MECÂNICA APLICADA À ENGENHARIA CIVIL (93)

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USO DE MODELOS FÍSICOS NO ENSINO DE
MECÂNICA DAS ESTRUTURAS
Cristina Haguenauer
CEFET/PR - Departamento de Construção Civil e UFRJ- Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas
cristina@civil.ee.ufrj.br
RESUMO
Este artigo visa apresentar e discutir um projeto em andamento no Departamento de
Mecânica Aplicada e Estruturas da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio
de Janeiro: "Desenvolvimento e Utilização de Modelos Físicos para o Ensino do
Comportamento das Estruturas".
É analisada a contribuição deste trabalho para a melhoria do ensino de engenharia e
para a implantação de um novo modelo pedagógico, onde o aluno passa a exercer um papel
mais ativo e criativo dentro do processo ensino - aprendizagem.
ë apresentada a metodologia de desenvolvimento e uso de modelos didáticos para
utilização no ensino de Engenharia. São, também, analisadas as perspectivas de ampliação
desta experiência na própria Universidade e fora dela, por meio de convênios de cooperação
com outras universidades e com escolas técnicas e de ensino médio.
INTRODUÇÃO
O rápido avanço do desenvolvimento da tecnologia e dos ramos da engenharia, vem
pressionando escolas e universidades, em todo o mundo a reverem seus objetivos e seus
cursos.
Já é consenso nas melhores Escolas de Engenharia do mundo, de que os cursos
devem ser estruturados sobre três princípios básicos:
1- Fornecer sólida formação dos conhecimentos básicos de Engenharia, com cursos
fortemente orientados para a prática com uso intensivo de laboratórios;
2- Desenvolver no aluno forte consciência social, relacionada à utilização do
conhecimento e da tecnologia em prol do desenvolvimento da sociedade como um todo;
3- Oferecer formação voltada para a aplicação de tecnologia de ponta, admitindo a
rápida obsolescência destes conhecimentos e o papel da educação continuada para suprir a
necessidade de constante atualização dos profissionais de engenharia.
Paralelamente, à necessidade de reestruturação dos currículos, existe a necessidade
de reformulação das metodologias de ensino utilizadas nos cursos de engenharia.
A evolução da televisão, do computador e dos meios de comunicação operaram uma
verdadeira revolução na forma com que as pessoas em geral e, principalmente, os jovens
passaram a receber informações, e, em última análise, aprender. Este fato vem causando
transformações no campo do ensino, com a utilização de novas metodologias, além do
desenvolvimento e a divulgação dos avanços no campo da cognição e da psicopedagogia.
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Este contexto coloca os professores frente a um desafio duplo: a necessidade de
atualização técnica e a incorporação de técnicas de ensino mais eficientes.
A proposta metodológica aqui relatada, baseia-se numa experiência em
desenvolvimento no Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas da Escola de
Engenharia da UFRJ. Consiste no desenvolvimento e no estudo do uso de modelos físicos
no ensino de Mecânica das Estruturas.
HISTÓRICO
Em alguns ramos da engenharia, como é o caso da engenharia elétrica e da
engenharia eletrônica, os cursos foram estruturados com base no uso intensivo de
laboratórios. Na engenharia civil, no entanto, e, em alguns casos, na engenharia mecânica, o
ensino do comportamento das estruturas tornou-se eminentemente teórico, devido ao
rápido desenvolvimento das técnicas computacionais e da difusão do uso de programas de
computador extremamente eficientes.
A análise computacional tornou-se, sem dúvida alguma, mais barata e menos
trabalhosa do que a análise experimental. Por este motivo, em alguns casos, as aulas de
laboratório foram totalmente suprimidas, como ocorreu no Departamento de Mecânica
Aplicada e Estruturas (DME) da Escola de Engenharia (EE) da UFRJ.
