Resumos

1. Introdução

Historicamente, no Brasil, o ensino de Física é feito de maneira tradicional, por meio de aulas expositivas, apoiadas unicamente no livro didático e com pouca presença de aulas experimentais que possam auxiliar na compreensão dos conceitos físicos envolvidos ou mesmo tornar o aluno parte integrante do processo de ensino e aprendizagem [¹1 I.J. Pozo e M.A.G. Crespo, A Aprendizagem e o Ensino de Ciências – Do conhecimento cotidiano ao conhecimento científico (Editora ARTMED, Porto Alegre, 2006).]. A grande dificuldade de mudar o paradigma de um ensino tradicional para um ensino mais participativo se deve ao fato de termos no país uma baixa formação docente em metodologias alternativas de ensino [²2 L.H.M. Arthury e E.A. Terrazan, Rev. Bras. Ensino Fís. 40, e3403 (2018)., ³3 R.C. Diogo e S.T. Gobara, em: XVII Simpósio Nacional de Ensino de Física: Programa e Resumos (Sociedade Brasileira de Física, São Luis, 2007), p. 165.]. Podemos citar, ainda, como fator adicional, a inexistência de laboratórios de ensino de Física em boa parte das escolas públicas, como apontam estudos [⁴4 C.M. Pedrisa, Ciência & Ensino 11, 9 (2001).].

Nas últimas décadas, foram instituídas políticas públicas visando a melhoria na qualidade do ensino e a adoção de metodologias mais participativas que pudessem alterar a prática pedagógica vigente, tais como a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional-LDBEN [⁵5 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, Parâmetros Curricula-res Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), disponível em: http://portal.mec.gov.br/index.php?option=com_content&view=article&id=12598:publicacoes&catid=195:seb-educacao-basica.
http://portal.mec.gov.br/index.php?optio... ] e os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio-PCNEM [⁵5 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, Parâmetros Curricula-res Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), disponível em: http://portal.mec.gov.br/index.php?option=com_content&view=article&id=12598:publicacoes&catid=195:seb-educacao-basica.
http://portal.mec.gov.br/index.php?optio... ]. Podemos, ainda, enfatizar a iniciativa da Sociedade Brasileira de Física (SBF) com a criação do Programa Nacional de Mestrado Profissional em Ensino de Física (MNPEF).

O MNPEF é um programa de ampla abrangência, contendo atualmente 63 polos espalhados por todo o território nacional que vêm contribuindo para a melhoria da formação docente. Casanova, S.S & Zara, R. A. [⁶6 S.S. Casanova e R.A. Zara, Arquivos do Mudi 24, 267 (2020).] apontam em seu estudo que uma média de 47% dos trabalhos defendidos no programa, no período 2015–2018, são de cunho experimental, sendo estes a maioria dos trabalhos defendidos pelo Programa. Sabendo que os alunos do MNPEF são docentes em atividade na rede básica de Ensino, a partir desse resultado, podemos inferir que existe uma carência que gera uma demanda da Rede Básica pela criação e produção de experimentos de baixo custo, o que pode refletir na falta de laboratórios adequados nessas escolas. Podemos ressaltar, ainda, que há um consenso entre os professores da rede básica sobre a importância da atividade experimental no processo de ensino e aprendizagem de seus alunos.

No intuito de resolver esse paradigma, as escolas particulares passaram a contemplar, em seus currículos, aulas de laboratórios de Física, sendo estes muitas vezes dotados de vários equipamentos que abrangem conteúdos ministrados desde o Ensino Fundamental – anos finais, até a terceira śerie do Ensino Médio. Todavia, as escolas públicas não conseguiram acompanhar o ritmo das escolas particulares, não dispondo, em sua maioria, de laboratórios de Física. Para além da falta de laboratório, não é difícil encontrarmos escolas públicas que, mesmo dispondo de laboratórios, não possuem um corpo docente ou técnico capacitado a utilizar os equipamentos que, nessas situaçôes, acabam sendo subutilizados.

Em 2020, com a pandemia da COVID-19, houve uma brusca mudança de realidade no mundo que impactou diretamente as atividades de ensino. As aulas em todo o país foram inicialmente canceladas e, posteriormente, cada estado teve que decidir sobre suas respectivas políticas educacionais mediante uma crise sanitária mun-dial. Professores tiveram que se adaptar rapidamente à nova realidade do ensino remoto e ao ensino híbrido (em que parte das aulas é on-line e parte é presencial) em algumas situaçôes. Superada a dificuldade inicial de aprendizado das ferramentas de teletrabalho por parte dos professores, um ano depois, ainda temos um problema: a impossibilidade de realizar, de forma contínua, atividades de cunho experimental.

A falta de acesso ao ambiente do laboratório de Física e ao formato de aulas remotas privilegia aulas expositivas em detrimento de aulas experimentais, tornando ainda mais difícil a adoção de metodologias mais participativas e alternativas à metodologia tradicional de ensino.

Nesse sentido, este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de uso de um minilaboratório, um conjunto de materiais acessíveis e um kit, que permite a execução de diferentes experimentos de física, que propiciará o estudo dos conceitos de indução eletromagnética. A ideia é que tais conceitos possam ser aprendidos pelos alunos a partir da execução de experimentos sobre o assunto e consequente discussão em sala. Nessa proposta, é dada maior ênfase às aulas interativas, inspiradas na metodologia ISLE “Investigative Science Learning Environment”.

2. Materiais Usados nos Experimentos Portáteis Proposto

Para a realização dos experimentos portáteis (usaremos a abreviação ExP ou ExPs), todos os materiais são apresentados em um caixote de madeira tipo MDF, Figura 1, que foi cortado a laser, medindo 21,0 cm de comprimento, 17,0 cm de largura e 7,0 cm de altura, Estas dimensôes foram escolhidas para que todos os experimentos sejam portáteis e que a caixa possa acomodar facilmente os materiais a seguir:

1. 01 Multímetro digital, ponteira com garras tipo jacaré

2. 01 Bobina de fio esmaltado

3. 01 Carcaça da bobina com ímã

4. 01 Ímã cúbico de neodímio

5. 01 Ímã cilíndrico de neodímio

6. 01 Ímã em formato de anel

7. 01 Cabo duplo, bananas/terminais

8. 01 Minigerador

9. 01 Manivela

10. 01 Lâmpada Led/Bocal, cabo duplo/banana

11. 01 Base do motor

12. 01 Suporte para pilhas

13. 02 pilhas AA

14. 01 Bobina com 6–8 voltas

Vale ressaltar que todos esses materiais são de fácil aquisição no comércio local da maioria das cidades do Brasil ou em śıtios de vendas de produtos na internet. Por exemplo, qualquer multímetro que meça voltagem na faixa de milivolts pode ser usado. Os ímãs de neodímio podem ser adquiridos diretamente no śıtio da empresa Mercado Livre. A peça central deste kit é o minigerador, que é simplesmente um motor que gira o prato de forno de micro-ondas (muito popular nas cozinhas atuais) com a observação de que na compra deve-se solicitar que o motor tenha o eixo de fixação de metal, por ser mais robusto.

Figura 1:
Fotografia com todos os materiais do experimento dentro e fora do caixote. À esquerda, todos os materiais dentro do pequeno caixote portátil. No centro, a bobina ligada ao multímetro digital com ímãs de neodímio e a carcaç do minigerador. À direita, a manivela amarela acoplada ao minigerador que acende uma lâmpada residencial e um multímetro para medição da voltagem gerada.

3. ISLE – Ambiente de Aprendizagem Científica Experimental

Dentre vários métodos de ensino existentes, nesse estudo, nós optamos em utilizar o ISLE (Ambiente de Aprendizagem Cientifica Experimental). Este método de aprendizagem foi criado pelo grupo da “Graduate School of Education, Rutgers University” dos Estados Unidos da América, liderados pela professora Eugenia Etkina [⁷7 E. Etkina, American Journal of Physics, 83 669 (2015)., ⁸8 E. Etkina e A. Van Heuvelen, em: Research-Based Reform of University Physics, editado por E.F. Redish e P. Cooney (American Association of Physics Teachers, College Park, 2007), v. 1.]. Há, inclusive, um śıtio na internet com vasta informação sobre este método: https://www.isle physics.net/. Passamos a descrever o método em uma tradução livre das informaçôes deste śıtio com pequenas adaptaçôes à realidade brasileira.

