitando de muitas explicações. A maioria dos estudantes aprende rapidamente a manipulá-los.

Os autores destacam que os applets mais úteis aos professores de Física são aqueles

que simulam um determinado processo físico, tais como modelação de fênomenos, tanto em sua vertente qualitativa como quantitativa.

1.4

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E ENSINO DE FÍSICA

O desenvolvimento da informática educativa tem criado condições viabilizadoras de sua utilização como recurso didático em sala de aula. Este fato acontece na Física, assim como em qualquer outra disciplina. No entanto, a maioria dos professores, ao desenvolver a ação educativa no processo ensino-aprendizagem da Física, o faz de maneira desarticulada da realidade do educando, por meio de atividades pedagógicas que consistem apenas de apresentação de conceitos, leis e fórmulas. Entretanto, o ensino de uma ciência não deve se basear unicamente nos livros texto, porque a verdade desse conhecimento só pode ser transmitida integrando-se esqueleto teórico e verificação experimental, procurando vincular essa verdade a elementos concretos da observação. (ROSA & ROSA, 2004; WIEMAN & PERKINS, 2005) Para suprir esta defasagem, parte dos professores tem buscado apoiar-se no uso do laboratório, para tornar o ensino de Física mais eficiente e próximo do aluno. No entanto, os autores fazem um alerta: “É necessário, entretanto, que a utilização do laboratório na ação pedagógica seja feita de maneira consciente e que contribua para o processo de formação dos indivíduos, não se tornando mais uma ação ineficiente no processo educativo”. (ROSA & ROSA, 2004, p.1).

Nessa perspectiva, é interessante e enriquecedor considerar um novo enfoque na apresentação do laboratório de Física para o estudante. A esse respeito Barbeta (1996) afirma:

24

Um modo de tornar o laboratório mais motivador é, sem dúvida, através da utilização da informática. Hoje em dia, o computador é mais um elemento da vida diária dos jovens estudantes, assim como o é a televisão, o aparelho de som ou o forno de microondas. A utilização de simulações no lugar de experimentos reais pode ajudar, e muito, na compreensão de certos fenômenos físicos. Sem ter que se ater aos detalhes experimentais, e através da utilização de uma ferramenta que faz parte de seu cotidiano, o aluno pode voltar toda a sua atenção à essência do problema em estudo. (BARBETA, 1996, p.2).

É preciso ter em mente que as simulações não devem substituir completamente as atividades concretas. Contudo, acredita-se que a modelagem computacional ajudaria a sanar parte da deficiência que os alunos possuem em Matemática e Física, melhorando assim a aprendizagem, pois: A modelagem computacional aplicada a problemas de Física transfere para os computadores a tarefa de realizar os cálculos - numéricos e/ou algébricos - deixando o físico ou o estudante de Física com maior tempo para pensar nas hipóteses assumidas, na interpretação das soluções, no contexto de validade dos modelos e nas possíveis generalizações/expansões do modelo que possam ser realizadas. (VEIT e ARAUJO, 2005, p. 5).

A utilização de uma ferramenta computacional faz surgir condições para que o aluno possa gerar um conhecimento, antes não proporcionado pelas limitações da tecnologia do lápis e papel, pois segundo Miranda & Bechara (2004): Uma característica da Física que a torna de entendimento difícil para os alunos é o fato de lidar com conceitos abstratos, às vezes contra-intuitivos, exigindo uma capacidade de abstração que os estudantes, em especial os ingressantes na graduação, ainda não as atingiram. As simulações podem contribuir no desenvolvimento dessa capacidade de chegar a conceitos abstratos mais gerais da Física, ao permitir que o estudante investigue a realidade do sistema observando-o diretamente, promovendo mudanças nas suas condições específicas, e observando suas conseqüências. (MIRANDA & BECHARA, 2004, p. 2).

A simulação permite que sistemas abstratos sejam manipulados virtualmente pelo aluno. As simulações podem ser bastante úteis também quando a experiência original for impossível ou inviável de ser reproduzida pelos estudantes. Exemplos de tais situações podem ser uma descida na Lua, uma situação de emergência em uma usina nuclear ou mesmo um evento histórico ou astronômico (RUSSEL apud MEDEIROS & MEDEIROS, 2002).

Experimentos perigosos, tais como utilização de produtos químicos ou de realizações muito caras, assim como os que envolvam fenômenos muito lentos ou extremamente rápidos estão,

25

também, dentro da classe de eventos a serem alvos prioritários de simulações computacionais no ensino da Física (FINKELSTEIN et al, 2005; SNIR et al apud MEDEIROS & MEDEIROS, 2002).

Resumindo, de acordo com Xavier, Xavier e Montse (2003), existem três situações em que o uso de animações são recomendadas: a) Investigação de sistemas físicos de forma controlada; São especialmente úteis os applets simuladores de sistemas físicos, cuja evolução temporal é significativa, e que permitem controlar a evolução do experimento. Assim, o aluno pode controlar a velocidade de evolução do sistema, congelar a imagem para estudar com detalhe uma determinda posição do objeto, fazer o sistema evoluir passo-a-passo, movimentar-se para a frente ou para trás, ou repetir o experimento várias vezes para comprendê-lo melhor. b) Simulação de sistemas físicos dificilmente reproduzidos em laboratório; Pode-se estudar por exemplo as leis de Kepler mediante uma simulação computacional, pois dificilmente pode-se construir um modelo real no laboratório de um sistema planetário. Com a modelação deste sistema, por meio de uma simulação computacional, será possível realizar um estudo exaustivo de diferentes sistemas planetários, por exemplo. c) Ajuda na aprendizagem de conceitos abstratos.

Pode-se planejar uma atividade que ajuda o aluno a aprender conceitos especialmente abstratos, tais como campo elétrico, contribuindo para a sua visualização e compreensão da sua interação com outros campos, por exemplo.

Medeiros & Medeiros (2002) assinalam os seguintes benefícios, supostamente trazidos pelas simulações computacionais no ensino de Ciências: •

Reduzir o tempo gasto com os cálculos, de modo que os estudantes possam concentrar-se nos conceitos envolvidos nos experimentos;

•

Fornecer um feedback para aperfeiçoar a compreensão dos conceitos;

•

Permitir aos estudantes coletarem uma grande quantidade de dados rapidamente;

•

Permitir aos estudantes gerarem e testarem hipóteses;

•

Engajar os estudantes em tarefas com alto nível de interatividade;

26

•

Envolver os estudantes em atividades que explicitem a natureza da pesquisa científica;

•

Apresentar uma versão simplificada da realidade pela destilação de conceitos abstratos em seus mais importantes elementos;

•

Tornar conceitos abstratos mais concretos;

•

Reduzir a ambigüidade e ajudar a identificar relações de causas e efeitos em sistemas complexos;

•

Servir como uma preparação inicial para ajudar na compreensão do papel de um laboratório;

•

Desenvolver habilidades de resolução de problemas;

•

Promover habilidades do raciocínio crítico;

•

Fomentar uma compreensão mais profunda dos fenômenos físicos;

•

Auxiliar os estudantes a aprenderem sobre o mundo natural, vendo e interagindo com os modelos científicos subjacentes que não poderiam ser inferidos através da observação direta;

•

Acentuar a formação dos conceitos e promover mudança conceitual.

Nos últimos anos vários autores se manifestaram contra e a favor da utilização de simulações computacionais no ensino de Física. As simulações apresentam certas desvantagens, algumas vezes não levadas em consideração. Um sistema real é frequentemente muito complexo e a maioria das simulações que o descrevem são geralmente baseadas em modelos simplificados e aproximados da realidade, conforme descrito por Medeiros & Medeiros (2002): As modernas técnicas computacionais têm tornado as representações visuais e simulações computacionais fáceis e verdadeiramente espetaculares. Ao mesmo tempo, contudo, elas têm criado uma tendência perigosa de um uso exagerado de animações e simulações considerando-as como alternativas aos experimentos reais, como se tivessem o mesmo status epistemológico e educacional. (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002, p. 80).

Cabe ao professor ter o bom senso de planejar e selecionar as simulações com as quais vai trabalhar, bem como os assuntos abordados, pois: Uma animação não é, jamais, uma cópia fiel do real. Toda animação, toda simulação está baseada em uma modelagem do real.

Se essa modelagem não estiver clara para professores e educandos, se os limites de validade do modelo não forem tornados explícitos, os

27

danos potenciais que podem ser causados por tais simulações são enormes. Tais danos tornar-se-ão ainda maiores se o modelo contiver erros grosseiros. (MEDEIROS & MEDEIROS, 2002, p. 81). É importante salientar, portanto, que as animações reproduzem a realidade de forma esquemática e simplificada. Deve-se deixar claro ao estudante que os experimentos realizados por meio de simulações não são equivalentes aos experimentos reais, discutindo essas razões.

1.5

MANEIRAS DE UTILIZAR SIMULAÇÕES PARA CRIAR MOMENTOS DE

APRENDIZAGEM

Toda simulação é criada através da simplificação do mundo real, permitindo assim ao estudante explorar situações fictícias, algumas envolvendo riscos, tais como manipulação de substâncias químicas ou objetos perigosos. Por meio da simulação o aluno tem a oportunidade de desenvolver hipóteses, testá-las, analisar os resultados obtidos e melhorar a aprendizagem dos conteúdos. Valente, afirma que: Esta modalidade de uso do computador na educação é muito útil para trabalho em grupo, principalmente os programas que envolvem decisões. Os diferentes grupos podem testar diferentes hipóteses, e assim, ter um contato mais "real" com os conceitos envolvidos no problema em estudo. Portanto, os potenciais educacionais desta modalidade de uso do computador são muito mais ambiciosos do que os dos programas tutoriais. Nos casos onde o programa permite um maior grau de intervenção do aluno no processo sendo simulado (por exemplo, definindo as leis de movimento dos objetos da simulação) o computador passa a ser usado mais como ferramenta do que como máquina de ensinar. (VALENTE, 1995a, p. 11).

O docente deve ter o cuidado de planejar antecipadamente, visando utilizar a simulação como complemento de suas aulas formais, antes ou após a realização de leituras e discussões em sala de aula, pois segundo Valente: Se estas complementações não forem realizadas não existe garantia de que o aprendizado ocorra e de que o conhecimento possa ser aplicado à vida real. Além disto, pode levar o aprendiz a formar uma visão distorcida a respeito do mundo; por exemplo, ser levado a pensar que o mundo real pode ser simplificado e controlado da mesma maneira que nos programas de simulação. Portanto, é necessário criar condições para o aprendiz fazer a transição entre a simulação e o fenômeno no mundo real. Esta transição não ocorre automaticamente e, portanto, deve ser trabalhada. (VALENTE, 1995a, p. 12).

28

A utilização de animações não deve ser apenas um acessório, deve estar incorporada à atividade docente como um elemento didático. Cabe ao professor elaborar atividades criativas, levando os alunos a interagirem com as simulações para responder às questões solicitadas, aproveitando assim as principais vantagens de sua utilização, que são a animação e a interação. Xavier, Xavier e Montse (2003) afirmam que a animação permite simular um fenômeno físico e graças à interação o estudante pode manipular a evolução de um sistema físico de maneira controlada.

Um outro aspecto importante no uso dessas simulações é o fato do aluno poder atuar de forma independente na busca do entendimento da situação mostrada, fazendo ele mesmo perguntas e procurando as respostas sobre uma dada situação Física, num processo de autoreflexão, diferentemente de uma atividade automática ou meramente reprodutiva de situação semelhante já vista, como são muitas das atividades usualmente propostas aos estudantes. (MIRANDA & BECHARA, 2004, p. 2).

Assim, em acordo com Miranda & Bechara, pode-se utilizar as simulações não apenas para resolver problemas, mas também como uma atividade de iniciação científica. Para isso o professor deverá propor atividades nas quais os alunos devem identificar o problema e elaborar as possíveis hipóteses para a sua solução. Identifica-se as variáveis significativas envolvidas no problema e decide-se a melhor maneira de obter os dados. Após a coleta dos dados, contrasta-se com as hipóteses iniciais, para comprovar sua validade. No caso das hipóteses não serem comprovadas, deve-se saber redefinir a solução do problema. Assim, de acordo com Gil, citado por Xavier, Xavier e Montse (2003), o estudante se comporta como um aprendiz de cientista.

As simulações podem ser utilizadas ao finalizar um tema, para identificar possíveis falhas na aprendizagem e procurando saná-las, ou antes de introduzir determinado conceito, como forma de obter-se um diagnóstico prévio dos pré-conceitos dos estudantes sobre o tema a ser estudado.

A utilização planejada de simulações pode provocar uma mudança nas atitudes dos alunos. A utilização de computadores, em muitas ocasiões, leva os alunos a criarem pequenos grupos de trabalhos, criando assim oportunidades de discussão e cooperação entre seus membros.

O professor poderá elaborar atividades que permitam aos alunos utilizarem as simulações na escola ou em casa. Bastando para isso que eles tenham acesso a um

29

computador conectado à internet ou utilizem simulações prévia. Assim, o educando poderá utilizar melhor o seu tempo livre, aprofundando nos temas discutidos em sala de aula.

No presente trabalho propomos e elaboramos um Roteiro de Atividades dirigido a professores do Ensino Médio, no qual integramos a utilização de novas tecnologias, apoiadas na informática, em particular, a manipulação de simulações computacionais para criar momentos de aprendizagem dos temas selecionados de Eletromagnetismo. No próximo capítulo relatamos a metodologia utilizada para o desenvolvimento do material didático proposto, discutindo os critérios para a seleção dos conteúdos envolvidos e das simulações utilizadas, e da seqüência como as atividades são propostas de acordo com os momentos pedagógicos de Delizoicov. No capítulo 3 apresentamos o produto dessa dissertação: O Roteiro de Atividades. No capítulo 4 apresentamos nossas considerações finais. Nos apêndices tratamos de vários assuntos que consideramos relevantes e a sua consulta é sugerida no decorres deste trabalho. No Apêndice A apresentamos um texto que trata da relação entre eletriciadade e magnetismo: aspectos históricos. No Apêndice B relatamos as páginas e repositórios consultados durante a elaboração deste trabalho. No Apêndice C apresentamos uma proposta de tema estruturador para Equipamentos Elétricos e Telecomunicações, baseado na Proposta Curricular de Física do Estado de Minas Gerais. No Apêndice D incluímos nosso artigo que relata parte dos resultados dessa dissertação, e foi apresentado no XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, em Vitória (ES). No Anexo A apresentamos os termos de consentimento de uso das simulações utilizadas no Roteiro de Atividades.

30

2

MÉTODO DE PESQUISA

Neste capítulo descrevemos as etapas seguidas e os critérios estabelecidos para o desenvolvimento do produto dessa dissertação. Iniciamos discutindo os critérios utilizados na escolha dos conteúdos que fazem parte do Roteiro de Atividades. A problematização inicial, a organização do conhecimento e a aplicação do conhecimento são os momentos pedagógicos de Delizoicov & Angotti (1994; 2003), que orientam a elaboração da nossa proposta de trabalho. Assim, discutimos as características de cada um desses momentos, e descrevemos como estes foram utilizados na elaboração das atividades contidas no Roteiro. Descrevemos também as etapas seguidas e os critérios estabelecidos para a escolha das simulações indicadas.

2.1

UM POUCO DE HISTÓRIA SOBRE A ELABORAÇÃO DO TRABALHO

Nesta secão pretendemos narrar parte das etapas seguidas até a a realização do produto final, propriamente dito, incluindo as angústias e sucessos obtidos neste período.

A idéia inicial deste trabalho era a elaboração de um guia prático para professores do Ensino Médio, contendo indicações de simulações disponíveis na internet. Para tanto realizamos uma pesquisa e catalogamos inicialmente cerca de 50 simulações sobre eletromagnetismo. Uma quantidade surpreendente, muitas das quais elaboradas sem nenhum critério definido em relação aos conteúdos de Física abordados, bem como sobre os aspectos pedagógicos importantes para promover momentos de aprendizagem. No apêndice B caracterizamos os principais sites pesquisados.

Após a pesquisa e seleção das simulações buscamos meios de elaborar o “Guia para o professor”. Nas muitas pesquisas realizadas, chegamos a um modelo sugerido pelo RIVED Rede Internacional Virtual de Educação, mantido no Brasil pelo Ministério da Educação.

Assim o fizemos, e elaboramos inicialmente cerca de 30 Guias para o professor. Esta parte inicial do trabalho foi apresentada a professores da Educação Básica, em um Seminário de Pesquisa promovido pelo Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática da PUC Minas, no mês de janeiro de 2008.

31

Durante a apresentação do trabalho para os referidos professores, observamos que estávamos no caminho errado, e que não era aquilo que eles esperavam. Várias observações sobre o que deveria constar no trabalho foram feitas por eles, as quais procuramos atender na versão final, entre elas citamos:

Informações para o professor se interessar pelo uso das simulações;

Possibilidades de realizar as simulações;

Assuntos abordados;

As diversas abordagens permitidas pelo uso das simulações;

Forma didático-pedagógica de exploração das simulações;

Quando usar: início ou fim de um processo de ensino-aprendizagem;

Como usar: sala de aula ou laboratório?

Critérios para escolha das simulações;

Contexto a ser usado.

Após a apresentação do Seminário de Pesquisa, reiniciamos o trabalho com uma visão

mais clara sobre o que realmente os professores estavam esperando.

Uma nova pesquisa foi realizada e chegamos a um conjunto de quatro simulações que atenderam aos requisitos estabelecidos na seção 2.3. Passamos então à elaboração do Roteiro de Atividades utilizando as simulações escolhidas. O desenvolvimento do material obedeceu às seguintes etapas:

Seleção dos tópicos de eletromagnetismo importantes e significativos para os alunos do Ensino Médio, baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio (PCNEM), na Proposta Curricular (CBC) de Física do Estado de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2007) e na Proposta de Ensino de Física para o Ensino Médio que consta no livro Física (DELIZOICOV & ANGOTTI, 2003).

Pesquisa sobre as simulações disponíveis na internet e posterior análise das mesmas por meio de critérios como interatividade, acesso gratuito, facilidade de manuseio e outros descritos na seção 2.3;

Elaboração do Roteiro de Atividades, baseado nos três momentos pedagógicos de Delizoicov (DELIZOICOV & ANGOTTI: 1994; 2003);

Criação e adequação de textos explicativos e atividades para cada simulação.

32

2.2

2.2.1

CONTEÚDOS ABORDADOS NO ROTEIRO DE ATIVIDADES

Ensino da Física no Ensino Médio

A Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (BRASIL, 1996) traz o Ensino Médio como etapa final da Educação Básica. Ao contrário do que acontecia até então, esse nível de ensino passa a ser para todos e não apenas para os que prosseguirão seus estudos em universidades, como diz o artigo 35 da referida lei: Art. 35. O ensino médio, etapa final da educação básica, com duração mínima de três anos, terá como finalidades: 1. a consolidação e o aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino fundamental, possibilitando o prosseguimento de estudos; 2. a preparação básica para o trabalho e a cidadania do educando, para continuar aprendendo, de modo a ser capaz de se adaptar com flexibilidade a novas condições de ocupação ou aperfeiçoamento posteriores; 3. o aprimoramento do educando como pessoa humana, incluindo a formação ética e o desenvolvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico; 4. a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina. (BRASIL, 1996).

Neste sentido, os educadores juntamente com toda comunidade escolar, deverão planejar e promover atividades, visando educar o jovem, utilizando as várias possibilidades pedagógicas previstas na LDB, que prevê não somente a formação básica, mas também a preparação geral para o trabalho, abrindo assim portas para um currículo voltado para competências e não para conteúdos.

As Diretrizes Nacionais para o Ensino Médio (BRASIL, 1998) responsabiliza a escola pela elaboração do currículo, o professor como elo de mudanças e o aluno como alvo de toda transformação. As diretrizes estão definidas nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o Ensino Médio (BRASIL, 1999). Ao dispor os conteúdos de forma interligada por área, os Parâmetros Curriculares Nacionais criam os caminhos para atingir o objetivo de levar ao estudante conhecimentos capazes de torná-lo uma pessoa crítica, versátil e hábil para continuar aprendendo e se adaptando às constantes exigências do mundo globalizado.

A Física faz parte do currículo do Ensino Médio desde a introdução desse nível de escolarização no Brasil. Essa disciplina era ensinada, inicialmente, apenas para aqueles alunos

33

que pretendiam seguir cursos universitários na área de Ciências, e a partir da década de 1970, passou a integrar o currículo do Ensino Médio. Atualmente, conforme as Diretrizes Nacionais para o Ensino Médio (BRASIL, 1998), a Física está incluída no currículo da Base Nacional Comum, na área de Ciências Naturais e suas Tecnologias. É importante mencionar que essa disciplina também está presente nos currículos de Ensino Médio da grande maioria dos países desenvolvidos ou em desenvolvimento.

De acordo com a Proposta Curricular de Física do Estado de Minas Gerais, muitas são as razões para a manutenção do ensino da Física no nível médio, dentre elas, citamos: Razões Socioeconômicas: Formação de pessoal técnico e cientificamente qualificado para uma nação economicamente forte, com prestígio e poder; Razões Sociopolíticas: Participação do cidadão em debates sobre construção de usinas termonucleares, antenas de telefonia, barragens, transposição de rios, resíduos radioativos; Razões Culturais: Inserção do aluno na cultura do seu próprio tempo, na condição de sujeito; Razões intelectuais: Capacitação do educando a ler e interpretar informações em tabelas e gráficos e desenvolver habilidades de manuseio de instrumentos para a realização de medidas complexas.

(MINAS GERAIS, 2007, p. 14 e 15).

Na elaboração das atividades contidas em nossa proposta, levamos em consideração as razões indicadas acima para o ensino de Física, como discutiremos na próxima seção.

2.2.2

Diretrizes Norteadoras

Os argumentos apresentados na seção anterior indicam que o currículo de Física deve estar voltado para a educação geral do cidadão, abrindo perspectivas para a formação profissional do estudante e possibilitando a aquisição de uma cultura técnica e científica básica.

Por outro lado, o currículo também deve oferecer conhecimentos básicos para aqueles alunos que desejam ingressar em curso superior ligado a carreiras tecnológicas ou científicas.

A seguir citamos as diretrizes norteadoras de um currículo, de acordo com a proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2007), e descrevemos como buscamos contemplar estas diretrizes na proposta apresentada em nosso trabalho: a) Desenvolvimento de Competências

34

Uma primeira diretriz seria pensar o currículo como espaço de desenvolvimento de competências cognitivas, competências práticas e competências sociais que todo cidadão deve ter. Tais competências estão associadas à capacidade de descrever e interpretar a realidade, de planejar ações e de agir sobre o real. Se de fato almejamos contribuir para a formação geral de todo cidadão, devemos construir um currículo capaz de abarcar uma gama mais ampla de interesses e de estilos de aprendizagem. O currículo deve ser atraente para os estudantes e, na medida do possível, incorporar os desenvolvimentos científicos que vêm ocorrendo na Física a partir do século XX. Em nosso trabalho, buscamos desenvolver as competências cognitivas, práticas e sociais quando os alunos, por meio das simulações, experimentações e discussões sugeridas, realizam as atividades propostas no Roteiro como um todo. As competências práticas estão inseridas, principalmente, na busca e análise de dados, ao sugerirmos a realização de experimentos virtuais, e uma possível comparação com experimentos reais. A proposta de atividades em grupo e apresentação de resultados para a turma promove o desenvolvimento das competências sociais. b) Uso de Artefatos Tecnológicos O currículo deve propiciar ao estudante compreensão das tecnologias desenvolvidas a partir do conhecimento gerado pela Física. Os equipamentos tecnológicos devem ser examinados do ponto de vista das soluções encontradas, para os propósitos a que se destinam e do impacto social e econômico que eles produzem na vida das pessoas. Nessa perspectiva, os artefatos e soluções tecnológicas têm um valor pedagógico relevante.

Alguns artefatos tecnológicos comuns não devem passar despercebidos nas salas de aulas. Por exemplo, aparelhos como retroprojetor, telefone fixo ou móvel, aparelho de televisão, câmera fotográfica, a própria rede elétrica, permitem uma rica discussão sobre a evolução técnica e o uso social dos artefatos tecnológicos, relacionando-os com os conceitos aprendidos na Física.

As atividades propostas neste trabalho foram elaboradas de modo a propiciar, sempre que possível, conexões dos assuntos discutidos na Física básica com suas aplicações tecnológicas. No momento da Aplicação do conhecimento são feitas sugestões de pesquisas, levando o aluno a contextualizar o conhecimento adquirido. Sugerimos também atividades envolvendo discussões, com os colegas e com a turma, acerca das vantagens do desenvolvimento tecnológico e dos impactos sociais causados por ele. Além disso, o professor

35

poderá oportunizar momentos de discussões, levando os alunos a compreender o desenvolvimento tecnológico atual bem como suas aplicações. c) Aproximação com as Coisas Cotidianas A Física escolar deve se aproximar cada vez mais da Física do mundo real, das coisas do nosso cotidiano. O vertiginoso desenvolvimento da informática permite a obtenção de dados e visualização de fenômenos mediante a utilização de simuladores computacionais de modelos cada vez mais complexos, realistas e aplicáveis a situações práticas. Por exemplo, por meio de simulações é possível estudar a queda de corpos, tratando-os como corpos que caem em um planeta real, com atmosfera, e não em um planeta ideal sem atmosfera, como geralmente é tratado nos exercícios propostos em sala de aula.

O Roteiro de Atividades foi elaborado levando-se em consideração esta diretriz.

Assim, nas atividades propostas exploramos as possíveis ligações dos conceitos físicos com fenômenos do dia-a-dia. Esperamos dessa maneira, estar contribuindo para o desenvolvimento de uma perspectiva sócio-cultural do aluno.

2.2.3

Escolha dos conteúdos

Por ser muito extenso, é praticamente impossível ensinar todo o conteúdo de Física no Ensino Médio, sendo necessário fazer escolhas. Para isso, precisamos elaborar critérios para definir o que ensinar, por que ensinar, como ensinar e quando ensinar. Os conteúdos de Física, na maioria das vezes, têm recebido um tratamento abstrato e fora da realidade do aluno, e o papel do professor, basicamente, é o de um mero transmissor de informações. Em contrapartida, vemos que a imaginação, a criatividade e a crítica, tão relevantes na produção científica, tendem a ficar em segundo plano.

A nossa proposta de trabalho busca justamente suprir esta lacuna existente no ensino de Física. Assim, a abordagem dos conteúdos é feita levando em consideração o cotidiano dos alunos e instigando o pensar e o agir, dando assim uma pequena contribuição para a melhoria do ensino desta disciplina.

Para a elaboração do Roteiro de Atividades, optamos por escolher conteúdos baseados no desenvolvimento de competências e habilidades descritas nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o Ensino Médio (BRASIL, 1999), na Proposta Curricular (CBC) de

36

Física do Estado de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2007) e na Proposta de Ensino de Física para o Ensino Médio constante no livro Física (DELIZOICOV & ANGOTTI, 2003).

Inicialmente, pretendemos lidar com fenômenos mais comuns do cotidiano, apresentados a partir de simulações que representam experiências simples. Tais experiências permitem estabelecer relações entre os fenômenos considerados e conceitos fundamentais da Física. Partimos do pressuposto de que os alunos devam compreender, a partir da observação e da discussão de fenômenos simples, algumas das idéias adotadas pelos físicos em relação à realidade, como a possibilidade de “modelizar” e de “matematizar” o estudo da natureza.

Os alunos devem ser levados a entender a importância que a Física atribui à realização de medidas e o estabelecimento de relações entre diferentes grandezas. Daí a escolha de alguns fenômenos facilmente observáveis, seja em situação real do cotidiano, seja em situação vivenciada em laboratório.

Devemos enfatizar que os aspectos tecnológicos e sociais da Física implica dar destaque tanto aos dispositivos tecnológicos baseados em conhecimentos de Física, quanto aos grandes sistemas tecnológicos construídos pelo homem e que influenciam decisivamente nossa vida social, tais como os sistemas de produção e distribuição de energia, as telecomunicações e o transporte.

Tendo em vista todas as discussões anteriores e cientes que o ensino de Física deve desenvolver as competências necessárias para a compreensão dos fenômenos naturais e suas possíveis aplicações na ciência e tecnologia, escolhemos trabalhar com simulações computacionais de temas selecionados de eletromagnetismo. Assim, entendemos que fenômenos elétricos e magnéticos permitem a compreensão da base do desenvolvimento de equipamentos elétricos, tão comuns em nosso cotidiano, desde aqueles mais simples encontrados em nossas residências, aos mais sofisticados utilizados em indústrias, tais como geradores e motores elétricos.

De acordo com Troisse (2005), Eletricidade é a parte da Física que estuda os fenômenos da natureza que envolve as cargas elétricas, podendo ser classificados em dois grandes grupos: aqueles que ocorrem quando as cargas estão em repouso e aqueles que ocorrem quando as cargas estão em movimento. Esses dois grupos são subdivididos em três grandes áreas: a Eletrostática, que estuda fenômenos que se manifestam quando as cargas geradoras do fenômeno estão em repouso, o Eletromagnetismo que estuda fenômenos que se manifestam quando as cargas geradoras estão em movimento e a Eletrodinâmica que estuda as relações entre o movimento das cargas e suas causas.

37

Neste trabalho, nos restringimos ao estudo de tópicos de magnetismo e eletrodinâmica, ao optarmos por explorar conceitos e aplicações relacionados ao funcionamento de circuitos elétricos, campos magnéticos gerados por ímãs e correntes elétricas, e fenômenos de indução eletromagnética.

2.3

CRITÉRIO DE ESCOLHA DAS SIMULAÇÕES

Nesta seção, descrevemos os critérios utilizados na escolha das simulações indicadas no nosso Roteiro de Atividades. Inicialmente procuramos diferenciar as simulações interativas das não interativas e, em seguida, passamos a discutir os cuidados que devemos ter ao escolher uma simulação.

2.3.1

Simulações interativas e não interativas

Existem várias aplicações dos computadores nas escolas, sendo que no ensino de Física, a utilização de simulações é a prática mais comum. “(...) pela óbvia vantagem que têm de servir como ponte entre o estudo do fenômeno da maneira tradicional (quadro-e-giz) e experimentos de laboratório.” (COELHO, 2002, p.39).

As simulações podem ser divididas em dois grupos: interativas e não interativas (COELHO, 2002). Nas simulações não interativas, o usuário não pode alterar nenhum parâmetro da simulação. “Os simuladores não interativos servem para mostrar e ilustrar a evolução temporal de algum evento ou fenômeno.” (HECKLER, 2004, p. 24). A figura 2 mostra uma simulação não interativa, na qual uma onda eletromagnética, denominada onda plana polarizada, se propaga na direção x positiva. Os vetores do campo elétrico (vermelho) são paralelos ao eixo y, enquanto os vetores do campo magnético (azul) são paralelos ao eixo z. Nesta simulação é possível visualizar a propagação das ondas eletromagnéticas, mas não é possível fazer qualquer modificação na sua freqüência ou amplitude.

Figura 2 – Exemplo de uma simulação não interativa.

Fonte: http://www.walter-fendt.de/ph14br/emwave_br.htm.

38

A figura 3 mostra outra simulação não interativa. Neste caso é representada a formação de raios, mostrando as nuvens carregadas negativamente e sugerindo uma comparação com um capacitor natural.

Figura 3 – Representação de uma simulação não interativa.

Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/index.html

Nas simulações interativas, o usuário pode alterar vários parâmetros da simulação, explorando a situação física representada, verificando as implicações das alterações feitas no comportamento do fenômeno estudado. (COELHO, 2002) Em algumas simulações o grau de interação é muito pequeno, mas a capacidade de simular qualitativamente o fenômeno é muito grande. A figura 4 mostra um exemplo típico de uma simulação deste tipo. Neste caso o fenômeno da indução eletromagnética é investigado qualitativamente quando a chave do circuito é ligada. Podemos classificar esta simulação como realista, pois apesar da interação permitida consistir apenas em ligar e desligar uma chave, sua capacidade de simular qualitativamente o fenômeno é muito alta, parecendo muito real. Tendo em vista as qualidades apresentadas, esta animação pode ser utilizada como experiência demonstrativa. (XAVIER; XAVIER; MONTSE, 2003)

Figura 4 – Exemplo de uma simulação com pouca interação, mas muito qualitativa.

Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/faraday/index.html.

39

A figura 5 mostra o painel de trabalho de uma simulação bastante interativa, na qual o usuário pode criar circuitos com baterias, lâmpadas, interruptores, fusíveis, e uma variedade de materiais. Vários circuitos com diferentes propostas podem ser construídos a partir dessa simulação, permitindo que sejam exploradas, por exemplo, as características de circuitos em série e paralelo, ou as propriedades elétricas de materiais condutores e isolantes.

Figura 5 – Exemplo de uma simulação interativa.

Fonte:http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspView&Resour ceID=638.

Em nosso trabalho, procuramos dar preferência para as simulações interativas, tendo em vista serem mais adequadas aos objetivos que gostaríamos de alcançar, permitindo que os alunos explorem os fenômenos discutidos e possam, a partir da interação, sistematizar leis, conceitos, relações etc., organizando assim o conhecimento.

2.3.2

Cuidados no desenvolvimento e/ou escolha de uma simulação

Ao sugerir atividades que envolvam a manipulação de simulação devemos ter em mente algumas características, sem as quais poderemos não obter o resultado esperado. A avaliação do uso de software educacionais ainda não possuem métodos consagrados. A avaliação da qualidade das informações e dos conteúdos disponibilizados na internet na forma de textos, apresentações e animações é tema ainda com carência de modelos e padrões definidos.

Assim, para estabelecer critérios para a nossa escolha, nos baseamos nos itens que devem ser considerados para o desenvolvimento de uma boa simulação. Neste trabalho optouse por adotar os critérios elaborados por Xavier, Xavier e Montse (2003), que são:

40

a) Facilidade de utilização Este item se refere a duas características: Ergonomia, ou seja, o uso do applet deve ser cômodo, não oferecendo dificuldades ao aluno na realização de suas tarefas; e a presença de Instruções de uso, deve-se sempre incluir um texto explicativo ilustrando o funcionamento do applet, bem como possibilidades das configurações do mesmo.

O estudante não deve ter dificuldades excessivas para descobrir o funcionamento do applet. Se o aluno leva muito tempo para aprender a manipulá-lo, recomenda-se que o mesmo não seja utilizado. Neste caso outro applet deverá ser escolhido, a não ser que seja de especial interesse por determinado aspecto.

Assim, ao escolhermos as simulações utilizadas no nosso Roteiro de Atividades, privilegiamos aquelas de fácil manuseio, e que possuem instruções de funcionamento. b) Grau de interatividade A interatividade consiste na possibilidade que o estudante tem de alterar parâmetros, valores, variáveis, características das magnitudes e elementos que intervém na animação.

Assim, este item se refere à Configuração interna, que permite ao usuário modificar os valores de certas magnitudes significativas do problema em estudo, tomando-se o cuidado para que o número de botões não seja excessivo; e à Configuração externa, ou seja, que possibilita a adaptação do applet às necessidades específicas do professor.

No nosso trabalho, todas as simulações escolhidas são interativas. Procuramos desenvolver atividades nas quais os estudantes devem necessariamente interagir com as simulações, explorando seus vários aspectos, para responder às questões propostas. Em alguns casos, utilizamos a simulação como alternativa para a realização de experimentos, com coletas de dados e verificação de resultados. c) Confiabilidade da origem A maioria das animações de Física disponíveis na rede é desenvolvida por professores de Física que conhecem algum tipo de programação (Java, Flash). Assim, espera-se que as leis e propriedades reproduzidas nas animações são aquelas aceitas pela comunidade científica.

41

É aconselhável que antes de serem utilizadas, as animações sejam testadas para verificar a veracidade dos conceitos trabalhados, bem como as margens de aplicação, a fim de que os alunos não tenham uma visão equivocada da realidade.

Para evitar surpresas desagradáveis, neste trabalho optamos por utilizar simulações disponíveis em páginas de órgãos educacionais, universidades ou grupos de trabalhos de grande prestígio. Também foram utilizadas simulações disponíveis em páginas pessoais de professores com prestígio reconhecido.

Todas as simulações indicadas no nosso Roteiro de Atividades foram testadas, verificando-se a validade do conteúdo de Física abordado. Assim o professor poderá utilizar plenamente estas simulações. e) Disponibilidade temporal Muitos sítios disponíveis na web desaparecem inesperadamente. Para evitar tais transtornos, neste trabalho foram descartadas as simulações que apresentaram dificuldades no acesso, ou aquelas que se encontravam inacessíveis em alguma das várias buscas que foram realizadas.

Neste trabalho, procuramos disponibilizar todas as simulações utilizadas no Roteiro de Atividades em um CD, evitando assim o inconveniente do professor planejar uma aula e ao indicar a simulação ao aluno, esta não estar mais disponível. Dessa maneira, nosso Roteiro de Atividades poderá ser utilizado também em escolas que não possuem acesso à internet.

Dois itens que também influenciaram nossa escolha foi velocidade no carregamento da simulação e distribuição gratuita, característica fundamental que permite o compartilhamento do trabalho com a comunidade educativa. Priorizamos as simulações cujo tempo de carregamento fosse pequeno, para evitar atrasos durante a realização das atividades do Roteiro, bem como a distração dos alunos com atividades não pertinentes ao trabalho desenvolvido em sala de aula.

A maioria das simulações utilizadas no Roteiro de atividades, são licenciadas sob a filosofia Creative Commons (CC). Partindo da idéia de "todos os direitos reservados" do direito autoral tradicional, o Creative Commons transformou em "alguns direitos reservados".

Isto significa que podemos: copiar, distribuir, exibir e executar a obra; e criar obras derivadas, sob as seguintes condições:

Atribuição. Devemos dar crédito ao autor original, da forma especificada pelo autor ou licenciante;

42

Uso Não-Comercial. Não podemos utilizar a obra com finalidades comerciais;

Compartilhamento pela mesma Licença. Ao alterar, transformar, ou criar outra obra com base nesta, somente poderemos distribuir a obra resultante sob uma licença idêntica a esta.

Além das características discutidas anteriormente, consideramos alguns aspectos que

julgamos importantes na atribuição de uma determinada simulação a cada atividade sugerida.

Por exemplo, existem simulações qualitativas e quantitativas. Ao classificar uma simulação, podem-se separar aquelas que simulam um fenômeno qualitativamente, daquelas que permitem obter resultados numéricos. Dessa maneira, escolhemos as simulações de acordo com o tipo de atividade e competências a serem desenvolvidas no aluno.

Para atender a nossa proposta inicial de trabalhar com conceitos básicos de Eletromagnetismo, levamos também em consideração na nossa escolha, as simulações sobre este assunto, que proporcionaram desenvolver atividades interativas, buscando sempre criar momentos de aprendizagem agradáveis, na tentativa de superar, assim a grande dificuldade que os alunos geralmente apresentam ao estudar conteúdos de Física.

2.4

MOMENTOS PEDAGÓGICOS DE DELIZOICOV

Delizoicov & Angotti (1994; 2003) propõem uma abordagem metodológica que consiste em dividir a atividade educativa em três momentos pedagógicos, a saber: Primeiro Momento Pedagógico: Problematização inicial Este momento é caracterizado pela compreensão e apreensão da posição dos alunos frente ao conteúdo que será estudado, tendo o professor papel relevante nas discussões. No primeiro momento: São apresentadas questões e/ou situações para discussão com os alunos. Mais do que simples motivação para se introduzir um conteúdo específico, a problematização inicial visa à ligação desse conteúdo com situações reais que os alunos conhecem e presenciam, mas que não conseguem interpretar completamente ou corretamente, porque provavelmente não dispõem de conhecimentos científicos suficientes (DELIZOICOV & ANGOTTI, 1994, p.54; 2003, p.31).

Iniciamos cada discussão em nosso Roteiro de Atividades, propondo questões e/ou situações problemas que estabeleçam relação entre o cotidiano dos alunos e o conteúdo de

43

Física que desejamos desenvolver. Em seguida, apresentamos sugestões de atividades a serem desenvolvidas, sempre apresentando questões instigadoras, na forma de pequenos desafios, que para serem resolvidos estimulam os alunos a interagirem com as simulações indicadas.

Segundo Momento Pedagógico: Organização do conhecimento Na organização do conhecimento, considerando a orientação metodológica, poderão ser utilizadas as mais variadas estratégias de modo que os estudantes se apropriem do conhecimento científico (conceitos, definições, leis, relações, etc.) e possam ser capazes de responder às questões estabelecidas na problematização inicial.

Neste momento, “o conhecimento em Ciências Naturais necessário para a compreensão do tema e da problematização inicial será sistematicamente estudado sob orientação do professor.” (DELIZOICOV & ANGOTTI, 1994, p.55).

No nosso trabalho, as atividades elaboradas tendo como apoio a utilização de simulações, permitem ao professor apresentar os conteúdos básicos dos tópicos selecionados de Eletromagnetismo formalmente aos alunos, desenvolvendo conceitos, definições, leis e relações, de uma forma interativa e prazerosa.

As questões apresentadas proporcionam momentos de discussão, nos quais os alunos sejam capazes de identificar e aplicar as leis da Física utilizadas na interpretação e explicação dos fenômenos estudados.

Terceiro Momento Pedagógico: Aplicação do conhecimento O objetivo deste momento é aplicar o conhecimento, até então construído, na análise e interpretação da problematização inicial, bem como em outras questões e/ou situações que podem ser compreendidas por meio do mesmo conhecimento. De acordo com os autores, este momento: “Destina-se, sobretudo, a abordar sistematicamente o conhecimento que vem sendo incorporado pelo aluno para analisar e interpretar tanto as situações iniciais que determinaram o seu estudo, como outras situações que não estejam diretamente ligadas ao motivo inicial, mas que são explicadas pelo mesmo conhecimento” (DELIZOICOV & ANGOTTI, 1994, p.55; 2003, p.31).

Os Três Momentos Pedagógicos oportunizam espaço para o trabalho coletivo, para o surgimento de conflitos/confrontos de idéias, bem como, para a busca de soluções dos mesmos, com vistas à (re)construção de saberes sistematizados pelos alunos. Segundo Delizoicov & Angotti:

44

Num primeiro momento o aluno está com a palavra; ou seja, o professor ouve o que o aluno tem a dizer sobre o assunto: tanto sua maneira de entender o conteúdo, como também a sua experiência de vida. Um segundo momento no qual, a partir da colocação dos alunos através de atividades, o professor ensina um conteúdo novo à classe.

Um terceiro momento, no qual o aluno é estimulado a aplicar este conhecimento a uma situação nova, ou a explicá-lo com suas próprias palavras, ou elaborar um trabalho qualquer, retrabalhando o que aprendeu, apropriando-se do conhecimento adquirido.

(DELIZOICOV & ANGOTTI, 1994, p.128).

Para contemplar este momento, apresentamos atividades a serem desenvolvidas com as simulações. Cada atividade é acompanhada de várias questões que devem ser respondidas com base na simulação estudada. Sugerimos ainda, atividades de pesquisa, nas quais o aluno aplica o conhecimento adquirido. Estas atividades podem ser apresentadas, a critério do professor, por meio de seminários. Para estas apresentações, a turma pode ser dividida em pequenos grupos e cada grupo fica responsável por um tema previamente escolhido.

As atividades foram elaboradas de maneira a permitir aos alunos analisar, avaliar e compreender os impactos sociais advindos das descobertas científicas e do desenvolvimento tecnológico, tal como os danos causados, bem como os benefícios advindos na construção de uma usina hidrelétrica, por exemplo. Assim, o aluno torna-se preparado para se posicionar frente às vantagens e desvantagens que advém do desenvolvimento tecnológico.

Como salientamos inicialmente, estes três momentos constituem-se na estrutura metodológica adotada na elaboração do Roteiro de Atividades.

45

3

ROTEIRO DE ATIVIDADES

Caro colega professor,

Este Roteiro de Atividades é dirigido principalmente aos professores do Ensino Médio, podendo ser utilizado também por aqueles que trabalham com formação de professores nos diversos cursos de Licenciatura em Física, nas disciplinas de Metodologia e Prática de Ensino de Física. O roteiro foi elaborado para criar momentos de aprendizagem de temas selecionados de Eletromagnetismo, no qual integramos a utilização de novas tecnologias, apoiadas na informática, em particular, a manipulação de simulações computacionais, na perspectiva de construção conjunta docente-discente do conhecimento, por meio de discussões em sala de aula, trabalhos em grupo e realização de pesquisas sobre temas correlacionados.

Assim, esperamos que nosso Roteiro de Atividades possa contribuir para o planejamento de aulas envolvendo os conteúdos de circuitos elétricos, condutores e isolantes, e magnetismo. As simulações constantes neste Roteiro de Atividades pretendem possibilitar uma análise criteriosa, lúdica, motivacional e desafiadora de diversos conceitos do eletromagnetismo, sendo possível explorar, por exemplo, várias características dos circuitos elétricos (estabelecimento de corrente elétrica, resistência, medições, etc.) e intervir quando necessário, estimulando debates, confrontos com concepções alternativas dos alunos, além de ampliar a socialização na sala de aula, através da inter-relação entre alunos/alunos e/ou alunos/professores etc.. As simulações podem contribuir para o processo ensino aprendizagem ao serem utilizadas de maneira organizada, estruturada, bem direcionada e com objetivos claros. As atividades foram propostas de modo a promover no aluno uma percepção em relação às implicações do desenvolvimento científico e tecnológico.

Pensando sempre em facilitar o seu trabalho, apresentamos, logo após as atividades, um pequeno tutorial sobre as simulações utilizadas no Roteiro de Atividades. O tutorial lhe dará as primeiras noções sobre as simulações, que no geral são fáceis de utilizar e seus alunos não enfrentarão dificuldades no seu manuseio.

Bom trabalho!

46

3.1

A NOSSA PROPOSTA: ROTEIRO DE ATIVIDADES

Considerando que a Escola não poderá existir às margens dos avanços tecnológicos, mas sim, deverá apresentar-se como alavanca capaz de impulsionar a sociedade rumo a um futuro igualitário, bem como a própria tecnologia, propõe-se um estudo baseado nas contribuições trazidas pelo uso de uma ferramenta tecnológica, recente e de grande impacto, que corresponde à educação apoiada pelo computador, por meio da manipulação dos software de simulação.

Como visto, podem-se confrontar as muitas vantagens da utilização das simulações no ensino de Física com as limitações apontadas. Devem-se considerar os dois lados da questão: as vantagens e as limitações de tal uso. Ciente deste fato, neste trabalho é proposta uma utilização equilibrada e nunca exclusiva das simulações no ensino de Física, servindo assim, como uma atividade complementar, ou seja, um apoio para o professor.

De acordo com a nossa experiência em sala de aula, confirmada por estudos realizados por Santos, Santos e Fraga (2002), conceitos relacionados com o Eletromagnetismo, apresentam-se como elementos complexos e de difícil visualização. Na maioria das vezes, tais conhecimentos são verificados apenas por meio de fórmulas matemáticas complexas. Muitas delas não permitem uma verificação direta pelo aluno, seja por meio de observações ou experiências laboratoriais.

