PhysLab: Laboratório Virtual de Física Um Pack de Modelos Computacionais 2D para o Ensino de Física

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1 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 1 PhysLab: Laboratório Virtual de Física Um Pack de Modelos Computacionais 2D para o Ensino de Física Felipe Camargo 1, Rodrigo Marques 2, Thieberson Gomes 3, Laércio Ferracioli 4 1 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Física/fsilveira.ufes@gmail.com 2 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Física/rodrigomas85@yahoo.com.br 3 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Física/thieberson@gmail.com 4 Universidade Federal do Espírito Santo/Departamento de Física/laercio.ufes@gmail.com Resumo Esse artigo apresenta o PhysLab, um Pack de Modelos Computacionais 2D a serem usados em disciplinas de graduação do curso de Física. Este software faz parte de um projeto desenvolvido pelo ModeLab - Laboratório de Tecnologias Interativas Aplicadas à Modelagem Cognitiva, que visa investigar alternativas para a integração de tecnologias da informação e comunicação no contexto educacional. Utilizando a modelagem computacional 2D é possível criar simulações interativas de experimentos re ferentes a tópicos de Física e Ciências em geral, levando o estudante, a partir da experimentação em um laboratório virtual, a levantar hipóteses, testá-las e analisar os resultados obtidos confrontando -os com suas próprias concepções. O objetivo dos modelos do PhysLab é buscar formas para integrar o conceito de modelagem e interatividade no contexto da Educação Superior incluindo o contexto da Educação Superior à Distância. Os modelos abordam tópicos das disciplinas básicas de Física Experimental do Curso de Física da Universidade Federal do Espírito Santo, onde o estudante pode visualizar os fenômenos físicos, alterar parâmetros dos experimentos e observar o resultado nos formatos de saídas gráficas e tabelas. A integração do PhysLab está em vias de imple mentação no curso de Física e sua fase atual é a avaliação da sua aplicação como material de apoio didático à disciplina de Física Experimental I, objetivando aprimorar a ferramenta para torná-la mais apropriada possível aos objetivos do projeto. Palavras-chave: Ambientes de Modelagem Educacional, Modelagem, Física Experimental, Simulação, Flash. Introdução As dificuldades que muitos estudantes apresentam na compreensão dos fenômenos físicos têm sido amplamente relatadas na literatura (e.g. Ferracioli, 1986; 2001; Gagliardi & Giordano, 1993). Entre as razões do insucesso na aprendizagem em Física são apontados métodos de ensino não aderentes a teorias de aprendizagem assim como a falta de alternativas para a prática pedagógica. A necessidade de diversificação de métodos para abordar esse cenário, que é particularmente nítido nas ciências exatas, tem resultado no uso crescente e diversificado do computador no ensino da Física (e.g. Ferracioli & Sampaio, 2001; Ferracioli, 2003; Mandinach & Cline, 1996; Mellar et all, 1996). A integração de tecnologias da informação e comunicação nesse cenário pode representar uma

2 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 2 alternativa para a inovação e renovação educacionais no contexto da Educação de Ciência e Tecnologia. Uma possível abordagem é a criação de modelos computacionais para a investigação dos processos de simulação e visualização científica que abranjam áreas do conhecimento conciliando, assim, o ensino e a tecnologia. No caso da Física, podem-se criar simulações 2D ou 3D de experimentos, tais como, os realizados nas disciplinas de Física Experimental, que permitam a interação do usuário explorando a interface homem-máquina no ensino de Física. Projeto PhysLab O Projeto PhysLab consiste no desenvolvimento de um pack de modelos computacionais implementados na plataforma Flash (ADOBE, 2008). Os modelos mostram a evolução temporal de um dado evento e se prestam para a exposição de fenômenos, que são fundamentos de uma animação, além de permitir ao aluno não somente manipular o evento, mas conhecer e ou modificar as relações entre as grandezas físicas que estão envolvidas no fenômeno. Sendo assim, esses modelos caracterizam uma simulação, que abrange os conceitos de animação e vai além, por permitir essa interação com o usuário. Este projeto é desenvolvido pelo Laboratório de Tecnologias Interativas Aplicadas à Modelagem Cognitiva - ModeLab, dentro de um projeto maior que visa a investigação sobre formas de integração das tecnologias da comunicação e informação e tecnologia da imagem no contexto educacional. O pac k inclui modelos que abrangem experimentos das disciplinas de Física Experimental do Curso de Graduação em Física da Universidade Federal do Espírito Santo. Tais modelos consistem em simulações, que permitem ao estudante visualizar fenômenos físicos, alterar parâmetros experimentais e observar resultados através de gráficos e tabelas. Além do pack de modelos computacionais o Projeto visa a produção de material de apoio didático em forma de mídias digitais, a serem disponibilizadas via Web hospedadas em sites para livre. O ambiente de implementação é a plataforma Flash que foi escolhida pelo fato de ser compatível com a Web. Além disso, é possível gerar um arquivo executável que pode ser utilizado em qualquer computador em off-line ou mesmo sem conexão Internet. Outros pontos favoráveis à utilização da plataforma Flash são o tamanho reduzido dos arquivos gerados, a quantidade de recursos oferecidos pela linguagem e a sua larga utilização hoje em dia, possibilitando rodar aplicativos Flash em computadores mais lentos. Inicialmente, o PhysLab apresenta 5 modelos de Física que são acessadas através do menu principal, o qual permite iniciar a navegação escolhendo um dos modelos disponíveis. A tela do Menu Principal do PhysLab é mostrada na Figura 01.

