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Fsica 2

para o Mestrado Integrado em Engenharia Informticae Computao

Jaime E. VillateFaculdade de Engenharia

Universidade do Porto

Relatrio submetido Universidade do Porto como parte da documentao do concurso paraProfessor Associado.

Porto, Outubro de 2009

Contedo

1 Introduo 2

2 Reexes sobre o ensino da Fsica 3

2.1 Licenciatura em Engenharia Informtica e Computao na FEUP . . . . . . . . 32.2 Sistema de Ensino Secundrio em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Universidades fora de Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 A disciplina de Fsica 2 para o MIEIC 7

3.1 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Experincias e simulaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 O Estdio de Fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.5 Plataforma de B-Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.6 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.7 Avaliao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.8 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Bibliograa 20

A Exames 23

B Criao de testes usando Maxima 32

1

1 Introduo

Ao longo dos meus 17 anos de actividade docente na Faculdade de Engenharia da Universidadedo Porto (FEUP), tenho leccionado vrias disciplinas de Fsica e Matemtica em vrios cursosdiferentes, mas h uma disciplina que tem estado presente quase todos os anos na minhadistribuio de servio docente: Electromagnetismo (com algumas variaes na designao).

Leccionar a mesma disciplina durante 17 anos pode parecer uma actividade repetitiva e montonamas, no meu caso, no tem sido assim. O ensino do Electromagnetismo continua a enfrentar-mea novos desafios ano aps ano. Temas como as clulas de combustvel e os ultracondensadoresque actualmente incluo no programa que lecciono, eram completamente desconhecidos paramim h uns poucos anos.

Outra razo que evita que a minha actividade lectiva seja montona e repetitiva, que ano apsano os estudantes que recebemos so diferentes. Os seus ideais e o seu entusiasmo prprio dosjovens que ingressam no Ensino Superior esto cada vez orientados para assuntos diferentes. Asminhas tentativas de acompanhar esse entusiasmo e criar as condies para que possam alcanaros seus objectivos, conduzem a um processo continuo de actualizao e inovao que tornam aactividade docente mais aliciante.

O curso de Mestrado Integrado em Engenharia Informtica e Computao (MIEIC) na Faculdadede Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) foi criado no ano acadmico 2006-2007 e veiosubstituir a Licenciatura em Engenharia Informtica e Computao (LEIC).

O director desse Mestrado Integrado encarregou-me de propor os contedos programticos paraas duas disciplinas de Fsica do curso. Este relatrio explica a proposta feita para a segundadessas disciplinas (Fsica 2) e a forma como tem funcionado nestes ltimos anos.

Comearei por analisar as disciplinas de Fsica da antiga Licenciatura em Engenharia Informticae Computao, o estado do ensino da Fsica no Ensino Secundrio e como est a ser leccionadaactualmente a Fsica em outras Universidades estrangeiras. Posteriormente apresentarei ocontedo, mtodos de ensino, mtodos de avaliao e resultados da disciplina de Fsica 2 doMIEIC.

2

2 Reexes sobre o ensino da Fsica

2.1 Licenciatura em Engenharia Informtica e

Computao na FEUP

Quando a Licenciatura em Engenharia Informtica e Computao (LEIC) foi criada na FEUP, em1994, as duas disciplinas de Fsica previstas no plano de estudos comearam a ser leccionadasconjuntamente com o curso de Licenciatura em Engenharia Qumica (LEQ). Essa situaomanteve-se at o ano acadmico 2001-2002.

A primeira disciplina de Fsica era designada de Fsica Experimental e leccionada no segundosemestre do primeiro ano, junto com a disciplina de Mecnica Pura e Aplicada da LEQ. Asegunda disciplina era designada de Fsica, leccionada no primeiro semestre do segundo ano;o tema da disciplina era o Electromagnetismo e o texto usado era o livro que escrevi para adisciplina da LEQ [1].

A partir do ano acadmico 2002-2003 entrou em vigor um novo plano de estudos para aLEIC, em que a primeira disciplina de Fsica, no segundo semestre do primeiro ano, era oElectromagnetismo e a segunda, no primeiro semestre do segundo ano, era designada de Fsicados Sistemas Dinmicos.

A figura 2.1 mostra o nmero de estudantes aprovados, reprovados e no avaliados na disciplinade Electromagnetismo, desde o ano 2002-2003 at o ltimo ano em que foi leccionada em2005-2006. A reduo drstica no nmero de estudantes aprovados no ano 2003-2004 foi devidaa que nesse ano o regente da disciplina no fui eu mas outro docente que costumava leccionaressa disciplina no curso de Licenciatura em Engenharia Electrotcnica, com um programa maisexigente.

2002-2003 2003-2004 2004-2005 2005-2006

Figura 2.1: Resultados da disciplina de Electromagnetismo da LEIC.

