Instrumentação para o ensino da Física I

Instrumentação para o ensino da Física I

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Anais do XXXIV COBENGE. Passo Fundo: Ed. Universidade de Passo Fundo, Setembro de 2006. ISBN 85-7515-371-4

Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia 1.446

Edson Pedro Ferlin – ferlin@unicenp.edu.br Engenharia da Computação – UnicenP Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza, 5300 – Campo Comprido 81.280-330 - Curitiba – PR Nestor Saavedra - saavedra@unicenp.edu.br Luís Fernando Cordeiro - cordeiro@positivo.com.br José Carlos da Cunha – cunha@unicenp.edu.br Maurício Perretto - mperretto@unicenp.edu.br Maurício Cúnico - cunico@unicenp.edu.br

Resumo: A aprendizagem do movimento acelerado ainda hoje é objeto de estudos e experimentos. Os estudantes sentem dificuldades em discernir os diferentes comportamentos assumidos pela aceleração de um corpo e suas implicações no desenvolvimento dos movimentos, muitas vezes recorrendo à memorização pura e simples ao invés do real aprendizado. Com o advento das novas tecnologias em ensino de ciências, os professores ganharam métodos de auxílio ao processo de ensino-aprendizagem. Simulações e experimentos assistidos por computadores têm obtido destaque, por representarem uma interface de aprendizagem em sintonia com a linguagem que faz parte da realidade de grande parte dos estudantes atualmente. Este trabalho relata a elaboração de um sistema de aquisição de dados para o estudo das grandezas físicas relacionadas ao movimento acelerado. A evolução das grandezas é acompanhada em tempo real em uma interface na tela do computador. Através dela o aluno pode prever, observar e comparar os dados obtidos no experimento, o que faz por aumentar a aprendizagem dos estudantes.

Palavras-chave: Aceleração, Experimentos assistidos por computador, Interface computacional.

1. INTRODUÇÃO

Este artigo está embasado nos esforços feitos nas disciplinas de Física Básica nos cursos de Engenharia (Civil, Computação, Elétrica e Mecânica) do UnicenP para melhorar a aprendizagem dos alunos. Tradicionalmente, é no primeiro semestre de tais cursos onde os estudantes encontram maiores dificuldades. Podemos citar a falta de embasamento físico e

Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia 1.447 matemático, bem com a pouca capacidade de abstração como alguns dos fatores preponderantes para estes problemas (ALMEIDA et al, 2001).

Tal comportamento pode ser observado logo no início da disciplina de Física 1, quando o estudante é confrontado com os conceitos de taxas de variações, limites e da derivada de uma função como uma taxa de variação. Inicialmente pode-se pensar que se sofre aqui por conta dos conceitos e ferramental matemáticos inéditos, mas podemos observar que o próprio conceito de taxa de variação em Física não tem sido bem assimilado até então. Quando se trata de uma taxa de variação mais simples, como a velocidade, facilmente relacionada com a variação da posição em determinado intervalo de tempo, os percalços são menores. Quando tal conceito é mais sutil, como a variação da própria velocidade em um determinado intervalo de tempo, a aceleração, depara-se com a enorme dificuldade dos estudantes em realmente entender a definição e aplicação de tal grandeza física.

1.1 Conceituação de Aceleração

Observando os programas de Física desenvolvidos pela maioria dos livros didáticos da primeira série do ensino médio e superior, constata-se que a maioria deles começa por Cinemática. A seqüência empregada é quase sempre esta: referencial, ponto material, repouso, movimento, trajetória, posição, deslocamento, velocidade, velocidade média, movimento uniforme. A seguir vem aceleração. Todos esses conceitos possuem ligações com o cotidiano do aluno e, de alguma forma, fazem uma descrição de sua realidade (CORDEIRO, 2003). Por isso, é possível que o aluno tenha uma quantidade razoável de informações adquiridas em suas experiências de vida para nelas ancorar esses conhecimentos da Cinemática e, assim, assimilá-los no formato científico. Porém, entre estes, aceleração é o que exige uma maior abstração.

Na linguagem científica, o conceito de aceleração engloba situações que o cotidiano nem sempre contempla. Para a Física, aceleração está vinculada às variações na velocidade durante um certo intervalo de tempo. Tomando como exemplo o movimento em uma dimensão, essas variações podem ser tanto de uma velocidade escalar menor para uma maior quanto de uma maior para outra menor. No segundo caso, quando a velocidade diminui, podese usar também o termo retardamento como um sinônimo de aceleração. Porém, no cotidiano, aceleração e retardamento são considerados antônimos. Essas diferentes concepções podem dificultar a apreensão desse conceito, bem como a vinculação da aceleração com a grandeza tempo, fator fundamental na definição científica. A aceleração não é um agente que promove variação de velocidade. Os corpos não “possuem” aceleração, tampouco a “recebem” – num sentido material. Ela é simplesmente um número que informa qual é a variação da velocidade numa unidade de tempo.