Por outro lado, uma busca rápida na internet mostra a existência de uma quantidade absurda de simulações e applets sobre vários tópicos de Física. Ao se deparar com tantas opções, o professor necessita de critérios para fazer sua escolha, e utilizar as mais apropriadas para a sua realidade escolar.

A partir dessas observações propõe-se neste trabalho a elaboração de um Roteiro de Atividades baseadas na utilização de simulações computacionais para o ensino de alguns temas do Eletromagnetismo no Ensino Médio. Este trabalho procura, também, contribuir para reverter a atual tendência da maioria dos professores de simplificar e reduzir tais conteúdos, pois acreditamos que: Com o avanço tecnológico computacional, os usos de métodos de aprendizado tradicionais tornam-se ineficientes e inadequados. A demanda por uma solução moderna e eficaz leva-nos ao conceito de software educacional. O desenvolvimento de um sistema que crie um ambiente no qual o usuário seja capaz de modelar, visualizar e interagir com a simulação proposta baseada em experimentos da Física real poderia ser considerado como uma solução para suprir esta demanda. Tal sistema seria uma ferramenta complementar para

47

o estudo da Física, desde que através dele seja possível a realização de experimentos “virtuais" com a finalidade de esclarecer e reforçar o conhecimento teórico da Física, no nosso caso a teoria Eletromagnética. (SANTOS, SANTOS e FRAGA, 2002, p.186 e 187).

Propomos assim um Roteiro de Atividades para professores do Ensino Médio, que queiram criar situações de aprendizado sobre alguns tópicos de Eletromagnetismo utilizando simulações computacionais. Abaixo mostramos o diagrama adaptado de Valente (1995a, p.2).

Ele mostra claramente que o processo ensino-aprendizagem por meio do computador, como ressaltamos no início dessa dissertação, oscila entre dois grandes pólos.

Figura 6 – Pólos de Ensino-Aprendizagem por meio do computador.

Fonte: Valente (1995a, p.2).

Este trabalho se insere no pólo 1, visto à direita. Isto é, por meio do Roteiro de Atividades

o

computador

será

utilizado

como

uma

ferramenta

educacional

de

complementação e aperfeiçoamento, objetivando uma melhoria na qualidade de ensino.

Por meio do Roteiro de Atividades o professor terá à sua disposição um conjunto de simulações sobre os conteúdos selecionados, com dicas de uso em sala de aula e no laboratório, explicitando os objetivos das atividades propostas e o conteúdo abordado, facilitando assim o preparo de suas aulas. Este material didático visa contribuir para a melhoria do ensino de Física e facilitar o desenvolvimento de aulas agradáveis e interativas.

Assim, esperamos também que esse trabalho sirva de guia, orientando aqueles professores que desejam sistematizar outros conteúdos de Eletromagnetismo, tanto na teoria,

48

como na experimentação real e virtual, capacitando-o na construção de critérios para a escolha das simulações computacionais mais adequadas, de acordo com seus objetivos.

3.2

MOMENTOS PEDAGÓGICOS DE DELIZOICOV

Todas as atividades propostas no Roteiro de Atividades foram elaboradas de acordo com os momentos pedagógicos de Delizoicov & Angotti (1994; 2003).

A problematização inicial, ou primeiro momento pedagógico, caracterizada pela compreensão e apreensão da posição dos alunos frente ao conteúdo que será estudado, é contemplada no nosso Roteiro de Atividades nas sugestões de discussão do conteúdo a ser apresentado, a partir da proposição de questões e/ou situações problemas que estabeleçam relação entre o cotidiano dos alunos e o conteúdo de Física. A seguir são apresentadas sugestões de atividades a serem desenvolvidas, sempre contendo questões instigadoras, na forma de pequenos desafios, que para serem resolvidos estimulam os alunos a interagirem com as simulações indicadas.

No segundo momento pedagógico, ou seja, na organização do conhecimento utilizamse as mais variadas estratégias de modo que os estudantes se apropriem do conhecimento científico e possam ser capazes de responder às questões estabelecidas na problematização inicial. Assim, no nosso trabalho, as atividades elaboradas tendo como apoio a utilização de simulações, permitem ao professor apresentar os conteúdos básicos dos tópicos selecionados de Eletromagnetismo formalmente aos alunos, desenvolvendo conceitos, definições, leis e relações, de uma forma interativa e prazerosa. As questões apresentadas proporcionam momentos de discussão, nos quais os alunos possam identificar e aplicar as leis da Física utilizadas na interpretação e explicação dos fenômenos estudados.

No terceiro e último momento pedagógico, a aplicação do conhecimento é estabelecida a partir da apresentação de novas atividades que requerem a utilização das simulações para o seu desenvolvimento. Cada atividade é acompanhada de várias questões que devem ser respondidas com base na simulação estudada. Sugerimos ainda, atividades de pesquisa, nas quais o aluno aplica o conhecimento adquirido. Os resultados destas atividades podem ser apresentados, a critério do professor, por meio de seminários. Para estas apresentações, a turma pode ser dividida em pequenos grupos e cada grupo fica responsável por um tema previamente escolhido. Desta maneira, cumprimos o objetivo deste momento, ou seja, aplicar o conhecimento, até então construído, na análise e interpretação da

49

problematização inicial, bem como em outras questões e/ou situações que podem ser compreendidas por meio do mesmo conhecimento.

3.3

ATIVIDADES UTILIZANDO SIMULAÇÕES

3.3.1 Trabalhando com circuitos simples

Nesta seção descrevemos uma atividade elaborada para explorar os conceitos de corrente elétrica, diferença de potencial ou queda de tensão1 e resistência elétrica aplicados à circuitos elétricos simples, utilizando simulações computacionais, aliadas aos três momentos pedagógicos de Delizoicov (DELIZOICOV & ANGOTTI: 1994; 2003). Para realizar as atividades propostas é necessário acessar a simulação “Kit para Construção de Circuitos” disponível no CD que acompanha esta dissertação, ou para download no endereço eletrônico http://phet.colorado.edu2, devendo neste caso escolher a versão em Português no final da página.

Núcleo: Aplicação das relações entre tensão, resistência e corrente elétrica a circuitos resistivos. Lei de Ohm. Associação de resistores em série e em paralelo. Materiais condutores e isolantes.

Objetivos: Descrever os elementos básicos de um circuito simples e verificar seu funcionamento. Verificar a Lei de Ohm. Caracterizar associação de resistores em série e em paralelo. Determinar a resistência equivalente das associações e calcular tensões e correntes nos resistores de um circuito. Verificar as propriedades elétricas de vários tipos de materiais.

ACENDENDO UMA LÂMPADA

Problematização inicial Sugere-se ao professor iniciar a aula colocando uma questão para os alunos: Como uma lâmpada acende? O professor poderá utilizar as lâmpadas instaladas na sala-de-aula, ou trazer lâmpadas, pilhas e cabos para realizar uma demonstração simples para os alunos.

1

2

Outro termo utilizado é voltagem.

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Circuit_Construction_Kit_DC_Only. Acesso em 13 fev.

2009.

50

1) Divida a turma em grupos e peça que respondam à questão e em seguida, a partir da observação, façam um esquema de ligação dos fios que acendem as lâmpadas da sala de aula, identificando os elementos envolvidos (corrente elétrica, resistência, tensão, etc.). Não importa se o esquema não for perfeito. Faça um apanhado dos resultados dos grupos, sistematizando-os para a turma.

Organização do conhecimento Sugere-se ao professor trabalhar com os alunos as três simulações de montagens experimentais sugeridas a seguir, discutindo as questões propostas. Ao final da atividade sistematize as conclusões da turma e compare com as respostas dadas anteriormente. Essas etapas conduzirão os alunos à observação e compreensão da situação apresentada na problematização inicial.

1ª demonstração: Utilize a simulação para montar um circuito semelhante ao esquematizado na figura 7. Para isto clique sobre a lâmpada na caixa de objetos e a arraste com o mouse para o quadro principal da simulação. O mesmo poderá ser feito com os fios e a bateria.

Figura 7 – Circuito simples.

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Descreva o que acontece enquanto a lâmpada acende.

Questão 2: Especifique o que faz a lâmpada acender.

2ª demonstração: Agora, simule um circuito semelhante ao esquematizado na figura 8, incluindo uma chave geral.

51

Figura 8 – Circuito simples com uma chave geral.

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Qual a posição da chave para que a lâmpada acenda?

Questão 2: Porque isso ocorre? Discuta o conceito de corrente elétrica e descreva o caminho que essa percorre para chegar à lâmpada.

Questão 3: Para que serve uma chave deste tipo? Cite exemplos de aplicação.

Questão 4: Há alguma chave geral em sua casa? Descreva sua função.

3ª demonstração: Utilizando a simulação, monte um circuito constituído por uma chave geral, duas lâmpadas ligadas em paralelo, cada qual com o seu interruptor, como mostrado na figura 9.

Figura 9 – Circuito paralelo, com uma chave e dois interruptores.

Fonte: Dados da pesquisa.

Verifique o que acontece nas seguintes situações, descrevendo o caminho da corrente: Chave geral aberta, interruptores 1 e 2 fechados. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptores 1 e 2 abertos. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptor 1 fechado e interruptor 2 aberto. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

52

Chave geral fechada, interruptor 1 aberto e interruptor 2 fechado. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptor 1 e 2 fechados. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Questão 1: Observe na simulação o caminho que a corrente elétrica precisa percorrer para acender cada uma das lâmpadas. Para que servem os interruptores?

Questão 2: Cite exemplos de aplicações. Há interruptores em sua casa? Descreva sua função.

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome as situações da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que: Questão 1: Comparem o funcionamento dos interruptores com o funcionamento da chave geral.

Projeto: Descrevam as situações de utilização de interruptores e chaves gerais em instalações elétricas de residências.

LÂMPADAS LIGADAS EM SÉRIE E PARALELO

Problematização inicial 1ª demonstração: Monte um circuito constituído por três lâmpadas ligadas em série, como mostrado na figura 10. Para isto clique sobre a lâmpada e a arraste com o mouse para o quadro principal da simulação. Repita a operação três vezes. Faça o mesmo com os fios e a bateria. Para alterar os valores da resistência interna das lâmpadas, clique com o botão esquerdo do mouse na lâmpada, e selecione Alterar Resistência introduzindo o valor de 10Ω.

Para modificar o valor da tensão na bateria, repita o mesmo procedimento selecionando Alterar Voltagem introduzindo o valor de 30V.

53

Figura 10 – Circuito com três lâmpadas ligadas em série.

Fonte: Dados da pesquisa.

Com as três lâmpadas acesas, desconecte uma das lâmpadas. Para isto clique com o botão esquerdo do mouse sobre a lâmpada e selecione remover.

Questão 1: Descreva o que ocorre. Explique.

Questão 2: Porque quando uma lâmpada “queima” ou é desconectada, as demais lâmpadas e aparelhos de uma residência não se apagam?

Sugere-se ao professor, neste momento, solicitar aos alunos que, usando lâmpadas e baterias, simulem a montagem de um circuito com três lâmpadas, capaz de manter acesas duas delas, quando a terceira é desconectada.

1) Divida a turma em grupos e peça que respondam à questão e que, a partir da observação, façam um esquema no caderno de onde estão ligados os fios que acendem as lâmpadas no circuito, identificando os elementos envolvidos (corrente elétrica, resistência, tensão, etc.). Não importa que o esquema não saia perfeito. Faça um apanhado dos resultados dos grupos, sistematizando-os para a turma.

Organização do conhecimento Sugere-se ao professor trabalhar com os alunos as três simulações de montagens experimentais sugeridas a seguir, discutindo as questões propostas. Ao final da atividade sistematize as conclusões da turma e compare com as respostas dadas anteriormente. Essas etapas conduzirão os alunos à observação e compreensão da situação apresentada na problematização inicial.

54

1ª demonstração: Usando baterias de mesma tensão e lâmpadas idênticas (de mesma resistência interna) alimentar um circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo, como sugerido na figura 11.

Figura 11 - Circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Com as três lâmpadas acesas, desconecte uma das lâmpadas. Para isto clique com o botão esquerdo do mouse sobre a lâmpada, e selecione remover.

Questão 1: Descreva o que ocorre. Explique.

Questão 2: Compare seu resultado com o resultado obtido quando as três lâmpadas estavam ligadas em série. O que você conclui?

2ª demonstração: Usando baterias de mesma tensão e lâmpadas idênticas (de mesma resistência interna) alimentar um circuito com uma só lâmpada e outro circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo, como sugerido na figura 12.

Figura 12 - Circuito com uma e três lâmpadas em paralelo.

Fonte: Dados da pesquisa.

55

Questão 1: Você percebe alguma diferença entre os brilhos das lâmpadas nos dois circuitos?

O que você conclui dessa observação?

3ª demonstração: Usando baterias de mesma tensão e lâmpadas idênticas (de mesma resistência) alimentar um circuito com uma só lâmpada e outro circuito com três lâmpadas ligadas em série, como sugerido na figura 13.

Figura 13 – Circuito com uma e três lâmpadas em série.

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Você percebe alguma diferença entre os brilhos das lâmpadas nos dois circuitos?

O que você conclui dessa observação?

Questão 2: Compare seu resultado com o resultado obtido na segunda demonstração. O que você conclui?

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome as situações da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que: Questão 1: Explorem vários circuitos com lâmpadas ligadas em série e paralelo, alterando os valores das resistências internas das mesmas, fazendo previsões sobre o brilho das lâmpadas.

Questão 2: Tentem relacionar os resultados obtidos com as variações de corrente e queda de tensão nos circuitos simulados.

Questão 3: Expliquem porque o brilho de lâmpadas de mesma resistência interna numa residência permanece o mesmo, independente do número de lâmpadas ligadas?

Questão 4: Discutam como é feita a instalação elétrica numa residência.

Projeto: Faça uma maquete com lâmpadas, pilhas e fios representando a instalação elétrica numa residência.

56

EXPLORANDO A LEI DE OHM

Problematização inicial Sugere-se ao professor, neste momento, solicitar aos alunos que discutam, com base no comportamento dos circuitos observados anteriormente, “qual a relação matemática existente entre tensão, corrente elétrica e resistência?”

1) Divida a turma em grupos e peça que respondam à questão. Faça um apanhado dos resultados dos grupos, sistematizando-os para a turma.

Organização do conhecimento Por meio de medidas realizadas utilizando voltímetro e amperímetro, as três atividades a seguir permitem aos alunos verificar e relacionar a lei de Ohm, bem como aprender a ligar corretamente estes instrumentos de medida, com a vantagem de não correr o risco de queimar os aparelhos, caso a experimentação fosse real, causando assim prejuízos.

Para estas atividades, sugere-se ao professor utilizar um software gráfico. Existem vários software livres na internet, tais como o CurveExpert3 e o Winplot4, e outros que não são livres mas de fácil acesso como o Origin e o Excel, entre outros.

1ª demonstração: Sugere-se ao professor solicitar aos alunos que montem um circuito utilizando um resistor, uma bateria, uma chave geral e um amperímetro, conforme mostra a figura 14.

Para ligar o amperímetro no circuito, marque a opção Amperímetro(s) na caixa de Ferramentas, clique sobre ele e arraste-o para o quadro principal, como mostrado na figura 14. Este instrumento deve ser ligado em série. Por quê?

3

O Curve Expert é um software gratuito que ajusta curvas em conjunto de pontos no plano, por exemplo, coleta de dados numéricos, via modelos de regressão-linear e não-linear e diferentes interpolações. Disponível em http://www2.mat.ufrgs.br/edumatec/softwares/soft_geometria.php. Acesso em 22 fev. 2009.

4

O WinPlot é um programa livre que gera gráficos em 2D e 3D a partir de funções ou equações matemáticas.

Através dele obtém-se resultados rápidos, diretos e excelentes. Os menus do sistema são simples, sendo que existe uma opção de Ajuda em todas as partes. Aceita funções matemáticas de modo natural. Disponível em http://www.baixaki.com.br/download/winplot.htm. Acesso em 22 fev. 2009.

57

Figura 14 – Utilizando o amperímetro.

Fonte: Dados da pesquisa.

Com a chave desligada meça a intensidade de corrente que passa pelo resistor. O que você percebeu quanto à indicação do amperímetro? Explique.

Agora ligue a chave e repita o procedimento anterior. Discuta.

Ainda com a chave ligada, ajuste a resistência do resistor em 3Ω. Para isto clique com o botão esquerdo do mouse sobre o mesmo e depois selecione Alterar Resistência.

Mantendo a tensão na bateria em 0V, meça a intensidade de corrente que passa pelo resistor.

Mantendo a resistência do resistor em 3Ω e variando a tensão, meça com o amperímetro a intensidade de corrente que atravessa o resistor e complete a tabela abaixo. Para modificar o valor da tensão na bateria, clique com o botão esquerdo do mouse sobre a mesma e selecione Alterar Voltagem.

Tabela 1 - Variação da tensão de entrada, mantendo a resistência constante.

Tensão (U)

Resistência (R)

0V

3Ω

3V

3Ω

6V

3Ω

9V

3Ω

Intensidade de corrente (I)

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Faça o gráfico da tensão (U) versus a intensidade de corrente (I), gráfico U × I, relativo à tabela anterior.

Questão 2: Descreva a curva que você obteve. Você esperava este resultado? Explique.

58

Questão 3: Mantendo a resistência constante, ao variar o valor da tensão da bateria, como variou a intensidade de corrente?

Questão 4: Com base nos seus resultados, você diria que neste caso a tensão e a intensidade de corrente são grandezas diretamente ou inversamente proporcionais? Explique.

Questão 5: Ainda em relação à tabela anterior, efetue o produto R × I. O que você conclui?

Neste momento, sugere-se ao professor abordar a relação U = R × I, em que a resistência elétrica é a constante de proporcionalidade.

A expressão acima é conhecida como Lei de Ohm. Quando um condutor obedece a esta lei, ou seja, quando sua resistência elétrica é constante, ele é chamado de resistor ôhmico.

2ª demonstração: Sugere-se ao professor solicitar aos alunos que montem um circuito utilizando um resistor, uma bateria, uma chave geral, um amperímetro e um voltímetro, conforme mostra a figura 15.

Para ligar o voltímetro ao circuito, marque Voltímetro, clique sobre o mesmo e arraste para o quadro principal. Este instrumento deve ser ligado em paralelo. Por quê?

Figura 15 – Utilizando o amperímetro e o voltímetro.

Fonte: Dados da pesquisa.

Com a chave ligada, ajuste a tensão da bateria para 2V. Para isto clique com o botão esquerdo do mouse sobre a mesma e depois selecione Alterar Voltagem. Ajuste a resistência do resistor em 1Ω, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o mesmo e depois selecionando Alterar Resistência. Meça a intensidade de corrente que passa pelo resistor.

Variando a tensão da bateria e a resistência do resistor, meça com o amperímetro a intensidade de corrente que atravessa o resistor e complete a tabela abaixo.

59

Tabela 2 - Variação da resistência e da tensão, mantendo a intensidade de corrente constante.

Tensão (U) 2V 4V 6V 8V

Resistência (R)

Intensidade de corrente (I)

1Ω 2Ω 3Ω 4Ω Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Faça o gráfico da tensão (U) versus a resistência (R), gráfico U × R, relativo à tabela anterior.

Questão 2: Descreva a curva que você obteve. Você esperava este resultado? Explique.

Questão 3: Ao variar a tensão e o valor da resistência do resistor linearmente, o que ocorreu com a intensidade de corrente que atravessa o resistor?

Questão 4: Podemos então dizer que, neste caso, a tensão e a resistência elétrica são grandezas diretamente ou inversamente proporcionais? Explique.

Questão 5: Ainda em relação à tabela anterior, efetue o produto R × I. O que você conclui?

3ª demonstração: Sugere-se ao professor solicitar aos alunos que montem um circuito utilizando uma lâmpada, uma bateria, uma chave geral e um amperímetro, conforme mostra a figura 16.

Figura 16 – Utilizando o amperímetro.

Fonte: Dados da pesquisa.

Com a chave ligada, ajuste a tensão da bateria para 0V. Para isto clique com o botão esquerdo do mouse sobre a mesma e depois selecione Alterar Voltagem. Ajuste a resistência interna da lâmpada em 9Ω, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre a mesma e selecionando Alterar Resistência. Meça a intensidade de corrente que passa pela lâmpada.

60

Variando a tensão da bateria e a resistência interna da lâmpada, meça com o amperímetro a intensidade de corrente que atravessa a lâmpada e complete a tabela abaixo.

Tabela 3 - Variando a tensão da bateria e a resistência interna da lâmpada.

Tensão (U)

Resistência (R)

0V 5V

9,0 Ω

10V

12,8Ω

15V

16,5Ω

20V

20,4Ω

Intensidade de corrente (I)

9,8Ω

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Faça o gráfico da tensão (U) versus a intensidade de corrente (I), gráfico U × I, relativo à tabela anterior.

Questão 2: Descreva a curva que você obteve. Você esperava este resultado? Explique.

Questão 3: Variando a tensão da bateria e a resistência interna da lâmpada, como variou a intensidade de corrente?

Questão 4: Com base nos seus resultados, você diria que neste caso a tensão e a intensidade de corrente são grandezas diretamente proporcionais? Explique.

Questão 5: Compare o gráfico obtido neste caso com o gráfico obtido com os dados da tabela 1. O que você conclui?

Esta demonstração simula o que poderia acontecer com uma lâmpada incandescente à medida que se aumenta a corrente elétrica. Neste caso o condutor não obedece a Lei de Ohm e como sua resistência elétrica não é constante, ele é chamado de resistor não-ôhmico.

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome as situações da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, utilizando as demonstrações a seguir, peça aos alunos que:

Destaquem as características de cada tipo de associação de resistores;

Obtenham a relação que determina a resistência equivalente de uma ligação em série e de uma ligação em paralelo;

Resolvam e proponham problemas, inclusive com associações mistas.

61

LIGAÇÕES EM SÉRIE E PARALELO: RESISTÊNCIA TOTAL 1ª demonstração: Monte um circuito constituído por três lâmpadas em série, com resistências internas de 1Ω, 4Ω e 8Ω, como mostrado na figura 17.

Figura 17 - Circuito em série.

Fonte: Dados da pesquisa.

Ajuste a tensão da bateria para 13V. Sugere-se ao professor que peça aos alunos, antes de realizar as medidas, para fazer uma previsão da queda de tensão e da intensidade de corrente que passa por cada lâmpada.

Qual lâmpada brilha mais? Discuta os resultados com a turma, fazendo um apanhado dos resultados dos grupos.

Após ligar a chave e utilizando o voltímetro, meça a queda de tensão em cada lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa cada lâmpada, e a corrente total que passa pelo circuito. Anote os valores medidos.

Questão 1: O que você observa sobre a queda de tensão medida em cada lâmpada? Compare com o valor da tensão de entrada no circuito. Discuta.

Questão 2: O que você observa sobre a intensidade de corrente que passa por cada lâmpada?

Compare com o valor da intensidade de corrente total do circuito. Explique.

Questão 3: Qual lâmpada brilha mais? Porque?

Questão 4: Compare e discuta os resultados obtidos com as previsões feitas.

Questão 5: Você poderia escrever uma relação matemática para calcular a resistência total do circuito?

2ª demonstração: Monte um circuito constituído por três lâmpadas ligadas em paralelo, com resistências de 1Ω, 4Ω e 8Ω, como mostrado na figura 18.

62

Figura 18 - Circuito com três lâmpadas ligadas em paralelo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Ajuste a tensão da bateria para 4V. Sugere-se ao professor que peça aos alunos, antes de realizar as medidas, para fazer uma previsão da queda de tensão e da intensidade de corrente que passa por cada lâmpada.