3 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 3 Figura 01: PhysLab: Menu das Simulações O projeto inicial de desenvolvimento do PhysLab contempla os modelos das atividades experimentais de Conservação do Momento Linear, Plano Inclinado, Pêndulo Simples, Soma de Forças e Reflexão da Luz. O processo de implementação dos modelos no PhysLab foi divid ido em etapas, em que cada uma corresponde a um modelo. No entanto, a implementação do primeiro modelo, gera a estrutura para a implementação dos seguintes. Esse fato gera dois pontos favoráveis: 1) Redução do tempo de implem entação dos modelos a partir da estrutura do primeiro. 2) Padronização das interfaces diminuindo a carga cognitiva do estudante no aprendizado de uma nova interface; O primeiro modelo já está disponível para exploração, porém o projeto ainda prevê implementações de forma a ampliar sua utilização. O referido modelo é apresentado a seguir. Conservação do Momento Linear Descrição A estrutura organizacional do modelo de Conservação do Momento Linear é a base para a implementação dos outros modelos. Ela está baseada em telas com explicações sucintas sobre o assunto, onde o usuário pode avançar e voltar a qualquer momento. O objetivo é abranger os casos dos diferentes tipos de colisões apresentando uma teoria leitura simples, permitindo aos estudantes uma abordagem mais direta do assunto. Apesar do fenômeno de Colisões ter, na maioria das vezes, aspectos tridimensionais, escolheu-se transpor para este módulo do PhysLab a versão em duas dimensões, a fim de tornar a implementação do software menos complexa e a percepção do fenômeno mais clara, deixando a interface do programa mais simples. Ao todo são 4 telas, sendo que a primeira é dividida em duas partes: na parte superior há um texto explicativo e na parte inferior há os botões de controle. Esse padrão se repete para as outras 3 telas desse modelo. O texto nessa tela inicial apresenta os tipos de colisões que serão abrangidos, bem como uma teoria

4 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 4 sobre deformações. Os botões permitem avançar e voltar nas telas, voltar para o Menu Principal, que é o menu onde se escolhem as simulações, e sair do programa, fechando a tela e retornando para o Windows. A Figura 02 mostra a tela 2/4, que apresenta um botão a mais, que se chama Simulação, onde é possível observar a simulação mostrada na Figura 03. Figura 02: PhysLab: Primeira Tela da Conservação do Momento Linear Figura 03: PhysLab: Colisões - Tela da Simulação. Seqüência mostrando a colisão perfeitamente elástica e a troca de velocidades após a colisão

