Textos de apoio aos Professores de Física – IF – UFMT – SANTOS, A. N.

APLICAÇÃO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS NO ENSINO DE FÍSICA.

Produzido por: Admilson Nelson dos Santos Orientador: Prof. Dr. Elvis Lira da Silva

UFMT - 2017

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Sumário

Apresentação ............................................................................................................................ 3

1 Introdução ............................................................................................................................. 4

2 Referencial Teórico ............................................................................................................. 5

3 A Eletricidade e o Magnetismo ........................................................................................ 7

4 Produto Educacional – Roteiros de Simulações....................................................... 16

5 Considerações Finais ....................................................................................................... 41

6 Referências Bibliográficas ............................................................................................. 42

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Apresentação

Caro professor de Física,

Percebemos que ao longo dos tempos temos nos deparado com a forte influência

das tecnologias na educação e também no ambiente dentro e fora da sala de aula. O que

evidência que as aulas ditas como tradicionais, que são ministradas da mesma forma que

há décadas atrás, vem perdendo espaço para a concorrência de celulares, aplicativos,

redes sociais, que por muitas vezes são mais atrativos aos alunos que as aulas

tradicionais. Neste sentido, este trabalho visa auxiliar o professor na utilização de novas

tecnologias para o ensino de física, mais especificamente, para o ensino da eletrostática.

Segue uma proposta pedagógica para a utilização de simulações computacionais

no Ensino de Física do terceiro ano do ensino médio. Esta proposta apresenta uma

sequência didática para auxiliar o professor de Física, tendo como referencial teórico a

aprendizagem significativa de David Ausubel.

O projeto teve como objetivo, a criação, elaboração e disponibilização de

roteiros de simulações computacionais que auxiliem o professor na utilização de no

ensino dos conceitos de eletricidade no ensino médio. O produto apresenta de 3 (três)

simulações que são utilizadas para o ensino da eletrostática, com a sequência didática,

roteiro e link’s diretos para as simulações. Espera-se que o produto possa proporcionar

ao professor e aos alunos uma nova ferramenta de ensino, que evidencie os fenômenos

físicos no ensino de física. Oportunizando, assim, a aprendizagem de forma mais

atrativa e permitindo ao aluno a construção de conhecimentos significativos.

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1 Introdução

Diante das inovações de um mundo moderno e altamente tecnológico, que cada vez

mais atraem os nossos alunos, e percebendo as habilidades que os mesmos possuem nas

interações em “tempo real” (COSTA & BARROS, 2015), precisamos buscar meios que

possibilitem preparar os nossos professores para a exploração das novas tecnologias

disponíveis (THOALDO, 2010).

Tais tecnologias precisam ser inseridas no método de ensino, na maneira que

utilizamos para ensinar. Almejamos, com esse trabalho, introduzir os conceitos de

Física relacionados à eletrostática por meio de uma ferramenta tecnológica que

possibilite um aprendizado significativo, nos termos da teoria de David Ausubel

(MOREIRA, 1982).

Neste trabalho propomos a aplicação de simulações computacionais que descrevam

os fenômenos físicos relacionados à eletrostática. Para melhorar a ancoragem dos

conceitos relacionados com a estrutura do átomo, cargas elétricas, interações de atração

e repulsão entre as cargas fez-se necessário trabalhar os fenômenos físicos desde a

estrutura do átomo até as interações entre cargas elétricas em distintos materiais.

Utilizamos, para tanto, simulações computacionais que nos auxiliaram na mediação para

a construção do conhecimento (MOITA, 2007).

Na elaboração deste trabalho utilizamos, primeiramente, simulações computacionais

desenvolvidas pelo Physics Education Technology Project (PhET) <

http://phet.colorado.edu/pt_BR/ >. O portal PhET foi fundado em 2002 pelo Prêmio

Nobel de física Carl Wieman. O site do projeto PhET hospeda Simulações Interativas

da Universidade de Colorado Boulder em todas as áreas de conhecimento, com acesso

livre e gratuito (CARRARO & PEREIRA, 2015). As simulações contidas no mesmo

surgiram de uma extensa pesquisa em educação, envolvendo os alunos em simulações,

estilo jogos (COELHO, 2002).

Um dos objetivos centrais do presente trabalho é facilitar e promover a

popularização no uso destas ferramentas no ensino de Física (COELHO, 2002),

disponibilizando roteiros que facilitem a utilização das simulações, pelo professor e

aluno, que evidenciem os fenômenos físicos.

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2 Referencial Teórico

A teoria da aprendizagem significativa de Ausubel.

A proposta principal da teoria de Ausubel é que todo aprendiz traz consigo na

bagagem uma dada quantidade de saberes, ora informal, incompleta, ora formal e até

mesmo muito completa. E estes saberes jamais podem ser descartados ou

desconsiderados no momento de se apresentar um novo conceito ao aprendiz (POZO,

2008). Pelo contrário, eles deverão ser reavaliados e reformulados com a nova

informação e incorporada a essa já existente. Estes conceitos pré-existentes foram

definidos por Ausubel como subsunçores (subsumers), onde uma nova informação se

relaciona com outra já existente na estrutura cognitiva do aluno, ancorando-se em

conceitos relevantes, tornando-se significativo. Dessa forma, aluno se interessa mais por

conteúdos que tenham subsunçores para ancorar-se.

Para que o aluno sinta-se seguro na construção do saber faz-se necessário que o

profissional de ensino de física dê a ele as condições básicas de inteirar-se do

conhecimento novo a partir dos subsunçores que possui (ANJOS, CABALLERO &

MOREIRA, 2015). Ausubel sugere que o indivíduo se interessa por assuntos e coisas

que estejam ou façam parte da sua realidade ou de assuntos que tenham uma

predisposição em aprender. Desta forma, o mesmo não possui e não demonstra grau de

interesse pessoal em descobrir, avançar, buscar, interpretar, compreender e armazenar o

domínio de tais assuntos aleatórios aos seus interesses (MOREIRA, 2001).

Ausubel dedicou sua atenção para o processo de ensino aprendizagem,

investigando qual a melhor metodologia a ser seguida para que ocorra de forma

eficiente o processo de ensino aprendizagem. Como mencionado acima, o conhecimento

prévio (subsunçores) do aluno é de extrema importância nesse processo. Segundo

Ausubel o professor é responsável em identificar os subsunçores do aluno que servirão

de ancoragem para novos conceitos (PETTER & MOREIRA, 2012).

Ausubel defende ainda um método de “organizadores prévios”, isto é, uma

forma de facilitar a ancoragem de novas aprendizagens significativas (MASSONI &

MOREIRA, 2012). Nesse método o professor deve primeiro conhecer os organizadores

prévios sobre o novo assunto a ser ancorado.

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Alinhar o pelo presente trabalho à teoria de David Ausubel foi realizada pela

credibilidade que há em sua linha de investigação. Quando aplicada ao aluno, com o

suporte necessário, possibilitará uma construção de conceitos, a partir do conhecimento

prévio que ele possui. Possibilitando uma aprendizagem que fará diferença em sua vida

(THOALDO, 2010). Adotando esta forma, o próprio estudante reestruturará o conteúdo

conforme a hierarquia dos conceitos existentes em seu cognitivo (PINTO, 2010)

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3 A Eletricidade e o Magnetismo

Histórico e desenvolvimento da eletricidade.

A origem da eletricidade começou a ser questionada ainda com os antigos

filósofos gregos, era o início de toda uma ciência. Os gregos antigos descobriram, por

meio de observações, que se friccionassem um pedaço de âmbar, o mesmo seria capaz

de atrair fragmentos de palha, pena e fio de cabelo (HEWITT, 2011).

A partir dessa observação, confirmada por Talles de Mileto, houve um grande

avanço na linha de pesquisa e desenvolvimento de toda uma ciência, capaz de explicar

inúmeros fenômenos que eram observados desde então (GUEDES, 2003).

A palavra “elétron” vem do grego, cujo significado é “âmbar” (conforme foto),

uma resina fóssil produzida por árvores com a finalizada de agir contra a ação de

bactérias e contra o ataque dos insetos que perfuravam a casca até atingir o cerne das

árvores. Esta resina com o tempo se desidratava perdendo a água e tornava-se uma

substância orgânica endurecida “âmbar” (Figura 1) e ao ser atritada evidenciava os

fenômenos da eletricidade.

Figura 1: âmbar. Crédito: autor.

Os filósofos gregos da época já tinham conhecimento das pedras que se

encontravam na natureza e apresentavam características semelhantes as do pedaço de

âmbar, com características de “atrair” ou “repelir”, como o material ferro.

No século XVI, William Gilbert oficializou a palavra elétron, referindo-se ao

fenômeno observado em alguns materiais de atrair pequenos objetos leves (GUEDES,

2003), reconhecendo que a eletrostática não era unicamente restrita ao âmbar, pois

outros materiais como o vidro, o enxofre, entre outros, apresentavam características

também semelhantes ao âmbar amarelo (ISOLA, 2003).

A eletricidade e o magnetismo tiveram seus desenvolvimentos de forma

independente uma da outra por muito tempo.

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Somente em 1820, o professor Hans Christian Oersted verificou uma relação

entre as duas ciências, o que permitiu um olhar investigativo na possibilidade de uma

possível unificação.

Oersted preparava uma aula de laboratório para seus alunos e observou que uma

corrente elétrica em um fio condutor conseguia mudar a direção da agulha imantada de

uma bússola. Esta verificação, de certa forma, deu início ao eletromagnetismo. A partir

dai muitos pesquisadores deram suas contribuições, entre eles, o mais importante foi

Michael Faraday. Faraday demonstrou que a variação de um campo magnético poderia

induzir uma corrente elétrica em um dado condutor (HALLIDAY, 2016).

Carga Elétrica.

Toda matéria ordinária que constitui o Universo é formada por átomos,

compostos de prótons, elétrons e nêutrons. Convencionalmente atribui-se aos prótons

carga elétricas positivas, aos elétrons carga negativa e aos nêutrons carga elétrica nula

(HALLIDAY, 2016).

Quando encontrarmos objetos que possuem um excesso de cargas positivas (ou

cargas negativas), em sua formação diz-se que o objeto está carregado positivamente

(ou negativamente). Uma das leis fundamentais da eletricidade é a lei de conservação da

carga elétrica, justificando a definição que a carga elétrica não é criada nem destruída,

apenas se transfere de um corpo para outro (YOUNG, 2004).

Este fato foi confirmado pelo estadista e filósofo natural americano Benjamim

Franklin, que afirmava que toda matéria teria a capacidade de estar com certas

quantidades de cargas normalmente equilibradas (HEWITT, 2011).

Sendo assim, quando se atrita dois materiais, um bastão de vidro à um tecido de

seda, torna-se o tecido de seda carregada eletricamente negativa (-) e o bastão de vidro

eletricamente positivo (+), tornando-os eletrizados. E ao aproximar os materiais

eletrizados de outros não eletrizados, apresentavam características de atração ou

repulsão. O fenômeno de atração quando as cargas forem opostas (sinais diferentes), ou

de repulsão, caso as cargas fossem de mesmo sinal (sinais iguais). Estas cargas

denominam-se cargas da eletricidade estática, que se pode mover de uma matéria à

outra por atrito, contato ou indução.

A eletricidade estática presente em nosso cotidiano.

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A eletricidade estática se encontra em toda parte, convivemos diariamente com

estas mudanças de cargas e seus efeitos (TIPLER & MOSCA, 2009). Mesmo em nosso

organismo, por exemplo, quando recebemos uma descarga ao caminharmos com os pés

descalços em um tapete e na sequência tocamos a maçaneta.

Estas interações entre cargas ocorrem também em eletrodomésticos, na tela de

televisões de tubo, ou na produção de relâmpagos (GUEDES, 2003). Abaixo (Figura 2

abaixo) um exemplo da interação com o gerador de Van de Graff.

Figura 2: Interação com o gerador de Van de Graff. Em decorrência do acumulo

de cargas, o cabelo da pessoa fica arrepiado. Fonte:<

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_32.asp>

Não podemos afirmar se estes objetos possuem em sua extensão cargas elétricas

negativas ou positivas e nem se as mesmas estão em equilíbrio (mesmas quantidades de

cargas positivas e negativas, ou seja, eletricamente neutro) (ISOLA, 2003). Caso esteja

com excesso em uma das cargas, dizemos que há um desequilíbrio na quantidade de

carga elétrica (YOUNG, 2004). Este desequilíbrio de cargas e seus fenômenos podem

ser confirmados utilizando-se um bastão de vidro e pequenos pedaços de papel.

Atritando o bastão de vidro com um tecido de seda ou lã o vidro perde carga negativa,

permanecendo uma pequena quantidade de carga líquida positiva, enquanto o tecido

ficará carregado com carga líquida negativa. Ao aproximar o bastão de vidro de

pequenos pedaços de papel, os mesmos serão atraídos pelo bastão. Isso nos revela que

cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem.

Série triboelétrica.

A série triboelétrica é uma classificação de certos tipos de materiais que

possuem a capacidade de ceder ou receber elétrons. E com o uso de alguns simples

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materiais alternativos consegue-se evidenciar este fenômeno pela interação entre as

cargas presentes nos mesmos.

Ao utilizar-se um simples tubo de caneta e um pedaço de tecido (camiseta de

algodão) e ainda uma pequena porção de papel picado pode-se demonstrar os processos

de eletrização. Ao provocar o desequilíbrio das cargas em ambos materiais (tudo de

caneta e tecido), atritando o tubo da caneta com o pedaço do tecido, o tubo da caneta

torna-se carregado eletricamente negativo e o tecido de algodão eletricamente positivo.

A relação de eletrização que pode ser provocada por atrito entre alguns materiais é

descrito pela Série triboelétrica, conforme a lista da Figura 3. Segue relação de alguns

dos materiais mais conhecidos, bem como suas tendências em ceder ou receber elétrons.

Figura 3: Figura apresentando Materiais com tendência de ficarem positivos até os que

possuem tendência de se tornarem negativos na eletrização por atrito

Fonte: Série triboelétrica. disponível em < http://alunosonline.uol.com.br/quimica/serie-

triboeletrica.html> acessado em 15/09/2017.

Realizamos o experimento, descrito acima, em sala de aula. Após atritar o tubo

de caneta e o tecido, gerando o desequilíbrio das cargas dos materiais. Os estudantes

verificaram que ao aproximar o material eletrizado a pequenos pedaços de papéis os

mesmos são atraídos pelo material eletrizado. Este processo é conhecido eletrização por

indução. Conforme Figura 4 do experimento realizado em sala de aula (Fonte: fotos

cedidas pelos alunos).

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Figura 4: Experimento de eletrização realizado em sala. a) Foto dos materiais

b) Foto provocando o desequilíbrio por meio de atrito. c)Foto interação entre as

cargas

Descrição do experimento:

a) Materiais utilizados no experimento: tubo de caneta, toalha pequena de algodão e

papel crepom picado.

b) Tornando o tubo de caneta eletrizado por meio de fricção ou atrito com o auxílio da

toalha.

c) Estando o tubo de caneta eletrizado, aproximou-se a mesma dos pedaços de papel

picado, que foram atraídos pelo tubo de caneta.

Estas imagens ilustrativas representam os materiais utilizados no experimento,

confirmando que na lista de classificação de materiais da série triboelétrica, quanto mais

acima estiver o material, melhor será sua capacidade em se tornar um material

eletrizado positivamente (+). E quanto mais abaixo na lista de classificação estiver o

material, melhor sua capacidade em se tornar eletrizado negativamente (-) (YOUNG,

2004).

Estudando a série triboelétrica com materiais alternativos notamos também que

após enchermos um simples balão de borracha de látex e ao friccionarmos ao cabelo

humano, o tornamos eletrizado. É possível perceber o fenômeno ao se aproximar dos

cabelos. O balão atrai alguns elétrons que estariam presente no fio de cabelo humano

(Figura 5), tornando assim o balão carregado eletricamente negativo por estarem com

excesso de elétrons, e o cabelo eletricamente positivo por estarem com falta de elétrons.

Como todos os fios ficam eletrizados negativamente eles se repelem entre si, fazendo

com que fiquem arrepiados.

a) b) c)

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Figura 5: Processo de eletrização ocorrido entre o material balão e o fio de cabelo

humano, pois os cabelos são doadores em potencial de elétrons, enquanto que os balões

são ávidos por elétrons, e tendem a extraí-los.

Fonte: Ciência em Casa: brincando com a eletricidade estática. disponível em <

http://baianosnopolonorte.com/coisas-de-mae/ciencia-em-casa-brincando-com-a-

eletricidade-estatica/ > acessado em 06/11/2017.

Campo Elétrico, cargas e forças.

Uma carga qualquer possui uma força de atração ou repulsão em meio a outras

cargas, isto é, cargas de sinais opostos se atraem e cargas de sinais iguais se repelem.

Figura 6: Forças elétricas entre cargas de mesmo sinal e de sinais opostos. Fonte:

Imagem do livro de Física Conceitual, HEWITT, Paul G., 2011.

Na Figura 6 acima, que representa uma interação entre as cargas, notamos que

quando as cargas forem de mesmo sinal apresentam o fenômeno de repulsão, o que esta

ocorrendo nos dois primeiros diagramas da Figura 6. E quando forem de cargas opostas

os mesmos apresentam o fenômeno de atração, o que esta ocorrendo na ultima

representação da Figura 6 (HEWITT, 2011).

Toda a força elétrica presente em uma carga possui características bem definidas

como módulo, direção e sentido perante as demais. Assim, força elétrica em uma carga

não terá o mesmo módulo, direção e sentido, quando presente em uma mesma região de

um espaço amostral onde outra carga se encontra. É nessa região espacial onde ocorrem

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os fenômenos da interação entre as cargas, chamada de força elétrica, e o espaço

denominada de campo elétrico (YOUNG, 2004).

Figura 7: Campo elétrico presente em uma carga isolada positiva ou negativa.

Fonte:http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/figuras/ca

mpo5.gif.

A Figura 7 mostra o campo elétrico que existe ao redor de uma carga ou de um

corpo eletrizado, propício a uma interação de atração ou repulsão entre as cargas.

Na região do campo elétrico ocorrem as interações, fenômenos de atração ou

repulsão, de duas ou mais cargas elétricas. A Lei de Coulomb descreve a força elétrica,

que ocorre entre duas ou mais cargas elétricas (HALLIDAY, 2016).