Qual lâmpada brilha mais? Discuta os resultados com a turma, fazendo um apanhado dos resultados dos grupos.

Após ligar a chave e utilizando o voltímetro, meça a queda de tensão em cada lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa cada lâmpada e a intensidade de corrente que passa pelo circuito.

Questão 1: O que você observa sobre a queda de tensão medida em cada lâmpada? Compare com o valor da tensão de entrada no circuito. Discuta.

Questão 2: O que você observa sobre a intensidade de corrente que passa por cada lâmpada?

Compare com o valor da intensidade de corrente total do circuito. Explique.

Questão 3: Qual lâmpada brilha mais? Porque?

Questão 4: Compare e discuta os resultados obtidos com as previsões feitas antes de medir.

Questão 5: Você poderia escrever uma relação matemática para determinar a resistência total do circuito?

Questão 6: Faça uma comparação entre os circuitos em série e em paralelo.

Projeto: Discuta com os colegas as vantagens e desvantagens de cada associação. Monte uma lista de aplicações para circuitos em série e em paralelo e discuta as características principais de cada uma delas em função de seu uso.

63

CONDUTORES E ISOLANTES Problematização inicial Sugere-se ao professor, neste momento, solicitar aos alunos que discutam a seguinte questão: É muito comum tomarmos choque ao abrir/fechar a torneira conectada ao chuveiro elétrico. Quando estamos usando chinelas havaianas, isto não acontece. Explique.

1) Divida a turma em grupos e peça que respondam à questão. Faça um apanhado dos resultados dos grupos, sistematizando-os para a turma. Faça uma lista, junto com os alunos, de materiais que sejam isolantes e de materiais condutores.

Organização do conhecimento A atividade a seguir permitirá aos alunos verificar quais materiais são bons e maus condutores de eletricidade.

1ª demonstração: Monte um circuito utilizando um lápis, como mostrado na figura 19.

Clique em Caixa de Objetos, e depois selecione lápis arrastando-o para o quadro principal.

Após ligar a chave, utilizando o voltímetro, meça a queda de tensão na lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa o circuito. Varie a tensão da bateria e verifique se a lâmpada acende para algum valor da tensão. Anote os resultados.

Figura 19 – Materiais condutores e isolantes.

Fonte: Dados da pesquisa.

Ajuste a resistência interna da lâmpada para 10Ω.

Questão 1: A queda de tensão medida pelo voltímetro variou?

Questão 2: A intensidade de corrente elétrica do circuito variou?

Questão 3: O grafite é um bom condutor de eletricidade? Explique sua resposta.

Questão 4: Aumente a tensão da bateria clicando em mais volts até queimar e explodir tudo.

64

Questão 5: Observe e anote a máxima voltagem bem como a máxima intensidade de corrente permitida no circuito para que ele não se queime. Com esses valores determine o valor da resistência interna do grafite.

Substitua o lápis pelo clipe de papel e verifique o que acontece. Faça o mesmo para os demais materiais disponíveis. Responda às questões abaixo justificando sua resposta: Questão 6: Dos materiais constantes na simulação quais são bons condutores de eletricidade?

Questão 7: Quais são maus condutores de eletricidade?

Questão 8: Quais são isolantes?

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome a situação da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que:

Destaquem as características de materiais condutores e isolantes;

Relacionem aplicações do dia-a-dia para os dois tipos de materiais;

Pesquisem e discutam sobre ruptura dielétrica.

Questão 1: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. e explique porque alguns materiais são bons condutores e outros não.

Projeto: Analise uma lâmpada e descreva quais partes são isolantes e quais são condutoras.

Faça um esquema mostrando os seus resultados e os relacione com seu funcionamento.

Projeto: Monte um circuito usando um microamperímetro (ou multímetro) e dois fios com jacarés nas pontas. Na ponta de um jacaré ligue uma placa de zinco e na outra ponta uma placa de cobre. Segure cada placa com uma das mãos, fechando o circuito. Observe a medida no amperímetro. Anote. Explique por que aparece uma corrente no medidor. Molhe as mãos e refaça a experiência. Compare os valores obtidos para a corrente. Explique a diferença. Os valores encontrados para a intensidade de corrente neste experimento são em torno de dez microampères (10 µA), assim o amperímetro deve estar ajustado corretamente para efetuar a leitura da corrente.

65

3.3.2

Atividade: Ímãs, corrente elétrica e indução eletromagnética

Nesta seção descrevemos uma atividade elaborada para explorar os conceitos de magnetismo,

eletromagnetismo,

seus

efeitos

e

aplicações,

utilizando

simulações

computacionais. As atividades foram planejadas com base nos três momentos pedagógicos de Delizoicov (DELIZOICOV & ANGOTTI: 1994; 2003). Para realizar as atividades propostas é necessário acessar a simulação “Laboratório de Eletromagnetismo” disponível para download no endereço eletrônico http://phet.colorado.edu5, devendo neste caso escolher a versão em Português no final da página. Esta simulação também está disponível no CD que acompanha esta dissertação.

Núcleo: Vetor campo magnético de ímãs permanentes e criados por corrente elétrica.

Interação entre campos magnéticos de ímãs e correntes. Linhas de campo magnético. Força magnética. Corrente elétrica induzida em um condutor. Variação do fluxo de indução eletromagnética. Lei de Faraday.

Objetivos: Determinar as características de um ímã e representar as linhas de campo magnético. Descrever as interações entre dois ímãs e entre ímã e bússola. Identificar o campo magnético produzido por correntes elétricas e descrever suas características quando são gerados por fio retilíneo, espira e solenoíde. Verificar as condições em que é induzida corrente elétrica num condutor. Identificar e aplicar a indução eletromagnética em máquinas elétricas. ÍMÃS E BÚSSOLAS Problematização inicial Sugere-se ao professor dividir a classe em pequenos grupos e solicitar aos alunos que respondam: A bússola é um instrumento bastante usado para navegação. Como ela funciona?

O professor poderá trazer ímãs e bússolas para realizar demonstrações simples para os alunos.

Ao final da discussão o professor poderá sistematizar as respostas dos alunos no quadro.

Organização do conhecimento

5

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Faradays_Electromagnetic_Lab. Acesso em 22 fev. 2009.

66

Sugere-se ao professor explorar os fenômenos qualitativamente, por meio da realização de experimentos reais e virtuais em sala de aula com ímãs e bússolas.

Experimento 1 Este é um experimento simples e pode ser realizado com um par de ímãs de qualquer formato. Peça aos alunos para trazer ímãs, estes podem ser encontrados em alto falantes, ferro velho, lojas de materiais elétricos, em alguns brinquedos, em objetos de decoração como os ímãs de geladeira, etc.

Coloque um ímã sobre uma mesa lisa e em seguida aproxime outro ímã deste. Peça aos alunos para descreverem o que ocorre. Tente explorar a interação entre os dois ímãs de várias maneiras, alterando as suas posições e discutindo com os alunos suas características.

1ª demonstração: Acessar a simulação Laboratório de Eletromagnetismo. Abrir a guia Ímã de barra e deixar todas as opções desmarcadas, como mostrado na figura 20.

Figura 20 – Campo magnético produzido por um ímã em barra.

Fonte: Dados da pesquisa.

Marque a opção Mostrar Bússola. a)

Clique com o mouse sobre a bússola, colocando-a em várias posições ao redor do ímã e observe o que acontece. Note que o pólo norte do ímã e da bússola estão marcados de vermelho.

b)

Solicite aos alunos que desenhem a representação das linhas de campo magnético.

Marque a opção Mostrar Campo. O resultado observado coincidiu com a representação das linhas de campo magnético feita anteriormente? Clique com o mouse sobre a bússola, colocando-a em várias posições ao redor do ímã e compare seu comportamento com as linhas de campo em cada ponto. O que você conclui?

Clique em Inverter Polaridade. Refaça os itens acima. O que você observa?

67

Marque a opção Ver dentro do ímã. O que você observa? Era o que você esperava?

Discuta.

Marque a opção Medidor de Campo. a)

Clique sobre ele e meça os valores do campo magnético em vários pontos, onde as linhas de campo estiverem mais densas e onde estiverem menos densas.

b)

Descreva seus resultados. Você é capaz de obter uma regra geral?

Neste momento, sugere-se ao professor deixar claro aos alunos o fato do vetor campo magnético ser tangente, em cada ponto, à linha de campo. Sistematizar as observações feitas e compará-las com o quadro obtido na problematização inicial.

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome a situação da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que:

Destaquem as características dos ímãs;

Descrevam como é feita uma bússola e seu funcionamento;

Relacionem aplicações do dia-a-dia para ímãs e bússolas.

Questão 1: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. e explique porque alguns materiais são bons ímãs e outros não.

Questão 2: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc., sobre o campo magnético da Terra, relacionando-o ao funcionamento da bússola.

Projeto: Monte uma bússola com materiais de baixo custo. Descreva a montagem e o seu funcionamento.

Questão 3: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. e faça uma lista de fenômenos naturais e equipamentos que utilizam campos magnéticos.

Projeto: Alguns seres vivos possuem propriedades magnéticas e as utilizam para sobrevivência. Faça uma pesquisa sobre esse assunto e relate os resultados encontrados para a turma.

Questão 4: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. e faça uma lista de materiais projetados para utilizar campos magnéticos para tratamento da saúde, incluindo os benefícios prometidos. Por exemplo, jarra azul, travesseiros magnéticos.

Questão 5: Investigue nas fontes consultadas o modo de funcionamento destes materiais e como o campo magnético gerado auxilia no tratamento de doenças.

68

Projeto: Há alguma confirmação científica para tais tratamentos? Faça uma pesquisa sobre a real eficácia destes produtos e relate os resultados encontrados para a turma. Os benefícios anunciados são verdadeiros? Existem pesquisas científicas que aprovam sua utilização?

CAMPOS MAGNÉTICOS GERADOS POR CORRENTE Problematização inicial Sugere-se ao professor dividir a classe em pequenos grupos e solicitar aos alunos que respondam: Por quê quando se aproxima um ímã da tela de um aparelho de televisão ligado a imagem se deforma? O professor poderá pedir aos alunos para comprovarem este fato, advertindo-os para não fazerem repetidas vezes para evitar que a tela seja danificada. Ao final da discussão o professor poderá sistematizar as respostas dos alunos no quadro.

Organização do conhecimento Sugere-se ao professor explorar os fenômenos qualitativamente, por meio da realização de experimentos reais e virtuais em sala de aula com fios, baterias e bússolas.

Experimento 1 Peça aos alunos para trazerem para a sala de aula aproximadamente 10 cm de fio elétrico comum, que pode ser encontrado em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirado de enrolamentos elétricos velhos, ou de aparelhos elétricos ou eletrônicos fora de uso. Uma pilha comum de 1,5 V e uma bússola.

Coloque a bússola sobre uma mesa plana e longe da influência de campos magnéticos, exceto o terrestre! Coloque o fio sobre a bússola, no sentido de sua agulha. Ligue o fio na pilha, como mostra a figura 21(a). Peça aos alunos para descreverem o que ocorre.

(a)

(b)

Figura 21 - (a) Montagem experimental e (b) Fio percorrido por corrente elétrica.

Fonte: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/.

69

Tente explorar o movimento da agulha da bússola colocando o fio conduzindo corrente elétrica em várias posições. Discuta com os alunos seu comportamento.

Experimento 2 Peça aos alunos para trazerem para a sala de aula aproximadamente 30 cm de fio elétrico comum, que pode ser encontrado em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirado de enrolamentos elétricos velhos, ou de aparelhos elétricos ou eletrônicos fora de uso. Uma pilha comum de 1,5 V e um prego grande.

Enrole o fio ao redor do prego. Ligue as extremidades (desencapadas) do fio à pilha, conforme mostrado na figura 22. Aproxime o fio enrolado no prego de pequenos objetos de metal (clipes de papel, pregos pequenos, etc.). Peça aos alunos para descreverem o que ocorre.

Solte uma das pontas do fio da pilha. Discuta com os alunos o que ocorre.

Figura 22- Um eletroímã simples.

Fonte: http://forum.outerspace.ig.com.br/showthread.php?t=170607&page=1.

Após a realização dos experimentos reais, sugere-se ao professor realizar as atividades a seguir: 1ª demonstração: Acessar a simulação Campo magnético e orientação da bússola disponível

em

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/compass/index.html.

Nesta

simulação o grau de interação é muito pequeno, pois consiste apenas em ligar e desligar uma chave, como mostrado na figura 23, no entanto a capacidade de simular qualitativamente o fenômeno é muito grande.

Figura 23 - Orientação de uma bússola em um campo magnético.

Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/compass/index.html.

70

O que percebemos ao ligar a chave do circuito?

O resultado obtido nesta simulação foi idêntico ao experimento real realizado anteriormente? Justifique sua resposta.

O campo magnético criado pela corrente elétrica é diferente do campo magnético criado por um ímã? Explique.

Esta simulação, bem como o experimento real deve levar o aluno a perceber que em

torno das cargas elétricas em movimento surgem campos de indução magnética. Neste momento, sugere-se ao professor trabalhar os aspectos históricos da descoberta da relação entre eletricidade e magnetismo. Enfatizar as descobertas de Oersted (1777-1851) e Ampère (1775-1836). No apêndice A você pode encontrar textos complementares.

Sugere-se também ao professor explorar a “regra da mão direita” para determinação da direção e sentido do campo magnético gerado por correntes.

Para utilizar a regra da mão direita, segure o condutor com a mão direita de modo que o polegar aponte no sentido da corrente. Os demais dedos dobrados fornecem o sentido do vetor campo magnético no ponto considerado.

Figura 24 - Regra da mão direita.

Fonte: http://br.geocities.com/saladefisica8/eletromagnetismo/condutor.htm 2ª demonstração: Acessar a simulação Laboratório de Eletromagnetismo. Abrir a guia Eletroímã, selecionar fonte de corrente contínua (DC) e deixar todas as opções desmarcadas, como mostrado na figura 25.

71

Figura 25 – Simulação de um eletroímã.

Fonte: Dados da pesquisa.

Marque a opção Mostrar Bússola e Mostrar elétrons. a)

Ajuste a fonte de corrente para 0 volt. Aproxime a bússola do eletroímã e observe se ocorre mudança na posição da agulha magnética.

b)

Repita o procedimento anterior, ajustando a fonte para 5 volts à direita, +5V.

c)

Agora, ajuste a fonte para 5 volts à esquerda, -5V e aproxime a bússola do eletroímã.

d)

O que aconteceu com a indicação da agulha magnética da bússola quando a polaridade da fonte foi invertida. Procure sistematizar suas observações.

e)

O que explica a mudança na posição da agulha magnética da bússola?

Ainda com a opção Mostrar bússola e a fonte de corrente em 10V: a) Clique com o mouse sobre a bússola, colocando-a em várias posições ao redor do eletroímã e observe o que acontece. b) Solicite aos alunos que desenhem a representação de campo magnético gerado pelo eletroímã.

Marque a opção Mostrar Campo. O resultado observado coincidiu com a representação das linhas de campo magnético feita anteriormente? Clique com o mouse sobre a bússola, colocando-a em várias posições ao redor do ímã e compare com as linhas de campo em cada ponto. O que você observa?

Marque a opção Medidor de Campo. a) Clique sobre o medidor e o posicione próximo ao eletroímã. Altere o número de espiras do eletroímã observando o valor medido do campo magnético.

72

b) Descreva seus resultados. Encontre uma relação geral entre o número de espiras e o valor do campo magnético medido.

Aplicação do conhecimento Neste momento sugere-se ao professor que retome a situação da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que:

Destaquem o tipo de interação entre ímãs e correntes elétricas;

Rediscutam as respostas sistematizadas na problematização inicial;

Relacionem aplicações do dia-a-dia que utilizam esse tipo de interação.

MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA

1ª demonstração: Acessar a simulação Motor de corrente contínua disponível em http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/simulacoes/eletromagnetismo. Neste sítio você poderá fazer o download da simulação, que também está disponível no CD que acompanha esta dissertação.

Este applet, de uma forma simplificada simula um motor de corrente contínua, permitindo assim, maior entendimento do aluno sobre força magnética e força de Lorentz. Na figura 26 pode-se visualizar a direção convencional da corrente (setas na cor vermelha); das linhas de campo magnético (mostradas na cor azul); e da força de Lorentz (representada pelas setas pretas). Essa força é exercida sobre um condutor conduzindo corrente elétrica em um campo magnético, e é ortogonal à direção da corrente e às linhas de campo magnético.

Figura 26 – Motor de corrente contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

73

Questão 1: Descreva os componentes básicos de um motor.

Questão 2: O que faz com que a espira gire?

Questão 3: Considerando o que foi visto nos momentos anteriores, identifique e descreva o tipo de interação que está ocorrendo no motor.

Questão 4: Ao clicar em Mudança de direção, o que você observa? Explique o que provoca a mudança de direção da rotação.

O professor poderá neste momento abordar a “regra da mão esquerda”.

Se um fio retilíneo, de comprimento L, percorrido por uma corrente i, for colocado em

um campo magnético uniforme B , sobre este fio atuará uma força magnética F , cujo módulo é dado por F = BiL sen θ.

Em que θ é o ângulo formado pelo fio condutor com o vetor B. A força F é perpendicular ao fio e o seu sentido pode ser determinado pela "regra da mão esquerda", como ilustrado na figura 27. Nesta regra o dedo indicador e o dedo médio indicam respectivamente o campo magnético e a velocidade da carga (sentido da corrente elétrica); o polegar indica a força que age sobre a carga.

(a) (b) Figura 27 (a) e (b) – Regra da mão esquerda.

Fonte: http://educacao.uol.com.br/fisica/forca-magnetica-carga-em-movimento.jhtm (adaptada).

A roda de Barlow, mostrada na figura 28, foi o primeiro dispositivo criado para aproveitar a força magnética. Este dispositivo foi inventado pelo inglês Peter Barlow (1776-1862), excelente matemático e afamado construtor de lentes, pontes e estradas de ferro.

74

Figura 28 – Representação da roda de Barlow.

Fonte: http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/eletricidade/basico/cap15/cap15_07.php.

Questão 1: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. sobre o motor de Barlow.

Descreva seu funcionamento e aplicações.

Questão 2: Faça uma lista de eletrodomésticos que utilizam motores de corrente contínua.

Projeto: Pesquise em livros, revistas, enciclopédia, internet, etc. e monte um motor de corrente contínua simples com materiais de baixo custo. Descreva a montagem e o funcionamento do motor.

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA Problematização inicial Sugere-se ao professor dividir a classe em pequenos grupos e solicitar aos alunos que respondam: Algumas bicicletas possuem um farol que acende quando pedalamos. Como é gerada a eletricidade neste caso? Ao final da discussão o professor poderá sistematizar as respostas dos alunos no quadro.

Organização do conhecimento

Sugere-se ao professor explorar os fenômenos qualitativamente, sistematizando o conteúdo, por meio da realização de experimentos virtuais.

75

1ª demonstração: Na simulação Laboratório de Eletromagnetismo, abrir a guia Solenóide e deixar todas as opções desmarcadas, como mostrado na figura 29. Selecione a lâmpada como indicador.

Figura 29 – Demonstração do fenômeno da indução eletromagnética.

Fonte: Dados da pesquisa.

Questão 1: Movimentando o ímã no interior do solenóide o que acontece com o brilho da lâmpada? Explique.

Questão 2: Repita o procedimento selecionando o voltímetro como indicador. Verifique a variação de tensão enquanto você movimenta o ímã. Varie a velocidade deste movimento. O que você observa? Procure sistematizar suas observações.

Questão 3: Varie o número de espiras do solenóide e verifique se ocorre alguma alteração nos resultados. Você é capaz de obter uma relação entre o número de espiras e o valor medido da tensão?

Questão 4: Varie a área das espiras do solenóide e verifique se ocorre alguma alteração nos resultados. Você é capaz de obter uma relação entre a área das espiras e o valor medido da tensão?

Aplicação do conhecimento

Neste momento sugere-se ao professor que retome a situação da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Assim, peça aos alunos que:

Expliquem como pode a simples movimentação de um ímã nas proximidades de um circuito fechado produzir corrente elétrica?

Rediscutam as respostas sistematizadas na problematização inicial;

Relacionem aplicações do dia-a-dia que utilizam esse fenômeno.

76

1ª demonstração: Na simulação Laboratório de Eletromagnetismo, selecionar a guia Transformador, como mostrado na figura 30, com todas as opções desmarcadas, exceto “Mostrar Campo” e “Mostrar elétrons. Selecione a lâmpada como indicador.

Figura 30 – Simulação de um Transformador.

Fonte: Dados da pesquisa.

Selecione a fonte de corrente em DC (corrente contínua):

Questão 1: Ajuste a fonte para 0 V e verifique se a lâmpada acende. Por quê?

Questão 2: Ajuste a fonte para 10 V. Em quais espiras você percebe movimentação de elétrons? A lâmpada acendeu? Por quê?

Questão 3: Com base no que você aprendeu nos momentos anteriores, pense em maneiras de fazer a lâmpada acender. Teste suas idéias.

Selecione a fonte de corrente em AC (corrente alternada):

Questão 4: O que você observa? Explique.

Questão 5: Selecione o indicador de tensão e verifique se ocorre variação no seu ponteiro.

Questão 6: Aproximando o primário (eletroímã) do secundário (solenóide) do transformador, a tensão no secundário aumenta ou diminui? Justifique.

Questão 7: Altere a área da espira e verifique o que ocorre com a tensão no secundário. É possível determinar uma relação entre a área da espira e a tensão medida? Explique.

Questão 8: Altere o número de espiras do primário para uma, duas, três e quatro e verifique se ocorre variação de tensão no secundário do transformador. É possível determinar uma relação entre o número de espiras do primário e a tensão medida? Explique.

Questão 9: Agora altere o número de espiras do secundário para uma, duas e três e verifique se ocorre variação de tensão no secundário do transformador. É possível determinar uma relação entre o número de espiras do secundário e a tensão medida? Explique.

77

Projeto: Faça uma pesquisa sobre as possíveis aplicações dos transformadores e apresente aos colegas.

2ª demonstração: Na simulação Laboratório de Eletromagnetismo, selecionar a guia Gerador, como mostrado na figura 31. Selecione a opção “Mostrar bússola” , “Mostrar elétrons” e a lâmpada como indicador.

Figura 31 – Simulação de um Gerador.

Fonte: Dados da pesquisa.

Este applet é uma simulação simplificada de um gerador.

Explique o funcionamento deste gerador, descrevendo as partes que o compõem.

Aumente o volume d’água e verifique a intensidade do brilho da lâmpada. Explique.

Varie o número de espiras e a área das espiras, verificando o efeito sobre o brilho da lâmpada. Isto era esperado? Explique.

Relacione o funcionamento da simulação do gerador com as características da corrente elétrica que obtemos em nossa casa. Faça um relato com suas conclusões.

Projeto: Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa sobre o funcionamento de usinas hidrelétricas. Faça uma comparação entre os componentes da simulação e de uma usina real.

Projeto: Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa sobre outras formas de geração de energia elétrica. Comente suas vantagens ou desvantagens em relação à usina hidrelétrica.

Projeto: Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa sobre o impacto ambiental causado pela construção de usinas hidrelétricas.

Projeto: Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa sobre o funcionamento de galvanômetro e medidores elétricos. Com a descoberta de que corrente elétrica cria campo magnético e desvia agulhas imantadas, foi possível a construção de instrumentos de medidas elétricas.

Discuta esta importante relação descoberta-aplicação com os alunos.

78

Projeto: Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa sobre o transporte de energia sem fio.

Esta novidade tecnológica foi proposta por pesquisadores americanos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) que apresentaram um protótipo capaz de recarregar qualquer equipamento eletrônico a uma distância de até cinco metros. É interessante informar aos alunos que a corrente alternada (CA) é devida ao movimento de rotação da turbina acoplada ao eletroímã na presença de um campo magnético.

Os alunos podem esboçar o gráfico de uma senóide para ilustrar o comportamento da corrente alternada no tempo. Explore o gráfico, discutindo que, com a freqüência de 60 Hz, a corrente se anula 120 vezes por segundo; consequentemente, uma lâmpada fluorescente ligada à rede elétrica “acende e apaga” esse número de vezes por segundo. Nos circuitos com lâmpadas incandescentes ligada à rede elétrica (CA), bem como aqueles alimentados por pilhas ou baterias isso não ocorre, uma vez que a corrente é contínua (CC).

Informar ainda que 127V e 220V é uma característica da rede de distribuição e que a grandeza diferença de potencial ou voltagem está relacionada com a energia que a rede distribui para os circuitos, através das tomadas. Dependendo da voltagem da cidade, explore o fato de que a rede de distribuição nas ruas e nas cidades tem dois fios, fase e neutro para o caso de 127V e três fios, fase-neutro-fase, para o caso de 220V. Lembre que a distribuição de energia é feita desde a usina geradora até os centros de consumo. Durante o percurso, a tensão de saída não é 127V, nem de 220V, mas sim da ordem de centenas de milhares de volts. Os transformadores das estações de redistribuição são os responsáveis pelo fornecimento e manutenção das tensões de 127V e 220V; daí a ocorrência de variações desses valores em algumas ocasiões. Devido a essas oscilações, atualmente os aparelhos eletro-eletrônicos, tais como rádio, televisão, DVD, computadores, etc., estão sendo fabricados para ajustarem-se automaticamente à tensão de entrada. Lâmpadas, sobretudo, “queimam” devido a essas oscilações.

79

3.4

DESCRIÇÃO E TUTORIAL DAS PRINCIPAIS SIMULAÇÕES UTILIZADAS NO

ROTEIRO DE ATIVIDADES

Prezado professor,

Nesta seção procuramos descrever as simulações utilizadas neste Roteiro de Atividades, bem como os sites em que as mesmas são disponibilizadas, lembrando que todas as simulações aqui descritas estão disponíveis em um CD que acompanha esta dissertação.

Para a realização das atividades contidas no Roteiro de Atividades são necessários plug-ins para Adobe Flash Player e plugins Java. Os software Java e plug-ins do Flash podem ser obtidos gratuitamente nos sites dos fabricantes, www.adobe.com/br/downloads e www.sun.com.br, respectivamente.

O tutorial lhe dará as primeiras noções sobre as simulações, que no geral são fáceis de utilizar e seus alunos não enfrentarão dificuldades no seu manuseio. Bem, vamos nessa!

3.4.1

Kit para construção de circuitos (KCC)

Figura 32 – Simulação de um kit de experimentação de eletrônica que permite a montagem de diversos circuitos elétricos.

Fonte: Dados da pesquisa.

Esta simulação foi desenvolvida pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (PhET), da Universidade do Colorado. O kit para construção de circuitos (KCC) está disponível gratuitamente online. O KCC é um kit de experimentação de eletrônica virtual. Com ele é possível construir circuitos com resistores, lâmpadas, baterias e interruptores; realizar

80

medidas com amperímetros e voltímetros; visualizar o circuito no formato de diagrama esquemático ou no formato de visão natural, como mostrado na figura 32.

Este applet simula o comportamento de circuitos elétricos simples e proporciona um trabalho aberto, no qual os alunos podem manipular resistores, lâmpadas, fios, baterias. Cada elemento tem parâmetros operacionais (tais como resistência ou tensão) que podem ser variados pelo usuário e medidos por aparelhos de medida adequados. Os valores da corrente e tensão são calculados ao longo de todo o circuito usando Leis de Kirchhoff. As baterias e fios são projetados para funcionar como componentes ideais, ou reais incluindo uma resistência interna. As lâmpadas são modeladas como ôhmicas, a fim de enfatizar a base de modelos de circuitos que são apresentados na introdução de cursos de Física. O movimento dos elétrons são explicitamente mostrados por meio da visualização do fluxo e conservação da corrente. A simulação está disponível para download no sítio http://phet.colorado.edu6, neste caso o interessado deverá selecionar a versão em Português no final da página.

A tela principal da simulação apresenta os menus Arquivo, Opções e Ajuda, como mostrado na figura 33. A seguir explicamos cada um deles.

Figura 33 – Menus Arquivo, Opções e Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na guia Arquivo encontramos a opção sair, que simplesmente “fecha” a simulação (figura 34). Do lado direito da tela, temos outro menu Arquivo, com mais opções que vamos explorar adiante.

Figura 34 – Menu Arquivo da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

A guia Opções, mostrada na figura 35, permite alterar a cor de fundo da simulação, bem como a cor da caixa de ferramentas.

6

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Circuit_Construction_Kit_DC_Only. Acesso em 13 fev.

2009.

81

Figura 35 – Menu Opções da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

A guia Ajuda (figura 36) oferece informações sobre a simulação, bem como Licença de utilização e os Créditos dos desenvolvedores. Esta guia também aparece do lado direito da tela, com outra utilidade, que veremos a seguir.

Figura 36 – Menu Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

A caixa de ferramentas é constituída pelos componentes principais da simulação, mostrada na figura 37, e que permitem a construção dos diversos circuitos. Para selecionar um determinado componente, basta clicar com o botão direito do mouse sobre ele e arrastar.

O fio é utilizado para fazer as ligações entre os demais componentes;

A simulação permite escolher resistores entre 0 (zero) e 100 (cem) ohms. Para alterar o valor do resistor, basta clicar com o botão esquerdo do mouse sobre ele e depois em Alterar Resistência. O interessante é notar que a simulação utiliza o código de cores, que é a convenção utilizada para identificação de resistores de uso geral. Ao alterar o seu valor, o resistor muda as suas cores7.

Após arrastar a bateria e clicar com o botão esquerdo do mouse sobre ela é possível alterar a voltagem entre 0 (zero) a 100 (cem) Volts inicialmente, e ao clicar em mais Volts, pode-se chegar a 100.000 (cem mil) Volts. A resistência interna da bateria pode ser alterada de 0 (zero) a 9 (nove) ohms. Há opções ainda para reverter a polaridade dos pólos, mostrar valor e remover a bateria do circuito.

Para a lâmpada, podemos fazer da mesma forma e alterar resistência desta entre 0 (zero) e 100 (cem) ohms, mostrar conexão à esquerda e à direita, mostrar valor e remover do circuito.

7

No sítio http://www.ludoteca.if.usp.br/tudo/tex.php?cod=_resistorescodigodecores (Acesso em 15 fev. 2009), encontramos uma simulação interessante para o código de cores dos resistores, inclusive com a explicação.

82

O interruptor é utilizado para ligar ou desligar o circuito. É possível a sua remoção, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e selecionando remover.

Figura 37 – Menu Ferramentas da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Ao clicar sobre o menu Miscelânea visto na figura 38(a), temos acesso a uma relação de diversos materiais, conforme figura 38(b). A utilidade principal desse menu é proporcionar a realização de experimentos que verificam quais materiais são bons e maus condutores e quais são isolantes.

(a) (b) Figura 38 (a) e (b) – Menu Miscelânea da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Do lado direito, como mostrado na figura 39, temos novamente o menu Arquivo, no qual podemos salvar a simulação e carregar uma simulação salva anteriormente. Ao clicar sobre Salvar, abre-se uma janela. Em Save In devemos escolher o diretório que queremos salvar a simulação e dar o nome em File name. Para terminar clicamos em Save. Para abrir uma simulação, clicamos em Carregar. Em

Look In devemos

escolher o diretório onde a mesma está salva. Após selecionar a simulação desejada, devemos clicar em Open para abrir.

Figura 39 – Menu Arquivo da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

83

O menu Limpar, figura 40, como o próprio nome já diz, permite apagar o circuito.

Após clicar em Limpar aparece uma pergunta: Deletar o circuito e reiniciar?, em que é necessário confirmar esta informação, clicando em Yes!! (sim), No!! (não) ou Cancel!! (cancelar).

Figura 40 – Menu Limpar da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

A guia Visual (figura 41) nos permite visualizar o circuito construído na forma natural, mostrando os componentes tais como eles são, ou na forma de diagrama.

Figura 41 – Menu Visual da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na guia Ferramentas, mostrada na figura 42, temos os principais instrumentos de medidas que são Voltímetro, Amperímetro(s) e Amperímetro Virtual (sem contato). O voltímetro deve ser ligado em paralelo no circuito, estando assim, na mesma diferença de potencial que se quer medir. O amperímetro deverá ser ligado em série no circuito, garantindo, dessa maneira, que a corrente que passa por ele seja a mesma que se quer medir. Para medir a intensidade de corrente utilizando o multímetro virtual sem contato, basta clicar sobre o nome do mesmo e colocar sobre o componente em que se deseja medir a intensidade de corrente elétrica.

Figura 42 – Menu Ferramentas da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

É possível também escolher o tamanho dos componentes, como ilustrado no menu da figura 43 A simulação apresenta três possibilidades: Grande, Médio e Pequeno.

84

Figura 43 – Menu Tamanho da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na guia Avançado, figura 44, podemos alterar a resistividade do fio no intervalo que varia entre Quase nenhum e Muitos. Ainda nesta guia, podemos visualizar as equações do circuito, que neste caso utiliza as Leis de Kirchhoff e mostrar ou ocultar o movimento dos elétrons no circuito. O professor deverá deixar claro aos alunos que por se tratar de uma simulação, o movimento dos elétrons mostrado não é de acordo com a realidade. Na verdade o seu movimento é da ordem de 1 mm/s. Uma explicação detalhada deste fenômeno8, com exemplos poderá ser obtida no volume 3 do Grupo de Reelaboração do Ensino da Física (GREF, 2005, p. 342)

Figura 44 – Menu Avançado da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Ao clicar sobre a guia ajuda (figura 45), a simulação nos dá informações sobre as principais características dos componentes do circuito.

Figura 45 – Menu Ajuda da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

A simulação também permite parar, bem como dar andamento à animação, como mostrado nas figura 46(a) e 46(b).

8

No endereço http://www.fisica.net/eletricidade/eletrons_lentos_ou_rapidos.pdf (Acesso em 15 fev. 2009), também temos uma breve explicação para a velocidade de avanço dos elétrons.

85

(a) (b) Figura 46 – Menu Parar (a) e Avançar (b) da simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

3.4.2

Laboratório de Eletromagnetismo

Esta simulação também foi desenvolvida pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (PhET), da Universidade do Colorado. Por meio dela é possível analisar situações práticas que demonstram a aplicação da lei de Faraday, movendo um ímã em barra próximo de uma bobina para acender uma lâmpada (ver figura 54), visualizar as linhas de campo magnético (figura 47) e utilizar eletroímãs, geradores e transformadores. Para download, basta acessar o sitio http://phet.colorado.edu9, e escolher a versão em Português no final da página. Esta simulação também está disponível no CD que acompanha esta dissertação.

Figura 47 – Laboratório de Eletromagnetismo: conjunto de simulações que demonstram a aplicação da Lei de Faraday.

Fonte: Dados da pesquisa.

A tela principal da simulação apresenta os menus Arquivo, Opções e Ajuda (figura 48). A seguir explicamos cada um deles.

Figura 48 – Menus Arquivo, Opções e Ajuda da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

9

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Faradays_Electromagnetic_Lab. Acesso em 22 fev. 2009.

86

Na guia Arquivo encontramos a opção sair, figura 49, que simplesmente “fecha” a simulação.

Figura 49 – Menu Arquivo da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

A guia Opções, figura 50, permite alterar a cor de fundo da simulação, bem como alterar o espaçamento e o tamanho das agulhas magnéticas. O usuário possui uma infinidade de cores para escolher a que melhor lhe agradar.

Figura 50 – Menu Opções da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

A guia Ajuda, figura 51, oferece informações sobre a simulação, bem como Licença de utilização e os Créditos dos desenvolvedores.

Figura 51 – Menu Ajuda da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na barra mostrada na figura 52 o usuário poderá escolher entre a simulação de Ímã de barra, Solenóide, Eletroímã, Transformador e Gerador. Explicamos cada uma delas a seguir.

Figura 52 - Simulações disponíveis no Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

ÍMÃ DE BARRA Ao escolher a opção ímã de barra, a simulação mostra uma tela semelhante à da figura 53 (a) abaixo. Ao movimentar a bússola o usuário observará a interação entre ela e o ímã de barra, podendo fazer conjecturas.

87

(a) (b) Figura 53 (a) e (b) - Menu Ímã de Barra da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Do lado direito da simulação é disponibilizado o menu ímã de barra, no qual o usuário poderá interagir com a simulação, alterando a intensidade do campo magnético. É possível verificar as alterações qualitativamente através das linhas de campo, através da opção Mostrar campo, e quantitativamente, através da opção Mostrar medidor de campo. É possível ainda inverter a polaridade do ímã. Ao clicar em ver dentro do ímã, a simulação mostra os ímãs elementares alinhados.

SOLENÓIDE

Figura 54 - Menu solenóide da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

A figura 54 acima mostra a simulação de um solenóide. Tanto o ímã quanto o solenóide podem ser movimentados. Para isto basta clicar com o botão esquerdo do mouse sobre o elemento que se quer movimentar, ímã ou solenóide e arrastar. O resultado da interação entre eles pode ser observado na variação da luminosidade da lâmpada. Esta

88

também pode ser substituída por um medidor voltímetro, que mede a tensão nos terminais do resistor.

Na parte superior do lado direito da simulação Solenóide é disponibilizado o menu Ímã de Barra (figura 55(a)), no qual o usuário poderá interagir com a simulação, alterando a intensidade do campo magnético. É possível verificar as alterações qualitativamente através das linhas de campo e quantitativamente, através da opção mostrar medidor de campo. É possível ainda inverter a polaridade do ímã. Ao clicar em ver dentro do ímã, a simulação mostra os ímãs elementares alinhados.

(a) (b) Figura 55 - Menu Ímã de Barra (a) e Solenóide (b) da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na parte inferior do lado direito da mesma simulação é disponibilizado o menu solenóide (figura 55(b)), no qual o usuário poderá escolher o indicador de variação de tensão entre uma lâmpada e um voltímetro. É possível escolher de uma a três espiras e alterar a sua área entre 20 e 50% da área original. É possível ainda visualizar o movimento dos elétrons, tendo o cuidado, já ressaltado anteriormente de se tratar de uma simulação, portanto o movimento dos elétrons mostrado não é de acordo com a realidade. Na verdade o seu movimento é da ordem de 1 mm/s. Uma explicação detalhada deste fenômeno10, com exemplos poderá ser obtida no volume 3 do Grupo de Reelaboração do Ensino da Física (GREF, 2005, p. 342).

Ao clicar em reiniciar tudo, o usuário deverá confirmar após aparecer uma pergunta: reiniciar todos os ajustes? Se a resposta for sim, a operação desfaz todos os ajustes feitos anteriormente.

10

No endereço http://www.fisica.net/eletricidade/eletrons_lentos_ou_rapidos.pdf (Acesso em 15 fev. 2009), também temos uma breve explicação para a velocidade de avanço dos elétrons.

89

ELETROÍMÃ

A figura 56(a) abaixo, mostra a tela inicial da simulação de um eletroímã, com o menu do lado direito em detalhe, figura 56(b).

(a) (b) Figura 56 (a) e (b) - Menu eletroímã da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Do lado direito da simulação é possível escolher entre uma fonte de tensão contínua (DC) e alternada (AC) e alterar o número de espiras do solenóide entre uma e quatro espiras. É possível ainda selecionar mostrar campo, mostrar bússola, mostrar medidor de campo e mostrar elétrons. As alterações podem ser verificadas qualitativamente através das linhas de campo e quantitativamente, através da opção mostrar medidor de campo.

Após escolhida a fonte de tensão de entrada, é possível variar entre -10V e +10V, no caso de tensão contínua (DC). No caso de tensão alternada (AC), é possível variar a amplitude e a frequência entre 0 e 100% e verificar o resultado através do movimento da bússola.

Ao clicar em reiniciar tudo, o usuário deverá confirmar após aparecer uma pergunta: reiniciar todos os ajustes? Se a resposta for sim, a operação desfaz todos os ajustes feitos anteriormente.

TRANSFORMADOR

A seguir temos a simulação do transformador (figura 57). Do lado direito temos os menus eletroímã e solenóide, que veremos a seguir.

90

Figura 57 - Menu Transformador da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na parte superior do lado direito da simulação (Figura 58(a)) podemos escolher entre uma fonte de tensão contínua (DC) e alternada (AC). A simulação possibilita alterar o número de espiras do solenóide entre uma e quatro espiras. Ela funciona como o primário do transformador. É possível ainda selecionar mostrar campo, mostrar bússola, mostrar medidor de campo e mostrar elétrons. As alterações podem ser verificadas qualitativamente através das linhas de campo e quantitativamente, através da opção mostrar medidor de campo.

Após escolhida a fonte de tensão de entrada, é possível variar entre -10V e +10V, no caso de tensão contínua (DC). No caso de tensão alternada (AC), é possível variar a amplitude e a frequência entre 0 e 100% e verificar o resultado através do movimento da bússola.

(a) (b) Figura 58 - Menu Eletroímã (a) e Solenóide (b) da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

91

Na parte inferior do lado direito da mesma simulação é disponibilizado o menu solenóide (Figura 58(b)), que funciona como o secundário do transformador. O usuário poderá escolher o indicador de variação de tensão entre uma lâmpada e um voltímetro. É possível escolher entre uma e três espiras e alterar a área da espira entre 20 e 100% da área original. É possível ainda visualizar o movimento dos elétrons, tendo o cuidado, já ressaltado anteriormente de se tratar de uma simulação, portanto o movimento dos elétrons mostrado não é de acordo com a realidade. Na verdade o seu movimento é da ordem de 1 mm/s. Uma explicação detalhada deste fenômeno11, com exemplos poderá ser obtida no volume 3 do Grupo de Reelaboração do Ensino da Física (GREF, 2005, p. 342).

Ao clicar em reiniciar tudo, o usuário deverá confirmar após aparecer uma pergunta: reiniciar todos os ajustes? Se a resposta for sim, a operação desfaz todos os ajustes feitos anteriormente.

GERADOR

Finalizando este tutorial, vemos na figura 59 a simulação simplificada de uma usina hidrelétrica. Esta simulação dispõe de recursos interessantes que devem ser bem explorados.

Figura 59 - Menu Gerador da simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

A turbina tem uma rotação que varia entre 0 e 100 rotações por minuto (RPM) e é ajustada através da vazão da água, que é controlada pela torneira. É possível movimentar a bússola e detectar a presença do campo magnético. Alguns ajustes são feitos do lado direito da simulação, como veremos adiante.

11

No endereço http://www.fisica.net/eletricidade/eletrons_lentos_ou_rapidos.pdf (Acesso em 15 fev. 2009), também temos uma breve explicação para a velocidade de avanço dos elétrons.

92

(a) (b) Figura 60 - Menu Turbina (a) e Solenóide (b) da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

Do lado superior direito (figura 60(a)) é possível controlar a intensidade de geração da turbina entre 0 e 100% e selecionar mostrar campo, mostrar bússola e mostrar medidor de campo. É possível verificar as alterações qualitativamente através das linhas de campo e quantitativamente, através da opção mostrar medidor de campo.

Na parte inferior do lado direito da mesma simulação é disponibilizado o menu solenóide (Figura 60(b)), onde o usuário poderá escolher o indicador de variação de tensão entre uma lâmpada e um voltímetro. É possível escolher entre uma e três espiras e alterar a área da espira entre 20 e 100% da área original. É possível ainda visualizar o movimento dos elétrons, tendo o cuidado, já ressaltado anteriormente de se tratar de uma simulação, portanto o movimento dos elétrons mostrado não é de acordo com a realidade. Na verdade o seu movimento é da ordem de 1 mm/s. Uma explicação detalhada deste fenômeno12, com exemplos poderá ser obtida no volume 3 do Grupo de Reelaboração do Ensino da Física (GREF, 2005, p. 342).

Ao clicar em reiniciar tudo, o usuário deverá confirmar após aparecer uma pergunta: reiniciar todos os ajustes? Se a resposta for sim, a operação desfaz todos os ajustes feitos anteriormente.

Esperamos que este tutorial seja útil a todos os professores que queiram planejar aulas interativas e agradáveis e porventura venham a utilizá-lo.

12

No endereço http://www.fisica.net/eletricidade/eletrons_lentos_ou_rapidos.pdf (Acesso em 15 fev. 2009), também temos uma breve explicação para a velocidade de avanço dos elétrons.

93

4

CONSIDERAÇÕES FINAIS E RECOMENDAÇÕES

A utilização das novas tecnologias da informação e da comunicação na Educação provoca uma reflexão sobre o processo ensino-aprendizagem atual. Encontrar alternativas para tornar as aulas de Física mais agradáveis e motivadoras, proporcionando assim uma melhor aprendizagem aos alunos, é um desafio constante para todos os professores desta disciplina. O ensino estritamente restrito à sala de aula, no qual o professor pressupõe ser o único dono do saber, está totalmente ultrapassado. Nos dias atuais, o conhecimento avança na direção de um processo aberto de aprendizagem em que grande parte dos atores envolvidos possui oportunidades semelhantes de acesso às informações disponíveis na rede informatizada de comunicações. Reafirmamos que o nosso objetivo é facilitar este processo. Para tanto, apresentamos uma proposta de trabalho com ênfase na aplicação das novas tecnologias.

Dentre as várias possibilidades de uso da informática no ensino de Física, optamos pela utilização de simulações computacionais, por acreditarmos que esta valoriza a interação dos estudantes com o processo de construção e análise do conhecimento científico, permitindo assim que compreendam melhor os modelos físicos.

Uma proposta de Física deverá proporcionar uma formação geral ao educando, preparando-o para o mercado de trabalho, bem como fornecendo condições para o prosseguimento dos estudos. Neste sentido, o produto apresentado nesta dissertação busca atender esses requisitos. Assim, o aluno ao desenvolver as atividades constantes no Roteiro de Atividades estará se preparando para vencer os desafios que porventura vier a enfrentar.

A investigação da estrutura e do funcionamento de alguns dispositivos tecnológicos elementares tem sido valorizada no ensino de Física como uma das possibilidades de trazer o mundo real para a sala de aula. No Ensino Médio, podemos e devemos, efetivamente, buscar entender a lógica e a Física subjacentes a algumas soluções tecnológicas. Os experimentos e atividades práticas e, principalmente, desenvolvimento de projetos, podem estar orientados para o desenvolvimento de artefatos tecnológicos que funcionam, que tenham um propósito definido e possam ser exibidos em uma vitrine, socializando o conhecimento produzido em seu desenvolvimento.

Mas isso não encerra as possibilidades de tratamento dos aspectos tecnológicos no currículo. A tecnologia tem valor e importância própria, não devendo constituir apenas um elemento de motivação e desenvolvimento pedagógico de conceitos, princípios, modelos ou

94

leis gerais da Física. Sob esse ponto de vista, o ensino de Física pode considerar tanto tecnologias antigas, mas ainda fundamentais na atualidade (como as máquinas simples, os refrigeradores e os motores), como as tecnologias mais recentes (como computadores e os sensores eletrônicos).

Vários são os exemplos de tratamento dos aspectos tecnológicos e sociais da Física. A forma como a tecnologia é abordada permite a realização de debates, nos quais os alunos podem avaliar o impacto do desenvolvimento tecnológico no ambiente e na vida social. Nesse caso é importante mostrar que as decisões que envolvem o uso ou as diretrizes para o desenvolvimento de novas tecnologias extrapolam em muito a competência da ciência e dos cientistas.

A tarefa do professor como educador é a de ser um facilitador da aprendizagem, e para isso poderá utilizar vários recursos, entre eles, as simulações. As simulações devem ser escolhidas baseadas nos pressupostos de que, para se obter uma boa aprendizagem, o envolvimento do aprendiz deve ser ativo, os aplicativos devem se prestar a diversas formas de utilização e dependendo dos objetivos das atividades, a interatividade passa a ser uma característica essencial. O professor deve conhecer as possibilidades e limitações de cada animação, a fim de propor atividades que proporcionem uma melhor aprendizagem.

Existem várias simulações disponíveis gratuitamente na internet, envolvendo diversos assuntos da Física. O número elevado dessas simulações, algumas de péssima qualidade e as vezes apresentando erros conceituais, dificultam a escolha dos professores, tendo em vista que não existem critérios de análise de simulações definidos e totalmente aceitos pela comunidade científica.

Em nosso trabalho procedemos a uma análise apurada das simulações propostas no Roteiro de Atividades, conforme ressaltamos nos capítulos anteriores. Escolhemos as simulações que permitem aos alunos uma maior interação, pois acreditamos que esse tipo de simulação oportuniza melhores momentos de aprendizagem. O professor deve sempre ter o cuidado de deixar claro para os alunos que as animações reproduzem a realidade de forma esquemática e simplificada, e que assim, os experimentos realizados por meio de simulações não são equivalentes aos experimentos reais. As atividades devem ser feitas de modo que o estudante não perca de vista o significado físico explorado, utilizando as animações como um simples jogo.

A temática “Simulações Computacionais como Ferramenta Auxiliar ao Ensino de Conceitos Básicos de Eletromagnetismo” foi escolhida considerando-se a importância do assunto, principalmente devido a sua ligação com fenômenos naturais e presença em

95

equipamentos tecnológicos. Dividimos as atividades em dois grandes grupos: Circuitos Simples e Ímãs, corrente elétrica e indução eletromagnética. Em Circuitos Simples as atividades envolvem circuitos residenciais, ligação em série e paralelo, a lei de Ohm, medidores de intensidade de corrente e tensão e condutores e isolantes, na maioria das vezes fazendo uma ligação com o dia-a-dia dos alunos. No segundo grupo propomos atividades envolvendo os principais assuntos sobre Ímãs, corrente elétrica e indução eletromagnética.

Tivemos como meta neste trabalho a elaboração de um Roteiro de Atividades que facilitasse o trabalho dos professores em sala de aula e proporcionasse aos alunos um ganho real em termos de aprendizagem dos conceitos de Física. Para tanto elaboramos uma série de atividades, utilizando simulações computacionais, que podem ser aplicadas em situações de laboratório em aulas de cinqüenta minutos. As atividades desenvolvidas foram baseadas nos momentos pedagógicos de Delizoicov & Angotti : Problematização inicial, Organização do conhecimento e Aplicação do conhecimento.

O artigo “Simulações computacionais como ferramentas auxiliares ao ensino de conceitos básicos de eletricidade.” (MACÊDO; DICKMAN, 2009), contendo resultados parciais deste trabalho, foi apresentado no XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física (SNEF), em Vitória (ES), ocorrido no período de 26 a 30 de janeiro de 2009. Inserimos no Apêndice E uma cópia do trabalho.

Como perspectiva futura pretende-se pesquisar com profundidade a utilização do material produzido nesta dissertação pelos professores, testando sua real eficácia. Pretende-se também desenvolver Roteiros de Atividades para outras áreas da Física.

Resumindo, o foco principal deste trabalho foi a elaboração de um produto na forma de um Roteiro de Atividades que contribuísse para o Ensino de Física. Certamente, novas implementações serão necessárias para avaliar a potencialidade desse recurso em outros contextos. No entanto, acreditamos que o relato deste documento estimule a utilização de simulações computacionais como ferramenta motivadora e que consequentemente contribua para a melhoria no ensino de Física.

A revolução tecnológica tão sonhada e prevista por McLuhan, ressaltada no início dessa dissertação, leva necessariamente à mudança do processo de ensino-aprendizagem. É incabível, nos dias atuais, um bom professor não acompanhar a dinâmica de renovação das informações que fluem através das redes, em permanente atualização, permanecendo ditando aos alunos trechos de uma apostila amarelada ou de um livro-texto ultrapassado. Essa mudança atinge todos os níveis e modalidades de educação. Cabe, então, ao professor de

96

sucesso, exercer o importante papel de líder e facilitador do processo interativo de ensinoaprendizagem.

Finalizando, devemos salientar a importância de pesquisas que investiguem as melhores formas de utilização do computador como uma ferramenta que promova a aprendizagem, pois sem pesquisas desse tipo, corremos o risco de utilizar as novas tecnologias de forma inadequada, ou até mesmo com uma metodologia ultrapassada, podendo ocasionar o reforço de pensamentos e atitudes que justamente estamos tentando superar.

97

REFERÊNCIAS

BARBETA, Vagner Bernal; BECHARA, José Maria. Uso de simulações em computador em aulas de laboratório de física. In: XXIV Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 1996, Manaus. 1996. Disponível em: <http://br.geocities.com/vbarbeta/artigos.htm>. Acesso em 22 abr. 2007.

BARROSO, Marta Feijó.; FELIPE, Geraldo; SILVA, Tatiana da. Aplicativos computacionais e ensino de física. In: Atas do X Encontro de Pesquisa em Ensino de Física.

15 a 19 de Agosto de 2006, Londrina, PR. Sociedade Brasileira de Física. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0113-1.pdf>. Acesso em 12 out. 2007.

BIEMBENGUT, Maria Salett; HEIN, Nelson. Modelagem matemática no ensino. São Paulo: Contexto, 2005.

BORGES NETO, Hermínio. Uma classificação sobre a utilização do computador pela escola. Revista Educação em Debate, ano 21, v. 1, n. 27 (p. 135-138). Fortaleza: 1999.

BRASIL. Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional. Lei nº 9394, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as diretrizes e bases da educação nacional. Diário Oficial, Brasília, 23 dez. 1996.

BRASIL. Ministério da Educação. Conselho Nacional de Educação. Parecer CEB nº 15/98.

Diretrizes curriculares nacionais para o ensino médio. Brasília: 1998.

BRASIL. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais do ensino médio - PCN. Brasília: 1999.

BRASIL. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Linguagens, códigos e suas tecnologias: orientações educacionais complementares aos parâmetros curriculares nacionais – PCNS+. Brasília: 2002.

CAVALCANTE, Marisa Almeida; BONIZZIA, Amanda; GOMES, Leandro César Pereira.

Aquisição de dados em laboratórios de Física: um método simples, fácil e de baixo custo para experimentos em mecânica. Revista Brasileira de Ensino de Física. v. 30, n. 2 (p.

2501-2506). São Paulo: 2008. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rbef/v30n2/a11v30n2.pdf >. Acesso em 21 fev. 2009.

COELHO, Rafael Otto. O uso da informática no ensino de física de nível médio. 2002. 101 f. Dissertação (Mestrado em Educação) – Faculdade de Educação da Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.

DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José André Peres. Metodologia do ensino de ciências. 2ª Ed. São Paulo: Cortez, 1994.

DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José André Peres. Física. 2ª Ed. São Paulo: Cortez, 2003.

98

FINKELSTEIN, Noah et al. When learning about the real world is better done virtually: a study of substituting computer simulations for laboratory equipment. Physical Review Special Topics - Physics Education Research . The American Physical Society. v. 1. New York: 2005. Disponível em: <http://prst-per.aps.org/pdf/PRSTPER/v1/i1/e010103>. Acesso em 27 fev. 2009.

GAMA, Carmem Lúcia Graboski da; SCHEER, Sergio. Objetos educacionais hipermediáticos na educação de engenharia, sua construção e usabilidade. In: Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 09, 2004, Brasília. Disponível em: <http://www.cesec.ufpr.br/etools/oe3/artigos/01_241.pdf>. Acesso em 25 fev. 2009.

GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DA FÍSICA - GREF. Física 3: eletromagnetismo. São Paulo: EDUSP, 2005.

HECKLER, Valmir. Uso de simuladores e imagens como ferramentas auxiliares no ensino/aprendizagem de eletromagnetismo. 2004. 229 f. Dissertação (Mestrado em Ensino de Física) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

LIMA, Lauro de oliveira. Mutações em educação segundo Mc Luhan. São Paulo: Vozes, 1988.

MACINTYRE, Ana Beatriz Lott; Tecnologia e prazer - o ensino da matemática aplicada a administração. 2002. 108 f. Dissertação de Mestrado (Engenharia de Produção).

Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina. Disponível em: <http://www.tede.ufsc.br/teses/PEPS2914.pdf>. Acesso em 25 fev. 2009.

MACÊDO, Josué Antunes de; DICKMAN, Adriana Gomes. Simulações computacionais como ferramentas auxiliares ao ensino de conceitos básicos de eletricidade. In : XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, 01, 2009, Vitória - ES. Sociedade Brasileira de Física. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xviii/sys/resumos/T0463-1.pdf>. Acesso em 21 fev. 2009.

MEDEIROS, Alexandre; MEDEIROS, Cleide Farias de. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.

24, n. 2, (p.77-86). São Paulo: 2002.

MINAS GERAIS. Secretaria de Estado da Educação. Proposta curricular de física do ensino médio (CBC). Belo Horizonte: 2007. Disponível em: <http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/banco_objetos_crv/%7B0DE8B1A3-C119-4015B234-AEB975906CDA%7D_fisica.pdf>. Acesso em 24 ago. 2008.

MIRANDA, Roberta Martins; BECHARA, Maria José. Uso de simulações em disciplinas básicas de mecânica em um curso de licenciatura em física. In: IX Encontro de Pesquisa em Ensino de Física, 10, 2004, Jaboticatubas-MG. Sociedade Brasileira de Física. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/ix/atas/posteres/po51-35.pdf>. Acesso em 22 abr. 2007.

PERRENOUD, Philippe. Dez novas competências para ensinar. 1. ed. Artmed. Porto Alegre: 2000.

99

ROCHA, Cleides Aparecida Elos entre a formação para o ensino de física e as novas tecnologias. 2001. 163 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

ROCHA, Sinara Socorro Duarte. O uso do computador na educação: a informática educativa. Revista Espaço Acadêmico, nº 85. Maringá: 2008. Disponível em: <http://www.espacoacademico.com.br/085/85rocha.pdf>. Acesso em 14 jan. 2009.

ROSA, Cleci Teresinha Werner da; ROSA Álvaro Becker da. Ensino experimental de física na universidade de passo fundo. In: IX Encontro de Pesquisa em Ensino de Física, 10, 2004, Jaboticatubas-MG. Sociedade Brasileira de Física. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/ix/atas/posteres/T0055-1.pdf>. Acesso em 10 out. 2007.

SANTOS, Antonio Vanderley dos; SANTOS, Selan Rodrigues dos e FRAGA, Luciano Machado. Sistema de realidade virtual para simulação e visualização de cargas pontuais discretas e seu campo elétrico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, (p. 185195). São Paulo: 2002.

TAROUCO, Liane Margarida Rockenback; FABRE, Marie-Christine Julie Mascarenhas; TAMUSIUNAS, Fabrício Raupp. Reusabilidade de objetos educacionais. Novas Tecnologias na Educação, v. 1, n. 1, (p. 1-11). Porto Alegre: 2003. Disponível em: <http://www.cinted.ufrgs.br/renote/fev2003/artigos/marie_reusabilidade.pdf>. Acesso em 25 fev. 2009.

TROISE, Salvador José. Introdução à Eletricidade. 2005. Disponível em: <http://professores.unisanta.br/sjtroise/Breve/Teo-02-2005.pdf>. Acesso em 25 fev. 2009.

VALENTE, José Armando. Diferentes usos do computador na educação. Campinas: Unicamp: 1995a. Disponível em: <http://www.nied.unicamp.br/publicacoes/separatas/Sep1.pdf>. Acesso em 12 out. 2007.

VALENTE, José Armando. Por quê o computador na educação. Campinas: Unicamp: 1995b. Disponível em: <http://www.nied.unicamp.br/publicacoes/separatas/Sep2.pdf>.

Acesso em 12 out. 2007.

VALENTE, José Armando. O uso inteligente do computador na educação. Campinas: Unicamp: 1995c. Disponível em: <http://www.proinfo.mec.gov.br/upload/biblioteca/215.pdf>. Acesso em 14 jan. 2009.

VASCONCELOS, Francisco Herbert Lima et al. A utilização de software educativo aplicado ao ensino de física com o uso da modelagem. In : XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, 01, 2005, Rio de Janeiro - RJ. Sociedade Brasileira de Física. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0164-2.pdf>. Acesso em 22 abr. 2007.

VEIT, Eliane Angela; TEODORO, Vitor Duarte. Modelagem no ensino/aprendizagem de física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, (p. 87-96). São Paulo: 2002.

100

VEIT, Eliane Ângela; ARAUJO, Ives Solano. Modelagem computacional no ensino de física. In: XXIII Encontro de Físicos do Norte e Nordeste, 11, 2005, Maceió. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/producao/modelagem_computacional_Maceio.pdf>. Acesso em 22 abr. 2007.

WIEMAN, Carl; PERKINS, Katherine. Transforming physics education. American Institute of Physics. Physics Today. (p. 36-41). New York: 2005. Disponível em: <http://www.jgore.org/Wieman_PhysicsToday.pdf>. Acesso em 27 fev. 2009.

XAVIER, Bohigas; XAVIER, Jaén; MONTSE, Novell. Applets em la eseñanza de la física.

Enseñanza de Las Ciencias, v. 21. n. 3, (p. 463-472). 2003.

101

APÊNDICE A – RELAÇÃO ENTRE ELETRICIDADE E MAGNETISMO: Aspectos Históricos

Texto adaptado de: DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José André Peres. Física. 2ª Ed. São Paulo: Cortez, 2003.

Maxwell

(1831-1879)

publicou,

em

1864,

um

trabalho

de

síntese

do

eletromagnetismo, reunindo as quatro equações fundamentais, numa precisa formulação matemática. Previu que as ondas eletromagnéticas seriam produzidas por cargas elétricas aceleradas, e identificou a luz como onda magnética que se propagava em um meio imponderável, o “éter”. Anos mais tarde, em 1888, Hertz (1857-1894) obteve experimentavelmente as primeiras ondas chamadas longas (ondas de rádio), a partir de circuitos eletromagnéticos oscilantes. Em 1895, confirmou-se que a velocidade das ondas de Hertz é igual à da luz.

Maxwell sintetizou o trabalho de diversos pesquisadores, na maioria essencialmente experimentais, como Ampère e Faraday, cujas experiências desenvolveram-se a partir das descobertas de Volta, Ohmn, Cavandish, Davy, Oersted.

Em resumo: Volta (1745-1827) construiu a primeira pilha elétrica em 1800, abrindo a possibilidade para os estudos de eletrodinâmica, realizados principalmente por Ohmn (17891854), Cavendish (1731-1810) e Davy (1778-1829).

A interação eletricidade-magnetismo foi inicialmente observada por Oersted (17771851). Em 1820 ele constatou o desvio da direção de uma agulha magnética quando próxima a um fio percorrido por uma corrente elétrica. Esta notícia foi difundida rapidamente e Ampère (1775-1836), poucas semanas depois, obtém o mesmo efeito e inicia os seus estudos.

Publica a sua síntese em 1827 e a considera “uma teoria obtida somente da experiência”.

Por sua vez, em 1821, Faraday inicia seus estudos na busca do efeito da produção de energia elétrica, a partir do campo de indução eletromagnética. Seu diário detalhado indica um trabalho perseverante e anotações repetidas do tipo “sem resultados positivos”. Consegue, finalmente, observar a indução eletromagnética em 1831, pela variação da corrente elétrica (ao ligar e desligar o circuito), induzindo corrente no outro circuito.

Além do trabalho sobre campos elétricos e de indução magnética variáveis, Maxwell unificou também a eletrostática: leis de Coulomb e Gauss para o campo eletrostático e lei de Gauss para o campo magnético estacionário.

102

Se, por um lado, apóia-se em inúmeros experimentos anteriores, por outro a teoria de Maxwell transcende e prevê todo um campo fértil de interpretações de fenômenos naturais e aplicações que permitiu o desenvolvimento da chamada “era da eletricidade”.

103

APÊNDICE B – PÁGINAS E REPOSITÓRIOS CONSULTADOS

Durante a elaboração deste trabalho, diversas páginas web relacionadas ao tema em estudo foram consultadas13. Optou-se por indicar aqui aquelas mais relevantes e que tiveram uma contribuição maior para a elaboração do Roteiro de Atividades. Segue uma descrição dos principais trabalhos desenvolvidos e que estão disponíveis na internet.

O NOA - Núcleo de construção de objetos de aprendizagem teve como fundador o professor Romero Tavares da Silva, da Universidade Federal da Paraíba. Disponível na página http://www.fisica.ufpb.br/~romero/, este sítio trata da Aprendizagem significativa e o Ensino de Física. O sítio contém Mapas conceituais como estruturadores do conhecimento; Animações interativas como ferramenta pedagógica; Simulação e modelagem de fenômenos da Natureza; Utilização de ferramentas instrucionais em EAD - Educação a Distância; e ainda apresenta excelentes animações interativas com o Modellus e vários applets java.

O Modellus é um aplicativo didático que torna possível uma aula de Física com grande riqueza de detalhes, e se presta de um modo adequado à difusão da informática educativa.

Está sendo desenvolvido na Universidade Federal da Paraíba, por bolsistas de Licenciatura em Física, o projeto de Educação Mediada por Computador: Cursos de Física, que envolve a criação de um Curso de Física de Nível Médio e Universitário, usando applets de Java e animações criadas com o Modellus. Uma lista de animações, já finalizadas pelo grupo, envolvendo vetores, cinemática e oscilações, é disponibilizada nesta página.

O Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA), da Universidade Estadual de São Paulo, mantém no endereço http://cepa.if.usp.br/simulation_elemag, o laboratório didático virtual, com diversos applets catalogados e links para outros sites. O CEPA teve seu início em fevereiro de 1998 através da iniciativa do Prof. Dr. Gil da Costa Marques. Foi estruturado no Instituto de Física da USP com objetivos de desenvolver pesquisa científica aplicada e aperfeiçoar o ensino em todos os níveis por meio do uso da tecnologia.

A Universidade do Colorado (University of Colorado) disponibiliza no endereço http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl, o projeto PHYSICS 2000. No referido endereço podem-se encontrar applets interativos sobre diversos assuntos, bem como texto explicativo em inglês sobre os experimentos e os assuntos que eles tratam, nas várias seções apresentadas, a saber:

13

Todas as páginas citadas neste apêndice foram acessadas e estavam disponíveis em 28 fev. 2009.

104

The Atomic Lab (O Laboratório Atômico): A pesquisa científica foi ligada sempre às experiências que ajudam provar ou esclarecer princípios científicos. Esta seção de PHYSICS 2000 apresenta algumas experiências clássicas da Física do quantum, que demonstram alguns dos aspectos mais bizarros da Física. Os enigmas em algumas destas experiências são ligados às descobertas dos físicos do princípio do século, outras são experiências recentes que confirmam as predições estranhas feitas há décadas atrás. Apresenta applets sobre interferência, que mostra o comportamento dual da luz (onda e partícula). Nesta seção encontra-se ainda applets sobre Condensação de Bose-Einstein. O Condensado de Bose-Einstein é uma fase da matéria formada por bósons a uma temperatura muito próxima do zero absoluto.

Nestas condições, uma grande fração de átomos atinge o mais baixo estado quântico e os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. O site irá disponibilizar simulações sobre o efeito fotoelétrico, que é um experimento clássico de Física quântica e sobre espectroscopia, que nos permite descobrir a constituição das estrelas e outros objetos distantes.

Einstein's Legacy (Legado de Einstein): Explica como as teorias de Einstein e de outros cientistas pioneiros da Física conduziram aos raios X, aos fornos de microondas, aos lasers, e a muitos outros dispositivos modernos. Esta seção de PHYSICS 2000 focaliza as maravilhas tecnológicas modernas. Algumas delas são dispositivos raros e caros, mas outros são as ferramentas e os dispositivos comuns que a maioria pode ter em sua própia casa. O que todos têm em comum são os assuntos da Física básica que foram compreendidos somente neste século. A secção X-Rays (Raios X) apresenta simulações e texto explicativo sobre o funcionamento das máquinas de raios X, incluindo como eles são produzidos. A seção CAT Scans (Varredor

CAT),

apresenta

o

Computed

Axial

Tomography

(Tomografia

computadorizada), que é o processo de usar computadores para gerar uma imagem tridimensional dos órgãos e dos ossos do corpo humano, através das imagens obtidas por raios X. A seção Microwave Ovens (fornos de microondas) explica o funcionamento e quebra de muitos tabus sobre o perigo dos fornos de microondas. A seção Lasers explica o funcionamento e os vários benefícios do laser na atualidade. A seção TV Screens (telas da TV) explica como as imagens são produzidas nas telas de TV e o papel dos feixes de elétrons na produção das mesmas. A seção Laptop (LCD) Screens (Telas LCD do Laptop) ensina como as telas do laptop produzem as imagens e como os cristais líquidos controlam a luz.

105

Science Trek (Trek da ciência): Entrar onde poucos estiveram - na mente do cientista teórico! Aprender princípios básicos das ondas, da mecânica quântica, da polarização, e da tabela periódica. Esta parte de PHYSICS 2000 apresenta conceitos da ciência básica que conduziram às invenções de diversos dispositivos. A seção Eletromagnetic Waves (Ondas eletromagnéticas) explica sobre as ondas invisíveis como o rádio e as ondas da tevê, as microondas e os raios X. De onde vêm? Aonde vão? A seção Quantum Atom (Átomo Quântico) apresenta de forma clara e objetiva as idéias da teoria do quantum e o que é um átomo, base do funcionamento de computadores, CD, lasers e outros equipamentos atuais. Explica também sobre os modelos de Bohr e de Schrödinger do átomo do hidrogênio. A seção Polarization (Polarização) explica sobre a polarização da luz e suas várias aplicações, tais como fotografia, relógios digitais e telas de laptop. A seção Elements as Atoms (Elementos como átomos) explica outros átomos a partir do átomo de hidrogênio. A seção The Periodic Table (A Tabela Periódica) explica como são classificados todos os elementos químicos do universo e ensina como ler a tabela periódica dos elementos. A seção Isotopes e Radioactivity (Isótopos e radioatividade) apresenta as idéias dos isótopos e aqueles que são radioativos.

A Universidade do Colorado também mantém o projeto Tecnologia no Ensino de

Física (PhET), no endereço http://phet.colorado.edu. Este projeto é um esforço contínuo para fornecer um amplo conjunto de simulações para melhorar a maneira que a Física, Química, Biologia, Ciências da terra e Matemática são ensinadas e aprendidas. As simulações disponibilizadas são ferramentas interativas, que permitem aos estudantes fazer conexões entre a vida real e os fenômenos subjacentes da ciência, que explicam esses fenômenos. A fim de ajudar os alunos a compreender visualmente os conceitos, as simulações utilizam diversos recursos, tais como gráficos e controles intuitivos, barras e botões. A fim de incentivar ainda mais a pesquisa quantitativa, as simulações também oferecem instrumentos medição incluindo voltímetros e termômetros. Para garantir total eficácia e facilidade de utilização, todas as simulações são amplamente testadas e avaliadas, inclusive com alunos. Todas as simulações PhET estão disponíveis gratuitamente a partir do sítio do projeto e são fáceis de usar e incorporar em sala de aula. Eles são programados em Java e Flash, e podem ser executados usando um navegador da Web padrão, quando Flash e Java estão instalados.

No endereço http://br.geocities.com/saladefisica, encontramos vários recursos para estudantes (conceitos de Física) e recursos para professores (sugestões para preparar suas aulas). Também inclui filmes, fotos, links e um curso de Física online. No endereço

106

http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio.htm encontramos um laboratório virtual com excelentes simulações e explicações dos fenômenos físicos envolvidos. As simulações abrangem basicamente todos os conteúdos de Física. O sítio é mantido pelo professor Luiz Carlos Marques Silva é bastante interessante, mas apresenta o inconveniente de estar periodicamente inacessível.

No

endereço

http://www.walter-fendt.de/ph11br/,

Walter

Fendt

disponibiliza

excelentes simulações disponíveis para download. No mesmo endereço existe uma versão traduzida para o português por Miriam G. de Castro, Antonio F. de Moraes Filho e Juliana M. Marques Giordano, do Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA), do Instituto de Física da Universidade Estadual de São Paulo.

O Departamento de Física da Universidade de Oregon disponibiliza no endereço http://jersey.uoregon.edu/ várias simulações com explicações dos fenômenos físicos envolvidos (em inglês), sobre astrofísica, energia e meio ambiente, mecânica, termodinâmica e ferramentas.

O professor Selman Hershfield, do departamento de Física da Universidade da Flórida (University of Florida), disponibiliza a versão eletrônica de um curso de Física, sobre eletrostática, circuitos de corrente contínua, eletromagnetismo e ótica no endereço http://www.phys.ufl.edu/~phy3054/.

No mesmo endereço, encontra-se um link para

http://www.phys.ufl.edu/~phy3054/elecstat/efield/Welcome.html, onde existe uma simulação sobre campo elétrico. Neste link é possível, por meio de simulações, observar as linhas de força do campo elétrico devido a cargas puntiformes, e ainda efetuar cálculos. (em inglês).

107

APÊNDICE C – TEMA ESTRUTURADOR: EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS E TELECOMUNICAÇÕES

Para o desenvolvimento de competências e habilidades em Física, faz-se necessário escolher conteúdos que permitam alcançar os objetivos em torno dos quais seja possível estruturar e organizar o desenvolvimento das habilidades, competências, conhecimentos, atitudes e valores desejados.

Ou seja, competências e habilidades se desenvolvem por meio de ações concretas, que se referem a conhecimentos, a temas de estudo.

E há, certamente, certos assuntos ou tópicos com maior potencial do que outros para os objetivos pretendidos, o que impõe escolhas criteriosas. Os temas de trabalho, na medida em que articulam conhecimentos e competências, transformam-se em elementos estruturadores da ação pedagógica, ou seja, em temas estruturadores.

(BRASIL, 2002, p.69).

Tradicionalmente a Física é dividida em Mecânica, Termologia, ótica e Eletromagnetismo. Esses campos estabelecem uma unidade conceitual que até certo ponto pode ser preservada. É essencial que se faça uma releitura dessas áreas, a fim de privilegiar os objetos de estudo. Assim: O desenvolvimento dos fenômenos elétricos e magnéticos, por exemplo, pode ser dirigido para a compreensão dos equipamentos elétricos que povoam nosso cotidiano, desde aqueles de uso doméstico aos geradores e motores de uso industrial, provendo competências para utilizá-los, dimensioná-los ou analisar condições de sua utilização. Ao mesmo tempo, esses mesmos fenômenos podem explicar os processos de transmissão de informações, desenvolvendo competências para lidar com as questões relacionadas às telecomunicações. Dessa forma, o sentido para o estudo da eletricidade e do eletromagnetismo pode ser organizado em torno dos equipamentos elétricos e telecomunicações. (BRASIL, 2002, p.70).

Os Parâmetros Curriculares Nacionais (BRASIL, 2002), bem como a proposta curricular de Física de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2007), trabalham com temas estruturadores. Nessa perspectiva, foram privilegiados pelos PCN+ seis temas estruturadores com abrangência para organizar o ensino de Física, a saber: 1. Movimentos: variações e conservações; 2. Calor, ambiente e usos de energia; 3. Som, imagem e informação;

108

4. Equipamentos elétricos e telecomunicações; 5. Matéria e radiação; 6. Universo, Terra e vida (BRASIL, 2002, p.71).

Esses temas apresentam apenas uma das possíveis formas de organização das atividades escolares, podendo ocorrer outras. Pretende-se, com isso reorganizar as áreas tradicionalmente trabalhadas como Mecânica, Termologia, Eletromagnetismo e Física Moderna, de forma a atribuir-lhes novos sentidos.

Cada tema, no entanto, possui diversas interligações com os demais, não devendo, portanto ser trabalhado isoladamente.

Para dar mais consistência à proposta da introdução de temas e unidades temáticas, apresentamos a seguir um esboço do que poderiam ser os desdobramentos do tema estruturador Equipamentos elétricos e telecomunicações, adaptado da proposta curricular (CBC) de Física do Estado de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2007). Não se trata de uma lista de tópicos, mas da tentativa de exemplificar como pode ser concretizada uma associação entre competências e conhecimentos, visando aos objetivos formativos desejados.

Tema 1: Energia Elétrica TÓPICOS / HABILIDADES

1. Transformações de energia nos circuitos elétricos.

1.1. Aplicar o conceito de energia e suas propriedades para compreender situações envolvendo circuitos elétricos simples.

2. Transformação energia elétrica mecânica

de em

2.1. Aplicar o conceito de energia e suas propriedades para compreender situações envolvendo o aparecimento de força

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 1.1.1. Compreender que um circuito elétrico é constituído, basicamente, de uma fonte de energia elétrica, de dispositivos de transformação de energia elétrica em outro tipo de energia e de conexões entre esses dois elementos.

1.1.2. Compreender a função de diferentes dispositivos elétricos e eletrônicos em um circuito em termos da transformação de energia, como, por exemplo: lâmpadas, alto-falante, resistência elétrica, motor elétrico, led, etc.

1.1.3. Saber montar circuitos elétricos simples, série e paralelo, utilizando uma fonte para fazer funcionar alguns dispositivos elétricos.

2.1.1. Saber descrever como a corrente elétrica em um fio gera campo magnético (experiência de Oersted).

2.1.2. Saber mostrar experimentalmente o efeito magnético da corrente elétrica utilizando bússolas.

2.1.3. Compreender o funcionamento de um motor elétrico acionado por uma bateria.

109

TÓPICOS / HABILIDADES devido ao efeito magnético da corrente elétrica.

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 2.1.4. Saber construir um motor elétrico de corrente contínua utilizando ímãs e uma bateria.

2.1.5. Compreender como eletroímãs são usados e construídos em dispositivos como: campainhas elétricas, relés, alto-falantes, etc.

3.1.1. Compreender em termos de energia como a eletricidade é gerada a partir do magnetismo, a partir de uma reação química, a partir da luz, a partir do calor (termo-par), a partir da pressão (piezo eletricidade), a partir do atrito (eletrostática).

3. Geradores de energia elétrica 3.1. Aplicar o conceito de energia e suas propriedades para compreender situações envolvendo geradores de energia elétrica.

3.1.2. Saber mostrar experimentalmente os processos de geração de energia elétrica mencionados no item anterior.

3.1.3. Saber que a maior parte da energia elétrica produzida na sociedade moderna é devido à variação do campo magnético (hidroelétrica, termoelétrica, nuclear, etc.).

3.1.4. Saber que o processo de geração de energia elétrica através da variação de campo magnético é o mesmo que ocorre tanto nas grandes usinas de eletricidade quanto no funcionamento de dispositivos como: cartão de crédito, fitas de vídeos, disquetes de computador, microfones.

Quadro 1: Conteúdo Básico Comum (CBC).

Fonte: Adaptado da proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais, 2007.

Tema 2: Calculando a energia elétrica TÓPICOS / HABILIDADES

4.

Potência

4.1 Compreender o conceito de Potência e suas aplicações.

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 4.1.1. Compreender o conceito de Potência.

4.1.2. Conhecer as principais unidades de medida de potência: Watt, HP e CV. 4.1.3. Saber comparar aparelhos eletrodomésticos de acordo com a sua potência.

4.1.4. Saber fazer conversões entre kWh, caloria, BTU e Joule e resolver problemas envolvendo estas unidades.

4.1.5. Saber determinar o consumo mensal de energia elétrica numa residência pela leitura da

110

TÓPICOS / HABILIDADES

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES conta de luz e do “relógio de luz”.

4.1.6. Saber resolver problemas envolvendo energia transformada, tempo e potência.

5.1.1. Entender o conceito de voltagem (tensão ou ddp) como a razão entre a energia aplicada em um elemento de um circuito e a quantidade de carga elétrica que passa através desse elemento. Saber a unidade de medida da voltagem no SI.

5. Voltagem e potência elétrica 5.1. Compreender situações envolvendo transformações de energia em circuitos elétricos.

5.1.2. Compreender a corrente elétrica como fluxo de elétrons livres nos condutores metálicos e sua unidade de medida no SI. 5.1.3. Saber que corrente elétrica é a razão entre a quantidade de carga elétrica que passa por um determinado ponto de um circuito e o intervalo de tempo decorrido.

5.1.4. Compreender o conceito de resistência elétrica e sua unidade de medida.

5.1.5. Compreender o conceito de potência elétrica como sendo o produto da voltagem aplicada num elemento do circuito pela corrente elétrica que passa por esse elemento.

5.1.6. Saber resolver problemas envolvendo os conceitos de potência elétrica, voltagem e corrente elétrica em circuitos simples.

Quadro 2: Conteúdo Básico Comum (CBC).

Fonte: Adaptado da proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais, 2007.

Eletricidade e Magnetismo TÓPICOS / HABILIDADES 6. Processos eletrização

Tema 3: Eletrostática DETALHAMENTO DAS HABILIDADES

de

6.1. Compreender os fenômenos eletrostáticos e suas aplicações.

6.1.1. Compreender as diferenças entre condutores e isolantes.

6.1.2. Compreender o conceito de carga elétrica e sua unidade de medida no SI. 6.1.3. Compreender carregados por atrito.

como

isolantes

podem

ser

6.1.4. Compreender como metais podem ser carregados

111

TÓPICOS / HABILIDADES

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES por indução.

6.1.5. Compreender o processo de polarização nos isolantes.

6.1.6. Compreender as aplicações da eletrização no cotidiano.

7.1.1 Compreender as forças elétricas como uma manifestação da ação a distância entre cargas elétricas.

7.

Força Elétrica

7.1. Compreender o conceito de força eletrostática.

7.1.2 Saber explicar as forças de atração e repulsão entre cargas elétricas.

7.1.3. Compreender e saber explicar as forças de atração entre corpos eletricamente neutros e corpos eletrizados.

7.1.4. Saber resolver problemas usando a expressão matemática da Lei de Coulomb.

8.1.1. Compreender o conceito de campo elétrico de uma carga puntiforme.

8.Campo elétrico 8.1. Compreender o conceito de campo elétrico.

9.

Potencial elétrico

9.1 Compreender o conceito de potencial elétrico.

8.1.2. Saber que o campo elétrico é definido como sendo a força por unidade de carga e sua unidade no SI. 8.1.3. Saber representar as linhas de força do campo elétrico de cargas isoladas e sistema de cargas.

8.1.4. Entender os fenômenos eletrostáticos com base na noção de campo elétrico 9.1.1. Compreender que entre dois pontos de uma linha de força de um campo elétrico existe uma diferença de potencial elétrica.

9.1.2. Saber que a diferença de potencial elétrico é definida como o trabalho por unidade de carga e sua unidade no SI.

9.1.3. Entender os fenômenos eletrostáticos com base na noção de diferença de potencial elétrico.

Quadro 3: Conteúdo Básico Comum (CBC).

Fonte: Adaptado da proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais, 2007.

Tema 4: Eletricidade TÓPICOS / HABILIDADES 10. Corrente elétrica em

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 10.1.1. Compreender o conceito de corrente elétrica

112

TÓPICOS / HABILIDADES circuitos simples: medidores 10.1.

Compreender o conceito de corrente elétrica e suas aplicações.

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 10.1.1 e sua unidade de medida no SI. 10.1.2. Compreender as diferenças entre corrente contínua e alternada.

10.1.3. Saber resolver problemas usando a relação quantitativa entre corrente, carga e tempo.

10.1.4. Saber explicar a corrente elétrica como fluxo de elétrons livres nos condutores metálicos devido à presença de um campo elétrico.

10.1.5. Saber que os principais elementos constituintes de um circuito simples são: fonte elétrica, dispositivos de transformação de energia elétrica em outro tipo de energia e conexões entre esses dois elementos.

10.1.6. Compreender que em uma fonte de eletricidade ou nos extremos de um elemento de um circuito existe uma ddp ou voltagem ou tensão elétrica, que é expressa em Volt.

10.1.7. Compreender que a corrente em um circuito pode se modificar mudando-se a ddp da fonte ou os dispositivos elétricos.

10.1.8. Saber fazer medidas de diferença de potencial, utilizando um voltímetro ou multímetro.

10.1.9. Saber fazer medidas de corrente elétrica utilizando um amperímetro ou um multímetro.

11. Resistência elétrica 11.1.

Compreender o conceito de resistência elétrica e suas aplicações.

10.1.10. Compreender a função de diferentes dispositivos elétricos e eletrônicos em um circuito em termos da transformação de energia.

11.1.1. Compreender o conceito de resistência elétrica e sua unidade de medida no SI. 11.1.2. Compreender os conceitos de condutores ôhmicos e não ôhmicos.

11.1.3. Saber resolver problemas usando a relação entre resistência, diferença de potencial e corrente elétrica.

11.1.4. Compreender que a resistência elétrica de resistores de fio varia com o seu comprimento, com a área de sua seção transversal e com a resistividade

113

TÓPICOS / HABILIDADES

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES do material do fio.

11.1.5. Compreender como um reostato pode ser usado para variar a corrente em um circuito.

11.1.6. Saber fazer medidas de resistência elétrica utilizando o ohmímetro ou um multímetro.

12.1.1. Compreender o funcionamento de dispositivos elétricos de controle como chaves, fusíveis e disjuntores.

12.1.2. Representar circuitos elétricos em série, em paralelo e mistos, através de diagramas.

12. Circuitos elétricos 12.1.

Compreender os diversos tipos de circuitos elétricos e suas aplicações.

12.1.3. Saber determinar a resistência equivalente numa associação de resistores em série, em paralelo e mista simples.

12.1.4. Saber como medir a corrente elétrica num circuito em série, em paralelo e misto.

12.1.5. Saber avaliar a corrente elétrica em cada ramo de circuitos série, paralelo e misto simples em função de suas características.

12.1.6. Saber medir a corrente elétrica em cada ramo de circuitos série, paralelo e misto simples e a ddp em cada elemento do circuito.

13.1.1. Compreender o conceito de potência elétrica como a energia transferida por unidade de tempo e suas unidades de medida.

13. Potência e efeito Joule

13.1.2. Compreender por que alguns resistores ficam aquecidos quando uma corrente elétrica passa através deles.

13.1.

Compreender o conceito de potência elétrica e suas aplicações.

13.1.3. Compreender as especificações fornecidas pelos fabricantes de eletrodomésticos e o consumo de energia de tais dispositivos.

13.1.4. Saber como é feita a medida da energia transferida, e saber calcular o custo mensal da utilização de um eletrodoméstico.

13.1.5. Saber resolver problemas utilizando a relação quantitativa entre potência, diferença de potencial e corrente elétrica.

Quadro 4: Conteúdo Básico Comum (CBC).

Fonte: Adaptado da proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais, 2007.

114

Tema 5: Eletromagnetismo TÓPICOS / HABILIDADES

14. Ímãs artificiais

naturais

14.1. Compreender propriedades dos ímãs.

e

as

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 14.1.1. Compreender como funcionam os ímãs e as agulhas magnéticas.

14.1.2. Compreender a noção de campo magnético ao redor de um ímã e seu mapeamento através do uso de limalha de ferro.

14.1.3. Saber que em cada local da Terra existe uma diferença entre a direção norte-sul geográfica e a direção norte-sul magnética denominada de declinação magnética.

14.1.4. Compreender como o magnetismo do planeta pode ser utilizado para orientação e localização.

15.1.1. Compreender como a corrente elétrica em um fio pode gerar efeitos magnéticos.

15.1.2. Saber a regra de Ampère para determinação do sentido do campo magnético ao redor de um fio percorrido por uma corrente elétrica.

15. Eletroímãs: efeitos magnéticos de correntes 15.1.

Compreender o funcionamento dos eletroímãs e suas aplicações.

15.1.3. Saber relacionar a corrente elétrica em uma espira, em uma bobina, ou em um solenóide com a forma do campo magnético gerado no seu interior.

15.1.4. Compreender as propriedades magnéticas da matéria através do estudo dos materiais paramagnéticos, ferromagnéticos e diamagnéticos.

15.1.5. Compreender o fenômeno da histerese magnética e como ele pode ser usado na construção dos ímãs permanentes e eletroímãs.

16. Motores e geradores 16.1.

Compreender o princípio de produção de eletricidade a partir do magnetismo e suas aplicações.

15.1.6. Compreender como eletroímãs são usados e construídos em dispositivos como campainhas elétricas, relés, etc.

16.1.1. Compreender como um campo magnético externo pode exercer força magnética sobre um condutor percorrido por uma corrente elétrica.

16.1.2. Compreender o funcionamento de um motor de corrente contínua e de um galvanômetro.

16.1.3. Compreender como a eletricidade é gerada a partir do magnetismo.

115

TÓPICOS / HABILIDADES

DETALHAMENTO DAS HABILIDADES 16.1.4. Compreender e utilizar as leis de Faraday e Lenz para resolver qualitativamente problemas envolvendo a produção de corrente induzida.

16.1.5. Saber como é gerada a corrente elétrica alternada e como é transformada em contínua.

16.1.6 . Compreender o princípio de funcionamento de um transformador e explicar a opção pela distribuição da energia elétrica através de uma rede de corrente alternada.

16.1.7. Compreender e saber explicar a função da fase, do neutro e do fio-terra na rede elétrica.

16.1.8. Compreender e saber explicar a função do aterramento, do isolamento e dos dispositivos de segurança (fusíveis e disjuntores) na proteção dos equipamentos.

17.1.1. Compreender como são produzidas as ondas eletromagnéticas.

17.2. Conhecer as diversas aplicações das ondas eletromagnéticas e seus impactos na vida das pessoas.

17. Ondas eletromagnéticas 17.1.

Compreender o conceito de onda eletromagnética e suas aplicações.

17.1.3.

Compreender que o espectro eletromagnético inclui ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios-X, e raios gama.

17.1.4. Conhecer alguns usos e perigos das microondas, das ondas infravermelhas, e ultravioletas no nosso cotidiano.

17.1.5. Conhecer alguns usos da onda de rádio, do infravermelho e da luz visível na comunicação.

17.1.6. Conhecer alguns usos dos raios-X e raios gama na medicina.

17.1.7. Conhecer os efeitos benéficos e danosos da radiação eletromagnética na matéria e nos organismos vivos.

Quadro 5: Conteúdo Básico Comum (CBC).

Fonte: Adaptado da proposta curricular de Física do Estado de Minas Gerais, 2007.

116

APÊNDICE D – ARTIGO APRESENTADO NO XVIII SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA

SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS COMO FERRAMENTAS AUXILIARES AO ENSINO DE CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE Josué Antunes de Macêdo1, 2 Adriana Gomes Dickman2 1

2

Faculdades ISEIB - Montes Claros [josueama@gmail.com] Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais [adickman@pucminas.br]

RESUMO Relatamos neste artigo uma proposta para o desenvolvimento de atividades utilizando simulações computacionais para o ensino de eletricidade, para alunos do Ensino Médio. Sabemos que existem muitas dificuldades na aprendizagem dos conceitos relacionados a esta parte da Física e a utilização de simulações no ensino já vem sendo pesquisada por muitos autores. As simulações permitem ao estudante centrar-se na essência do problema, tornando mais eficiente a absorção dos conteúdos propostos em cada experimento. Além disso, a utilização de simuladores permite o estudo de situações que, na prática, seriam difíceis ou até mesmo inviáveis de serem realizadas, permitindo, desta forma, uma melhor compreensão dos fenômenos e um maior aprofundamento em seu estudo. A utilização dos recursos de multimídia, oferecidos pela informática moderna, contribuem para reforçar e fixar conceitos aprendidos em aulas teóricas. Acreditando na possibilidade das simulações serem auxiliares na aprendizagem de conceitos básicos de eletricidade, propomos nove atividades que serão realizadas por meio da utilização de um kit, que permite a simulação e construção de circuitos elétricos, desenvolvido pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (PhET), da Universidade do Colorado. O Kit de construção de circuitos está disponível gratuitamente online. A simulação do comportamento de circuitos elétricos simples é feita de uma maneira interativa, proporcionando um trabalho aberto, no qual os alunos podem manipular resistores, lâmpadas, fios, baterias. Cada elemento tem parâmetros operacionais (tais como resistência ou tensão) que podem ser alterados pelo usuário, e medidos por um voltímetro e amperímetro simulados. As atividades foram baseadas nos três momentos pedagógicos de Delizoicov, que são: problematização inicial (PI), organização do conhecimento (OC) e aplicação do conhecimento (AC).

Palavras-chave: Ensino de Física. Eletricidade. Simulações computacionais.

INTRODUÇÃO A humanidade passa por uma efervescência tecnológica nunca vista até o presente momento. A informação e a comunicação neste contexto alcançam um plano fundamental na vida dos indivíduos. “É inegável que a escola precisa acompanhar a evolução tecnológica e tirar o máximo de proveito dos benefícios que esta é capaz de proporcionar.” (BRASIL, 2002, p.88). Se de um lado, encontram-se os estudantes atraídos e até mesmo “seduzidos” pela tecnologia. De outro lado, encontram-se os professores e as suas dificuldades para acompanhar o atual processo evolutivo. O processo de melhoria do ensino passa

117

indiscutivelmente pela formação dos professores, sendo necessário, portanto, investir na qualidade da formação desse profissional. As condições de trabalho oferecidas, incluindo a informatização das escolas, com equipamentos suficientes para o professor desenvolver as atividades docentes com qualidade, é um fator que contribui para a melhoria do ensino. Se considerarmos o professor dentro do novo conceito de educação com boa formação superior e uma forte educação continuada, ele terá segurança para superar a perplexidade diante do novo.

Segundo Valente (1995), o computador tem provocado uma revolução na educação devido a sua capacidade de "ensinar". As possibilidades de implantação de novas técnicas de ensino são praticamente ilimitadas e contamos, hoje, com o custo financeiro relativamente baixo para implantar e manter laboratórios de computadores, cada vez mais demandados tanto por pais quanto por alunos.

No mundo contemporâneo, cada vez mais as decisões políticas de peso tendem a girar em torno de problemas e questões relacionadas direta ou indiretamente com o conhecimento científico e tecnológico. Desse modo, o domínio desse conhecimento constitui componente importante, não apenas para a construção de uma visão de mundo apropriada, mas também para o exercício da própria cidadania.

Segundo Santos, Santos e Fraga (2002), conceitos da Física relacionados com o Eletromagnetismo como a carga elétrica e onda eletromagnética, apresentam-se como elementos complexos e de difícil visualização. Na maioria das vezes, tais conhecimentos são verificados apenas por meio de fórmulas matemáticas complexas. Muitas delas não permitem uma verificação direta pelo aluno, seja por observações ou experiências laboratoriais.