5 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 5 A tela de simulação apresenta na parte inferior botões para voltar para as telas da Conservação do Momento, para iniciar, pausar ou parar a simulação, e campos para entrar a velocidade e massa de cada carrinho. A orientação da velocidade positiva foi adotada para a direita. Primeiro entram-se os valores de velocidade e massa de cada carrinho, e em seguida pressiona-se o botão Play. É possível pausar e reiniciar a simulação a qualquer momento. Na parte superior, são mostradas as velocidades finais de cada carrinho, calculadas no algoritmo do programa, mantendo-se a referência adotada anteriormente. O centro de massa é automaticamente calculado e mostrado na tela também, representado por um ponto com a sigla CM. A simulação mostrada, de colisão perfeitamente elástica, tem na fórmula o parâmetro Coeficiente de Restituição (e) como sendo 1. A próxima tela de simulação (perfeitamente inelástica) é a mesma tela, porém com o parâmetro na fórmula e=0. Já a terceira simulação (parcialmente elástica), possui o parâmetro e variável, sendo que o usuário é quem vai entrar esse dado. A Figura 04 ilustra o processo. Figura 04: PhysLab: Colisões - Tela da Simulação. Seqüência mostrando a colisão perfeitamente inelástica e os carros seguindo juntos após a colisão

6 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 6 A equação utilizada para calcular as velocidades finais dos corpos, após as colisões, em todos os 3 casos é mostrada na Figura 05. Figura 05: Equação utilizada nas Simulações Os parâmetros m1, m2, v1x, v2x, v 1x e v 2x representam as massas, velocidades iniciais e velocidades finais dos corpos 1 e 2, respectivamente, e e representa o Coeficiente de Restituição. A equação foi utilizada no algoritmo de todos os casos. O que variou apenas foi o valor atribuído a variável e. No caso da colisão perfeitamente elástica, atribuiu-se na fórmula o valor 1 para e ; no caso da colisão perfeitamente inelástica, atribuiu-se o valor 0 para e. Na parcialmente elástica, o valor é escolhido pelo estudante. Conclusões e Projetos Futuros Esse artigo apresentou o processo de implementação do PhysLab, um Pack de Modelos Computacionais 2D, mostrando as etapas de criação, motivações e funcionalidades, bem como os temas abrangidos. Este trabalho objetiva introduzir os modelos de Física como tecnologias interativas ao aprendizado de Ciências e Tecnologia na busca de alternativas ao ensino tradicional. Os modelos de Conservação do Momento Linear já estão disponíveis para serem publicados em um website. Futuras implementações de melhorias desse modelo incluem, entre outros, a possibilidade de escolher entre objetos com massas pré-definidas, como caminhões, bicicletas, carros comuns, e objetos com massas variáveis, com o objetivo de trazer à tona as implicações das diferentes relações de grandeza nas colisões. No próximo estágio, os modelos do PhysLab serão testados no contexto do projeto de Formação Continuada de Professores - Ensino à Distância que o ModeLab desenvolve e quando serão coletados resultados para análises e posteriores melhorias. Agradecimentos Trabalho parcialmente financiado pelo CNPq, CAPES e pelo FACITEC Fundo de Apoio a Ciência e Tecnologia do Conselho Municipal de Ciência e Tecnologia do Município de Vitória, ES.

7 XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF 2009 Vitória, ES 7 Referências OGBORN, J. (1990) A Future for Modelling in Science Education. Journal of Computer Assisted Learning, 6: FERRACIOLI, L. & SAMPAIO, F. F. (2001) Informação, Ciência, Tecnologia & Inovação Curricular em Cursos de Licenciatura. Revista Brasileira de Informática na Educação, 8(1): GAGLIARDI, M. & GIORDANO, E. (1993) Pupils Representations of Physical Transformations and Their Evolution in Classroom Situations. Actes des Ixèmes Journées Internationales sur l Éducation Scientifique: Modèles et Simulation. Chaminix. MANDINACH E.B. & CLINE, H. (1996) System Dynamics in Classrooms. New Jersey: Lawrence Erlbaum. MELLAR, H., BLISS, J., BOOHAN, R., OGBORN, J. & TOMPSETT, C. (1995) Learning with Artificial Worlds: Computer Based Modelling in the Curriculum. London: Falmer Press. FERRACIOLI, L. (1986) Concepções Espontâneas em Termodinâmica: Um Estudo em um Curs o Universitário Utilizando Entrevista Clínica. Tese de Mestrado. Instituto de Física. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. FERRACIOLI, L. (2001) Aprendizagem, Desenvolvimento & Conhecimento na Obra de Jean Piaget: Uma Análise do Processo de Ensino-Aprendizagem em Ciências. Revista Brasileira de Estudos Pedagógicos, 80(194): p FERRACIOLI, L. (2003) (ed.) Anais IV Seminário sobre Representações e Modelagem no Processo de Ensino-Aprendizagem, Vitória,ES, 30/10-01/11/2003. Disponível no endereço: