INVESTIGAÇÃO DE GANHOS NA APRENDIZAGEM DE CONCEITOS FÍSICOS ENVOLVIDOS EM CIRCUITOS ELÉTRICOS POR USUÁRIOS DA FERRAMENTA COMPUTACIONAL MODELLUS* Pedro F. T. Dorneles Dissertação de Mestrado Orientação: Prof. Dr. Marco A. Moreira Profa. Dra. Eliane A. Veit Instituto de Física – UFRGS Novembro 2005 * Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Estrutura da apresentação Introdução Revisão de literatura Fundamentação teórica Metodologia Resultados Conclusões

Contexto (GPEF) Investigação sobre o uso de tecnologias computacionais como recurso instrucional à aprendizagem de Física. Antecedentes Araujo I. S. (2002). Um estudo sobre o desempenho de alunos de Física usuários da ferramenta computacional Modellus na interpretação de gráficos em cinemática Araujo I. S. (2005). Simulação e modelagem computacionais como recursos auxiliares no ensino de Física Geral

Proposta Propomos simulação e modelagem computacionais como complemento às atividades em sala de aula.

Objetivo Investigar o desempenho dos alunos que trabalharam com atividades computacionais no estudo de circuitos elétricos simples e RLC, utilizando o software Modellus.

Hipótese de pesquisa: Admitimos que o uso de atividades de simulação e modelagem computacionais: promoveriam a predisposição do aluno para aprender; auxiliariam os alunos na superação das dificuldades de aprendizagem em circuitos elétricos.

Por que circuitos elétricos? há muitas dificuldades de aprendizagem nesta área por serem fenômenos dinâmicos são propícios à modelagem computacional Em particular, queremos avaliar possíveis ganhos na aprendizagem de conceitos físicos envolvidos em circuitos elétricos com atividades computacionais, utilizando o software MODELLUS.

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Revisão da Literatura Revisamos a literatura em busca de publicações sobre: aplicações do software Modellus (apenas uma publicação) dificuldades de aprendizagem em circuitos elétricos (encontramos 50 publicações) Incluímos nove revistas especializadas em Ensino de Física. Pesquisamos a partir de 1985.

Dificuldades de aprendizagem em circuitos elétricos: dificuldades conceituais: corrente elétrica, diferença de potencial, resistência elétrica,... concepções alternativas linguagem e raciocínios incorretos Síntese das dificuldades de aprendizagem em circuitos elétricos simples e RLC

Exemplo: Dificuldade em relação ao conceito de corrente elétrica compare os brilhos da lâmpadas L1, L2, L3, L4 e L5 a corrente elétrica é consumida Respostas típicas: L2 > L3 L1 = L2 = L3 > L4 = L5; i3 se divide Somente 10% a 15% fornecem a resposta certa. McDermott et al.

Outras dificuldades de aprendizagem: os significados atribuídos a i, R e DV na linguagem cotidiana são diferentes dos científicos raciocínio local em vez de sistêmico (ou holístico) raciocínio seqüencial em vez de sistêmico

Raciocínio local em vez de sistêmico focalizam a atenção em um ponto e ignoram o que existe nos ramos do circuito Muitos alunos respondem que: i1= 0,6 A, i2= 0,3 A e i3= 0,3 A Duit et al.

Raciocínio seqüencial em vez de sistêmico pensam em “antes” e “depois” de passar a corrente 1/3 dos alunos pensam que se R1 for alterada o brilho de L1 mudará, R2 for alterada o brilho de L1 ficará o mesmo Duit et al.

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Fundamentação Teórica Utilizamos: a Teoria da aprendizagem significativa de Ausubel o referencial de trabalho de Halloun para a modelagem esquemática

Teoria de Ausubel Idéia central conhecimento prévio Para Ausubel, segundo Moreira (1999b, p.152), “o fator isolado que mais influencia a aprendizagem é aquilo que o aluno já sabe (cabe ao professor identificar isso e ensinar de acordo)”

Conceito central Aprendizagem Significativa de forma substantiva (não-literal) resulta da interação entre uma nova informação e um aspecto relevante da estrutura cognitiva do aprendiz Significado do novo conhecimento Subsunçor

