Modelagem Computacional no Ensino de Física em nível · PDF filePor que trabalhar com modelagem computacional no ensino de Física? Apresentação do Modellus e atividades exploratórias

Modelagem Computacional no Ensino de Fiacutesica em niacutevel Meacutedio

Eliane Angela Veit (IF-UFRGS)

Rafael Vasques Brandatildeo (PPgEnfis-UFRGS)

Instituto de Fiacutesica UFRGS

VII RELAEF

Porto Alegre 23 a 27 de novembro de 2009

Por que trabalhar com modelagem computacional no ensino de Fiacutesica

Apresentaccedilatildeo do Modellus e atividades exploratoacuterias com o Modellus

Descriccedilatildeo de resultados experimentais

Exemplos de outros aplicativos para a modelagem de sistemas fiacutesicos (powersim planilha) e atividade expressiva com o Modellus

Diagrama AVM Siacutentese sobre o uso de TICs no ensino de Fiacutesica em niacutevel meacutedio

Sumaacuterio do minicurso

VII RELAEF eavifufrgsbr amp rafaelbrandaoufrgsbr 2

Duas ideias baacutesicas

bull A aprendizagem significativa de Fiacutesica requertrabalhar com conceitos procedimentos e instrumentos do fazer cientiacutefico

idade da pedra lascada (paleoliacutetico)

ida

bull As TICs oferecem a possibilidade de aprendizagem significativa de novos toacutepicos e competecircncias especialmente atraveacutes de atividades de simulaccedilatildeo e modelagemcomputacionais

3VII RELAEF eavifufrgsbr amp rafaelbrandaoufrgsbr

bull Ideias baacutesicas sobre o fazer ciecircncias

bull Alguns problemas do ensino de Fiacutesica

Atividades de simulaccedilatildeo e modelagem

computacionais

Possibilidades de uso modo expressivo e

exploratoacuterio

Potencialidades das atividades computacionais

para a aprendizagem de Fiacutesica

Aula 1


Quem eacute capaz de responder

Se um trem viaja em linha reta durante

2 horas a 40 kmh que distacircncia percorre

d = velocidade intervalo de tempo


Pois para Galileu natildeo foi tatildeo simples

Em Diaacutelogos relativos a duas novas ciecircncias

(1636) Galileu demonstra 6

teoremas sobre movimento uniforme

Andrea diSessa Changing Minds Computers Learning and LiteracyMIT 1999


Comentaacuterios

Natildeo haacute um uacutenico sinal de igual (=) nos manuscritos de Galileu

A Aacutelgebra surgiu 5 anos depois da publicaccedilatildeo de Galileu com Descartes

(1596-1650)

Galileu natildeo dispunha de todas as ferramentas de que dispomos hoje


Evoluccedilatildeo humana x ferramentas

bull A evoluccedilatildeo da cultura humana estaacute fortemente vinculada ao conhecimento e instrumentos jaacute disponiacuteveis para o indiviacuteduo


ida

bull O fazer cientiacutefico se vale da modelagem e das TICs como um de seus instrumentos baacutesicos Como integraacute-los com os demais recursos na aprendizagem de Fiacutesica


Como se faz Ciecircncias

ldquoformulando questotildees claras

imaginando modelos conceituais das coisas agraves

vezes teorias gerais e tentando justificar o que se

pensa e o que se faz seja atraveacutes da loacutegica seja

atraveacutes de outras teorias seja atraveacutes de

experiecircncias aclaradas por teoriasrdquo

Bunge 1974 p 13


Sobre o fazer Fiacutesica

bull Fiacutesica eacute um processo de representaccedilatildeo do mundo sempre sujeito a reformulaccedilotildees

bull Fazer Fiacutesica =gt trabalhar com modelos conceituais (externos)

bull Modelagem computacional juntamente com teoria e experiecircncia compotildee o tripeacute de sustentaccedilatildeo da Fiacutesica


Relatoacuterio do National ResearchCouncil (USA) 1989

computaccedilatildeo cientiacuteficapode ser considerada umaterceira metodologia fundamental das Ciecircnciasparalela ao paradigma experimental e ao teoacutericodas ciecircncias mais bem estabelecidos

11

No fazer da Fiacutesica modelos satildeo osmediadoreshellip

entre teoria e realidade e mais recentemente destas com as simulaccedilotildees computacionais


Modelo cientiacutefico

- ponte entre o mundo real que eacute complexo

holiacutestico e um mundo idealizado e simplificado

ponte entre o mundo real que eacute complexo holiacutestico e um mundo idealizado e simplificado


Modelo cientiacutefico em Fiacutesica

tentativa de apreender a realidade atraveacutes de uma representaccedilatildeo idealizada esquemaacutetica de objetos eou eventos reais ou supostos como tais

constituiacutedo por proposiccedilotildees semacircnticas e um modelo matemaacutetico subjacente

eacute uma representaccedilatildeo externa consensual aceita pela comunidade cientiacutefica sujeita a reformulaccedilotildees

Satildeo abstraccedilotildees construiacutedas pelos cientistas

Natildeo existem na natureza14

No contexto da Fiacutesica conveacutem distinguir

o sistema fiacutesico com sua riqueza e complexidade

o sistema idealizado que resulta da modelagem do sistema fiacutesico

o modelo teoacuterico que descreve o sistema idealizado

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O processo da modelagem requer

bull focar a atenccedilatildeo aspectos particulares da natureza

realizar recortes da realidade

fazer simplificaccedilotildees do sistema real

postular entidades ideais

Inferir a sistemas reais mecanismo internos imaginaacuterios


A construccedilatildeo e anaacutelise de modelos cientiacuteficos envolve

situaccedilatildeo-problema e questotildees-foco

idealizaccedilotildees aproximaccedilotildees e a formulaccedilatildeo dehipoacuteteses

referentes relaccedilotildees variaacuteveis e paracircmetros

domiacutenio de validade e grau de precisatildeo

teste (experimental e teoacuterico) de hipoacuteteses

fazer prediccedilotildees

aperfeiccediloar os modelos

eventualmente abandonaacute-los


Onde entram os computadores no fazer Fiacutesica

Aguiar UFRJ


Ideias baacutesicas sobre o fazer ciecircncias


Atividades de simulaccedilatildeo e modelagem computacionais

Possibilidades de uso modo expressivo e exploratoacuterio

Potencialidades das atividades computacionais para a aprendizagem de Fiacutesica

Sumaacuterio da Aula 1


Problemas no ensino de Fiacutesica (entre outros)

Ciecircncias e seu desenvolvimento concebida como

- verdade absoluta e perene

- descoberta por gecircnios

- a partir de dados experimentais

No ensino-aprendizado de Fiacutesica

- resolver problemas se resume a substituiccedilatildeo de valores em foacutermulas decoradas

- o papel dos modelos eacute ignorado

- computador serve para busca e observaccedilatildeo raramente como ferramenta cognitiva


Um dos objetivos primordiais do Ensino de Fiacutesica

Contribuir para que os modelos conceituais dos

alunos se aproximem dos modelos conceituais

cientiacuteficos (ou como temos chamado dos modelos

cientiacuteficos)


Potencialidades da modelagem(computacional) no ensino de Fiacutesica

bull facilitar a compreensatildeo de modelos cientiacuteficos

bull facilitar a construccedilatildeo e investigaccedilatildeo de situaccedilotildees-

problema (mais reais e atuais)

bull desenvolver a capacidade de predizer avaliar e

analisar prediccedilotildees

bull propiciar uma visatildeo de ciecircncias compatiacutevel com as

visotildees contemporacircneas


Mas as TICs podem reforccedilar viacutecios

Para que acircngulo de lanccedilamento o alcance eacute maacuteximo

Quanto vale o alcance maacuteximo

Qual a altura maacutexima que as bolas atingem

Qual a condiccedilatildeo que deve ser satisfeita para que o alcance correspondente aos dois acircngulos apresentados seja o mesmo

Como se comparam os tempos de vocirco das duas bolas

A simulaccedilatildeo apresenta para cada valor do moacutedulo da velocidade dois valores de seu acircngulo com a horizontal (acircngulo de tiro) que resultam no mesmo alcance 23


Como ficam

a discussatildeo sobre os referentes

a questatildeo das idealizaccedilotildees

o contexto de validade do modelo

a anaacutelise dos princiacutepios leis e teorias envolvidas

Impliacutecitos24VII RELAEF eavifufrgsbr amp rafaelbrandaoufrgsbr


Alguns problemas do ensino de Fiacutesica






Simulaccedilatildeo e modelagem computacionais tipo de acesso aos primitivos do modelo

Simulaccedilatildeo

Modelagem

acesso aos primitivos do modelo matemaacutetico ou icocircnico usado na implementaccedilatildeo do modelo computacional

Ex softwares de modelagem para o Ensino de Ciecircncias

Modellus Planilhas eletrocircnica Powersim Simquest

O aluno natildeo tem

O aluno tem


Animaccedilotildees computacionais

Animaccedilatildeo interatividade se resume a (~viacutedeo) parar rodar avanccedilar

raacutepida ou lentamente retroceder raacutepida ou lentamente

Resultados de pesquisa tecircm pouca eficaacutecia sobre a aprendizagem dos alunos

Por ex

Beichner AJP v 64 n 10 p1272 1996


Ex de acesso aos primitivos do modelono Modellus


Ex de acesso aos primitivos do modelono Powersim


Simulaccedilatildeo natildeo daacute acesso aos primitivos do modelo computacional

httpwwwphyntnuedutwntnujavaindexphptopic=480


Diferentes modos de uso de atividades de simulaccedilatildeo e modelagem computacionais

exploratoacuterio

de simulacatildeosem acesso

de modelagem

O aluno observa analisa e interage com modelos computacionais jaacute construiacutedos

O aluno passa por todo o processo de construccedilatildeo do modelo desde sua estrutura matemaacutetica ou icocircnica ateacute a anaacutelise dos resultados

expressivo

(criaccedilatildeo) 31

Ex atividade simulaccedilatildeo no modo exploratoacuterio regime caoacutetico

32

Potencialidades das simulaccedilotildees computacionais

bull permitir aos estudantes gerarem e testarem hipoacuteteses

bull envolver os estudantes em atividades que explicitem a natureza da pesquisa cientiacutefica

bull apresentar uma versatildeo simplificada da realidade pela destilaccedilatildeo de conceitos abstratos em seus mais importantes elementos

Gaddis apud Medeiros e Medeiros 2002


Outras vantagens no uso de simulaccedilotildees

bull ajudar a identificar relaccedilotildees de causa e efeito em sistemas

bull fomentar uma compreensatildeo mais profunda dos fenocircmenos fiacutesicos

bull auxiliar os estudantes a aprenderem sobre o mundo natural vendo e interagindo com os modelos cientiacuteficos subjacentes que natildeo poderiam ser inferidos atraveacutes da observaccedilatildeo direta



Mas noacutes perguntamos

Que condiccedilotildees devem ser satisfeitas para que

as simulaccedilotildees cumpram este papel

Como fazer para que as vantagens apontadas

se reflitam na aprendizagem


Quanto tempo o caminhatildeo demoraraacute paraatravessar a ponte mantendo umavelocidade constante

36

Dados velocidade do caminhatildeo= 20ms na direccedilatildeo e sentido da ponte

comprimento do caminhatildeo 20m

comprimento da ponte a) 80m b) 2000m


Alguns dados sobre uma revisatildeo da literaturade 1990 a 2004 (Tese de Ives Solano Araujo)


Objetivo da revisatildeo mapear trabalhos envolvendo o computador no ensino de Fiacutesica em niacutevel superior e meacutedio identificando as principais modalidades pedagoacutegicas do seu uso e os toacutepicos de Fiacutesica escolhidos como tema em artigos publicados pelas principais revistas da aacuterea desde os anos noventa

Palavras-chave tiacutepicas usadas na busca combinaccedilotildees da palavra ldquoFiacutesicardquo com por exemplo computador computacional programa simulaccedilotildees modelagem modelos tutoriais multimiacutedia coleta de dados internet etc (Usamos palavras-chave em Portuguecircs e Inglecircs)

Total de trabalhos sobre uso de TICs 127

de um total de gt 5000 artigos publicados


8 de discussotildees eou revisotildees da literatura

62 trabalhos de pesquisa ou propostas com avaliaccedilatildeo empiacuterica

57 e simples apresentaccedilotildees de propostas

Trabalhos de pesquisa ou propostas com avaliaccedilatildeo empiacuterica envolvendo o uso de atividades de simulaccedilatildeo computacional no ensino de Fiacutesica em niacutevel meacutedio (ateacute 2004) 13

AGUIAR C E Disponiacutevel em httpomnisifufrjbr~carlosinfoencinotasdeaularoteirosaula01pdf

ARAUJO I S Simulaccedilatildeo de modelagem computacionais como recursos auxiliares no ensino de Fiacutesica Geral Tese de doutorado Instituto de Fiacutesica UFRGS 2005

ARAUJO I S e VEIT E A Uma revisatildeo da literatura sobre estudos relativos a tecnologias computacionais no ensino de Fiacutesica Revista Brasileira de Pesquisa em Educaccedilatildeo em Ciecircncias v4 n3 p5-18 2004

ANDREA A DI SESSA Changing Minds Computers Learning and Literacy MIT Press 1999

BRANDAtildeO R V ARAUJO I S e VEIT E A A modelagem cientiacutefica de fenocircmenos fiacutesicos e o ensino de fiacutesica Fiacutesica na Escola v8 n1 p22-26 2008

BUNGE M (1974) Teoria e Realidade Satildeo Paulo Ed Perspectiva 243 p

ESQUEMBRE F Computers in Physics Education Computer Physics Communications 147 13-18 2002

JONASSEN D H Computadores como herramientas da mente Disponiacutevel em httptecnologiaeduusesbibliovirpdfefect_cogpdf Acesso em 10 de julho de 2005

MEDEIROS A amp MEDEIROS C F D Possibilidades e limitaccedilotildees das simulaccedilotildees computacionais no ensino da Fiacutesica Revista Brasileira de Ensino de Fiacutesica Satildeo Paulo v24 n2 p77-86 2002

PIETROCOLA M Construccedilatildeo e realidade o realismo cientiacutefico de Mario Bunge e o ensino de ciecircncias atraveacutes de modelos Investigaccedilotildees em Ensino de Ciecircncias v 4 n 3 paginaccedilatildeo eletrocircnica Dez 1999

Principais referecircncias


Por que trabalhar com modelagem computacional no ensino de Fiacutesica

Apresentaccedilatildeo do Modellus e atividades exploratoacuterias com o Modellus

Descriccedilatildeo de resultados experimentais

Exemplos de outros aplicativos para a modelagem de sistemas fiacutesicos (powersim planilha) e atividade expressiva com o Modellus

Diagrama AVM Siacutentese sobre o uso de TICs no ensino de Fiacutesica em niacutevel meacutedio

Sumaacuterio do minicurso

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