Na Escola de Engenharia da UFRJ, o DME é tradicionalmente responsável por
ministrar disciplinas relacionadas com o ensino do comportamento das estruturas, do 1o ao
10o período do curso de engenharia civil. Algumas destas disciplinas são ofertadas também
para outros cursos da EE, como é o caso da Mecânica e a Resistência dos Materiais.
A partir na identificação e da análise do contexto anteriormente apresentado, aliadas
ao reconhecimento internacional da importância de retomar e enfatizar as práticas de
laboratório nos cursos de engenharia, iniciou-se no DME um projeto de ensino que visa
desenvolver uma nova metodologia para ensino de comportamento das estruturas,
envolvendo a utilização de modelos físicos.
A EXPERIÊNCIA DO DME
O do Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas da Escola de Engenharia da
UFRJ (DME) é tradicionalmente responsável por disciplinas oferecidas a todas as
habilitações do curso de engenharia, como a Mecânica Racional (3o período) e a Resistência
dos Materiais (5o e 6o períodos), disciplinas básicas para o curso de Engenharia Civil, como
a Mecânica Clássica (1o período) e Elementos de Mecânica Aplicada (4o período), além de
disciplinas das ênfases Estruturas e Métodos Numéricos (7o a 10o períodos).
A partir na identificação e da análise do contexto anteriormente apresentado, aliadas
ao reconhecimento internacional da importância de retomar e enfatizar as práticas de
laboratório nos cursos de engenharia, iniciou-se no DME o projeto "Desenvolvimento e
Utilização de Modelos Físicos para o Ensino do Comportamento das Estruturas", que visa
desenvolver uma nova metodologia para ensino de comportamento das estruturas,
envolvendo a utilização de modelos físicos, além da produção continuada de modelos
didáticos.
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Dentro desta perspectiva, foi iniciada a reformulação de diversas disciplinas, além da
criação de novas disciplinas, tomando como base a necessidade de ampliar as atividades de
laboratório.
Foram inseridas aulas de laboratório em diversas disciplinas, do 1o ao 10o períodos,
tais como Mecânica Racional (3o período); Resistência dos Materiais (5o e 6o períodos);
Concreto Armado (8o período), Análise das Estruturas I e II (8o e 9o períodos). Além disto,
foi proposta a criação de novas disciplinas, voltadas exclusivamente para a experimentação:
Laboratório de Mecânica Clássica (1o período); Laboratório de Mecânica Racional (3o
período); Laboratório de Resistência dos Materiais (5o e 6o períodos); Laboratório de
Concreto Armado (8o período).
OBJETIVOS
O projeto "Desenvolvimento e Utilização de Modelos Físicos para o Ensino de
Mecânica das Estruturas" e as ações citadas acima, envolvem diversos objetivos, listados a
seguir:
1. elevar o nível de compreensão e fixação de conceitos teóricos, por parte dos
alunos;
2. estabelecer uma relação mais clara e direta entre a teoria e a prática no ensino de
engenharia;
3. ampliar significativamente o contato dos alunos de graduação com a prática de
laboratório nos cursos de Engenharia;
4. proporcionar ao aluno de graduação uma formação científica básica dentro de um
panorama de integração multidisciplinar;
5. estruturar uma equipe para produção continuada de material didático para ensino
de engenharia;
6. criar um espaço onde os alunos, principalmente aqueles dos períodos iniciais de
graduação, possam participar de forma ativa no processo de concepção,
construção e ensaio de modelos físicos capazes de reproduzir o comportamento
de diferentes estruturas;
7. ampliar significativamente o número de alunos envolvidos com monitoria e
iniciação científica;
8. criar um ambiente que amplie e intensifique o contato dos alunos de graduação
com a metodologia de pesquisa e com alunos e professores de pós-graduação;
 
METODOLOGIA
A metodologia proposta consiste basicamente no uso de modelos físicos, para
ilustrar definições e conceitos teóricos, aliado à observação de seu comportamento real, e à
comparação com o comportamento previsto pela teoria. Propõe-se que os principais tópicos
das disciplinas sejam estudados a partir dos modelos físicos, realizando-se continuamente a
integração entre teoriae prática. Por este motivo, é idealmente desejável que o ambiente da
sala de aula permita a utilização do estudo do comportamento dos modelos físicos, de
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forma integrada com a explicação teórica e com o uso de computadores para a aquisição de
dados e análise computacional.