Diferenciação progressiva Reconciliação integrativa Partir do geral e, progressivamente, chegar ao particular Também se deve fazer constantes referências ao geral para não perder a visão do todo Diferenciação progressiva Reconciliação integrativa Conceitos mais gerais e inclusivos Conceitos intermediários Conceitos específicos Moreira

Condições para ocorrência da aprendizagem significativa 1. Material potencialmente significativo 2. Disposição para aprender o conteúdo do material a ser estudado deve ter relação com a estrutura cognitiva do aluno o material deve ter significado lógico o aluno deve manifestar uma disposição para relacionar o novo material, potencialmente significativo, à sua estrutura cognitiva

Modelagem esquemática Halloun (1996) desenvolveu uma abordagem teórica que auxilia a resolução de problemas paradigmáticos

Cinco estágios da modelagem esquemática inicialmente seleciona-se um modelo apropriado de um repertório de modelos familiares em uma teoria específica construção do modelo matemático que o ajude a resolver o problema consistência interna do modelo consistência externa a análise deve proceder de modo a satisfazer o propósito para qual o modelo foi construído aprimoramento ou extrapolação do modelo para a construção de outros novos modelos Seleção do modelo Construção Validação Análise Expansão

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Estratégia propor atividades que requeiram que o aluno interaja de modo consciente com computador uso do método POE (predizer, observar, explicar) (White e Gunstone apud Tao & Gunstone, 1999) método colaborativo presencial (Araujo, Veit & Moreira, 2005)

Procedimento didático 1 aula expositiva 4 no laboratório de informática 3 no laboratório de informática Circuitos simples (cinco aulas) Circuitos RLC (quatro aulas) O livro texto adotado: “Fundamentos de Física Vol. 3 – Halliday, Resnick”.

Delineamento da pesquisa Método quantitativo Delineamento quase-experimental (Campbel e Stanley, 1979) Método qualitativo 01 = Teste inicial X = procedimento didático (atividades computacionais) 02 = Teste final Análise de conteúdo Levantamento de opiniões Notas de aula

Amostra alunos de Engenharia (Física II-C 2004/2) Grupos Primeira etapa: ensino de circuitos simples (cinco aulas*) Segunda etapa: ensino de circuitos RLC (quatro aulas) Pré-teste Pós-teste Experimental1 (28 alunos) X Controle1 (165 alunos) Experimental2 (26 alunos) Controle2 (31 alunos) * Cada aula teve duração de 1h40min

Instrumentos de pesquisa: Teste sobre circuito simples (Silveira, Moreira & Axt, 1989) Teste sobre circuito RLC (Dorneles et al.) Uma questão de prova

Atividades computacionais propostas Exemplos: Simulação computacional Modelagem computacional

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Resultados quantitativos circuitos simples Comparamos os grupos com uma Análise de Variância e Covariância - ANOVA/ANCOVA – (Finn, 1997)

Resultados quantitativos circuitos RLC Comparação entre as médias ajustadas do pós-teste

Resultados qualitativos da análise de uma questão de prova Números de respostas dos alunos em cada categoria (26 alunos)

Fig. 1 – Figura usada na justificativa do Aluno 11. Exemplo de respostas incluídas na categoria apresentação de considerações qualitativas corretas “o capacitor estava sendo carregado e quase atingindo a carga máxima Q1 (veja Fig. 1) para o circuito quando V foi aumentado repentinamente (ponto de inflexão). A partir deste ponto tem-se um novo circuito, com uma nova V1 fonte. Neste circuito a quantidade máxima de carga armazenada no capacitor será Q2, partindo-se da carga inicial Q1. Com isto, pode dividir o gráfico em duas partes: a do “primeiro circuito” C1 – em que a carga inicial armazenada é zero e a final tende a Q1, e a do “segundo circuito” C2 – em que a carga inicial armazenada no capacitor é Q1 e a final tende a Q2” (Aluno 11) Fig. 1 – Figura usada na justificativa do Aluno 11.