Toda matéria ordinária é formada por átomos, que por sua vez são constituídos

de elétrons, prótons e nêutrons. Podemos retirar elétrons de um dado material,

eletrizando-o, através de três processos: Atrito, contato (condução) ou indução.

Tipos de Eletrização.

Toda matéria ordinária é formada por átomos, que por sua vez são constituídos

de elétrons, prótons e nêutrons. Podemos retirar elétrons de um dado material,

eletrizando-o, através de três processos: Atrito, contato (condução) ou indução.

Eletrização por atrito.

A eletrização por atrito ocorre em materiais que permitam a troca de elétrons

quando são atritados. Ocorre geralmente entre dois materiais isolantes. Os materiais são,

inicialmente neutros, e ao serem atritados ou friccionados por outro material ficam

eletrizados positivamente ou negativamente. Assim, ocorre uma transferência de

cargas, onde um dos corpos cede às cargas elétricas negativas e o outro recebe as cargas

negativas. Podemos saber, a priori, se o material será eletrizado positivamente ou

negativamente dependendo da posição que os materiais a serem atritados ocupam na

série triboelétrica (ASSIS, 2010)

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Um exemplo fácil e prático de uma eletrização por atrito, é quando utiliza-se um

pente de plástico para cabelos (Figura 8), onde ao se pentear o cabelo ocorre atrito entre

o pente e os fios de cabelo, ocasionando-se o fenômeno físico de eletrização por atrito.

Isto ocorre quando os elétrons presente no fio cabelo seco são atraídos em direção ao

pente de plástico (TIPLER & MOSCA, 2009).

Figura 8: Processo de eletrização por atrito que ocorre entre o material pente plástico e o

fio de cabelo humano seco ao se pentear.

Fonte: Série triboelétrica. Disponível em <

http://alunosonline.uol.com.br/quimica/serie-triboeletrica.html> acessado em

06/11/2017.

Eletrização por contato ou (condução).

Neste processo, pelo menos um dos materiais deve ser condutor de eletricidade,

pois sendo condutor irá conduzir facilmente as cargas elétricas presentes nos materiais

(Figura 9). Nesse caso não é necessário ter atrito para que se tenha eletrização. O

simples ato de encostarem já é suficiente para que haja transferência de carga elétrica

(ASSIS, 2010).

Figura 9: Processo de eletrização por contato.

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Fonte: Um Dia Eletrizante. disponível em

<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/um-dia-eletrizante.htm> acessado em

06/11/2017.

Eletrização por indução.

Há a necessidade de que um dos materiais seja condutor para tornar-se um corpo

indutor. O mesmo irá induzir o outro, não havendo necessidade de estar encostado ou

em contato com o material a ser induzido, apenas a possibilidade de estar próximo, já é

suficientemente possível para induzir cargas no corpo a ser eletrizado.

Essa eletrização ocorre da seguinte forma: tendo os dois corpos, um indutor, que

irá induzir, e o outro um corpo neutro, onde ao se aproximar o corpo indutor do corpo

neutro, o corpo indutor irá separar as cargas positivas das negativas no corpo neutro

(Figura 12) (TIPLER & MOSCA, 2009). Após a separação das cargas no material

induzido, as cargas separadas em decorrência da polarização criada pelo indutor

permanecerão enquanto a presença do indutor. Ligando-se o corpo em um fio terra e

afastando-se o indutor perceberemos que o corpo induzido permanecerá eletrizado

(ASSIS, 2010).

Figura 10: Eletrização por indução. Imagem do livro de Física Conceitual, HEWITT,

Paul G. , 2011.

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4 Produto Educacional – Roteiros de Simulações.

Introdução:

Temos encontrado no Ensino de Física alunos com dificuldades na interpretação

de muitos fenômenos físicos. Tal dificuldade pode estar relacionada, de acordo com a

teoria de Ausubel, com a falta de subsunçores que ancorem novos conceitos e

conhecimentos. Em decorrência desta falta de subsunçores, os alunos se sentem

distanciados e isolados do ensino de Física pela falta de domínio, ou de requisitos

mínimos exigidos para o bom desenvolvimento de uma aprendizagem significativa.

Diante destes fatos, e da percepção do crescimento das ferramentas tecnológicas

que podem ser usadas no ensino, e ainda sentindo-se a necessidade de uma inovação

com aulas mais atrativas para o ensino de Física, propomos a aplicação de simulações

computacionais no ensino dos fenômenos físicos relacionados à área da eletricidade.

Objetivo:

O projeto teve como objetivo geral, a criação de um produto educacional que

evidencie o estudo dos fenômenos na física estática. E que auxilie o professor na

aplicação de simulações computacionais no ensino médio, o que se refere aos conceitos

de eletricidade estática. Visando proporcionar ao professor e ao aluno uma nova

ferramenta para abordagens dos conceitos no ensino de física, retirando do aluno aquela

visão que construiu do contexto física, difícil, fórmulas e cálculos extensos e ainda o

baixo estima para com a matéria.

O objetivo específico é a criação, elaboração e disponibilização de roteiros, para

utilização de simulações computacionais em sala de aula, auxiliando o professor nas

interações com o novo método tecnológico. Assim, oportunizando uma aprendizagem

de forma mais atrativa, e permitindo ao aluno uma construção de conhecimentos

potencialmente significativos (THOALDO, 2010).

Justificativa:

Diante das inovações, de um mundo moderno e altamente tecnológico, que cada

vez mais atraem os mais jovens, e percebendo as habilidades que os alunos possuem nas

interações em “tempo real”, é necessário buscar meios que possibilitem preparar e

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incentivar os professores a utilizarem e explorarem as ferramentas modernas e

tecnológicas existentes. Sabemos que as tecnologias são muito mais atrativas do que as

aulas tradicionais, que se resumem em apenas livro didático, quadro negro e giz.

Sendo assim, as simulações nos auxiliam como mediadores na construção do

conhecimento significativo (THOALDO, 2010), proporcionando uma aula atrativa, por

meio de ferramentas tecnológicas as quais os estudantes habitualmente utilizam em seu

cotidiano. Tal metodologia tem apresentado bons resultados em relação à metodologia

que utiliza apenas o livro didático, quadro negro e giz (FUNK, 2014).