1.2 Dificuldades Encontradas

Através de discussões e exercícios em sala de aula, bem como aplicações de testes (como o Force Concepts Inventory) e questões discursivas puramente teóricas, pudemos identificar estar presente nos alunos uma série de “conceitos espontâneos” (VILLANI et al, 1982; CORDEIRO, 2003), que estão arraigados na conceituação elaborada pelos estudantes, atrapalhando o processo de aprendizagem dos mesmos, quando não corretamente trabalhadas pelos estudantes (MOREIRA, 2003). Dentre as principais, podemos destacar:

• Relação Aristotélica entre força e movimento: Um movimento só pode ser mantido pela presença de forças. Denota falta de conhecimento da Primeira Lei de Newton.

• Dificuldade de compreender que aceleração nula não significa necessariamente significa repouso: está no cerne da não compreensão do conceito de aceleração.

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• Se a aceleração é constante, então a velocidade também o é: dificuldade de reconhecer a aceleração como uma taxa de variação.

• Em um plano inclinado, se a velocidade está aumentando, a aceleração também aumenta: Dificuldade em enxergar que uma taxa de variação constante implica em aumento linear da grandeza a qual ela está relacionada.

• Confusão na interpretação dos gráficos do movimento: Também relatado na literatura (ARAÚJO et al, 2004), é comum a confusão, por exemplo, em enxergar o gráfico da posição pelo tempo como sendo a trajetória propriamente dita do corpo em estudo.

Com base nestes relatos, começou-se a desenvolver um esforço coordenado para atacar estes problemas de aprendizagem, que começamos a relatar a seguir.

1.3 Novas Tecnologias em Ensino de Ciências

Com o desenvolvimento e a popularização da ciência da computação, houve grande euforia há cerca de 20 anos, quando era prevista a aplicação em massa de computadores em laboratórios e em salas de aula (MEDEIROS, 2002). Esta é uma reação natural quando alguma inovação tecnológica é passível de ser aplicada no ensino de ciências. Se por um lado havia a previsão de que na virada do século onde agora nos encontramos quase que a totalidade das escolas teria as aulas baseadas em computadores, por outro lado há aqueles que resistem frontalmente à aplicação de computadores no ensino de Física, argumentando que o seu uso privaria o estudante do contato com a realidade física, bem como o abstraindo muito do processo de observação e medição dos experimentos. Hoje em dia o consenso aponta por um equilíbrio entre estas duas posições antagônicas (KELLY, 1996).

Com o advento da aplicação de Novas Tecnologias no ensino de ciências, em particular na Física, acredita-se que fazendo uso da ferramenta computacional como mais um meio de mediar a transmissão de conhecimento, e não como um fim em si, o aprendizado dos estudantes pode ser incrementado de maneira sensível. Ou seja, novas tecnologias, como a aplicação de computadores no ensino de Física, podem de fato melhorar a assimilação do conhecimento por parte dos alunos, desde que esta aplicação faça parte de um processo educacional maior e coerente em suas propostas (BRANSFORD et al, 2000; FIOLHAIS e TRINDADE, 2003).

Este projeto visa juntar experimentos reais e virtuais. Uma das grandes vantagens de aplicação dos computadores no ensino de Física é que muito freqüentemente os assuntos estudados têm uma natureza dinâmica, onde a evolução temporal das grandezas físicas vistas pelos estudantes em animações ou simulações podem melhorar o aprendizado dos mesmos. Assim, ao lado de um experimento real, um trilho com colchão de ar para o estudo de movimentos acelerados, acoplamos um sistema de aquisição de dados que permite a um programa desenvolvido e instalado em um computador mostrar, de maneira interativa, o comportamento de grandezas que tem sua observação direta no experimento feita de maneira muito sutil. A observação simultânea do experimento real e de sua interpretação em um computador pode melhorar a absorção dos conceitos fundamentais do assunto lecionado aos alunos (KELLY, 1996).

1.4 Programa Proposto

Identificadas as principais dificuldades dos alunos, passamos a utilizar mais intensamente em sala de aula e como atividades propostas o programa MODELLUS (disponível em http://phoenix.sce.fct.unl.pt/modellus/) da maneira proposta por ARAUJO et al (2004). Embora o uso de simulações computacionais nos cursos de Física Básica para engenharias do

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UnicenP já seja, na medida do possível, padrão, gostaríamos de discutir alguns pontos em que, ao nosso entender, o experimento real em laboratório é insubstituível.

Primeiramente, as simulações computacionais representam apenas a realidade descrita ao computador, via programa de simulação. No caso do Modellus, toda a realidade “física” com que o aluno terá contato resume-se ao que é inserido na janela “Modelo” de tal programa. Em uma etapa inicial do aprendizado, é uma simplificação bastante útil, já que concentra o aluno nas questões e conceitos fundamentais do seu aprendizado, ou seja, no caso proposto, concentra-o principalmente no próprio conceito de aceleração, deixando questões paralelas, como “a resistência do ar altera o resultado? Como?” de lado, por enquanto.

Partindo disto, o contato com o experimento propriamente dito, já com conceitos préconsolidados, faz-se indispensável. O estudante passa a inserir os conceitos adquiridos em um mundo real, levando em consideração todas as dificuldades e relevâncias nos processos de medição, que no fundo, descrevem integralmente os processos físicos em estudo.

2. O EXPERIMENTO 2.1 Experimentos Assistidos por Computador

A utilização de experimentos assistidos por computador em laboratórios didáticos de

Física tem se tornado uma tendência irreversível, em que pese à questão de custos para instituições de ensino com menos recursos. Um apanhado definitivo sobre o tema foi exposto no SNEF de 2003 por VEIT (2003). Em resumo, podemos destacar os seguintes pontos:

• Ao ajudarem na coleta de dados, computadores aumentam o número de dados disponíveis a serem tratados, dando uma visão mais completa do comportamento físico do experimento;

• Com isto, sobra mais tempo para o aluno concentrar-se na evolução do dos aspectos físicos relevantes do sistema em estudo;

• Uma classe maior de experimentos pode ser investigada, já que há maior suporte à aquisição de dados;

• O processo de medida permite maior interação do estudante com tecnologias como sensores ópticos, transdutores eletromagnéticos, calibragem de equipamentos, ou seja, contribuem para desmistificar o processo de medição propriamente dito.

Cuidado maior deve ser tomado na eliminação pura e simples do tratamento manual de dados, em nossa opinião, um passo arriscado e condenável. Assim como não deve ser incentivada a utilização de calculadoras eletrônicas por alunos do ensino fundamental, a perda do contato com o tratamento de dados, as dificuldades inerentes ao processo de medição, etc; pode levar ao aluno a uma alienação de alguns aspectos físicos importantes no experimento, justamente o que se quer evitar com experimentos assistidos por computador!

2.2 Descrição do Experimento do Trilho de Ar

Embora a utilização de sistemas de aquisição de dados em trilhos de ar não seja novidade

(LAUDERES et al, 2004), o experimento aqui proposto tem algumas inovações, seja na parte técnica, como na parte de sua utilização em laboratório pelos alunos.

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Experimentos Convencionais

Os estudos dos fenômenos de deslocamento lineares são realizados sobre um trilho de ar, visto na Figura 1. O intuito deste é tornar o atrito desprezível permitindo uma melhor análise dos movimentos e suas respectivas grandezas físicas.

Figura 1 - Experimento com um trilho de ar.

O intuito do equipamento desenvolvido é analisar todo o deslocamento realizado por carrinhos sobre o trilho. Desta forma, poder-se-á explicitar de uma forma mais clara os conceitos das grandezas físicas do movimento (deslocamento, velocidade, aceleração) e, se for o caso, da conservação da energia mecânica.

Os experimentos atuais realizados no laboratório de física têm como elementos sensores fotossensores, apresentados na Figura 2, que apenas permitem o disparo de um cronômetro e sua posterior parada, estes fotossensores são posicionados em uma distância conhecida entre si, desta forma é possível a obtenção da velocidade de deslocamento dos carrinhos através das equações básicas do MRUV, por exemplo.

Figura 2 - Equipamento Convencional.

Apesar da ampla gama de aplicações realizáveis com estes sensores, as aquisições são feitas apenas em intervalos de tempo relativamente grandes, dificultando a visualização do aluno do experimento completo, como por exemplo, velocidades instantâneas ao invés de médias. Visto isso se optou por desenvolver uma ferramenta que permitisse a aquisição da posição do carrinho em toda a extensão do trilho, além do que a aquisição do posicionamento deveria ser realizada sem o acoplamento de nenhum circuito sobre o carrinho, o que poderia acarretar um sobrepeso que prejudicaria o desenvolvimento das experiências.

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