INVESTIGAÇÃO DE GANHOS NA APRENDIZAGEM DE CONCEITOS FÍSICOS ENVOLVIDOS EM

CIRCUITOS ELÉTRICOS POR USUÁRIOS DA FERRAMENTA COMPUTACIONAL MODELLUS*

Pedro F. T. DornelesDissertação de Mestrado

Orientação: Prof. Dr. Marco A. Moreira Profa. Dra. Eliane A. Veit

Instituto de Física – UFRGSNovembro 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

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

Proposta

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 há muitas dificuldades de aprendizagem nesta áreanesta área

• por serem fenômenos dinâmicos são por serem fenômenos dinâmicos são propícios à modelagem computacionalpropícios à modelagem computacional

Em particular, queremos Em particular, queremos avaliar possíveis avaliar possíveis ganhos naganhos na aprendizagem de conceitos aprendizagem de conceitos físicosfísicos envolvidos em circuitos elétricos envolvidos em circuitos elétricos com atividades computacionais, utilizando o com atividades computacionais, utilizando o software MODELLUSsoftware MODELLUS..

Estrutura da apresentação

Introdução

• Revisão de literatura

• Fundamentação teórica

• Metodologia

• Resultados

• Conclusões

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

Respostas típicas: L2 > L3

L1 = L2 = L3 > L4 = L5; i3 se divide

Somente 10% a 15% fornecem a resposta certa.McDermott et al.

a corrente elétrica é consumida

Outras dificuldades de aprendizagem:

• os significados atribuídos a i, R e V 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.

Estrutura da apresentação

Introdução

Revisão de literatura

• Fundamentação teórica

• Metodologia

• Resultados

• Conclusões

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

Significado do novo conhecimento

resulta da interação entre uma nova informação e um aspecto relevante da estrutura cognitiva do aprendiz

de forma substantiva (não-literal)

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

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

• Seleção do modelo

• Construção

• Validação

• Análise

• Expansão

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

Estrutura da apresentação

Introdução

Revisão de literatura

Fundamentação teórica

• Metodologia

• Resultados

• Conclusões

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

O livro texto adotado: “Fundamentos de Física Vol. 3 – Halliday, Resnick”.

Circuitos simples

(cinco aulas)

Circuitos RLC

(quatro aulas)

1 aula expositiva

4 no laboratório de informática

1 aula expositiva

3 no laboratório de informática

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 Pós-teste

Experimental1 (28 alunos) X X

Controle1 (165 alunos) X X

Experimental2 (26 alunos) X

Controle2 (31 alunos) X

* 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

Estrutura da apresentação

Introdução

Revisão de literatura

Fundamentação teórica

Metodologia

• Resultados

• Conclusões

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)

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

1) 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)

• 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)

3) Pontos positivos e negativos

Estrutura da apresentação

Introdução

Revisão de literatura

Fundamentação teórica

Metodologia

Resultados

• Conclusões

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

Simulação

Modelagem

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

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 de um circuito RC. Com base neste, construa um

modelo de um circuito RL (Fig. 2).

Fig. 1- Janela Modelo

Fig. 2- Circuito RL

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.

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?

Fig. 1 - Figura ilustrativa de um circuito RC.

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: