Uso de simulações em computador em aulas de laboratório de Física

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1 Uso de simulações em computador em aulas de laboratório de Física Prof. Dr. V. B. Barbeta e Prof. MSc. J. M. Bechara Departamento de Física, FEI - Faculdade de Engenharia Industrial Fundação de Ciências Aplicadas Av. Humberto de A. C. Branco, S. B. Campo - S.P. vbarbeta@cci.fei.br Resumo Neste trabalho são apresentados os primeiros resultados qualitativos da introdução de experimentos simulados no computador em aulas de laboratório de Física para estudantes do 2 o período do curso de Engenharia da FEI. Sem se ater a detalhes experimentais, os simuladores 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 deste tipo de ferramenta pretende ser ampliada, de forma a constituir um sistema no qual o estudante possa, através da utilização dos recursos de multimídia oferecidos pela informática moderna, reforçar e fixar conceitos aprendidos em aulas teóricas. Abstract In this work we show the preliminary qualitative results regarding the use of computer simulations in physics laboratory classes for 2 nd term engineering students at FEI. By avoiding the experimental details, computer simulations allow students to focus their attention in the essential issues of the problem studied, making the learning process more efficient. Besides, the computer simulations make possible to study situations that would be difficult or not possible to reproduce experimentally. We plan to expand this kind of computer-aided method using the modern multimedia resources, in order to achieve a system where students could reinforce and fix topics learnt in conventional classes.

2 Uso de simulações em computador em aulas de laboratório de Física V. B. Barbeta e J. M. Bechara I - Introdução A importância da utilização de aulas de laboratório como instrumento pedagógico para o ensino de Física é muito grande [1]. O laboratório permite que modelos apresentados na teoria sejam confirmados, mostrando também os aspectos limitadores dos mesmos e suas respectivas faixas de validade. No entanto, a precariedade e desatualização dos experimentos, normalmente torna as aulas de laboratório improdutivas e desmotivadoras para o estudante. Isto faz com que o laboratório passe a ser encarado apenas como mais uma atividade enfadonha, que consta tão somente de coleta de números e construção de tabelas e gráficos com pouco ou nenhum significado para ele. Da mesma forma, devido à falta de cuidados na realização dos experimentos, causados por essa desmotivação e pela precariedade do instrumental utilizado, acaba por ocorrer a obtenção de resultados que se afastam dos modelos apresentados em aulas teóricas, fazendo com que ocorra, na visão do estudante, uma total desvinculação entre o conteúdo daquilo que é aprendido na teoria e o que é observado no laboratório. As aulas de laboratório acabam, portanto, por falhar em seu objetivo primordial de constatação (ou construção) de modelos teóricos, verificação de leis e motivação do estudante. Isto nos leva a concluir que é necessário que haja um novo enfoque no modo como o laboratório de Física deva ser apresentado para o estudante para que sejam resgatados os objetivos inicias do mesmo. 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 [2]. Veremos, a seguir, de que modo estamos introduzindo o computador como auxiliar didático nos vários tópicos de Física ministrados para os estudantes de Engenharia da FEI, e qual tem sido a resposta inicial dos estudantes e educadores a estes novos métodos. II - Utilização de simuladores em aulas de laboratório A utilização de computadores no ensino tem sido muito discutida recentemente. Dentre as muitas aplicações propostas para o ensino de Física [3], a que tem sido mais freqüentemente utilizada é a simulação [4]. Apesar desta ênfase, não se observa no mercado a existência de softwares com conteúdos adequados a este tipo de atividade, em especial aqueles voltados para o ensino de engenharia. De uma maneira geral, estes softwares apresentam um número muito grande de tópicos abordados, mas sem a profundidade necessária para o ensino de terceiro grau. Isto faz com que se tornem apenas instrumentos de ilustração de um fenômeno, ocupando a faixa de atividade lúdica e não de metodologia de ensino. Devido à falta de softwares que se adaptassem às necessidades curriculares dos estudantes de engenharia da FEI, decidimos por desenvolver nossos próprios programas de simulação. Como discutiremos mais adiante, esta é apenas uma etapa de um projeto mais amplo que se pretende desenvolver, de instrução assistida por computador. Cabe ressaltar que, no desenvolvimento deste projeto, foi mantida a preocupação de utilizar a informática como um meio auxiliar no ensino de tópicos de Física, e não como uma finalidade em si. No primeiro semestre de 1996, iniciamos o processo com a introdução de aulas de laboratório auxiliadas por computador, para dois experimentos simulados. As aulas foram ministradas no Centro de Computação Integrada (CCI) da Faculdade. Nestes dois experimentos, cujos softwares foram