A pesar de existir uma boa estabilidade nos resultados obtidos na disciplina de Electromagne-

3

tismo (exceptuando o ano 2003-2004), com uma taxa de aprovao elevada em comparao comoutras disciplinas de Fsica na FEUP, a criao do Mestrado Integrado, dentro do esprito dareforma de Bolonha, sugeria que houvesse uma mudana no programa e na metodologia a partirdo ano 2006-2007.

Outra razo de peso que me levou a pensar em mudar a metodologia do ensino do Electromagne-tismo teve a ver com a constatao de algo que muitos autores tm salientado na literatura [2][3]:Os estudantes aprendem a resolver correctamente problemas de electromagnetismo, mas con-tinuam a ter concepes erradas acerca de conceitos simples como a corrente e a tenso numcircuito elctrico.

2.2 Sistema de Ensino Secundrio em Portugal

Na estrutura actual do Ensino Secundrio em Portugal, a Fsica leccionada aos estudantesque optam pelo Curso Geral de Cincias Naturais ou o Curso Geral de Cincias e Tecnologias.Nesses cursos existem 3 disciplinas relacionadas com a Fsica: as disciplinas de Fsica e Qumicade 10o e 11o ano e a disciplina de Fsica do 12o ano. A Fsica de 12o ano optativa e no oferecida em muitas escolas secundrias.

Cada uma das disciplinas de Fsica e Qumica de 10o e 11o est dividida em dois semestres,sendo um desses semestres dedicado ao ensino da Fsica e o outro ao ensino da Qumica. Oprograma actualmente em rigor para o 10o ano foi homologado em Maro de 2001 [4] e oprograma para o 11o Ano foi homologado em Maro de 2003 [5].

O programa dessas duas disciplinas privilegia um tipo de ensino designado de CTS (CinciaTecnologia e Sociedade) em que enfatizado o conhecimento em aco e as suas repercussesna Sociedade. O programa de Fsica do 10o ano compreende trs unidades; cada uma dessasunidades est dedicada a um tema em que aparece a Fsica em aco:

Das fontes de energia ao utilizador. Do Sol ao aquecimento. Energia em movimentos.

e na Fsica do 11o Ano h duas unidades:

Movimentos na Terra e no Espao. Comunicaes.

Em cada uma dessas unidades, o tema em discusso acaba por levar discusso de algunsconceitos fsicos. Porm, a forma como aparecem esses conceitos em forma desconexa e semuma ordem lgica, na minha opinio, no favorece a aprendizagem da Fsica por parte dosestudantes.

Alguns conceitos importantes aparecem em forma recorrente, mas outros conceitos associados aestes no chegam a ser mencionados. Por exemplo, as trs unidades no programa do 10o anoabordam os conceitos de trabalho e energia mecnica . No entanto, em nenhuma dessas unidades referida a acelerao nem a sua relao com a fora, trabalho e energia mecnica. As leis deNewton s so abordadas no 11o ano, na unidade Movimentos na Terra e no Espao.

4

Outros conceitos fsicos importantes surgem dentro do programa da Qumica e no da Fsica.Por exemplo, a origem do universo, escalas de tempo, comprimento e temperatura, partculaselementares, efeito fotoelctrico, modelos atmicos e reaces nucleares. No 10o ano propostoque seja leccionada a Qumica no primeiro semestre e a Fsica no segundo e no 11o ano aocontrrio, apenas para rentabilizar melhor a utilizao dos laboratrios de Qumica e no porqualquer considerao em relao ordem lgica de aquisio dos conhecimentos.

Muitos outros pases tm adoptado tambm uma abordagem CTS das cincias no EnsinoSecundrio, mas sem descuidar a ordem lgica e o carcter axiomtico da Fsica. Em Espanha,por exemplo, o Decreto do 11 de Junho de 2008 estabelece um programa para a disciplina deFsica e Qumica baseado numa abordagem CTSA (Cincia-Tecnologia-Sociedade-Ambiente),mas organizado em blocos relacionados entre si [6], que devem seguir uma sequncia rigorosa,desde os sistemas mais simples at os mais complexos. O programa segue a ordem de um cursotradicional de Fsica: cinemtica da partcula, dinmica, trabalho energia e calor, etc.

O programa da Fsica do 12o Ano em Portugal [7], homologado em Outubro de 2004, segueuma abordagem semelhante, com uma estrutura lgica bem definida, em que os temas de Fsicaem Aco aparecem depois de terem sido desenvolvidos os conceitos. Este programa acaba porter muitos temas sobrepostos com os programas de 10o e 11o ano.

Devido a que a Fsica de 12o ano uma disciplina optativa nos cursos de Cincias Naturaise Cincia e Tecnologia, os estudantes que ingressam na FEUP aos Mestrados Integrados tmnveis de conhecimentos de Fsica muito variados. Aqueles que tiveram a disciplina de Fsica de12o tero uma formao em Fsica muito mais slida. A Prova Nacional de Acesso ao EnsinoSuperior no uma boa forma de afer