A partir dessas observações, propõe-se neste trabalho a elaboração de um roteiro de atividades para a utilização de simulações computacionais no ensino de Conceitos Básicos de Eletricidade, ao nível do Ensino Médio. Este trabalho procura, também, contribuir para reverter a atual tendência da maioria dos professores de simplificar e reduzir tais conteúdos, pois acreditamos que: Com o avanço tecnológico computacional, os usos de métodos de aprendizado tradicionais tornam-se ineficientes e inadequados. A demanda por uma solução moderna e eficaz leva-nos ao conceito de software educacional. O desenvolvimento de um sistema que crie um ambiente no qual o usuário seja capaz de modelar, visualizar e interagir com a simulação proposta baseada em experimentos da Física real poderia ser considerado como uma solução para suprir esta demanda. Tal sistema seria uma ferramenta complementar para o estudo da Física, desde que através dele seja possível a realização de experimentos “virtuais" com a finalidade de esclarecer e reforçar o conhecimento teórico da Física, no nosso caso a teoria Eletromagnética. (SANTOS, SANTOS e FRAGA, 2002, p.186 e 187).

118

No ensino de Física, por suas características específicas, existem formas de utilizar a Informática Educativa que podem ser de grande valia em sala de aula. Apesar disso, falta compreensão da atual realidade do seu uso no ensino de Física de nível médio. Philippe Perrenoud (2000), um dos principais teóricos do desenvolvimento das matrizes de competências e habilidades na escola, sustenta a tese de que o professor contemporâneo precisa ele mesmo desenvolver algumas competências que terão reflexo direto no trabalho com os alunos. Uma das competências para ensinar, propostas por ele, é a utilização de novas tecnologias.

Por meio do roteiro, o professor terá à sua disposição um conjunto de simulações, com dicas de uso, objetivos, conteúdo abordado, facilitando em muito o seu trabalho e o preparo de suas aulas. Assim, esse trabalho dará uma contribuição para aqueles professores que desejam elaborar e sistematizar os conteúdos básicos de eletricidade, tanto na teoria como na experimentação real e virtual. Buscando e relacionando os elos entre as novas tecnologias e a formação para o “ensino” de Física, pois: O que sabemos é que hoje há computadores nas escolas, ligados ou não à internet, mas não são integralmente aproveitados no processo de ensino e aprendizagem.

Enquanto aqueles professores acostumados a lidar com as tecnologias de informação e comunicação transitam com bastante desenvoltura pelo cenário educacional que incorpora essas tecnologias, muitos há que não se sentem à vontade para utilizar essas ferramentas e vivem, com isso, situações de angústia.

(BRASIL, 2002, p.231)

Neste trabalho, relatamos o desenvolvimento de um material didático para o ensino de Conceitos Básicos de Eletricidade, dirigido a professores e alunos do ensino médio, no qual utilizamos as novas tecnologias apoiadas na informática e nos momentos pedagógicos de Delizoicov. O material está sendo desenvolvido como parte de dissertação de Mestrado, que consistirá na elaboração de um guia prático para o uso de simulações computacionais no ensino de Eletromagnetismo, dirigido a professores do Ensino Médio.

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL NO ENSINO DE FÍSICA Simulação consiste em empregar técnicas matemáticas em computadores com o propósito de imitar um processo ou operação do mundo real. Desta forma, para ser realizada uma simulação, é necessário construir um modelo computacional que corresponde à situação real que se deseja simular.

Ao mesmo tempo em que é preciso considerar que simulações não podem substituir atividades concretas, a modelagem computacional possui um papel importante, contribuindo para sanar parte da deficiência que os alunos possuem em Matemática e Física, melhorando assim a sua aprendizagem, pois:

119

A modelagem computacional aplicada a problemas de Física transfere para os computadores a tarefa de realizar os cálculos - numéricos e/ou algébricos deixando o físico ou o estudante de Física com maior tempo para pensar nas hipóteses assumidas, na interpretação das soluções, no contexto de validade dos modelos e nas possíveis generalizações/expansões do modelo que possam ser realizadas. (VEIT e ARAUJO, 2005, p. 5)

Na atualidade, um dos recursos utilizados para tornar o ensino de Física mais atrativo tem sido o uso de recursos computacionais que envolvem manipulação simbólica com base nos fundamentos da informática educativa. A utilização da informática educativa vem a cada dia se intensificando, de modo a criar condições para que o professor possa utilizar esta ferramenta tecnológica no contexto da sala de aula. Assim como em outras disciplinas, na Física não é diferente.

As simulações podem ser bastante úteis, principalmente quando a experiência original for impossível de ser reproduzida pelos estudantes. Exemplos de tais situações pode ser uma descida na Lua, uma situação de emergência em uma usina nuclear ou mesmo um evento histórico ou astronômico (Russel, 2001, apud Medeiros e Medeiros 2002). Experimentos perigosos ou de realizações muito caras, assim como os que envolvam fenômenos muito lentos ou extremamente rápidos estão, também, dentro da classe de eventos a serem alvos prioritários de simulações computacionais no ensino da Física (Snir e outros, 1988 apud Medeiros e Medeiros 2002).

Nos últimos anos vários autores se manifestaram contra e a favor da utilização de simulações computacionais no ensino de Física. As simulações apresentam certas desvantagens, algumas vezes negligenciadas. Um sistema real é frequentemente muito complexo e a maioria das simulações que o descrevem são geralmente baseadas em modelos que representam simplificações e aproximações da realidade, conforme descrito por Medeiros e Medeiros: As modernas técnicas computacionais têm tornado as representações visuais e simulações computacionais fáceis e verdadeiramente espetaculares. Ao mesmo tempo, contudo, elas têm criado uma tendência perigosa de um uso exagerado de animações e simulações considerando-as como alternativas aos experimentos reais, como se tivessem o mesmo status epistemológico e educacional. (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002, p. 80)

Cabe ao professor ter o bom senso de planejar e selecionar as simulações com as quais vai trabalhar, bem como os assuntos abordados, pois: Uma animação não é, jamais, uma cópia fiel do real. Toda animação, toda simulação está baseada em uma modelagem do real. Se essa modelagem não estiver clara para professores e educandos, se os limites de validade do modelo não forem tornados explícitos, os danos potenciais que podem ser causados por tais simulações são enormes. Tais danos tornar-se-ão ainda maiores se o modelo contiver erros grosseiros. (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002, p. 81)

120

DESENVOLVIMENTO DO MATERIAL O uso da informática na educação tem crescido rapidamente. Existem várias aplicações dos computadores nas escolas. No ensino de Física, a aplicação mais comum são as simulações, pela óbvia vantagem que tem como ponte entre o estudo do fenômeno da maneira tradicional (quadro-e-giz) e os experimentos de laboratório, pois permitem que os resultados sejam vistos com clareza, repetidas vezes, com um grande número de variáveis envolvidas. Podemos ainda dividir as simulações em dois grupos: interativas e não interativas.

Nas simulações não interativas, o estudante tem pouco ou nenhum controle sobre os parâmetros da simulação. De acordo com Heckler (2004, p. 24), os simuladores não interativos servem para mostrar e ilustrar a evolução temporal de algum evento ou fenômeno.

A figura 1 é um exemplo de uma simulação não interativa. Neste caso, simula-se a formação de raios, fazendo-se uma comparação com um capacitor natural.

Figura 1 – Representação de uma simulação não interativa Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/index.html

Nas simulações interativas, os parâmetros podem ser modificados com um grau de liberdade bem maior, de modo que o estudante possa verificar as implicações de cada variável no resultado do fenômeno estudado, tendo assim maior autonomia ao trabalhar, tanto com o professor presente, quanto sozinho ou em grupo.

A figura 2 mostra uma simulação interativa na qual o usuário poderá montar vários tipos de circuitos elétricos, verificar se os materiais são condutores ou isolantes, estudar circuitos em série e paralelo, etc.

Figura 2 – Exemplo de uma simulação interativa Fonte: http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspView&ResourceID=638

121

As etapas a seguir ilustram como o material foi desenvolvido: Seleção dos tópicos de eletricidade importantes e significativos para os alunos do Ensino Médio, tendo como base os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNEM); Pesquisa sobre as simulações disponíveis na internet; Análise das simulações por meio de critérios como interatividade, acesso gratuito, facilidade de manuseio; Elaboração do Roteiro de Atividades, baseado nos três momentos pedagógicos de Delizoicov (1994); Criação e adequação de textos explicativos e atividades para cada simulação.

MOMENTOS PEDAGÓGICOS DE DELIZOICOV Delizoicov e Angotti (1994), no livro Metodologia do Ensino de Ciências, propõem uma proposta de abordagem metodológica, que consiste em dividir a atividade educativa em três momentos pedagógicos a saber:

Primeiro Momento Pedagógico: Problematização inicial Apresentam-se questões e/ou situações problematizadoras para discussão com os alunos. Mais do que simples motivação para se introduzir um conteúdo específico, a problematização inicial visa a ligação desse conteúdo com situações reais que os alunos conhecem e presenciam, mas que não conseguem interpretar completamente ou corretamente, porque provavelmente não dispõem de conhecimentos científicos suficientes (Delizoicov & Angotti: 1994, p. 54).

Segundo Momento Pedagógico: Organização do conhecimento Na organização do conhecimento, considerando a orientação metodológica, poderão ser utilizadas as mais variadas estratégias de modo que os estudantes se apropriem do conhecimento científico (conceitos, definições, leis, relações, etc.) e possam ser capazes de responder às questões estabelecidas na problematização inicial. Neste momento, “o conhecimento em Ciências Naturais necessário para a compreensão do tema e da problematização inicial será sistematicamente estudado sob orientação do professor.”

(Delizoicov & Angotti:1994, p. 55).

122

Terceiro Momento Pedagógico: Aplicação do conhecimento O objetivo deste momento é aplicar o conhecimento até então construído na análise e interpretação da problematização inicial, bem como em outras questões e/ou situações que podem ser compreendidas por meio do mesmo conhecimento. De acordo com os autores este momento: “Destina-se, sobretudo, a abordar sistematicamente o conhecimento que vem sendo incorporado pelo aluno para analisar e interpretar tanto as situações iniciais que determinaram o seu estudo, como outras situações que não estejam diretamente ligadas ao motivo inicial, mas que são explicadas pelo mesmo conhecimento” (Delizoicov & Angotti:1994, p. 55).

Os Três Momentos Pedagógicos oportunizam espaço para o trabalho coletivo, para o surgimento de conflitos/confrontos de idéias, bem como, para a busca de soluções dos mesmos, com vistas à (re)construção de saberes sistematizados por parte dos alunos.

ATIVIDADES UTILIZANDO SIMULAÇÕES Nesta seção descrevemos uma atividade elaborada para explorar os conceitos de corrente elétrica, diferença de potencial, resistência e potência aplicados à circuitos elétricos simples, utilizando simulações computacionais, aliadas aos três momentos pedagógicos de Delizoicov.

A simulação baseia-se no kit para construção de circuitos (KCC), desenvolvido pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (PhET), da Universidade do Colorado. O Kit de construção de circuitos está disponível gratuitamente online. O KCC simula o comportamento de circuitos elétricos simples e proporciona um trabalho aberto no qual os alunos podem manipular resistores, lâmpadas, fios, baterias. Cada elemento tem parâmetros operacionais (tais como resistência ou tensão) que podem ser variados pelo usuário e medidos por um voltímetro e amperímetro simulados. Corrente e tensão são calculados ao longo de todo o circuito usando Leis de Kirchhoff. As baterias e fios são projetados para funcionar como componentes ideais, ou reais incluindo uma resistência interna. As lâmpadas são modeladas como ôhmicas, a fim de enfatizar a base de modelos de circuitos que são apresentados na introdução de cursos de Física. O movimento dos elétrons são explicitamente mostrados através da visualização do fluxo e conservação da corrente. A versão em português da simulação

está

disponível

para

download

em

http://www.pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/simulacoes/eletromagnetismo/k it_para_montagem_de_circuitos_eletricos. Para a realização da atividade é necessário plugins Java. O software Java pode ser obtido gratuitamente no site do fabricante, www.sun.com.br .

123

A atividade proposta a seguir, foi adaptada de Delizoicov & Angotti (1990, p. 136 e 137) e Delizoicov & Angotti (1994, p. 179 a 181).

Atividade: Trabalhando com circuitos elétricos simples Núcleo: Aplicação das relações entre diferença de potencial (ddp), resistência, corrente elétrica e potência a circuitos resistivos. Associação de resistores em série e em paralelo.

Objetivos: Descrever os elementos básicos de um circuito simples. Caracterizar associação de resistores em série e em paralelo. Determinar a resistência equivalente de associações e calcular tensões e correntes nos resistores de um circuito.

Problematização inicial

Sugere-se ao professor iniciar a aula colocando uma questão: o que faz com que uma lâmpada acenda? O professor poderá utilizar as lâmpadas instaladas na sala-de-aula, ou trazer lâmpada, pilha e cabos para realizar uma demonstração simples para os alunos.

1)

Divida a turma em grupos e peça que respondam à questão e que, a partir da observação, façam um esquema de onde estão ligados os fios que acendem as lâmpadas da sala de aula. Não importa que o esquema não saia perfeito. Faça um apanhado dos resultados dos grupos.

As cinco simulações de montagens experimentais sugeridas a seguir, juntamente com as questões que serão propostas, conduzirão os alunos à observação e compreensão da situação apresentada.

1ª demonstração: Utilize a simulação para montar um circuito semelhante ao esquematizado a seguir. Para isto basta clicar sobre a lâmpada e arrastar. O mesmo poderá ser feito com os fios e a bateria.

Figura 3 – Circuito simples Fonte: Dados da pesquisa

124

Questão 1: Porque a lâmpada acende?

Questão 2: O que faz a lâmpada acender?

2ª demonstração: Agora, simule um circuito semelhante ao esquematizado a seguir.

Figura 4 – Circuito simples, com uma chave geral Fonte: Dados da pesquisa

Questão 1: Qual a posição da chave para que a lâmpada acenda?

Questão 2: Porque isso ocorre? Discuta o conceito de corrente elétrica e descreva o caminho que essa percorre para chegar à lâmpada.

Questão 3: Para que serve uma chave deste tipo? Cite exemplos de aplicação.

3ª demonstração: Utilizando a simulação, monte um circuito constituído de uma chave geral, duas lâmpadas em paralelo, cada qual com o seu interruptor.

Figura 5 – Circuito paralelo, com uma chave e dois interruptores Fonte: Dados da pesquisa

Verifique o que acontece nas seguintes situações, descrevendo o caminho da corrente:

Chave geral aberta, interruptores 1 e 2 fechados. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptores 1 e 2 abertos. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptor 1 fechado e interruptor 2 aberto. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptor 1 aberto e interruptor 2 fechado. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Chave geral fechada, interruptor 1 e 2 fechados. Qual(is) lâmpada(s) acende(m)?

Questão 1: Observe na simulação o caminho que a corrente elétrica precisa percorrer para acender cada uma das lâmpadas. Para que servem os interruptores? E a chave geral? Cite exemplos de aplicações.

125

4ª demonstração: Monte um circuito constituído por três lâmpadas em série, como o mostrado na figura 6. Para isto basta clicar sobre a lâmpada e arrastar. O mesmo poderá ser feito com os fios e a bateria. Para alterar os valores da resistência interna das lâmpadas e da voltagem na bateria, basta clicar com o botão esquerdo do mouse na lâmpada, depois clicar em modificar resistência.

Figura 6 – Circuito em série Fonte: Dados da pesquisa

Desconecte uma das lâmpadas. Para isto basta clicar com o botão esquerdo do mouse sobre a lâmpada, e depois clicar em remover.

Questão 1: Descreva o que ocorre. Por que isso acontece?

Questão 2: Porque quando uma lâmpada “queima” ou é desconectada, as demais lâmpadas e aparelhos de uma residência não se apagam?

Sugere-se ao professor, neste momento, solicitar aos alunos que, usando lâmpadas e baterias, simulem a montagem de um circuito com três lâmpadas, capaz de manter acesas duas delas, quando a terceira é desconectada.

5ª demonstração: Usando baterias de mesma voltagem e lâmpadas idênticas (de mesma potência) alimentar um circuito com uma só lâmpada e outro circuito com três lâmpadas ligadas em série.

Figura 7 – Circuito com uma e três lâmpadas em série Fonte: Dados da pesquisa

126

Questão 1: Porque o brilho das lâmpadas em cada circuito é diferente?

Questão 2: Porque o brilho de lâmpadas de mesma potência numa residência permanece o mesmo, independente do número de lâmpadas iguais?

Organização do conhecimento

6ª demonstração: Monte um circuito constituído de três lâmpadas em série, com resistência de 4Ω, 6Ω e 8Ω, como mostrado na figura 8. Após ligar a chave e utilizando o voltímetro, meça a diferença de potencial em cada lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa cada lâmpada, e a corrente que passa pelo circuito.

Figura 8 – Circuito em série Fonte: Dados da pesquisa

Questão 1: O que você observa sobre a diferença de potencial em cada lâmpada?

Questão 2: E sobre a intensidade de corrente que passa por cada lâmpada?

Questão 3: Qual lâmpada brilha mais? Porque?

7ª demonstração: Monte um circuito constituído de três lâmpadas em paralelo, com resistência de 4Ω, 6Ω e 8Ω, como mostrado na figura 9. Após ligar a chave e utilizando o voltímetro, meça a diferença de potencial em cada lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa cada lâmpada e que passa pelo circuito.

127

Figura 9 – Circuito em paralelo Fonte: Dados da pesquisa

Questão 1: O que você observa sobre a diferença de potencial em cada lâmpada?

Questão 2: E a intensidade de corrente que passa por cada lâmpada?

Questão 3: Qual lâmpada brilha mais? Porque?

8ª demonstração: Monte um circuito utilizando um lápis, como mostrado na figura 10. Basta clicar em Caixa de Objetos, e depois em lápis. Após ligar a chave, utilizando o voltímetro, meça a diferença de potencial na lâmpada. Utilizando o amperímetro, meça a intensidade de corrente que atravessa o circuito. Variando a tensão da bateria verifique se a lâmpada acende.

Figura 10 – Materiais condutores e isolantes Fonte: Dados da pesquisa

Questão 1: A diferença de potencial medida pelo voltímetro variou?

Questão 2: O grafite é um bom condutor?

128

Substitua o lápis pelo clipe e verifique o que acontece. Faça o mesmo para os demais materiais disponíveis.

Questão 3: Dos materiais constantes na simulação qual(is) é (são) bom(ns) condutor(es)?

Questão 4: Qual(is) não é (são) bom(ns) condutor(es)?

Questão 5: Qual(is) é (são) isolante(es)?

Aplicação do conhecimento

9ª demonstração: Peça aos alunos que montem circuitos utilizando baterias em série e em paralelo e discuta com os colegas as possíveis aplicações de cada associação. Monte, junto com os alunos uma lista de aplicações e discuta as características principais de cada uma delas.

CONSIDERAÇÕES FINAIS Por meio das atividades propostas, apresentamos alguns conteúdos Básicos de Eletricidade de uma maneira mais atraente e ilustrativa, propiciando assim um maior envolvimento dos alunos nas aulas de Física.

O uso de simulações, quando bem conduzido pelo professor, proporciona um ambiente de estímulo, motivação e envolvimento, melhorando assim o processo ensino aprendizagem.

As simulações devem ser usadas como um recurso a mais, à disposição do professor e nunca em substituição ao laboratório experimental. Cabe ao professor a responsabilidade e o bom senso de planejar e selecionar os assuntos a serem abordados, juntamente com as simulações com as quais vai trabalhar, discutindo as suas limitações com os alunos, propiciando mais uma oportunidade de aprendizado.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: BRASIL. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Linguagens, códigos e suas tecnologias: orientações educacionais complementares aos parâmetros curriculares nacionais – PCNS+. Brasília: 2002 DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José André Peres. Metodologia do ensino de ciências. 2ª Ed. São Paulo: Cortez, 1994.

DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José André Peres. Física. 2ª Ed. São Paulo: Cortez, 2003.

129

HECKLER, Valmir. Uso de simuladores e imagens como ferramentas auxiliares no ensino/aprendizagem de ótica. 2004. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal do Rio Grande do Sul. JAVA-SUN: http://www.sun.com.br MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C. F. de. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, (p.77-86). São Paulo: 2002.

PERRENOUD, Philippe. Dez novas competências para ensinar. 1. ed. Artmed. Porto Alegre: 2000 SANTOS, A. V. dos; SANTOS, S. R. dos e FRAGA, L. M. Sistema de realidade virtual para simulação e visualização de cargas pontuais discretas e seu campo elétrico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, (p. 185-195). São Paulo: 2002 Universidade do Colorado: http://phet.colorado.edu VALENTE, José Armando. Diferentes usos do Computador na Educação. Campinas: Unicamp: 1995. Disponível em http://www.nied.unicamp.br/publicacoes/separatas/Sep1.pdf.

Acesso em Acesso em 12/10/2007 VEIT, Eliane Ângela; ARAUJO, Ives Solano. Modelagem computacional no ensino de física. In: XXIII Encontro de Físicos do Norte e Nordeste, 11, 2005, Maceió. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/producao/modelagem_computacional_Maceio.pdf> Acesso em 22/4/2007.

130

ANEXO A – COPYRIGHT E AUTORIZAÇÕES

Neste anexo, disponibilizamos os termos de uso dos Applets e as autorizações concedidas via e-mail pelos autores, permitindo o uso dos referidos simuladores no Roteiro de Atividades. Como ressaltamos nos capítulos 2 e 3, procuramos utilizar simulações livres ou com licenciamento Creative Commons (CC).

Na figura 61 reproduzimos o licenciamento das simulações desenvolvidas pelo projeto Tecnologia no Ensino de Física (Phet) da Universidade do Colorado.

Figura 61 – Termos de uso das simulações desenvolvidas pelo PhET. Fonte: http://phet.colorado.edu/about/licensing.php.

131

Na figura 62 temos os termos de uso da simulação Circuitos de Corrente Contínua utilizada no Roteiro de Atividades. Esta simulação foi desenvolvida pelo Phet.

(a)

(b)

(c) Figura 62 – Explicações (a), Licença (b) e Créditos dos desenvolvedores (c) da Simulação Circuitos de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

Na página seguinte apresentamos os termos de uso da simulação Laboratório de Eletromagnetismo, também utilizada no Roteiro de Atividades e desenvolvida pelo Phet.

132

(a)

(b)

(c) Figura 63 – Explicações (a), Licença (b) e Créditos dos desenvolvedores da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo.

Fonte: Dados da pesquisa.

133

A figura 64 mostra os termos de uso da simulação Campo magnético e orientação da bússola, utilizada em nosso Roteiro de Atividades. Esclarecemos que esta simulação está sendo utilizada em nosso trabalho com fins puramente educativos. Enfatizamos que nosso trabalho não possui fins lucrativos.

Figura 64 – Termos de uso da simulação Campo magnético e orientação da bússola.

Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/compass/index.html.

Apresentamos abaixo os termos de uso (figura 65(a)) e de tradução (figura 65(b)) da simulação Motor de corrente contínua. Esta simulção foi desenvolvida por Walter Fendt e traduzida por Antonio F. de Moraes Filho, Miriam G. de Castro e Juliana M. Marques Giordano.

(a)

(b) Figura 65 (a) e (b) – Termos de uso da simulação Motor de corrente contínua.

Fonte: http://www.walter-fendt.de/ph14/copyrightphe.htm.

Figura 66 – Termos de uso e tradução da simulação Motor de corrente contínua.

Fonte: http://www.walter-fendt.de/ph14br/electricmotor_br.htm.

134

Finalizando, reproduzimos na figura 67 logo abaixo, a autorização obtida via e-mail de Walter Fendt, permitindo a utilização da simulação Motor de corrente continua (electric motor).

Figura 67 – Autorização concedida via e-mail permitindo a utilização da simulação Motor de Corrente Contínua.

Fonte: Dados da pesquisa.

135