3 desenvolvidos na própria escola, se manteve a preocupação de abordagem dos tópicos de forma que atendessem às necessidades curriculares dos estudantes do 2 0 período do curso de Engenharia. A solução dos problemas que surgem na introdução de qualquer alteração na estrutura de um curso unificado, composto por várias turmas, seja do nível que for, é um desafio bastante excitante. No 2 0 período temos, normalmente, cerca de 700 alunos atendidos por não menos que 12 professores que ministram as aulas de laboratório. Assim, a introdução de qualquer modificação, precisa ser feita de forma cuidadosa e criteriosa já que é necessário que o professor também esteja preparado para tais mudanças [5]. Numa primeira etapa do projeto, decidimos por utilizar o computador apenas como um auxiliar no ensino do tópico proposto, sem nos preocuparmos com a criação de um novo processo de ensino. Isto permitiria que as mudanças fossem absorvidas de forma gradual, sem causar abalos na estrutura corrente, evitando a resistência natural de educadores cuja formação foi, de um modo geral, bem conservadora. III - Simuladores criados Um dos assuntos tratados pela Física no 2 0 período do curso de Engenharia da FEI versa sobre oscilações. Através da simulação de um pêndulo simples, procuramos desenvolver o tema pequenas oscilações. A escolha deste experimento como um dos protótipos para a introdução de experimentos simulados em computador ocorreu devido à simplicidade e importância que este sistema físico apresenta. Esta simplicidade permitiria uma adaptação menos traumática por parte de professores e alunos a esta nova ferramenta de ensino. Além disso, seria necessário verificar na prática se a estrutura computacional da escola teria condições de suportar a utilização maciça de seus recursos de informática e optamos deste modo na construção de simulações que não demandassem uma quantidade muito grande de recursos de hardware. Para evitar que eventuais problemas viessem a causar prejuízos no conteúdo a ser ministrado, foi programada a realização do experimento também em laboratório convencional. Alem disso, a comparação entre as metodologias permitiria uma melhor avaliação da resposta dos alunos às duas formas de apresentação do experimento. O programa foi feito de forma que se reproduza no computador o mesmo processo experimental que o fenômeno apresenta no laboratório convencional. Foi criado no computador um pêndulo simples animado (em tempo real), o qual permite ao estudante variar alguns parâmetros como, por exemplo, comprimento do fio e aceleração da gravidade. Através da utilização de um cronômetro do próprio programa e controlado pelo aluno, este pode estudar o comportamento do período de oscilação do pêndulo em função dos diferentes parâmetros físicos. Na figura 1 se encontra a ilustração da tela do simulador, onde observamos uma sessão de simulação típica.

4 Fig. 1- Tela de uma sessão de simulação do pêndulo simples. Basicamente, a tarefa proposta na aula foi a de se estudar o comportamento do período de oscilação do pêndulo para diferentes valores do comprimento do fio, para diferentes valores da aceleração da gravidade e diferentes ângulos de amplitude de oscilação. Com isto foi possível aos estudantes verificar que a lei que rege o período de um pêndulo simples T =2π l / g é válida quando o ângulo de oscilação é pequeno. Também foi possível ao aluno, através dos dados obtidos no experimento simulado, estudar a linearização de gráficos (anamorfose) com a construção do gráfico T 2 vs. l e, a partir deste gráfico, verificar como pode ser determinado o valor da aceleração da gravidade local. Na semana seguinte este mesmo experimento foi realizado em laboratório convencional, sendo que, neste caso, o aproveitamento foi bem melhor do que o usual, pois os estudantes já estavam dominando as técnicas necessárias para a análise dos resultados obtidos experimentalmente. Isto permitiu uma melhor discussão do fenômeno, inclusive com a apresentação de problemas que surgiram na prática física e que não haviam surgido na simulação, bem como as suas possíveis causas. Além disso, a influência de outras variáveis que não estavam presentes na simulação também puderam ser discutidas como, por exemplo, o efeito da massa do pêndulo no período de oscilação. O outro experimento tratava sobre o assunto oscilações amortecidas. A realização deste experimento em laboratório convencional era bastante frustrante para professores e alunos. Devido às dificuldades que a coleta de dados envolvia e à baixa qualidade dos resultados obtidos, ocorria uma total descaracterização dos objetivos iniciais do experimento. O modelo desenvolvido nas aulas teóricas mostrava-se incapaz de explicar os resultados obtidos na experimentação física, e a inconsistência dos resultados tornava a confecção do relatório difícil e improdutiva, pois o aluno criava fontes de erro para justificar o fracasso experimental. Por este motivo, decidiu-se criar também para este experimento, uma simulação em computador onde o comportamento do mesmo poderia ser estudado para diferentes valores dos parâmetros físicos envolvidos. O experimento simulado consiste basicamente de um sistema mola/massa sujeito a um amortecimento causado pela imersão da massa em um meio viscoso. O programa gera para um certo conjunto de dados, os gráficos de posição, velocidade e aceleração da massa oscilante, em função do tempo. As condições de amortecimento subcrítico, crítico e supercrítico podem ser verificadas através da variação dos parâmetros do experimento. O experimento permitiu, ainda, que se introduzisse a utilização de papel monologarítmico para a linearização de gráficos de

5 eventos com comportamento exponencial. A partir dos gráficos obtidos, foi proposto que se obtivesse o coeficiente de amortecimento, bem como o coeficiente de resistência viscosa do meio. Esta simulação não foi feita em tempo real, isto é, não há um sincronismo entre os valores de posição e de tempo real, não havendo portanto efeitos de animação no caso. Na figura 2, podemos observar uma tela típica do simulador utilizado pelos alunos. Fig. 2 - Tela do simulador de oscilação amortecida IV- Resultados observados O resultado mais evidente que emergiu da utilização de experimentos simulados, foi o aumento do nível de interesse dos alunos nos tópicos estudados. Uma outra constatação foi a de que a utilização da ferramenta computador não representou dificuldades para os estudantes. Por exemplo, mesmo antes de ser distribuído o roteiro de orientação com as instruções de acesso ao programa, a maioria dos alunos já estava testando o funcionamento do simulador. No caso do experimento de pêndulo simples, quando da realização física do experimento, posterior ao laboratório simulado, os alunos demonstraram já conhecer os procedimentos para a coleta de dados e análise do experimento tornando a aula mais dinâmica, rica e eficiente. Um ponto interessante de análise, foi a resposta dos alunos aos dois tipos de simuladores (tempo real ou não). O que pode se verificar é que houve um grau muito maior de interesse na simulação de tempo real do pêndulo, onde a animação reproduzia o comportamento do sistema como este ocorre na prática. No caso do oscilador amortecido, onde não houve o auxílio do recurso da animação, os alunos mostraram-se menos interessados. Os resultados descritos acima são apenas qualitativos e refletem um consenso nas observações feitas pelos professores que ministraram as aulas de laboratório. Um detalhamento quantitativo dos efetivos resultados ainda está por acontecer, e faz parte dos objetivos do projeto que está sendo desenvolvido. Para o próximo semestre devem ser implementados dois novos experimentos, desta vez no 1 o período do curso de Engenharia. Os