O ISLE é um jogo epistêmico e cognitivo que emula o método pelo qual os físicos criam seu conhecimento. Neste contexto de ser um jogo, a chave para não o deixar desinteressante é seguir como uma investigação misteriosa, na qual os alunos constroem seus conceitos de física e desenvolvem habilidades de aprendizagem da ciência, simulando os processos que os físicos usam para construir conhecimento. As etapas do ciclo do ISLE são as seguintes:

1. Os alunos encontram algum fenômeno físico interessante que precisa ser explicado. Normalmente, uma atividade experimental.

2. Os alunos reúnem dados sobre o fenômeno, identificam padrôes interessantes e apresentam várias explicaçôes para o porquê de o fenômeno estar acontecendo. Inicialmente, todas as ideias são aceitáveis, para incentivar o cognitivo a pensar sobre o problema em questão.

3. Eles, então, testam suas explicaçôes/previsôes, conduzindo um ou mais experimentos de teste. O objetivo principal é eliminar as explicaçôes em vez de “prová-las”. Essa é a chave para a natureza não desinteressante do processo. No ISLE, “prever” significa dizer qual seria o resultado do experimento de teste se uma determinada hipótese fosse verdadeira.

4. As ideias que não são eliminadas são mantidas e testadas novamente com mais experimentação.

5. Finalmente, os alunos aplicam as ideias que estabeleceram para resolver problemas do mundo real, por exemplo, com uma aplicação tecnológica.

Para entender os três componentes deste método, seguiremos o diagrama de bloco (às vezes, chamado mapa conceitual) esquemático do método ISLE, também chamado de ciclo ISLE, que é apresentado na Figura 2.

Figura 2:
Ciclo ou diagrama de bloco do ISLE. O ińıcio é uma observação ou uma experimentação, seguindo-se a construção de conceitos de física e desenvolvendo habilidades de aprendizagem da cîencia, simulando os processos que os físicos usam para construir conhecimento. Por fim, chega-se às aplicaçôes tecnoĺogicas.

O primeiro componente é um ciclo de raciocínio lógico que se repete a cada novo tópico aprendido. A lógica de raciocínio é uma junção de raciocínio indutivo e hipotético-dedutivo:

Indutivo: Os experimentos observacionais fornecem dados aos alunos e padrôes interessantes que precisam ser explicados, criando os conhecimentos básicos sobre o tema em estudo. Nitidamente, na vida cotidiana, não temos conhecimento de inúmeros fenômenos naturais. Assim, um dos objetivos de uma realização experimental é contribuir para aquisição de conhecimento prévio para a aprendizagem científica do tema. Com estes conhecimentos, o estudante poderá pensar em como agir para entender e resolver o problema. Os alunos podem gerar várias explicaçôes com base em conhecimento prévio e raciocínio analógico.

Hipotético-dedutivo: Se esta explicação estiver correta (realizar um experimento de teste), então isso e aquilo devem acontecer (previsão baseada na explicação). Mas, se não aconteceu, minha ideia não é correta (julgamento). Ou aconteceu, portanto, minha ideia ainda não foi refutada (julgamento).

O segundo componente do ISLE é um conjunto de ferramentas representacionais que os alunos aprendem a usar para passear pelo ciclo do ISLE e entender e resolver problemas do mundo real (aplicativos). Estes incluem: imagens, gráficos, diagramas de movimento, diagramas de força, gráficos de barra de impulso-momento, gráficos de barra de energia e trabalho, diagramas de circuito elétrico, diagramas de raios, diagramas de frente de onda etc.

O terceiro componente do ISLE é o desenvolvimento de um conjunto de habilidades científicas ou hábitos mentais científicos que permitem aos alunos passear pelo ciclo do ISLE e resolver problemas do mundo real (aplicaçôes), pensando como um cientista físico. Os alunos são capazes de identificar as suposiçôes que estão fazendo e como essas suposiçôes afetam o resultado. Observe que essa habilidade se aplica a vários contextos. As suposiçôes são feitas ao projetar um experimento de teste e podem afetar o resultado desse experimento ou as conclusôes tiradas desse experimento. O conjunto completo de habilidades científicas e os múltiplos contextos em que ocorrem são codificados nas rubricas de habilidades científicas.