Nos casos em que não é possível criar um ambiente de sala de aula capaz de permitir
naturalmente a integração entre teoria e prática, sugere-se a utilização de modelos
qualitativos, para a ilustração de conceitos teóricos, e posterior fixação dos conceitos
teóricos por meio de aulas práticas. Os modelos qualitativos devem possuir dimensões
reduzidas, a fim de facilitar o seu transporte para a sala de aula.
O contato do aluno com a prática de laboratório é planejado para ser realizado em
diferentes níveis de profundidade, segundo objetivos e necessidades variadas.
No nível introdutório, o aluno tem um breve contato com o modelo físico, fazendo
leituras em diferentes instrumentos e registrando dados relativos ao comportamento do
modelo físico em serviço, que posteriormente serão comparados com valores obtidos a
partir da teoria existente. Neste nível de profundidade, as ações dos alunos são conduzidas
por um roteiro de realização do experimento. Neste caso, o contato do aluno com o
experimento é geralmente restrito a uma ou duas aulas e o experimento pode ser realizado
simultaneamente por toda a turma acompanhada pelo professor, ou fora do horário de aula,
por pequenos grupos acompanhados por monitores..
No nível intermediário, o contato do aluno com o modelo físico é aprofundado por
meio das atividades que envolvem a criação, o projeto, a construção e a análise de modelos,
que serão utilizados em aulas práticas no nível introdutório. Neste caso o aluno tem mais
liberdade de criação e de reflexão sobre o comportamento físico do modelo, bem como das
questões relativas ao desenvolvimento da teoria, como por exemplo a adoção de hipóteses
simplificadoras. Esta tarefa normalmente é proposta como um projeto da disciplina, tendo
com prazo máximo de execução um semestre letivo.
No nível avançado, o aluno tem contato com a análise experimental de modelos
físicos, por meio de projetos de iniciação científica, aprofundando a análise teórica. Neste
caso, pode-se fortalecer a interface existente com projetos de pesquisa de pós-graduação. A
duração dos projetos com este nível de aprofundamento situa-se, geralmente, em torno de 2
a 3 semestres.
Consideramos que as atividades envolvidas na criação, projeto e construção de
modelos físicos são extremamente úteis no processo de síntese dos conhecimentos
adquiridos a partir da teoria, além de ampliar as possibilidades de desenvolvimento dos
alunos, de forma diferenciada, segundo as aptidões e interesses de cada um.
Para a construção dos modelos físicos e o desenvolvimento da metodologia de
utilização dos mesmos, foram estruturados grupos de trabalho compostos por um consultor
de conteúdo, um professor orientador e alunos. O consultor de conteúdo pode ser um
profissional externo à universidade e, em alguns casos, o consultor e o professor são a
mesma pessoa.
Para a implementação do projeto de desenvolvimento e utilização de modelos
didáticos, foi necessária a criação de três novos espaços de trabalho: o Laboratório de
Modelos Estruturais, a Oficina de Modelos e Protótipos e o Multilab. O primeiro destes
espaços é dedicado à utilização dos modelos físicos construídos; a oficina é um espaço para
a construção dos modelos e o Multilab visa oferecer suporte para o desenvolvimento de
material audiovisual, programas multimídia e softwares para utilização em conjunto com os
modelos físicos.
PARCERIAS
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O caráter interdisciplinar do projeto de desenvolvimento de modelos didáticos para
ensino de Mecânica das Estruturas, permitiu o surgimento de diversas parcerias, tanto no
desenvolvimento dos modelos físicos, quanto no desenvolvimento dos programas de
multimídia e softwares para análise teórica dos modelos físicos. Foram estabelecidas
parcerias no âmbito da própria universidade (interdepartamentares e entre diferentes
unidades) e parcerias entre diferentes instituições.
Dentre as todas as parcerias estabelecidas, a que mais se destacou foi a com o
Departamento de Desenho Industrial da Escola de Belas Artes da UFRJ. A partir desta
parceria, foram criadas duas novas disciplinas a serem ministradas no curso de Desenho
Industrial: Modelos Estruturais para o Desenho Industrial I e II. A partir desta parceria, o
projeto de desenvolvimento de modelos didáticos passou a contar com a participação de
alunos e professoras do Departamento de Desenho Industrial.
No âmbito interinstitucional, destaca-se a parceria com a Escola de Engenharia da
Universidade Federal Fluminense (UFF), que envolve troca de idéias e sugestões para a
construção de modelos, empréstimos e visitas de alunos e professores.
APLICAÇÃO
O resultado do trabalho ora em desenvolvimento no DME/EE aplica - se não apenas
a cursos de Engenharia, como também a cursos onde são ensinadas noções de
comportamento das estruturas, como os cursos de Arquitetura e Desenho Industrial. A
metodologia aqui proposta se aplica também a escolas de ensino médio e escolas técnicas.
APOIOS RECEBIDOS
A Fundação Universitária José Bonifácio vem apoiando este projeto com recursos
financeiros para a compra de materiais de consumo e o pagamento de estagiários.
O Projeto REENGE/UFRJ, que contou com recursos da CAPES, da FINEP e do
CNPq foi o principal responsável pela consolidação deste trabalho.
O apoio prestado pela Sub-Reitoria de Graduação da UFRJ, por meio de seu
programa de monitoria e do Programa LIG/UFRJ (laboratórios de Informática de
graduação), também foi fundamental para o desenvolvimento dos projetos descritos.
REFLEXÕES FINAIS E CONCLUSÃO
De uma forma geral, existe um consenso de que é necessário reestruturar os cursos
de engenharia para acompanhar os rápidos avanços tecnológicos que ocorrem atualmente.
Por outro lado o contexto histórico que envolve a formação dos professores de
engenharia não deve ser negligenciado, quando se fala de melhoria do ensino de engenharia.
De uma forma geral, estes professores iniciam suas carreiras por se tornar excelentes
técnicos e especialistas nos diversos ramos da engenharia. Aqueles que obtiveram seus
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diplomas de mestre e doutor em ciências tornaram-se, por sua vez, excelentes
pesquisadores.
Em geral, e com raras exceções, os professores de engenharia não possuem qualquer
especialização em ensino. Temas como avaliação, uso de meios em educação, formas de
aprendizado, geralmente não são apresentados aos professores de engenharia por
especialistas nestas áreas, de forma que cada um segue a sua intuição. Por este motivo é
comum encontrarmos altas taxas de reprovação, onde a justificativa é simplesmente a falta
de base dos alunos.
Na UFRJ, por exemplo, a taxa de evasão dos alunos nos dois primeiros anos de
curso é de 40%. Esta elevada taxa representa não somente desperdício de dinheiro público,
como também uma péssima experiência para estes jovens que saem da universidade
desestimulados e derrotados por um sistema de ensino que lhes imputa toda a culpa da
incompetência.
Considero que este quadro pode ser revertido por meio de um investimento maciço
de esforço na formação didático - pedagógica dos professores, da reforma dos currículos e
das técnicas de ensino, incluindo a reestruturação dos laboratórios existentes e a criação de
novos laboratórios.
A experiência aqui relatada, nada mais é do que uma tentativa de desenvolver uma
metodologia capaz de contribuir para esta difícil tarefa que é elevar nossos cursos de
engenharia aos níveis internacionais. Na ponta desta linha de causas e efeitos, encontra-se o
desejo e o dever de contribuir para o desenvolvimento da engenharia brasileira, gerando
empregos, e bem estar para a população e reduzindo desigualdadessociais.
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