De acordo com Funk et al. (2014) o quadro-negro, o giz e os livros didáticos

não são mais vistos como tecnologias educativas, pois hoje em dia acabam por limitar o

acesso às informações, não suprindo as necessidades dos estudantes.

Nessa perspectiva, conhecendo o interesse atual da adolescência em tecnologia,

necessitamos incentivar também o professor a instigar estes alunos a se dedicarem mais

ao estudo dos fenômenos físicos através das tecnologias existentes. Isso nos

proporcionará uma melhoria nos baixos índices obtidos no Ensino de Física do Ensino

Médio.

Metodologia:

O produto tem a finalidade de promover uma popularização no uso de

simulações no ensino de Física, disponibilizando o produto e roteiros que facilitam a

utilização pelo professor e aluno das simulações que evidenciem os fenômenos físicos

relacionados à eletricidade.

A teoria da aprendizagem em conformidade com o produto.

A teoria de aprendizagem adotada para este trabalho foi a teoria de David

Ausubel. Sendo que a proposta principal desta teoria é que todo aprendiz traz consigo

na bagagem uma dada quantidade de saberes, ora informal, formal, incompleta ou até

mesmo muito completa.

Estes saberes jamais poderão ser descartados, pois servirão de bases para que um

novo conceito seja instalado. Sendo assim, deverão ser reavaliados e reformulados com

a nova informação e incorporada a essa já existente (NOVAK, 1977a).

Esta denominação de conceitos pré-existentes foram definidos por Ausubel

como subsunçores (subsumers), onde uma nova informação se relaciona com outra já

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existente na estrutura cognitiva do conhecimento específico do aluno, ancorando-se em

conceitos relevantes, tornando-se significativos.

Diante destas informações, e sabendo que o aluno passa a interessarem-se mais

pelas aulas, toda vez que o tema a ser trabalhado tenha um pé nas bases que ele já

conhece, possibilitou a escolha certa para desenvolvimento do produto.

E assim deixar o conteúdo a ser trabalhado de forma mais atrativo, iniciando-se

a aula com uma breve discussão colhendo informações pré-existentes que eles mesmos

tinham. Estando-os a seguros para compartilharem seus exemplos e informações sobre o

referido conteúdo abordado.

Quando os mesmos perceberam que os conceitos pré-existentes que eles

apresentaram, seriam informações importantíssimas para a aula, permitindo que eles

sentiam-se seguro em compartilhar suas experiências na construção do saber.

Para que o professor consiga um melhor resultado, há necessidade que o

mesmo seja mediador, e que permita a seus alunos condições de compartilhamento e

inteirações a partir dos subsunçores pré-existentes. Pois o armazenamento significativo

dar-se-á no cognitivo, de forma a reorganizar tudo aquilo que não estava de forma

correta, e a simulação atuara de forma mediadora com o auxilio do professor, o que

possibilitará uma ancoragem significativa dos fenômenos físicos evidenciados.

Produto Educacional

O Produto educacional é composto por roteiros de três simulações distintas, duas do

programa PhET e uma produzida pelo autor:

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL I

ROTEIRO DE APRESENTAÇÃO DA SIMULAÇÃO I – Ao professor.

Objetivo

Esta simulação foi apresentada aos alunos com o intuito de que os mesmos

possam ir inteirando-se com a ferramenta, permitindo uma construção mental dos

modelos atômicos.

1º PASSO:

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Iniciar a aula com uma breve discussão, apresentando o objetivo da aula e ainda na

busca e compartilhamento de subsunçores existentes entre os alunos, cuja finalidade é

tornar o ambiente propício a uma boa assimilação de conteúdos (MOREIRA, 2011).

2º PASSO:

Aplicar uma aula expositiva oral com base no resumo de Modelos Atômicos. Na

sequência apresentar a simulação computacional Modelo Atômico do Hidrogênio, que

segue conforme roteiro incluso.

3º PASSO: (acesso a simulação)

Se ainda não realizou o download do aplicativo em seu computador, Acesse o

link que permitirá acesso à página do PHET, diretamente na simulação em questão.

“Modelo do Átomo de Hidrogênio”.

Caso já tenha realizado download do aplicativo na página do PHET, basta clicar

no aplicativo apresentado abaixo, que também funcionará como um Hiperlink.

https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/hydrogen-atom

Após o acesso do Link, seu sistema será direcionada a página seguinte (Figura

1).

hydrogen-atom_pt_BR.jar

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Figura 1: Página principal do aplicativo Modelo do Átomo de Hidrogênio.

Certifique-se de estar na página correta, basta clicar em símbolo “PLAY”

(conforme indicado). Novamente o sistema será redirecionado a um quadro de

permissão de acesso pelo “JAVA” (Figura 2). Confirme com “OK”.

Figura 2: permissão de acesso pelo “JAVA”

PLAY

OK

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Sendo assim, o sistema encontra-se na página inicial da Simulação Modelos do

Átomo de Hidrogênio (Figura 3), que irá nos permitir uma interação e construção

mental de como são os modelos atômicos e como os mesmos se comportam.

4º PASSO: No campo demarcado de:

Acesse o botão no campo 1 indicado na Figura 3, para permitir o início da

simulação no sistema.

Figura 3: Página inicial da Simulação Modelos do Átomo de Hidrogênio.

Observamos que após esse passo, o sistema automaticamente inicia-se uma simulação

com emissão de luz em direção ao átomo, cuja intensão é mostrar o comportamento

interno do átomo na presença de radiação, como mostrado na Figura 4.

1

1

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A interação Luz –Átomo permite estudar os modelos atômicos e comparar a previsão do

modelo com os resultados experimentais. Aferindo assim a estrutura atômica e os

fenômenos que ocorrem no átomo.

5º PASSO: Modelo atômico de John Dalton (1808) – “Bola de bilhar”

Seguindo com a simulação podemos visualizar alguns modelos propostos, do

clássico ao quântico.

No canto superior esquerdo da tela há um quadro demarcado como campo 2, com duas

opções a seguir EXPERIMENTO ou PREDIÇÃO (Previsão), somente ao clicar na

seta indicadora, é que você será direcionado.

Figura 4: Representação do sistema PHET, interação da radiação (pontos azuis) com o

modelo do átomo de hidrogênio.

Se optar por EXPERIMENTO, onde já esta posicionada a seta, veja que na caixa de

Hidrogênio, já esta se ocorrendo emissão de feixes de luz na direção do átomo, e há um

ponto de interrogação. O que se espera com isso? Justamente para podermos imaginar

qual seria o comportamento do átomo ao receber o feixe de luz. Uma interrogação que

buscaremos respostas a partir de agora.

2

23

Caso opte por PREDIÇÃO, basta clicar na seta indicada no campo 2 (como mostrado

na Figura 4), e terá o redirecionamento do sistema (Figura 5) aos modelos atômicos, a

começar pelo modelo da Bola de Bilhar até o modelo quântico de Schroedinger.

Enquanto isso, as emissões de feixes de luz na direção do átomo na caixa de Hidrogênio

continuaram, e irão apresentar o comportamento do átomo conforme os diferentes

modelos.

Observa-se que o ponto de interrogação na caixa de hidrogênio (mostrado na Figura 4),

foi substituída pelo modelo atômico de John Dalton (1808), formato Bola de Bilhar. E

essa simulação nos permite uma construção mental de qual seria o comportamento do

átomo nesse modelo ao receber o feixe de luz.

Figura 5: Representação do sistema PHET, interação com o modelo de Bola de Bilhar.

Analisando a simulação, percebemos que parte do feixe de luz sofre desvios,

isso demonstrando que o modelo de John Dalton (1808) – “Bola de bilhar”, era

condizente com sua defesa na época. Entretanto o modelo não condiz com o

comportamento experimental do átomo. Indicando que a falhas nesse modelo atômico.

6º PASSO: Modelo atômico de Joseph John Thomson (1898) – “Pudim de Passas”.

24

Acessando o campo 3 indicado na Figura 6 abaixo, vamos conhecer o Modelo atômico

de Joseph John Thomson (1898) – “Pudim de passas”. O mesmo substituirá o modelo

em exposição anteriormente dentro da caixa de Hidrogênio.

Figura 6: Representação do sistema PHET, interação com o modelo de “Pudim de

Passas”.

Este é modelo para o átomo de Hidrogênio na visão de Joseph John Thomson

(1898) – “Pudim de passas”. O modelo foi batizado de “pudim de passas”, comida

típica inglesa, em que as passas representariam os elétrons. Como essa comida é pouco

conhecida no Brasil, talvez a analogia mais adequada por aqui seja a de um panetone,

em que as frutas cristalizadas representariam os elétrons.

Analisando a simulação computacional, percebemos na emissão de feixe de luz,

partículas sendo desviadas, ou melhor, ricocheteando perante o átomo, região onde

Thomson afirmava ter elétrons. Demonstrando experimentalmente na época que toda

matéria possuía elétrons (-) e que o mesmo não seria indivisível conforme dizia Dalton

(Bola de Bilhar). Novamente essa simulação nos permite uma construção mental de

qual seria o comportamento do átomo nesse modelo ao receber o feixe de luz.

Entretanto esse modelo também não recupera todos os dados experimentais, não

conseguindo explicar por que algumas partículas eram espalhadas a altos ângulos.

7º PASSO: Modelo atômico Ernest Rutherford (1911) “Sistema solar”.

3

25

Acessando o campo 4 na Figura 7, vamos conhecer o Modelo atômico de Ernest

Rutherford (1911), comparado ao Sistema Planetário. A partir desse modelo começam-

se a apresentar o quadro de níveis de energia conforme Figura 7. O mesmo substituirá o

modelo em exposição anteriormente dentro da caixa de Hidrogênio.

Figura 7: Representação do sistema PHET, interação com o Modelo atômico Rutherford

“Sistema solar”.

Analisando a simulação, vemos que Rutherford propôs que átomo seria um grande

espaço vazio, com elétrons bem distantes do núcleo e com massa praticamente

desprezível, e um núcleo constituído basicamente de partículas com carga positiva. Os

elétrons orbitariam o núcleo positivo. Sendo assim, Rutherford propõem um modelo

cuja representação é próxima do que acontece em sistemas planetários. Nesses sistemas

há grandes espaços vazios entre seus constituinte, onde o centro (o núcleo) do sistema

concentra basicamente toda a massa do sistema e os outros constituinte orbitam o

centro.

Apesar de se aproximar mais dos resultados experimentais esse modelo era

inconsistente com a física da época. Nesse modelo o elétron perderia energia na

translação em volta do núcleo até colapsar o átomo (explosão mostrada na simulação).

Como os átomos são estáveis, não havendo tal colapso, o modelo precisou ser

reformulado. O modelo foi importante por prever um átomo com cargas elétrica

positivas em seu núcleo e uma eletrosfera negativa orbitando tal núcleo.

4

26

8º PASSO: Modelo atômico de Bohr (1913).

Acessando o campo 5 indicado na Figura 8, podemos conhecer o Modelo atômico de

Bohr. O mesmo substituirá o modelo em exposição anteriormente dentro da caixa de

Hidrogênio.

Figura 8: Representação do sistema PHET, interação com o Modelo atômico de Bohr.

Analisando a simulação, observa-se que Bohr, apresenta o modelo de Rutherford, mas

de forma melhorada. Há uma eletrosfera bem definida agora. O elétron só troca energia

com o meio externo quando muda de órbita; absorve fótons se afastando do núcleo e

emite fótons se aproximando do núcleo. Quando absorve ou emite fótons o elétron salta

de uma órbita bem definida para outra, não podendo mais estar em qualquer local, como

no modelo de Rutherford. No modelo de Bohr o elétron não perde energia se continuar

em uma mesma órbita. Esse modelo conseguiu explicar uma boa parte dos dados

experimentais e por ser de fácil visualização se popularizou, apesar de não explicar

alguns dados experimentais e não conseguir explicar alguns comportamentos da

matéria.

9º PASSO: Modelo atômico de Louis De Broglie (1924),

5

27

Acessando campo 6 indicado na Figura 9, vamos conhecer o Modelo atômico de De

Broglie. O mesmo substituirá o modelo em exposição anteriormente dentro da caixa de

Hidrogênio.

Figura 9: Representação do sistema PHET, interação com o Modelo atômico de De

Broglie.

De Broglie, levanta a hipótese de comportamento dual do elétron, tendo comportamento

de partícula e onda.