Exemplo de respostas incluídas na categoria apresentação de considerações qualitativas superficiais ou respostas sem argumentação “Aumentando a diferença de potencial V fará com que aumente a carga máxima que será armazenada no capacitor. A corrente no circuito aumentará.” (Aluno10)

Exemplos de respostas incluídas na categoria apresentação de considerações qualitativas incorretas “A ddp aumentada acelera o processo de carga de um capacitor até sua estabilização novamente. Isto não significa que a quantidade de carga será maior. Somente que o tempo para esta carga será menor” (Aluno 20) “Com o aumento da potência fornecida pela fonte o capacitor aumenta a sua capacitância...” (Aluno 12)

Exemplo de respostas incluídas na categoria raciocínio baseado apenas em fórmulas “qmax = V x C, (C) constante a (q) vai aumentar! Pois é o que está nesta fórmula. Por isso é que a curva do gráfico da carga “q” versus tempo sofre um aumento”. (Aluno 9)

Opiniões dos alunos sobre o uso das atividades computacionais O procedimento didático adotado no ensino de circuitos elétricos durante a disciplina contribuiu para a sua compreensão dos conceitos físicos envolvidos em circuitos elétricos? Sim. Foi mais fácil aprender visualizando o que acontecia cada vez que mudávamos algo no circuito. (aluno1) 2) O que você achou do software Modellus? Ótimo! Muito didático e muito fácil de mexer, mesmo para quem não entende nada de computadores. (aluno 4) Achei bom. Pode ser melhorado, mas desempenhou bem a função de assistente didático. (Aluno 2)

3) Pontos positivos e negativos Como pontos positivos lembro que depois das simulações feitas na tela as leis ficavam mais claras, era legal ver os resistores e capacitores influenciando no circuito! Como ponto negativo acho que destaco que o software falhava às vezes e não era muito fácil escrever as fórmulas. (Aluno 2)

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Conclusões o desempenho dos alunos dos grupos experimentais foi melhor do que o dos grupos de controle (diferença estatisticamente significativa). os resultados de nossa análise qualitativa sugerem que muitos dos alunos atingiram uma aprendizagem significativa. atividades de simulação e modelagem computacionais com o software Modellus podem auxiliar os alunos a superar as dificuldades de aprendizagem sobre conceitos físicos usualmente enfrentadas na aprendizagem de circuitos elétricos.

o procedimento didático adotado exigiu muita interação dos alunos: com as atividades computacionais, entre si, e com o professor, tornando-se um elemento motivador para a aprendizagem de circuitos elétricos.

Perspectiva futura Investigar a integração entre atividades de simulação e modelagem computacionais com atividades experimentais.

Fim

Atividades computacionais caracterizadas pela observação, análise e interação do aluno com modelos já construídos caracterizadas pelo processo de construção do modelo desde sua estrutura matemática até a análise dos resultados gerados por ele Simulação Modelagem

Síntese das dificuldades conceituais e concepções alternativas detectadas e identificadas na terceira coluna por [1] Duit & Von Rhöneck (2005), [2] Shaffer & McDermott (1992) e [3] Engelhardt & Beichner (2004).

Síntese das dificuldades conceituais e concepções alternativas detectadas e identificadas na terceira coluna por [5] Eylon & Ganiel (1990), [6] Thacker, Ganiel & Boys (1999) e [7, 8] Greca & Moreira (1996, 1998) respectivamente.

Consideramos um modelo físico: como uma representação simplificada e idealizada de um sistema ou fenômeno físico aceito pela comunidade científica constituído por proposições semânticas, representações (externas) e modelos matemáticos subjacentes” Veit (2003).

a). A janela Modelo mostrada na Fig. 1 é de um modelo a) A janela Modelo mostrada na Fig. 1 é de um modelo de um circuito RC. Com base neste, construa um modelo de um circuito RL (Fig. 2). Fig. 2- Circuito RL Fig. 1- Janela Modelo b) Insira na janela Animação, do modelo construído, uma barra para variar a indutância no indutor L. Após discuta as alterações na corrente elétrica e na diferença de potencial em R e em L ao alterar a indutância em L.

No circuito mostrado na Fig No circuito mostrado na Fig. 1, R é um resistor, C um capacitor e I um interruptor. Em cada item é fornecido o gráfico da carga no capacitor em função do tempo durante o processo de carga do capacitor para uma situação em que a diferença de potencial fornecida pela fonte V é repentinamente: Fig. 1 - Figura ilustrativa de um circuito RC. Justifique o comportamento da curva descrita no gráfico carga versus tempo, para cada item acima. Qual é o significado físico (variável associada) da inclinação desta curva?