OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE NA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE Produções Didático-Pedagógicas

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1 Versão Online ISBN Cadernos PDE II OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE NA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE Produções Didático-Pedagógicas

2 Título: O uso de simuladores como recurso didático para aprendizagem de Circuitos Elétricos. Autor: José Vicente Zenf Disciplina/Área: Escola de Implementação do Projeto e sua localização: Município da escola: Núcleo Regional de Educação: Professor Orientador: Instituição de Ensino Superior: Resumo: Palavras-chave: Formato do Material Didático: Público: Física Centro Estadual de Educação Profissional Professora Maria do Rosário Castaldi - Ensino Médio, Integrado e Subsequente Av. Arthur Thomas, 1181 Jd. Jamaica C.E.P Londrina PR Londrina PR Londrina PR Dr. Marcelo Alves de Carvalho Universidade Estadual de Londrina UEL O ensino da eletrodinâmica da Física tem mostrado vários problemas nas didáticas aplicadas. Quando não há experimentação, o conteúdo é bastante abstrato para os alunos e na maioria das vezes é apresentada de maneira monótona. Este trabalho propõe uma alternativa didática que visa tornar a relação ensino e aprendizagem mais próxima da realidade do aluno, usando o simulador do projeto PhET (Physics Educational Technology). Esse simulador está disponível na internet, pode ser usado também off-line e tem um grande potencial de tornar as aulas mais dinâmicas e interativas. A interatividade proporcionada pela lousa digital na sala de aula pode tornar a relação do aprender e do ensinar muito mais agradável e principalmente significativa para o aluno. Circuitos Elétricos; Simuladores; Eletrodinâmica; Ensino de Física ; Lei de Ohm Unidade Didática Alunos da 3ª Série do Ensino Médio.

3 Introdução A Unidade Didática, a partir do simulador do projeto PhET (Physics Educational Technology), tem por finalidade apresentar de forma clara o funcionamento e a utilização dos simuladores como recurso didático para uma aprendizagem significativa de Circuitos Elétricos, conteúdo este que faz parte da Eletrodinâmica. Para isso, diversas estratégias integradas ao simulador de circuitos e à lousa digital foram utilizadas nesta unidade didática, com o objetivo de favorecer a interatividade e uma aprendizagem significativa dos conteúdos. Dessa maneira é possível valorizar o papel do aluno no processo de construção de aprendizagens significativas (MOREIRA, 2006). Acredita-se que se aplicadas já no início dos conceitos da eletrodinâmica e após o estudo da Eletrostática, melhorará os resultados na aprendizagem. Dessa maneira, os conteúdos apresentados serão desenvolvidos com alunos do 3º ano do ensino médio. Em geral, os livros didáticos de física adotados pelos professores e pelas escolas apresentam o ensino da eletrodinâmica associados a experimentos e muito raramente explanam sobre o uso do simulador. É relevante falar que os experimentos demandam tempo, dinheiro, habilidade do professor com o manuseio de ferramentas e conhecimento dos riscos inerentes aos experimentos relacionados a eletricidade. Além disso, é importante ter consciência da falta de simuladores nos livros didáticos e associar a facilidade do uso do simulador com a facilidade dos alunos em manusear programas de computador. Refletindo sobre todas essas questões foi criada e elaborada essa Unidade Didática, para servir como um instrumento para a práxis pedagógica nas aulas de Física.

4 Objetivos Gerais Utilizar os simuladores disponíveis na internet, para o ensino da eletrodinâmica, como meio de auxiliar as construções de novos saberes científicos e maior aprofundamento cognitivo. Objetivos Específicos Tornar o discurso e as ideias científicas mais integradas e significativas; Promover situações que favoreçam uma aprendizagem mais eficaz dos conceitos científicos relacionados à Eletrodinâmica, Lei de Ohm e circuitos elétricos; Interpretar o brilho de lâmpadas e relacioná-la com a corrente elétrica; Identificar a corrente elétrica que circula na lâmpada, o resistor, a resistividade e a fonte de tensão; Compreender os conceitos de resistência e resistividade; Diferenciar circuito em série e circuito em paralelo; Integrar o simulador de circuitos elétricos aos diferentes modos de representar os conceitos. Conteúdo PRIMEIRA LEI DE OHM; ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES.

5 Desenvolvimento AULAS: 1 e 2 Primeira Lei de Ohm Nestas aulas será apresentado o projeto de Intervenção Pedagógica aos alunos do 3º ano do Ensino Médio, bem como seus objetivos gerais e específicos para que eles tomem conhecimento do que será desenvolvido e trabalhado em sala de aula. Partindo desse pressuposto, e tendo como objetivo explanar, nesta aula, acerca da 1ª Lei de Ohm, será discutido e debatido com os alunos alguns experimentos com eletricidade do Físico alemão Georg Simon Ohm ( ). É interessante, você professor, comentar que a intensidade da corrente elétrica que atravessa um condutor é diretamente proporcional a diferença de potencial e, inversamente proporcional à sua resistência elétrica. Ohm, em seus experimentos percebeu que à medida que aumentava a tensão elétrica aplicada em um circuito a corrente elétrica mantinha uma proporcionalidade. Em seguida, apresente a figura 1 que representa a relação de proporcionalidade entre tensão e corrente obtida de acordo com a primeira Lei de Ohm. R E SI STÊ N CI A E LÉT RI CA O valor matemático da resistência elétrica é obtido pela divisão entre a tensão elétrica e a corrente elétrica.

6 Figura 1 Gráfico Tensão versus Corrente Comentar que, quando George Ohm transformou seus dados experimentais em uma reta, ele estava propondo a chamada PRIMEIRA LEI DE OHM. A resistência elétrica tem uma relação com as forças de choque que atuam nos elétrons em movimento no material condutor. Um condutor é chamado de ôhmico quando a sua resistência permanece constante com a variação da tensão elétrica nele aplicada. Então, a tensão elétrica aplicada é proporcional à corrente elétrica. AULA 2 - Apresentação do simulador Phet Nesta aula, será apresentado aos alunos o Simulador do Projeto PhET (Physics Educational Technology) disponível no site: e do kit de construção de circuitos elétricos DC, da Universidade de Colorado. Após acessar o site, o aluno deverá clicar no botão azul entre aqui e simule, conforme figura 2:

7 Figura 2 - Página de abertura do simulador interativo PhET Fonte: Disponível em < Na sequência informar que eles visualizarão um índice de simulações na coluna da sua esquerda, conforme figura 3: Figura 3 - Índice das simulações interativas do PhET Fonte: Disponível em < Ressaltar que o objetivo da aula é simular circuitos elétricos, assim, deverão clicar inicialmente em Física e depois em Eletricidade, Imã & Circuitos, como é apontado na figura 4:

8 Figura 4 Simulações Interativas do PhET / Física / Eletricidade, Imãs & Circuitos Fonte: Disponível em: < Na sequência demonstrar para os alunos as duas maneiras de utilização do simulador kit de Construção de Circuitos (DC). É importante destacar para o aluno que o simulador pode ser utilizado tanto de forma online quanto off-line. Desse modo, basta clicar diretamente no simulador sem ter que baixar o mesmo em seu computador. Caso queira utilizar off-line, basta clicar em copiar em seu computador, assim terá uma cópia do simulador. Clicar no ícone correspondente ao kit de Construção de Circuitos (DC) na figura 5. Figura 5 Página de apresentação do início do Kit de Construção de Circuito (DC) Fonte: Disponível em: <

9 Ao clicar no botão ou ícone do Kit de Construção de Circuitos (DC), figura 6, o sistema irá preparar o seu computador para que o simulador seja aberto, verificando a instalação do Software Java e também pedindo autorização para instalar em seu computador. Figura 6 - Ícone ou botão do Kit de Construção de circuito (DC) Fonte: Disponível em: < É importante mencionar aos alunos que o simulador abre tão somente com o software Java e que no canto inferior esquerdo terá um pedido de autorização para manter o arquivo circuit-construction-kit-dc_pt_br.jnlp. No lado direito ao pedido, conforme figura 7, aparecerá uma barra que consta a palavra manter, assim basta clicar uma única vez e ao clicar, imediatamente, abrirá o arquivo a ser executado (figura 8). Figura 7 Barra de download Arquivo não baixado Figura 8 - Barra de download - Arquivo pronto para execução Após a execução do software Java e do simulador do PhET aparecerá uma área de trabalho em azul e uma caixa de comandos à direita, uma sacola de surpresa e uma coluna de componentes, como fio, resistor bateria etc., como aparece, por exemplo na demonstração apresentada na figura 9:

10 Figura 9 Pagina de abertura do Simulador Interativo Kit de Construção de Circuito (DC) (3.20) Fonte: Disponível em: < barra de menu. Na figura 10, é apresentado uma breve descrição sobre cada item da Circuito: é possível salvar e abrir um circuito por esse simulador Visual: é possível uma visão mais realista ou esquemática e ainda mostrar ou não valores dos componentes Ferramentas: São ferramentas para medição. Voltímetro: temos um voltímetro na área de trabalho; Amperímetro: temos um amperímetro na barra de componentes e podemos ter vários, de acordo com a necessidade; Amperímetro sem contato: Este não é necessário conectar em série, só arrastar e colocar sobre o fio ou componente que deseja medir. Tamanho: é a forma de apresentação da área de trabalho Avançado: altera a resistividade do fio e pode ocultar representação dos elétroens Reiniciar tudo? : utilizado para apagar a área de trabalho inteira; Ajuda: apresenta balões nos componentes para indicar algumas possibilidades Figura 10 Ferramentas e Instrumentos Na sequência, a figura 11 mostra alguns dos componentes disponíveis.

11 Os componentes apresentam conexões em suas extremidades Fio: pode alterar a resistividade do mesmo na opção avançado Resistor: o valor de cada um é de 10 Ohm; Bateria: o valor é de 9 volts Lâmpada: o valor é de 10 Ohm Interruptor: clicar e arrastar até fechar e para abrir clicar e arrastar; Amperímetro: é um Instrumento de medida que deve ser colocado em sério no circuito. Obs. Ele só estará nesta barra, caso esteja marcado na caixa de comandos Figura 11 Lista de componentes. Além do resistor apresentado no quadro de componentes, poderá ser usado outro resistor da Sacola de Surpresa que está apresentado na figura a seguir: Figura 12 Componentes com resistências diferentes Aula 3 e 4 Demonstração O objetivo desta aula é retomar conceitos da primeira lei de ohm e informar aos alunos que devem acompanhar pelo projetor multimídia a construção de um circuito simples no simulador do kit de Construção de Circuito (DC). Esse aplicativo permite montar circuitos contendo lâmpadas, baterias e também medidores de tensão e corrente elétrica. Para que a aula se torne mais dinâmica é essencial convidar um aluno para selecionar os componentes adequados para o circuito, como por exemplo: uma bateria, uma lâmpada, os fios condutores e os medidores. Em seguida, informar que ele deverá clicar e arrastar os componentes

12 selecionados para a área de trabalho azul. Segue exemplo, como apresentado na figura 13: Figura 13 - Componentes e ferramentas para medição de um circuito. Fonte: Adaptado de PhET, disponível em: < Em seguida, solicitar ao aluno para clicar e arrastar nas extremidades (alças pontilhadas) dos elementos inseridos na área de trabalho visando montar o circuito com uma bateria, uma lâmpada e fios condutores. Na figura 14, apresentamos um exemplo de montagem de um circuito: Figura 14 - Sequência de circuitos simples Fonte: Adaptado de PhET, disponível em: < Seguindo a sequência dos circuitos apresentados na figura 14, comente que na primeira montagem a lâmpada foi ligada com uma bateria e fios condutores, a fim de observar o fluxo de elétrons e o brilho da lâmpada. Na

13 sequência, foi acrescentado o amperímetro com a finalidade de medir o fluxo de elétrons, em seguida foi acrescentado o voltímetro para medir a tensão elétrica no circuito. Destacar que amperímetro deve ser inserido no circuito em série, enquanto o voltímetro deve ser inserido em paralelo. Posteriormente, convidar outro aluno para selecionar outros elementos disponíveis dentro do retângulo branco, arrastar para a área de trabalho azul e montar um novo circuito, como o descrito na figura 15, por exemplo. Figura 15 - Circuito simples no Kit de Construção de Circuito (DC) Fonte: Adaptado de PhET. Disponível em: < Após a construção e a realização do circuito feita por um aluno e com a participação dos demais, solicitar a um terceiro aluno que altere o valor da tensão da bateria. Em seguida, solicitar aos demais que anotem em uma tabela o valor da tensão obtida por meio do multímetro, o valor da corrente mostrado no amperímetro e a partir desses valores calcular o valor da resistência da lâmpada e, ainda, solicitar para que os alunos interpretarem o brilho da lâmpada. Calculando matematicamente a resistência de um material: Apresente estas tabelas para seus alunos e oriente-os para que as completem, utilizando a primeira lei de Ohm. Ao final, eles deverão verificar se possui caráter ôhmico.

14 Tabela 1: Dados coletados do circuito simples. Tensão (Volts) Corrente (Ampére) Resistência (Ohm) Brilho observado na Lâmpada. Valor inicial 9,00 0,9 médio 1ª medição 2ª medição 3ª medição 4ª medição 5ª medição Solicitar aos alunos que representem graficamente os valores obtidos da tensão versus corrente elétrica. Figura 16 - Coordenadas de Tensão versus Corrente para construção do gráfico. Solicitar aos alunos que verifiquem se o gráfico formou uma linha reta e comentem sobre o valor constante que foi observado por Georg Simon Ohm, para este resultado lembrar que é a característica de um resistor ôhmico.

15 AULA 5 E 6 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE NO CIRCUITO ELÉTRICO Iniciar a aula apresentando as propriedades da associação em série: A corrente elétrica é constante em todos os resistores (lâmpadas) A tensão elétrica total é igual soma das tensões A tensão elétrica em cada resistor é diretamente proporcional a sua resistência elétrica A soma dos resistores em série é igual a um resistor equivalente. A potência elétrica dissipada em cada resistor é diretamente proporcional a sua resistência elétrica. Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois resistores em série, como mostra na figura 17. Durante a montagem, e antes de concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à corrente elétrica. Figura 17 - Circuito com duas lâmpadas em série Fonte: Adaptado de PhET. Disponível em: < Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem contato e anotar na tabela 2. Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do

16 mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 2. Novamente questionar os alunos sobre o que se observa, quanto ao brilho da lâmpada e também quanto a corrente elétrica. Sempre anotar os valores medidos na tabela 2. Repetir o procedimento até o preenchimento da tabela. Tabela 2: Dados coletados do circuito em série. R1 (Ohm) L1 R2 (Ohm) L2 1ª medida U1 (Volt) U2 (Volt) I1 (A) I2 (A) 2ª medida ª medida ª medida 2 20 AULA 7 E 8 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO NO CIRCUITO ELÉTRICO Iniciar a aula revisando as propriedades de uma associação de resistores em série e enfatizar a diferença das propriedades de uma associação em paralelo: A corrente elétrica total é a soma da corrente elétrica em cada resistor A tensão elétrica é igual em todos os resistores. A Corrente elétrica em cada resistor é inversamente proporcional a sua resistência elétrica A resistência equivalente (R eq) é dada pela seguinte equação: 1/R eq = 1/ R 1 + 1/ R / R n A potência elétrica dissipada em cada resistor é inversamente proporcional a sua resistência elétrica. Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois resistores em paralelo, como mostra na figura 18. Durante a montagem, e antes de

17 concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à corrente elétrica. Figura 18 - Circuito com duas lâmpadas em paralelo Fonte: Adaptado de PhET. Disponível em: < Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem contato e anotar na tabela 3. Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 3. Novamente questionar os alunos sobre o que é observado, quanto ao brilho da lâmpada, e a corrente elétrica. Anotar os valores medidos na tabela 3. Repetir o procedimento até o preenchimento completo da tabela 3. Tabela 3: Dados coletados do circuito em paralelo. R1 (Ohm) L1 R2 (Ohm) L2 1ª medida U1 (Volt) U2 (Volt) I1 (A) I2 (A) 2ª medida ª medida ª medida 2 20

18 Avaliação Inicialmente é preciso considerar a avaliação como um instrumento a partir do qual o professor identifica e analisa a evolução, o rendimento e as modificações do educando, confirmando ou não a construção do conhecimento. A partir desta perspectiva, a sugestão é avaliar os alunos por meio da participação em sala de aula e, também, com a entrega de um relatório escrito, contendo as tabelas preenchidas durante a aula, além das conclusões obtidas em cada atividade realizada. Assim, será possível perceber se a intervenção e/ou a aula atingiu seus objetivos de forma satisfatória e producente.

19 Referências HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; Walker, Jearl. Fundamentos de Física: v.1 - Mecânica. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, MOREIRA, M. A. Mapas conceituais e Diagramas V. Porto Alegre: Editora da UFRGS, Disponível em: TO.pdf>. Acesso em: 17 mar PARANÁ, Secretaria de Estado da Educação. Diretrizes Curriculares de Física para a Educação Básica. Curitiba: SEED, Projeto PhET, Physics Educational Technology. Disponível em < Acesso em 21 mar 2015.