6 experimentos escolhidos são: atrito de escorregamento e lançamento horizontal de projéteis. Ambos programas já se encontram prontos e, nestes casos, decidimos pela criação de animações em tempo real para ambos, já que a resposta a este tipo de recurso foi melhor. V - Estudo dirigido em multimídia As próximas etapas deste trabalho envolvem a produção de programas mais elaborados, os quais venham a explorar recursos de hipertexto e hipermídia. Já se encontra em fase final de acabamento um programa de simulação sobre o tópico oscilações amortecidas para ambiente Windows, onde os recursos de multimídia que esta plataforma oferece, podem ser melhor explorados. O objetivo final do projeto é o de criação de uma nova metodologia de ensino, onde os recursos tecnológicos possam vir a ser utilizados de uma forma mais intensa para que se complete o processo pedagógico de uma forma mais eficiente. De fato, a popularização do acesso ao terceiro grau e a pouca formação (e informação profissional) que as escolas de segundo grau tem oferecido à sua clientela, tem provocado uma heterogenização acentuada nos ingressantes à Faculdade. Por outro lado, a pouca formação pedagógica dos docentes que atuam no terceiro grau profissionalizante faz com que muitos destes ingressantes, interessados na área mas com pouca formação cultural, se desesperem diante das dificuldades que se lhes apresentam no decorrer do seu curso básico. Acreditamos que o uso da informática possa cobrir lacunas de estudo destes alunos, auxiliando aos que se encontram em dificuldades de conhecimento por pouco formação na escola de origem, e não engessando aos que, pela qualidade de sua origem, poderiam adiantar-se com relação à média [1]. Aliás, está média cultural tem se estreitado de semestre para semestre, dificultando enormemente a ação do docente que, como critério (ou por vício), procura orientar o desenvolvimento dos conteúdos que lhe dizem respeito para satisfação desta média. Um projeto pedagógico que utilize a informática como veículo de personalização de atendimento cultural ao aluno e que, pela própria construção, leve o aluno a adotar um hábito e procedimento de estudo só vem somar esforços no sentido de melhorar a qualidade do ensino de terceiro grau, uma vez que torna independente a busca de crescimento de seus usuários. Um projeto com hipertexto/hipermídia [6], que permita a consulta não linear aos pontos de dificuldades, com a síntese necessária que corresponda à importância do assunto no contexto mais específico e que contenha em seu bojo um procedimento de consulta com simulações experimentais, dicionário técnico, resumo de técnicas matemáticas, animação, resumos teóricos, tutoriais de aplicação em exercícios, questionários e assim por diante, possibilitará àqueles com maiores dificuldades de acompanhamento do curso, que busquem a suplementação segundo suas necessidades, aos mais avançados, que busquem informações que ampliem seus conhecimentos. É isto que se pretende atingir com este projeto na FEI, tendo como assunto piloto o estudo das oscilações amortecidas. Com vistas a este projeto maior é que estamos utilizando os recursos mais ricos que a plataforma Windows oferece. VI- Conclusões A utilização de simuladores pode ser uma ferramenta bastante importante no auxílio ao ensino de tópicos de Física. No entanto, a falta de softwares específicos para a área de engenharia tem mostrado que o melhor recurso é o de desenvolvimento próprio de softwares que atendam às necessidades dos grupos com que se está trabalhando. O nível de interesse dos alunos em aulas de laboratório simulado é bastante grande, e este interesse se deve basicamente à forma com que o conteúdo é apresentado. Este interesse pode e deve ser canalizado não só para a realização de experimentos simulados, mas também para o ensino de um modo geral. Neste contexto é que se

7 pretende com o projeto em desenvolvimento na FEI criar um ambiente de estudo onde os atuais recursos de multimídia venham a ser utilizados de modo efetivo e eficiente no ensino. No entanto, é importante que este processo se faça com critério, avaliando-se os resultados e modificando-se os procedimentos quando se fizer necessário.

8 Bibliografia 1. McDermott, L. C., Rosenquist, M. L. e van Zee, E. H., Instructional strategies to improve the performance of minority studentes in the sciences. New directions for teaching and learning 16, Thornton, R. K. Tools for scientific thinking- microcomputer-based laboratories for physics teaching. Physics Education 22, 231, Taylor, E. F. Comparasion of different uses of computers in teaching physics. Physics Education 22, 203, Rosa, P. R. S. O uso de computadores no ensino de Física. Parte I: Potencialidades e uso real. Revista Brasileira de Física 17, 182, Giraffa, L. M. M. O ensino de engenharia informatizado X formação docente, Comunicação interna do Institudo de Informática da PUC-RGS. 6. Ver por exemplo os artigos publicados na World Wide Web (WWW) disponíveis nos endereços e