O jogo ISLE serve para que os alunos aprendam física, compreendendo como devem jogar este jogo epistêmico. Os estudantes de física têm plena consciência de que precisam “jogar um jogo” quando estão aprendendo física. A questão é que tipo de jogo queremos que eles joguem? A coisa mais essencial sobre o ISLE é que ele apresenta aos alunos um conjunto de regras para um jogo não ameaçador que os ajuda a construir suas identidades e habilidades como cientistas praticantes.

4. A Sequência Didática para os ExPs de Indução Eletromagnética, Motores e Geradores

A sequência didática se divide em três (03) etapas de realizaçôes experimentais alinhadas com aprendizagens sobre a lei da indução eletromagnética e suas principais aplicaçôes tecnológicas, os motores e os geradores.

Cabe ressaltar aqui que a expressão “sequência didática” tornou-se conhecida no Brasil, em especial, a partir dos trabalhos de M. A. Moreira [⁹9 M.A. Moreira, Teorias de Aprendizagem (Editora Pedagógica e Universitária, São Paulo, 2011), 2ª ed.] e nitidamente a metodologia ISLE e as UEPS, fundamentadas na Teoria de Aprendizagem Significativa [⁹9 M.A. Moreira, Teorias de Aprendizagem (Editora Pedagógica e Universitária, São Paulo, 2011), 2ª ed.], dialogam entre si, pois ambas são apoiadas no método científico centrado na observação prática e/ou experimental de um dado fenômeno. Inclusive, os três momentos aqui descritos da sequência didática são semelhantes aos três componentes da ISLE ou, ainda mais, ambas metodologias possuem componente do ciclo de raciocínio lógico que se repete a cada novo tópico aprendido.

No primeiro momento pedagógico, o professor apresenta aos estudantes os materiais que compôem os ExP´s e o seu uso. Explica o que é uma espira, composta pelo fio esmaltado enrolado na forma de bobina, como se usa o multímetro (antes de chegar neste tema, muito possivelmente, nas atividades práticas sobre eletricidade e magnetismo, já foi apresentado com se usa este instrumento de medidas elétricas), o que é um ímã de neodímio, enfim, um momento de contextualização experimental com a apresentação e uso de todos os itens que compôem este ExP. Com esses diálogos, o passo inicial da problematização inicial foi executado.

Chegamos, então, ao segundo momento pedagógico, no qual o professor apresenta qualitativamente os experimnetos, isto é, não se fazem aqui medidas, apenas observaçôes qualitativas. Em seguida, fazem-se as conexôes elétricas entre a bobina e o multímetro, entre o minigerador, a lâmpada e o multímetro e, também, a ligação do minimotor com a bateria e o ímã de neodímio. Após cada conexão, individualmente, seguem os momentos de observação. Para a bobina, o ímã de neodímio e o multímetro, pergunta-se o que deve ocorrer ao se aproximar a bobina do ímã, que valor deve-se medir no multímetro (voltagem, corrente ou resistência elétrica)?

A Figura 3 apresenta os materiais usados para essas primeiras observaçôes experimentais. Aguardam-se as respostas, fazem-se anotaçôes e a primeira aproximação do ímã com a espira é efetuada. Em seguida, comentase o observado, anotam-se os valores e novas perguntas podem ser efetuadas, sempre com a resposta advinda da observação da experimentação. Podem surgir mais perguntas do tipo: a voltagem registrada depende de que parâmetros, proximidade do ímã com a espira, da velocidade do aproximação do ímã, do ângulo entre a bobina e do ímã etc? É momento de aguçar a observação experimental com as perguntas e a direta observação por parte dos estudantes ou, ainda, podem-se escutar perguntas por parte deles e, novamente, lembrá-los de que a resposta deve vir da observação prática.

Figura 3:
Fotografia dos imãs (cubo e ciĺındrico) ao centro e abaixo do multímetro, bobina (a esquerda na cor branca). Cabos ligam a bobina ao multímetro (na escala de 200 milivolts VDC) usados para observar o fenômeno da indução eletromagńetica ao se aproximar osímãs da bobina. Visualiza-se, por fim, a detecção com a variação dos dígitos do multímetro.

Na parte seguinte, no segundo ciclo ISLE, fazem-se as medidas quantitativas, medem-se os valores de voltagem gerados em cada situação prática das observaçôes qualitativas e quanto foi o valor gerado em unidades de milivolt.

Das observaçôes, solicitamos que seja feita uma classificação ou caracterização dos padrôes das experimentaçôes. Perguntamos quais parâmetros físicos (campo magnético, campo elétrico, temperatura, pressão, corrente e voltagem elétrica, etc) são importantes para se chegar a uma lei que explica todos estas observaçôes. Há alguma equação representativa para explicar o que é observado? Ainda no segundo momento pedagógico, inicia-se a construção da equação que relacione as grandezas físicas que foram analisadas. Discute-se o método de trabalho do descobridor deste fenômeno (Michael Faraday), que não possuía muitos conhecimentos matemáticos para propor uma equação representativa das observaçôes. Explicamos, ainda, que foram necessários alguns anos de comunicaçôes entre os cientistas até que James Maxwell apresentasse sua formulação matemática da lei da indução que, em notação moderna, adaptada ao ensino de Física em disciplinas introdutórias, pode ser expressa assim na equação (1)

que representa a força eletromotriz induzida (medida no voltímetro, com o circuito aberto, sem carga) que é proporcional ao negativo da variação do fluxo magnético dividido pela variação temporal. Explica-se que, no sistema internacional de medidas, a voltagem elétrica é medida em volts, o fluxo magnético em medidas de campo magnético, Tm² (tesla vezes metros quadrado) e o tempo em segundos. Na hipótese desta equação ser válida, se pergunta sobre o sinal ser negativo, que é algo substancialmente importante comentar. Este sinal representa que a variação do fluxo temporal induzirá uma força eletromotriz negativa a essa variação. Este fato pode ser observado diretamente na medida da voltagem medida no voltímetro (observando-se a mudança do sinal), todas as vezes que se inverte o sentido ímã ou a bobina ao se aproximar ou se afastar. Tal fato indica o que chamamos de lei de Lenz, isto é, a evidência da lei da conservação da energia neste sistema eletromagnético e cinético. Assim, se deve introduzir a lei de Lenz, da observação experimental em conjunto com a hipótese de a Equação 1 estar correta. Assim, a Lei de Lenz mostra que há uma reação contrária à ação provocada pelo ímã ou pela bobina, de forma que, se o sul doímã se aproxima da bobina, o sentido da força eletromotriz é horário.

Com a lei básica da indução eletromagnética devidamente explorada, pode-se passar para o terceiro momento pedagógico, que é aplicação deste conhecimento. A pergunta chave poderia ser: quais equipamentos, encontrados nas residências, poderiam ser associados à lei da indução eletromagnética? Em que parte(s) destes aparelhos a indução eletromagnética se manifesta? Você poderia descrever, de forma simplificada, como ela se manifesta? Ouvem-se as respostas, que inicialmente são as máquinas residenciais, liquidificador, batedeira, máquina de lavar, furadeira, enfim, máquinas motrizes. Nitidamente, tais respostas surgirão porque os estudantes já conhecem estes equipamentos do cotidiano e talvez haja a resposta de construir um gerador. Neste momento, é importante ressaltar aos estudantes que para estas máquinas funcionarem é preciso antecipadamente que ocorra a geração da energia elétrica. Logo, é necessário inicialmente, entender a tecnologia de funcionamento de um gerador elétrico.

Depois, apresenta-se o uso do minigerador, que faz uso de um movimento ćıclico, com o giro da manivela girando um ímã interno que está dentro da bobina e, assim, produz-se energia elétrica a partir da energia do movimento. Faz-se a demonstração com o acendimento de uma lâmpada residencial, tipo LED, mostra-se que este pequeno gerador é capaz de acender a lâmpada facilmente (Figura 4) e os materiais para esta realização prática. Pode-se perguntar qual o valor da voltagem gerada por este minigerador. Ouvem-se as respostas e suas explicaçôes e, em seguida, mede-se a voltagem o multímetro, com e sem a lâmpada no circuito, podendo comentar sobre a diferença dos conceitos de “força eletromotriz” e “voltagem elétrica”, o que fica ńıtido com as medidas no multímetro, com e sem a lâmpada no circuito, isto é, com e sem a carga elétrica ligada. Discutese sobre o sistema de engrenagem que fez aumentar a velocidade do ímã interno à bobina. Para finalizar esta seção de investigação do minigerador e para usar um dos sentidos do corpo humano como sensor de grandeza elétrica, pode-se perguntar se este minigerador é capaz de provocar um choque elétrico forte em uma pessoa. Para responder experimentalmente, sugerimos que os dois terminais de saída do gerador sejam conectados somente entre os dedos da mão direita do estudante curioso, pois o choque é razoavelmente forte e não se deve passar corrente elétrica no corpo na região próxima ao coração humano. Faz-se o giro e observa-se a reação do aluno atiçador.

Figura 4:
Fotografia com os materiais para demonstrar a geração de energia eĺetrica, manivela amarela, minigerador (fixado no caixote), cabos (ligam o mini-gerador a lâmpada e ao multímetro), multímetro e lâmpada residencial tipo LED.

Na continuidade do terceiro momento pedagógico, o assunto agora são as máquinas motrizes eletromagnéticas, os chamados motores elétricos, que são os instrumentos que foram fundamentais para a chamada Segunda Revolução Industrial. Em praticamente todas as indústrias, foram introduzidos os motores para execução de diversas tarefas, substituindo o trabalho braçal e as máquinas a vapor. O início é mais uma vez com uma pergunta: o que ou quais componentes são necessários para se construir um motor elétrico? Há inúmeras formas de se montar um motor elétrico e, neste momento, pode-se solicitar que façam uma consulta via internet sobre os diferentes tipos de motores e, diante dos resultados apresentados, pode-se discutir quais são os componentes essenciais para haver um motor elétrico, isto é, transformar energia elétrica em energia mecânica, energia cinética de movimento. Depois de ouvir e analisar em conjunto com os estudantes todas as ideias e suposiçôes, apresenta-se um protótipo de um motor de corrente contínua com escovas. Mostrase o motor em funcionamento e deixa-os observar e experimentar, fazer mudanças do tipo: inverter a bobina, mudar o tipo de ímã, mudar as posiçôes relativas do ímã e da bobina etc. Pode-se instigar os estudantes a projetar outros tipos de motores. No link abaixo, há um roteiro de uma aula experimental com estes materiais: https://fractal.ind.br/pdfs/ExP_F12_Inducao_Eletromagnetica.pdf

5. Conclusôes e Perspectivas

Apresentamos uma nova ferramenta de aprendizagem, nomeada de ExP (Experimento Portátil), que facilita a operação de experimentação pelo professor e aluno, tornando o estudante protagonista, pois permite que o próprio aluno controle toda a sua experimentação. Não há necessidade de infraestrutura laboratorial para a realização da prática, inclusive, pode ser realizada na própria sala de aula ou nos lares dos aprendizes.

No artigo, apresentamos em detalhes a idealização e a implementação de um ExP sobre a Lei da Indução Eletromagnética, Geradores e Motores e suas sequências didáticas. Este trabalho foi iniciado nas atividades laboratoriais de ensino de física e a criação e montagem dos primeiros protótipos foi realizado com financiamento público, junto ao CNPq. Posteriormente, o desenvolvimento desses protótipos foi feito pela microempresa Fractal Experimentos, que hoje atua desenvolvendo, fabricando e vendendo esses experimentos portáteis. Esta é uma forma positiva da avaliação de que os Experimentos Portáteis são uma alternativa assertiva de aprendizagem significativa.

Ressaltamos que ainda se farão necessárias mais avaliaçôes, principalmente, de métodos avaliativos na área da educação-pedagogia, para aferir com mais precisão sobre os limites desta ferramenta de aprendizagem. Por fim, estes primeiros resultados apresentados aqui são parte integrante da dissertação de mestrado de um dos autores desse artigo, no MNPEF Polo 51-UFRN.

Referências

Datas de Publicação

Histórico