Analisando a simulação, percebe-se que De Broglie visualizou o elétron como uma

onda e não uma partícula. A onda eletrônica se encaixaria exatamente numa óribta. Por

isso as órbitas era bem definidas. Pois, de acordo com De Broglie a onda eletrônica só

caberia em determinas órbitas, dependendo da energia do elétron. De Broglie defendeu,

ainda, uma dualidade partícula onda não somente para o elétron, mas para toda matéria,

isto é, prótons, nêutrons átomos e moléculas.

10º PASSO: Modelo atômico de Erwin Schroedinger (1935).

Acessando campo 7 indicado na Figura 10, vamos conhecer o Modelo Quântico

Schroedinger. O mesmo substituirá o modelo em exposição anteriormente dentro da

caixa de Hidrogênio.

6

28

Figura 10: Representação do sistema PHET, interação com o Modelo de Schroedinger

(Modelo Quântico).

Erwin Schroedinger (1935) atribui uma nuvem eletrônica em torno do núcleo onde há

apenas uma probabilidade de encontrarmos o elétron em uma dada posição. Quanto

mais densa for a nuvem, maior será a probabilidade de se encontrar o elétron nessa

posição.

Nesta representação dos modelos atômicos a intensão éapenas mostrar aos alunos os

mais variados modelos com o auxilio do simulador, permitindo assim uma construção

mental de tais modelos e comportamentos. Mostrando a evolução do conhecimento ao

longos das decádas. Durante a simulação os estudantes vão se apropriando da forma dos

átomos, dos contituintes dos átomos, da localização das partículas no átomos e de suas

características. Vão compreendendo por que a estrutura é estável e por que o elétron

interage com o núcleo numa interação de atração.

7

29

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL II – Balões e eletricidade estática.

ROTEIRO DE APRESENTAÇÃO DA SIMULAÇÃO II– Ao professor.

A aplicação desta simulação visa auxiliar o professor mediador nos fenômenos

físicos relacionados à eletricidade estática, para os alunos do terceiro ano do Ensino

Médio. Nesta interação, o próprio aluno interagirá com a ferramenta da simulação, após

a aula expositiva oral dada pelo professor.

1º PASSO:

Iniciar a aula com uma breve discussão, apresentando o objetivo da aula “Eletricidade

Estática” e ainda na busca e compartilhamento de subsunçores entre os alunos, cuja

finalidade é tornar o ambiente propício a uma boa assimilação dos conteúdos de

interesse (MOREIRA, 2011).

2º PASSO:

Aplicar uma aula expositiva oral com base em “Eletricidade Estática”, focando os

conteúdos em:

1. Introdução à eletricidade estática.

2. Cargas elétricas.

3. Força de atração e repulsão entre as cargas.

4. Campo elétrico.

Na sequencia, interação dos alunos com a simulação computacional “Balões e

eletricidade estática”, que se segue conforme roteiro apresentado em 06 (seis) passos.

3º PASSO: (acesso a simulação)

Se ainda não realizou o download do aplicativo em seu computador, Acesse o

link que permitirá acesso à página do PHET, indo diretamente na simulação em questão.

“Balões e eletricidade estática”.

Caso já tenha realizado download do aplicativo na página do PHET, basta clicar

acima do aplicativo apresentado abaixo, que também funcionará como um Hiperlink.

balloons_pt_BR.jar

30

https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/balloons-and-static-electricity

Após o acesso do Link, seu sistema será direcionado a página seguinte (Figura

1).

Figura 1: pagina principal do aplicativo Modelo do Átomo de Hidrogênio.

Certifique-se de estar na página correta, basta clicar no símbolo “PLAY”

(conforme indicado). Novamente o sistema será redirecionado a um quadro de

permissão de acesso pelo “JAVA” (Figura 2). Confirme com “OK”.

PLAY

OK

31

Figura 2: permissão de acesso pelo “JAVA”

Ao seguir estes procedimentos, o seu sistema estará na página inicial da Simulação

“Balões e eletricidade estática” (Figura 3), que irá nos permitir uma construção de

como ocorre as interações entre as cargas, e como os mesmos se comportam.

4º PASSO:

Apresentação da interação computacional, conforme os campos demarcados

numericamente na Figura 3.

Figura 3: Apresentação da página inicial da simulação Balões e Eletricidade Estática.

- Início da simulação, com opção de um único balão ou dois balões.

- Balão inflável.

- Marcadores referentes opções na interação com a Simulação.

- Blusa de lã.

- Parede com carregada eletricamente com cargas positivas e negativas.

- Reiniciar a simulação.

4º PASSO:

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

32

Ao selecionar, com o auxílio do mouse, o campo 1 da Figura 3, a simulação é iniciada

com um único balão. Com o auxílio do mouse conduza o balão em direção a blusa de lã.

Verifique que os elétrons com carga elétrica negativa (-) presentes na blusa, migram

para o balão, ou melhor, a blusa de lã irá ceder elétrons (-) para o balão (Figura 4).

Figura 4: Interação da Simulação Balões e Eletricidade Estática, no PHET.

Se a blusa ceder elétrons (-) para o balão, este se tornará eletricamente negativo.

Se direcionarmos o balão em direção a parede situada na extremidade da tela,

perceberemos que ocorrerá uma repulsão entre as cargas de mesmo sinal (Figura 5).

Figura 5: Interação da Simulação Balões e Eletricidade Estática, no PHET.

33

5º PASSO:

Seguindo o aprofundamento nas interações entre as cargas elétricas, selecione

“Reiniciar Balão” em conjunto com a ação dois balões (Figura 6). Seguiremos a

simulação com fenômenos entre as cargas em ambos os balões.

Figura 6: Interação da Simulação Balões e Eletricidade Estática, no PHET.

Verifique que se selecionarmos, com auxílio do mouse, um dos balões a receber

metade dos elétrons presentes na blusa, e o outro balão receber na mesma proporção a outra

metade, ocorrerá uma repulsão entre os balões ao se aproximarem um do outro. Isto se deve

ao fenômeno da repulsão entre as cargas de mesmo sinal, sendo assim os dois balões estando

eletrizados negativamente, irão se repelir (Figura 7).

34

Figura 7: Interação da Simulação Balões e Eletricidade Estática, no PHET.

Observa-se que enquanto os balões são repelidos um pelo outro, um deles será atraído

por pela blusa, que esta eletrizado positivamente, e o outro será repelido em direção à

parede e irá repelir os elétrons presentes na parede.

6º PASSO:

Ainda nesta simulação, há possibilidade de:

I. Mostrar todas as cargas presentes na simulação.

II. Ocultar todas as cargas presentes na simulação (Figura 8).

III. Mostrar as cargas resultantes atuando na simulação.

35

Em suma, esta simulação computacional nos possibilitou a análise dos

fenômenos físicos de “atração” e “repulsão” ocorrida entre as cargas elétricas presentes

nos materiais em uma interação computacional.

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL III – Limpando as Lentes dos Óculos.

ROTEIRO DE APRESENTAÇÃO DA SIMULAÇÃO III – Ao professor.

Esta simulação irá auxiliar o professor mediador nos fenômenos que ocorrem na

Física da eletricidade estática, mas especificamente, no entendimento da série

triboelétrica, pelos os alunos do terceiro ano do Ensino Médio. Nesta interação, o

próprio aluno fará uso da ferramenta de simulação, após a aula expositiva oral aplicada

pelo professor sobre a série triboelétrica.

1º PASSO:

Iniciar a aula com uma breve discussão, apresentando o objetivo da aula

“Eletricidade Estática - Série Triboelétrica” e, ainda, na busca e compartilhamento de

subsunçores entre os alunos, cuja finalidade e tornar o ambiente propício a uma boa

assimilação dos conteúdos (MOREIRA, 2011).

2º PASSO:

Aplicar uma aula expositiva oral com base em “Série Triboelétrica”, focando os

conteúdos em:

1. Introdução à eletricidade estática.

2. Cargas elétricas.

3. Tipos de Eletrização.

4. Série triboelétrica.

Na sequência, realizar-se-á a interação dos alunos com a simulação

computacional da “Série Triboelétrica”, que se segue conforme roteiro apresentado.

3º PASSO: (acesso a simulação)

36

Se ainda não realizou o download do aplicativo em seu computador, Acesse o

link que permitirá acesso à página do SCRATH, diretamente na simulação em questão.

“Série Triboelétrica”.

Caso já tenha realizado download do aplicativo na página do SCRATH, basta

clicar acima do aplicativo apresentado abaixo, que também funcionará como um

Hiperlink.

SÉRIE TRIBOELÉTRICA

https://scratch.mit.edu/projects/134522089/#fullscreen

Após o acesso do Link, seu sistema será direcionado a página seguinte (Figura

1).

Figura 1: Página principal da Simulação Série Triboelétrica.

Certifique-se de estar na página correta. Se estiver, basta clicar no símbolo

“PLAY” (conforme indicado). Novamente o sistema será redirecionado ao início da

simulação.

PLAY

37

Figura 2: Tela de inicio de jogo da Simulação “Série Triboelétrica”.

4º PASSO:

Apresentação da interação computacional, conforme os campos demarcados

numericamente na Figura 3 abaixo.

1

2

3

4

5

38

Figura 3: Apresentação da página inicial da simulação Série Triboelétrica.

- Óculos.

- Toca de lã.

- Cronômetro Marcador.

- Interromper a Simulação “Pare”.

- Reiniciar a Simulação.

5º PASSO:

Selecione com o auxílio do mouse o campo PLAY, solicitando inicio de simulação.

Ainda com o auxílio do mouse, tocar na toca de Lã. A mesma será conduzida para

efetuar a limpeza das lentes do óculos (Figura 4).

Figura 4: A toca de lã na interação da simulação Série Triboelétrica.

A interação dura 10 segundos. Após este tempo, marcado pelo cronômetro, a toca

retornará ao seu local de origem.

5

4

3

2

1

39

Figura 5: O retorno da toca de Lã na interação da simulação Série Triboelétrica.

Sendo assim, surgirá a seguinte pergunta: “Quem se eletriza positivamente?” (Figura 5).

O aluno deve responder a pergunta no campo resposta. Se a resposta for “Óculos

(Figura 6), a mensagem de incentivo aparecerá: Parabéns você acertou...!!! Caso a sua

resposta seja diferente disto a mensagem que aparecerá será: Errou, Tente novamente...!

40

Figura 6: Resposta à interação da simulação Série Triboelétrica.

Para tirar as dúvidas, ao passar o mouse sobre o óculos ira surgir a quantidade de

cargas positivas na lente (material vidro), que na lista da série triboelétrica, ao ser

atritado com a Lã, o mesmo torna-se eletrizado positivamente, e a lã eletrizada

negativamente (Figura 7).

41

Figura 7: As cargas elétricas do da lente de vidro do óculos sendo mostradas na

interação da simulação Série Triboelétrica.

Em suma, esta simulação computacional nos possibilitou a análise dos

fenômenos físicos de eletrização ocorrida entre diversos materiais e a compreender um

pouco mais sobre a série triboelétrica.

5 Considerações Finais

Ao longo do desenvolvimento do projeto, pude perceber o envolvimento dos

alunos com os conteúdos de física sendo estudados de uma forma espontânea e

prazerosa, pois o objetivo do mesmo havia sido alcançado.

Alunos que antes apresentavam uma resistência para os conceitos e fenômenos

físicos, fórmulas e cálculos, apresentavam uma nova autoestima elevada para às aulas

de física. Trazendo consigo subsunçores pré-existentes para contribuir à uma aula de

qualidade em que fenômenos físicos seriam estudados e armazenados em seu cognitivo.

42

Foi uma oportunidade impar em que o MPEF, nos moldou e possibilitou

enxergar o que antes não víamos possibilidade de bons resultados e melhoras na

qualidade de ensino.

Utilizar-se de uma ferramenta computacional do qual os alunos dominam e

volta-lo para o ensino, foi sem dúvida uma conquista, pois até as horas vagas dos

mesmos, como intervalo, retorno para casa os comentários fluíam entre eles sobre as

aulas.

Perceber a evolução dos alunos, com linguagens próprias do ensino de física, e

isso transformado em gráfico numa análise quantitativa e qualitativa após a aplicação da

simulação computacional, foi a recompensa de todo um trabalho de uma pós graduação.

6 Referências Bibliográficas

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43

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