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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA ALAN MARQUES FARIAS PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE GERADORES ELÉTRICOS EM LABORATÓRIOS VIRTUAIS E REAIS Cariacica 2020 ALAN MARQUES FARIAS PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE GERADORES ELÉTRICOS EM LABORATÓRIOS VIRTUAIS E REAIS Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação em Ensino de Física – Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, ofertado pela Sociedade Brasileira de Física em parceria com o Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Cariacica, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientador: Prof. Dr. Samir Lacerda da Silva Cariacica 2020 (Biblioteca do Campus Cariacica do Instituto Federal do Espírito Santo) F224p Farias, Alan Marques. Proposta didática para o ensino de geradores elétricos em laboratórios virtuais e reais / Alan Marques Farias – 2020. 196 f.: il.; 30 cm Orientador: Samir Lacerda da Silva Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Ensino de Física, 2020. 1. Correntes elétricas. 2. Geração de energia. 3. Simulação (computadores). 4. Aprendizagem por atividades. I. Silva, Samir Lacerda da. II. Instituto Federal do Espírito Santo – Campus Cariacica. III. Sociedade Brasileira de Física. IV. Título. CDD: 530.07 ALAN MARQUES FARIAS FARIAS, Alan Marques; SILVA, Samir Lacerda da. PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE GERADORES ELÉTRICOS EM LABORATÓRIOS VIRTUAIS E REAIS. Cariacica: Ifes, 2020. 55 p. Produto Educacional apresentado ao Programa de Pós-graduação em Ensino de Física – Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, ofertado pela Sociedade Brasileira de Física em parceria com o Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Cariacica, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Aprovado em 28 de fevereiro de 2020. COMISSÃO EXAMINADORA _________________________________________ Prof. Dr. Samir Lacerda da Silva Instituto Federal do Espírito Santo Orientador _________________________________________ Prof. Dr. Luiz Otávio Buffon Instituto Federal do Espírito Santo Membro interno _________________________________________ Prof. Dr. Filipe Leoncio Braga Instituto Federal do Espírito Santo Membro externo Dedico aos meus pais, Graciete e Anilton (in memoriam), que me educaram para a vida. AGRADECIMENTOS A Deus pela proteção e sustento diários. Ao meu orientador, Prof. Samir, pela enorme paciência, compreensão e apoio na orientação que permitiram a possibilidade de realização do presente trabalho. À banca examinadora pelas sugestões positivas que permitiram o enriquecimento do presente trabalho. Ao Prof. Jardel pelo apoio e orientação durante as fases finais do respectivo trabalho. A minha família pelos momentos de carinho, apoio e conselhos que auxiliaram e me permitiram chegar até aqui, principalmente nos momentos de dificuldades. Aos meus amigos Izabel Luzorio, Juliano Andrade, Renan Altoé e Marcela Nicoli, pelos momentos de conselhos, descontração, apoio e por me socorrerem nos momentos mais impróprios e de dificuldades. Aos meus primos Luciano Sagrillo e Rayane Lobo, que me socorreram nos momentos de dificuldades, para que eu pudesse concluir o curso. A todos que me ajudaram, direta e indiretamente, e que marcaram com sua presença em minha trajetória, acadêmica e social. Aos colegas do mestrado, por me presentearem com suas experiências, profissionais e de vida, durante os últimos dois anos. Agradeço à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (Capes) – Código de financiamento 001. Agradeço ao Instituto Federal do Espírito Santo Campus de Cariacica pela oportunidade de aperfeiçoamento pessoal e profissional. A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original. (Albert Einstein) RESUMO O presente trabalho relata a aplicação de uma sequência didática para o ensino de geradores elétricos em laboratórios virtuais e reais em uma Escola Pública Estadual. Esta Unidade Didática foi pensada e desenvolvida com base na luz da Prática Educativa de Zabala e na Teoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel, sendo concretizada com 12 aulas de 50 minutos em uma turma de terceiro ano do Ensino Médio no segundo trimestre do ano de 2019. Para a coleta de dados, os instrumentos utilizados foram: o Questionário 1 para identificação dos conhecimentos prévios, os resultados e conclusões sobre as 4 situações-problemas da simulação computacional, os questionários em cada uma das 4 atividades experimentais reais, o Questionário 2 referente a Avaliação individual da aprendizagem, o Questionário 3 referente a Avaliação das Unidades Didáticas. Para o formato qualitativo, os dados obtidos na pesquisa foram analisados fazendo referência ao referencial metodológico à Análise de Conteúdo, proposto por Bardin (1977). As análises atitudinal, conceitual e procedimental, no formato qualitativo, das atividades e questionários propostos, mostraram que os discentes evoluíram em cada encontro e se apropriaram dos conceitos acerca da indução eletromagnética no funcionamento dos geradores elétricos, bem como de atitudes e procedimentos científicos a serem adotados perante às situações problemas propostas. Observou- se, também, por meio dos resultados obtidos do Questionário 3, que os discentes indicaram satisfatoriamente o uso das práticas experimentais reais e virtuais, alegando, ainda, que as mesmas contribuíram para o despertar da sua motivação e interesse pela disciplina, em especial, pelo tema trabalhado. Portanto, por meio das evidências coletadas, conclui-se que a sequência didática utilizada na turma estudada contribuiu na introdução dos conceitos de indução eletromagnética na vida desses estudantes, sendo bem recebida por eles, principalmente nas atividades experimentais reais. Palavras-chave: Geradores elétricos. Aprendizagem Significativa. Atividades Experimentais. Simulação Computacional. ABSTRACT The present work reports the application of a Didactic Sequence for teaching electric generators in virtual and real laboratories of a State Public School. This Didactic Unit was designed and developed based on the Zabala Educational Practice and David Ausubel's Theory of Meaningful Learning, being held with 12 50-minute classes in a third year class in the second quarter of 2019. Given the instruments , were used: previous organizer in text format, questionnaire 1 to identify previous knowledge, as progressive differentiations and integrative reconciliations as 4 experimental situations of problems in computer simulation, as related progressive differentiations of the 4 activities carried out in the questionnaire 2 laboratories in relation to individual learning assessment; questionnaire 3 regarding the evaluation of the didactic unit. For the qualitative and quantitative format, the data obtained in the research were analyzed, making reference to the methodological method referenced in the Content Analysis, proposed by Bardin (1977). The measures of the attitudinal, conceptual and procedural dimensions, in a qualitative format, of the proposed activities and questionnaires, show that the students evolved in each meetingand appropriated the concepts related to electromagnetic induction in the operation of electric generators, in addition to medical assistance. attitudes and procedures to be adopted in the face of problematic situations. Also note, through the results obtained in Questionnaire 3, that the indicators satisfactorily indicate the use of real and virtual laboratories, claiming, in addition, that they contributed to awaken their motivation and interest in the discipline, especially in the topic worked on. Therefore, through the collected use, we conclude that the Didactic Sequence used in the studied study contributed to the introduction of concepts of electromagnetic induction in the lives of these students, being well received by them, mainly in real experimental activities. Keywords: Electric Generators. Meaningful Learning. Experimental Activities. Computational Simulation. LISTA DE FIGURAS Figura 01 – Espira circular imersa em um campo magnético: (a) plano da área da espira com ângulo θ = 60º em relação ao campo magnético; (b) plano da área da espira com ângulo θ = 0º em relação ao campo magnético; (c) plano da área da espira com θ = 90º em relação ao campo magnético. ............................................................................................ 26 Figura 02 – Espira, no formato circular, com o plano perpendicular à direção norte e sul de um ímã, com: (a) aumento do fluxo de indução, isto é, linhas de força do ímã (linhas pontilhada) perpassando pelo interior da espira ao longo do tempo, com a aproximação do ímã; (b) corrente elétrica induzida na espira gerando o campo magnético induzido no interior da espira, campo magnético esse que é composto pelas linhas de força (linhas contínuas), devido a aproximação do ímã. ............................... 26 Figura 03 – Espira circular ligada a um multímetro e submetida a uma variação de fluxo magnético: (a) Com a aproximação do ímã há aumento do fluxo de campo magnético na espira, de modo que a espira se caracterize como um dipolo, com o pólo norte, representado pelo letra N, no plano da espira na perpendicular com o ímã; (b) Com o afastamento do ímã há redução do fluxo de campo magnético na espira, de modo que a espira se caracterize como um dipolo, com o pólo sul, representado pela letra S, no plano da espira na perpendicular com o ímã. ............. 31 Figura 04 – Regra da mão direita aplicada em uma espira submetida a uma variação de fluxo de campo magnético: (a) Corrente elétrica induzida no sentido anti-horário (de acordo com o sentido do polegar da mão direita) e campo magnético induzido (de acordo com o sentido dos indicadores da mão direita) produzidos pela aproximação do pólo norte do ímã; (b) Corrente elétrica induzida no sentido anti-horário (de acordo com o sentido do polegar da mão direita) e campo magnético induzido (de acordo com o sentido dos indicadores da mão direita) produzidos pela aproximação da espira do pólo norte do ímã. ........................................ 32 Figura 05 – Mapa Conceitual sobre a aplicação do fenômeno da indução eletromagnética na geração de corrente elétrica, mostrando as relações entre os principais conceitos trabalhados na sequência didática. ............................................................................................ 59 Figura 06 – Fotografia realizada no ambiente da Biblioteca, referente ao Encontro 5 no dia 10/06/2019 na escola EEEFM “Célia Teixeira do Carmo”, onde são mostrados 9 alunos da turma contendo 18 alunos. ......................... 67 Figura 07 – Fotografia realizada no ambiente da sala de aula, referente aos Encontros 8 e 10, realizados nos dias 24/06/2019 e 01/07/2019 na escola EEEFM “Célia Teixeira do Carmo”, onde são mostrados 7 alunos da turma contendo 18 alunos: (a) os alunos realizam o experimento real nº 02; (b) os alunos realizam o experimento real nº 04. ...................................................................................................... 67 Figura 08 – Fotografias dos Kit’s experimentos reais: (a) Experimento real nº 01 utilizado pelos alunos com foco no conceito de geração de campo magnético a partir de uma corrente elétrica; (b) Experimento real nº 02 utilizado pelos alunos com foco no conceito de geração de corrente elétrica a partir da variação do campo magnético; (c) Experimento real nº 03 com foco no conceito de geração de campo magnético a partir de um campo magnético; (d) Experimento real nº 04 com foco no conceito de geração de campo magnético induzido a partir de um campo magnético com multímetro; (e) Experimento real nº 04 com foco no conceito de geração de campo magnético induzido a partir de um campo magnético com LED simples. ................................................... 68 Figura 09 – Fotografias realizada no ambiente da sala de aula, referente ao Encontro 11, realizado no dia 08/07/2019 na escola EEEFM “Célia Teixeira do Carmo”, onde são mostrados 6 alunos da turma contendo 18 alunos, realizando o preenchimento individual do Questionário 2. ..................... 69 LISTA DE TABELAS Tabela 01 – Resultados da Questão 10 do Questionário 3 ..................................... 103 Tabela 02 – Resultados da Questão 11 do Questionário 3 ..................................... 103 Tabela 03 – Resultados da Questão 12 do Questionário 3 ..................................... 105 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A01 – Atividade Experimental nº 01 A02 – Atividade Experimental nº 02 A03 – Atividade Experimental nº 03 A04 – Atividade Experimental nº 04 BNCC – Base Nacional Curricular Comum CCA/UFES – Centro de Ciências Agrárias da Universidade Federal do Espírito Santo CC – Concepção Científica CP – Concepção Científica Aceita Parcial CV – Vestígios de Concepção Científica Aceita CD – Distante da Concepção Científica Aceita EEEFM – Escola Estadual de Ensino Fundamental e Médio LED – Diodo Emissor de Luz Q01 – Questionário 1 Q02 – Questionário 2 Q03 – Questionário 3 PCNEM – Parâmetros Curricular Nacional do Ensino Médio S1 – Corrente elétrica induzida gerada pela variação do fluxo de campo magnético S2 – Campo magnético induzido gerado pela corrente elétrica S3 – Ação da variação do fluxo magnético na intensidade luminosa S4 – Ação da variação do número de espiras na intensidade da corrente elétrica SC – Simulação Computacional TIC – Tecnologia da Informação e Comunicação UR – Unidade de Registro US – Unidade de Significação LISTA DE QUADROS Quadro 01 – Grandezas relacionadas com a variação de fluxo magnético .............. 30 Quadro 02 – Síntese dos encontros 01 e 02 ............................................................. 51 Quadro 03 – Síntese dos encontros 03 e 04 ............................................................. 52 Quadro 04 – Síntese dos encontros 05 e 06 ............................................................. 53 Quadro 05 – Síntese dos encontros 07 e 08 ............................................................. 54 Quadro 06 – Síntese dos encontros 09 e 10 ............................................................. 55 Quadro 07 – Síntese dos encontros 11 e 12 ............................................................. 56 Quadro 08 – Divisão da sequência didática proposta ............................................... 59 Quadro 09 – Etapas propostas para o método da análise de conteúdo .................... 71 Quadro 10 – Códigos representacionais, categorias e subcategorias referentes as concepções científicas aceitas referentes aos questionários realizados na pesquisa ........................................................................................ 73 Quadro 11 – Concepções relativas apresentadas pelos discentes na etapa de identificação dos conhecimentos prévios .........................................77 Quadro 12 – Frequências de respostas aceitas fornecidas pelos estudantes para responder ao questionário 1............................................................... 79 Quadro 13 – Concepções apresentadas pelos discentes como resultados na simulação computacional ................................................................. 82 Quadro 14 – Concepções apresentadas pelos discentes como conclusões na simulação computacional ................................................................. 83 Quadro 15 – Frequências de respostas aceitas fornecidas pelos estudantes para responder ao questionário da simulação computacional ................... 86 Quadro 16 – Concepções apresentadas pelos discentes no experimento real nº 01 87 Quadro 17 – Opinião dos estudantes sobre o experimento real nº 01 desenvolvido 89 Quadro 18 – Concepções apresentadas pelos discentes no experimento real nº 02 .................................................................................................................................. 91 Quadro 19 – Frequências de respostas aceitas fornecidas pelos estudantes para responder ao questionário do experimento real nº 02 ........................ 94 Quadro 20 – Concepções apresentadas pelos discentes nos experimento reais nº 03 e nº 04 .................................................................................................. 96 Quadro 21 – Frequências de respostas aceitas fornecidas pelos estudantes para responder ao questionário do experimento real nº 03 ........................ 98 Quadro 22 – Frequências de respostas aceitas fornecidas pelos estudantes para responder ao questionário do experimento real nº 04 ........................ 98 Quadro 23 – Concepções utilizadas pelos estudantes para responder as questões 1, 2, 3 e 6 do Questionário 2 .................................................................. 100 Quadro 24 – Concepções utilizadas pelos estudantes para responder as questões 4 e 5 do Questionário 2 ......................................................................... 100 Quadro 25 – Opinião dos estudantes sobre a sequência didática .......................... 106 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 18 1.1 TRAJETÓRIA E MOTIVAÇÃO PESSOAL ................................................... 22 2 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA ............................................................... 24 2.1 INTERAÇÕES A DISTÂNCIA ...................................................................... 24 2.2 FLUXO DE CAMPO MAGNÉTICO .............................................................. 25 2.3 FARADAY E A INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA ....................................... 28 2.4 VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO QUE ATRAVESSA A ESPIRA ....... 29 2.5 LEI DE FARADAY-LENZ ............................................................................. 32 3 REFERENCIAL TEÓRICO .......................................................................... 34 3.1 CURIOSIDADE, MOTIVAÇÃO E ENSINO NA APRENDIZAGEM .............. 34 3.2 APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA: O QUE É ATRIBUIR SIGNIFICADO? 40 3.3 O QUE É APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA? ........................................... 40 3.4 A FORMAÇÃO DE SUBSUNÇORES .......................................................... 43 3.5 O QUE É NECESSÁRIO PARA QUE OCORRA A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA E COMO VERIFICAR SUA OCORRÊNCIA?................... 45 3.6 E O QUE É ATRIBUIR SIGNIFICADOS, PRÓPRIO DESSA TEORIA DE APRENDIZAGEM ....................................................................................... 46 4 METODOLOGIA ......................................................................................... 49 4.1 TIPO DE PESQUISA ................................................................................... 49 4.2 CARACTERIZAÇÃO DA INSTITUIÇÃO ...................................................... 49 4.3 OS PARTICIPANTES DA PESQUISA......................................................... 51 4.4 OS INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS ......................................... 51 4.4.1 Questionário 1 ........................................................................................... 51 4.4.2 Laboratório computacional ...................................................................... 52 4.4.3 Laboratório real ......................................................................................... 53 4.4.4 Avaliação individual .................................................................................. 56 4.4.5 Avaliação da sequência didática ............................................................. 56 4.5 CONSTRUÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA ............................................. 57 4.5.1 Objetivos específicos de ensino .............................................................. 57 4.5.2 A sequência didática ................................................................................. 58 4.5.3 Descrição da sequência didática ............................................................. 59 4.5.3.1 Simulação computacional ............................................................................ 61 4.5.3.2 Organizador prévio ...................................................................................... 61 4.5.3.3 Conhecimentos prévios ............................................................................... 61 4.5.3.4 Situações-problema iniciais ......................................................................... 62 4.5.3.5 Aprofundando conhecimentos ..................................................................... 62 4.5.3.6 Exposição dialogada ................................................................................... 62 4.5.3.7 Conclusões da simulação computacional .................................................... 63 4.5.3.8 Experimentos reais ...................................................................................... 63 4.5.3.9 Avaliação individual da aprendizagem ........................................................ 63 4.5.3.10 Avaliação da individual da aprendizagem ................................................... 64 4.5.3.11 Avaliação da sequência didática ................................................................. 64 4.6 A APLICAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA ............................................... 64 4.7 ANÁLISE DE CONTEÚDO .......................................................................... 69 5 RESULTADOS E ANÁLISES ..................................................................... 72 5.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE A METODOLOGIA DE ANÁLISE .................. 72 5.2 IDENTIFICAÇÃO DOS CONHECIMENTOS PRÉVIOS .............................. 76 5.3 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ................................ 80 5.4 RESULTADOS DAS ATIVIDADES EXPERIMENTAIS ................................ 86 5.4.1 Experimento real nº 01 .............................................................................. 86 5.4.2 Experimento real nº 02 .............................................................................. 90 5.4.3 Experimentos reais nº 03 e nº 04 ............................................................. 94 5.5 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO INDIVIDUAL DA APRENDIZAGEM ........ 99 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................... 107 REFERÊNCIAS ........................................................................................ 110 APÊNDICE A – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO .................................................................................................................113 APÊNDICE B – TERMO DE CESSÃO DE IMAGEM E VOZ PARA FINS EDUCACIONAIS ...................................................................................... 115 APÊNDICE C - QUESTIONÁRIO 1 .......................................................... 117 APÊNDICE D – AVALIAÇÃO QUALITATIVA INCIAL REALIZADA PELOS ESTUDANTES NA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO DIFERENCIAL PROGRESSIVA .............................................................. 118 APÊNDICE E – AVALIAÇÃO QUALITATIVA FINAL REALIZADA PELOS ESTUDANTES COMO RECONCILIAÇÃO INTEGRATIVA COMPUTACIONAL .................................................................................. 120 APÊNDICE F – EXPERIMENTO REAL Nº 01 ......................................... 121 APÊNDICE G – EXPERIMENTO REAL Nº 02 ......................................... 123 APÊNDICE H – EXPERIMENTO REAL Nº 03 ......................................... 124 APÊNDICE I – EXPERIMENTO REAL Nº 04 .......................................... 125 APÊNDICE J – AVALIAÇÃO INDIVIDUAL DA APRENDIZAGEM ......... 127 APÊNDICE K – AVALIAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA .................... 130 APÊNDICE L – PRODUTO EDUCACIONAL ........................................... 131 ANEXO A – TEXTO “MICHAEL FARADAY: O CAMINHO DA LIVRARIA À DESCOBERTA DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA” ...................... 188 18 1 INTRODUÇÃO A utilização de computadores como ferramenta educativa é crescente nas escolas, devido principalmente aos programas de simulação (HECKLER et al., 2007). Por meio deles podemos explorar as vantagens oriundas do uso de Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), como computadores, celulares e tabletes, além de propiciar o aprimoramento do potencial cognitivo dos estudantes, potencializando suas percepções atitudinais, procedimentais e conceituais na Física. A utilização de simuladores, à priori, pode ser um caminho promissor na minimização das dificuldades que circundam o processo de ensino e aprendizagem, destacando-se como ferramenta que, segundo Francisco (2012), auxilia na aproximação dos discentes com a compreensão do fenômeno estudado e com o mundo real, sendo ressaltado como um recurso potencializador das relações teórico- práticas. A Base Nacional Comum Curricular (BNCC), afirma que devemos contribuir para a inclusão digital, fazendo uso de softwares educativos, como os simuladores, destacando sua utilização como recursos em atividades de Física, demonstrando seu uso como uma ferramenta que pode contribuir na verificação e constatação de hipóteses, princípios, teorias e leis físicas (BRASIL, 2018). Ao seguir os preceitos estabelecidos pela Base Nacional Comum Curricular (BNCC), buscamos superar os desafios impostos pela cultura digital, com enfoque na formação das novas gerações. Pois é Imprescindível que a escola compreenda e incorpore mais as novas linguagens e seus modos de funcionamento, desvendando possibilidades de comunicação (e também de manipulação), e que eduque para usos mais democráticos das tecnologias e para uma participação mais consciente na cultura digital. Ao aproveitar o potencial de comunicação do universo digital, a escola pode instituir novos modos de promover a aprendizagem, a interação e o comportamento de significados entre professores e estudantes (BRASIL, 2018, p. 61). O emprego de laboratórios reais, assim como os laboratórios computacionais, são fundamentais para um aprofundamento e interação de conceitos e procedimentos 19 em sala de aula. Segundo os Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio – PCNEM (BRASIL, 1999, p. 22), espera-se que o ensino de Física, na escola média, contribua para a formação de uma cultura efetiva, que permita ao indivíduo a interpretação dos fatos, fenômenos e processos naturais, situando e dimensionando a interação do ser humano com a natureza como parte da própria natureza em transformação. Para tanto, é essencial que o conhecimento físico seja explicitado como um processo histórico, objeto de contínua transformação e associado às outras formas de expressão e produção humanas. Atualmente, mesmo com o norteamento promovido pelos PCNEM, fica evidente a contradição existente entre o exposto acima e a realidade da maioria das escolas públicas. Pois, segundo o PCNEM, espera-se [...] construir uma visão da Física voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade. Nesse sentido, mesmo os jovens que, após a conclusão do ensino médio, não venham a ter mais qualquer contato escolar com o conhecimento em física, em outras instâncias profissionais ou universitárias, ainda terão adquirido a formação necessária para compreender e participar do mundo em que vivem (BRASIL, 2000, p. 56). Entretanto, mesmo a direção apontada pelos PCNEM não sendo consistentes com a realidade atual percebida pelos professores, esforços não são poupados para deixar essa realidade no passado. Alguns autores, assim como Melo (2010), Martins et al. (2011), Santos e Dickman (2019) e Sena (2016), conduzem estudos e perspectivas voltados para caminhos que possam ampliar e despertar novos olhares para o Ensino de Física, a fim de promover o crescimento ao acesso de programas computacionais e laboratórios reais que contribuam em sala de aula e que também estimulem a difusão de métodos validados e significativos para a aprendizagem. Para a construção e aplicação da pesquisa, partiu-se do projeto, que teve como direcionamento a seguinte pergunta norteadora: “Compreender como uma sequência didática, baseada em atividades práticas experimentais e de simulação computacional, construída no contexto da teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel, pode contribuir para a aprendizagem do tema geradores elétricos, nas dimensões conceitual e procedimental numa turma de Ensino Médio?”. É seguindo essa premissa, que foi proposta uma sequência didática para o ensino de Física, de modo que possam ampliar e diversificar as abordagens no ensino- aprendizagem. Desta forma, a proposta deste trabalho de pesquisa consiste na 20 elaboração de uma sequência didática voltada para o ensino de Indução Eletromagnética voltada para os Geradores Elétricos. A sequência didática desenvolvida faz uso de situações-problemas, que se baseiam na Teoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel, aplicadas em práticas virtuais e experimentais e resolução de problemas com o intuito de proporcionar uma aprendizagem significativa dos estudantes. Deste modo, esperamos promover a participação constante e ativa dos participantes e desenvolver situações-problemas que sirvam de apoio para outros professores no norteamento das construções dos conceitos envolvidos. O objetivo geral do referido trabalho consiste em construir uma sequência didática utilizando experimentos e simulações computacionais que motivem e facilitem a aprendizagem significativa do conceito de indução eletromagnética no funcionamento de geradores elétricos no Eletromagnetismo para, assim, aplicar e analisar os possíveis indícios de aprendizagem significativas que a proposta possa alcançar. Desmembrando o objetivo geral em objetivos específicos de pesquisa voltados para a sequência didática e para o tema Geradores elétricos, sendo eles, construir uma sequência didática para o ensino de geradores elétricos, baseada em atividades práticas experimentais e de simulação computacional, dentro do contexto da teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel; investigar a apropriação de conceitos físicos relativos a tema geradores elétricos por parte dos estudantes ao longo e ao final da intervenção educacional; analisar possíveis melhorias entre os estudantes relativo à dimensão procedimental e atitudinal ao longo e ao final da intervenção educacional; e, avaliar a opinião dos estudantesem relação a intervenção aplicada. E, como objetivos de ensino, buscamos com o trabalho que os estudantes pudessem apropriar-se sobre o fenômeno da Indução eletromagnética e além de visualizá-lo como fenômeno com aplicação tecnológica; observar, identificar e explicar o fenômeno de geração de correntes elétricas induzidas por meio da relação entre Campo Magnético e Campo Elétrico induzido; aplicar o conceito de indução eletromagnética e seus princípios na resolução de situações-problema; analisar as concepções dos estudantes sobre as estratégias de ensino utilizadas no decorrer da sequência didática sobre indução eletromagnética na construção de Geradores Elétricos; conceituar a indução eletromagnética e descrevê-lo através das 21 Leis de Faraday e de Lenz; identificar as aplicações tecnológicas da indução eletromagnética na construção de Geradores Elétricos. No geral, com o trabalho, buscamos promover e fortalecer o interesse dos estudantes no processo de ensino- aprendizagem, demonstrando para os discentes que a física, assim como outras ciências, consiste em uma construção humana e as tecnologias derivadas dela são patrimônios imateriais da sociedade na qual estamos inseridos. Este trabalho está estruturado em 6 capítulos. No primeiro capítulo, é apresentado uma contextualização a respeito do tema do tema trabalhado, objetivos gerais e específicos, biografia do professor-pesquisador e as motivações que o conduziram a abordar tal tema. O capítulo 2, refere-se a Indução Eletromagnética, tratando-se da fundamentação teórica sobre o qual a presente dissertação foi vislumbrada. Esse capítulo apresenta as explanações sobre as interações a distância presentes na denominação do fluxo de indução de Faraday devido à indução eletromagnética por meio da Lei de Faraday-Lenz. No capítulo 3, denominado Referencial Teórico, trata-se da fundamentação teórica que o trabalho tem como base, sob a luz da aprendizagem significativa de David Ausubel e a visão conceitual e procedimental de Antoni Zabala, sendo apresentado No capítulo 4, trata-se da metodologia empregada no trabalho, abordando o local da realização da pesquisa, o quantitativo de estudantes do 3º ano do Ensino Médio, além das características sociais da clientela atendida pela escola e de sua infraestrutura. Ressalto, ainda, a construção da sequência didática e as técnicas utilizadas para a sua aplicação e coleta dos obtidos. O capítulo 5, denominado Resultados e Análises, consiste na apresentação dos dados coletados a partir da aplicação da sequência didática, além da análise dos resultados obtidos ao fazer uso da metodologia proposta por Bardin (2011), com o intuito de constatar indícios de aprendizagem significativa decorrentes da sequência didática, além de averiguar a sua aceitação e validação por parte dos estudantes. 22 No capítulo 6, aborda-se as Considerações Finais relacionadas ao presente trabalho, demonstrando as visões obtidas pelo professor pesquisador, com relação ao andamento geral da dissertação, desde sua concepção até o seu resultado final. Por fim, no APÊNDICE L consta o produto educacional resultado desta dissertação, estruturado de maneira a ser útil e aplicado facilmente por outros colegas de profissão que tenham o interesse de aprofundar conceitualmente e procedimentalmente os conhecimentos dos estudantes em sala de aula. 1.1 TRAJETÓRIA E MOTIVAÇÃO PESSOAL O Ensino Médio atual, com disciplinas científicas, como a Física, têm omitido os desenvolvimentos realizados durante o século XX e tratam de maneira enciclopédica e excessivamente dedutiva os conteúdos tradicionais. Para uma educação com o sentido que se deseja imprimir, só uma permanente revisão do que será tratado nas disciplinas garantirá atualização com o avanço do conhecimento científico e, em parte, com sua incorporação tecnológica. Como cada ciência, que dá nome a cada disciplina, deve também tratar das dimensões tecnológicas a ela correlatas, isso exigirá uma atualização de conteúdos ainda mais ágil, pois as aplicações práticas têm um ritmo de transformação ainda maior que o da produção científica (BRASIL, 1999, p. 8) O tema escolhido para a realização deste trabalho pode não causar curiosidade para determinados colegas, pois temos muitos trabalhos desenvolvidos na área do eletromagnetismo, porém estes não abordam de forma concomitante os experimentos computacionais e reais, de modo que formem uma sequência didática que elucide conceitualmente o funcionamento dos geradores elétricos. Pois, Brasil (1999), enfatiza que uma abordagem dessa natureza, de modo que [...] Modelos de condução elétrica para condutores e isolantes poderiam ser desenvolvidos e caberia reconhecer a natureza eletromagnética dos fenômenos desde cedo, para não restringir a atenção apenas aos sistemas resistivos, o que tradicionalmente corresponde a deixar de estudar motores e geradores. Além dos aspectos eletromecânicos, poder-se-ia estender a discussão de forma a tratar também elementos da eletrônica das telecomunicações e da informação, abrindo espaço para a compreensão do rádio, da televisão e dos computadores (BRASIL, 1999, p. 26) O anseio para o desenvolvimento da sequência didática tem o intuito de ir além do alcançado normalmente nas salas de aulas, dos 3º anos do Ensino Médio, devido as avaliações externas que ocupam muito tempo e as aulas por semana são limitadas. Com ela, teremos uma contribuição para o desenvolvimento de habilidades e 23 competências, obtendo uma produção humana, além da compreensão dos conjuntos de equipamentos e procedimentos necessários, futuramente ou não, para seu cotidiano doméstico, social e profissional. Sou Técnico de Agroindústria pela Escola Agrotécnica Federal de Alegre, hoje intitulado como Instituto Federal do Espírito Santo – Campus Alegre, no ano de 2005. No ano de 2011 graduei-me como Engenheiro de Alimentos pelo Centro de Ciências Agrárias da Universidade Federal do Espírito Santo – CCA/UFES. Nesse mesmo período, iniciei minha carreira docente ministrando a disciplina de Tecnologia de Balas, Confeitos e Chocolates no Serviço de Aprendizagem Industrial de Vila Velha – Espírito Santo (SENAI – Vila Velha – ES) até o encerramento do contrato. Em 2013, graduei-me em Complementação Pedagógica em Licenciatura em Matemática pela Faculdade de Educação da Serra - FASE. E, dando continuidade aos estudos, em 2014, conclui minha Pós-Graduação Lato Sensu em Matemática e Física por meio da Faculdade de Ciência e Educação do Caparaó. Desde 2013 tenho trabalhado principalmente na rede pública de ensino, com aulas de Matemática e Física, do 6º ano do Ensino Fundamental até o 3º ano do Ensino Médio. Venho intercalando, constantemente, meu trabalho entre as duas disciplinas. Nessa minha trajetória como docente no ensino de Física, tive abordagens em que era perceptível o encantamento e a curiosidade que os estudantes demonstravam quando eram realizadas aulas práticas. A curiosidade dominava a maioria dos estudantes, facilitando meu trabalho e me motivando a querer sempre buscar alternativas mais desafiadores para os estudantes. Entretanto, o tema referente aos geradores elétricos era sempre o mais desafiador, pois os estudantes apresentavam grandes dificuldades em compreender o fenômeno, e realizar seus os cálculos que o compete, principalmente tendo que entender de forma abstrata. Contudo, foi pensando em melhorar e buscar uma alternativa instigante, que possibilitasse a aprendizagem e a autonomia dos estudantes que vislumbrei o presente trabalho. 24 2 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA Nesse capítulo, descreveremos uma síntese do conceito de indução eletromagnética e a Lei de Faraday, que serão abordados para estudo na presente sequência didática. Apresentaremos, também, uma breve discussão sobre como esse conceito éabordado em alguns livros didáticos do Ensino Médio, destinados a rede pública de ensino no Espírito Santo. A bibliografia principal usada em toda sessão como aporte teórico foi Halliday (2016). 2.1 INTERAÇÕES A DISTÂNCIA Atualmente, a explicação para que dois corpos interajam à distância, consiste em que um corpo aja sobre outro direta e imediatamente à distância, sem a necessidade de comunicação, por contato, entre eles, fazendo uso das linhas de força ou linhas de indução do campo magnético, que são linhas imaginárias que saem do pólo norte e entram no pólo sul de um material com características magnéticas ou condutores percorridos por corrente elétrica. Os espaços por onde essas linhas de força atuam são chamados de campo magnético, de acordo com os exemplos apresentados na Figura 01. A partir do exposto acima, vemos que a interpretação para a situação é chamada de “ação direta à distância”, demonstrando em suma como a interação gravitacional é ensinada no primeiro ano do Ensino Médio. Tal ideia está contida na Lei da Gravitação Universal de Newton, relatando que massa atrai massa à distância de forma instantânea e sem o envolvimento de qualquer outro meio do espaço entre as massas. Entretanto, sabe-se que a Física Newtoniana contribuiu para o fortalecimento dessa ação direta a distância, mas o próprio Newton não era defensor desta ideia como mostra uma correspondência, endereçada a Richard Bentley, em 1693, escrita por Isaac Newton, onde ele diz que: [...] É inconcebível que a matéria inanimada bruta possa, sem a mediação de alguma outra coisa que não seja material, operar sobre e afetar outra matéria sem contato mútuo, como teria de ser se a gravitação, no sentido de Epicuro, fosse essencial e inerente a ela. (...) Que a gravidade seja inata, 25 inerente e essencial à matéria, de modo que um corpo possa agir a distância sobre outro através do vácuo, sem a mediação de alguma outra coisa, pela qual sua ação e força possam ser transportadas para o outro, é para mim absurdo tão grande, que creio que nenhum homem que tenha em assuntos filosóficos uma faculdade competente de pensar possa jamais nele incorrer. A gravidade há de ser causada por um agente que aja de forma constante, segundo certas leis; mas decidir se tal agente é material ou imaterial é algo que deixei para a consideração de meus leitores. (ROCHA, 2009, p. 5). Enquanto Newton mantinha a ideia de que a explicação mecânica para a gravitação seria o desejável, mesmo não tendo um modelo matemático que sustentava sua ideia na época. Muitos físicos posteriores, dentre eles, Coulomb, Ampère, Weber e outros não visualizavam a ideia da ação direta à distância absurda, pelo contrário, fizeram uso dela com o intuito de formular teorias, em especial, no domínio dos fenômenos elétricos e magnéticos, sendo adotado nos livros de física de hoje, pois a partir de Faraday surgiu a ideia de campo. 2.2 FLUXO DE CAMPO MAGNÉTICO O fluxo de indução magnética ou, simplesmente, fluxo magnético consiste de uma densidade de linhas de força que atravessam uma determinada região considerada, ou seja, é uma grandeza que está associada ao quantitativo de linhas de força que passam por uma determinada área, podendo ser exemplificado a partir de uma situação envolvendo uma espira, no formato circular, imersa em um campo magnético, de acordo com a Figura 01. Uma espira circular ao estar imersa em um campo magnético uniforme (Figura 01), ela apresentará um fluxo magnético distinto de uma espira circular com outra área interna ao estar imersa no mesmo campo magnético uniforme ou em inclinações diferentes dentro do campo magnético uniforme, em relação a espira com seu plano da sua área na perpendicular em relação à direção do campo magnético uniforme. Pois, o plano da espira, que corresponde a área da espira poderá diminuir ou aumentar acarretando na redução ou aumento do fluxo magnético, que corresponde ao número de linhas de campo magnético que atravessam a espira. 26 Figura 01 – Espira circular imersa em um campo magnético: (a) plano da área da espira com ângulo θ = 60º em relação ao campo magnético; (b) plano da área da espira com ângulo θ = 0º em relação ao campo magnético; (c) plano da área da espira com θ = 90º em relação ao campo magnético. (a) (b) (c) Fonte: Elaborado pelo autor Dessa forma, observamos na Figura 01 que na situação (a) o plano da área da espira está inclinado com ângulo θ em relação as linhas de força, implicando que haja um fluxo magnético menor que na situação (b), sendo esta a condição máxima para o fluxo magnético, pois o plano da área da espira perpendicular ao sentido da normal “n” na espira coincide com o sentido do campo magnético. Em contrapartida, na situação (c) o fluxo magnético é igual a zero, devido ao plano da espira estar na perpendicular em relação ao campo magnético, fazendo com que nenhuma das linhas de campo magnético perpassem por dentro da espira. Figura 02 – Espira, no formato circular, com o plano perpendicular à direção norte e sul de um ímã, com: (a) aumento do fluxo de indução, isto é, linhas de força do ímã (linhas pontilhada) perpassando pelo interior da espira ao longo do tempo, com a aproximação do ímã; (b) corrente elétrica induzida na espira gerando o campo magnético induzido no interior da espira, campo magnético esse que é composto pelas linhas de força (linhas contínuas), devido a aproximação do ímã. (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor 27 A partir da Figura 2, observamos a atuação do campo magnético (Figura 2a) e o surgimento de um campo magnético induzido (Figura 2b), ambos apresentam as mesmas propriedades e características físicas, alterando-se somente sua intensidade, direção e sentido. O campo magnético consiste no conjunto de linhas de força que saem do pólo norte de um ímã ou de uma espira ou bobina sendo percorrida por uma corrente elétrica, e retornam pelo pólo sul de ambos, ou simplesmente ao redor de um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica Ressaltando-se que linhas de força só interagem com linhas de força, ou seja, campo magnético sempre interagirá com campo magnético, resultando nos fenômenos da atração ou repulsão magnética. De modo, ao aproximarmos o pólo sul do pólo norte, ocorrerá a atração magnética e ao aproximarmos pólos iguais, obteremos a repulsão magnética entre eles. Por meio da Figura 02, observamos ainda, que à medida que o ímã se aproxima e se afasta do plano da espira, varia-se a quantidade de linhas de força do campo magnético que atravessam o interior da espira, de forma que o fluxo de indução magnético varia de acordo com o ângulo θ, que corresponde à medida em graus (°) do ângulo formado entre a distância angular do campo magnético e o vetor normal formado na perpendicular ao plano da espira. O fluxo de campo magnético é definido como apresentado na Equação 1, sendo o vetor campo magnético e a variação da área da espira, e a integração é reduzida sobre a área da espira. (Eq. 1) No caso do campo magnético ser uniforme, o cálculo da Equação 1 se reduz a Equação 2, onde A é a área da espira e θ é o ângulo entre o vetor e o vetor , sendo esse a normal ao plano da espira, isto é, uma direção perpendicular ao plano da espira, como observado situações apresentadas na Figura 01. (Eq. 2) Dessa forma, percebe-se que o fluxo de indução é diretamente proporcional a três grandezas. De modo, que essas três grandezas são discriminadas abaixo: 28 ✓ Intensidade do campo magnético ( ): o fluxo de campo magnético é diretamente proporcional à intensidade do campo magnético. Quando houver campos atravessando a superfície, de uma espira ou bobina, em direções distintas, deve-se aplicar o campo magnéticoresultante. ✓ Área da espira (A): corresponde a superfície plana da espira, sendo o fluxo de campo magnético diretamente proporcional à essa área. ✓ Ângulo (θ): dado em graus, corresponde com a distância angular entre o vetor e o vetor referente a direção perpendicular ao plano da espira. Vale ressaltar que tais considerações apresentadas serão válidas para certos tipos de situações, em especial, para espiras planares. No Sistema Internacional – S.I., o fluxo magnético tem sua medição dada em Weber (Wb), em homenagem ao físico alemão Wilhelm Eduard Weber (1804 – 1891), e a unidade de medida do campo magnético, sendo chamada de tesla (T), em homenagem ao Engenheiro Nikola Tesla (1856 – 1943), e a unidade de área é representada por (m²). Portanto, temos que 1Wb = 1T m². 2.3 FARADAY E A INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA A partir de 1821, Faraday apresentou contribuições inestimáveis dentro da área do eletromagnetismo, realizadas a partir dos experimentos e observações de Hans Oersted (1777-1851), que observou, em um de seus experimentos, que a passagem de correntes elétrica por um fio condutor permitia movimentação à distância de uma agulha metálica localizada próxima ao referido fio condutor. A movimentação dessa agulha metálica permitiu o levantamento da hipótese do fenômeno magnético concomitante com o fenômeno elétrico. Faraday presumia que tal explicação era imprecisa e insuficiente para seu convencimento, passando, então, a partir disso, a fazer seus próprios experimentos, baseando nas observações apontadas por Oersted. Fazendo uso de uma agulha metálica para o mapeamento da força magnética ao redor do fio percorrido por uma corrente elétrica, Faraday conseguiu replicar e confirmar o fenômeno, isto é, o efeito 29 circular descrito por Oersted. Porém, de forma distinta apresentada por Oersted, Faraday propôs o conceito de linhas de força para explicar o fenômeno constatado. A ideia de linhas de força apropriadas por Faraday, a partir da mecânica dos fluidos, contribuiu positivamente em seus experimentos, de modo que os experimentos demonstravam as figuras formadas pelas limalhas de ferro com diferentes alinhamentos sobre uma folha de papel ou uma placa de vidro, ambas sobre um ímã, permanente ou não. A partir, desse momento, Faraday passou a visualizar essas linhas de forças, magnéticas e elétricas, como uma espécie de elásticos, que se estendiam, a partir de ímãs e corpos eletrizados, a todo o espaço em torno desses corpos. A partir de suas observações, Faraday levantou a hipótese do efeito simétrico, porém invertido, de modo que uma força magnética produza uma corrente elétrica. Ao realizar experimentos com duas bobinas colocadas em paralelo, e alternando a passagem e a interrupção da passagem da corrente elétrica que atravessava a primeira, foi observado a passagem de corrente elétrica na segunda bobina. Nestas condições, Faraday constatou as condições nas quais um ímã permanente poderia gerar corrente elétrica, ou seja, foi descoberto, assim, o fenômeno da indução eletromagnética. Não podemos deixar de salientar os experimentos e observações desenvolvidas na área do eletromagnetismo pelo norte-americano Joseph Henry, natural de Albany nos Estados Unidos da América, no ano de 1797. Em 1829, Henry fez importantes pesquisas, que resultaram em melhorias no desenvolvimento dos eletroímãs. Trabalhando com fios encapados e enrolados, caracterizados como bobinas, ele conseguiu um aumento da força magnética gerada por um eletroímã, permitindo assim, em 1832, pela primeira vez, notar o fenômeno da autoindução. 2.4 VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO QUE ATRAVESSA A ESPIRA Para que haja variação do fluxo de indução, três grandezas precisam sofrer variação, concomitantemente ou não. Tais grandezas são apresentadas no Quadro 01. 30 Quadro 01 – Grandezas relacionadas com a variação de fluxo magnético Grandeza Símbolo Unidade de Medida no Sistema Internacional Denominação Campo magnético B Intensidade do campo magnético Área A Área da espira Ângulo grau Distância angular entre o campo magnético e o vetor normal a superfície da espira Fonte: Elaborado pelo autor. Com o exposto, conclui-se que, se ao menos uma das grandezas apresentadas no Quadro 1 variar, resultará imediatamente na variação do fluxo de indução. Uma espira imersa em um campo magnético, ou seja, na presença de um ímã (Figura 02), de acordo com o ângulo θ, dado em graus, referente a inclinação do plano da espira na perpendicular com o ímã, ambos em repouso, admite-se que uma quantidade fixa de linhas de força perpassam por dentro da espira, não havendo variação de fluxo magnético. Entretanto, quando ambos estão em movimento, não necessariamente os dois simultaneamente ou na mesma direção e sentido, há uma variação de fluxo de indução, de modo que com a aproximação do ímã em relação a perpendicular ao plano da espira, passa-se mais linhas de força em seu interior, e quando afasta-se o ímã, há uma redução de linhas de força que perpassam no interior da espira, fazendo, dessa forma, com que haja variação do fluxo de campo magnético. O campo magnético pode ser criado em um circuito fechado, percorrido por uma corrente elétrica induzida, que ao percorrer uma espira ou bobina, cria-se um dipolo magnético. Com o dipolo magnético criado em seu interior, devido a aproximação ou afastamento do ímã das proximidades da espira, há a variação de fluxo de campo magnético em seu interior, configurando, nos planos da espira, ou de uma bobina, o pólo norte em um plano e pólo sul no plano oposto. A corrente elétrica induzida ao percorrer a espira, ou de uma bobina, no sentido anti-horário, induz um campo magnético entrando por trás da espira e saindo pela frente da espira, formando 31 assim o pólo sul atrás da espira e o pólo norte na frente da espira, sendo demonstrado pela letra “N” no plano frontal da espira (Figura 03a). Lembrando que no sentido horário da corrente elétrica na espira, ou de uma bobina, induz um campo magnético entrando pela frente da espira e saindo trás da espira, formando assim o pólo norte atrás da espira e o pólo sul na frente da espira, sendo demonstrado pela letra “S” no plano frontal da espira (Figura 03b). Figura 03 – Espira circular ligada a um multímetro e submetida a uma variação de fluxo magnético: (a) Com a aproximação do ímã há aumento do fluxo de campo magnético na espira, de modo que a espira se caracterize como um dipolo, com o pólo norte, representado pelo letra N, no plano da espira na perpendicular com o ímã; (b) Com o afastamento do ímã há redução do fluxo de campo magnético na espira, de modo que a espira se caracterize como um dipolo, com o pólo sul, representado pela letra S, no plano da espira na perpendicular com o ímã. (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor Podemos observar também, pela Figura 04, a metodologia para o uso correto da regra da mão direita, que auxilia na obtenção do sentido da corrente elétrica induzida e o sentido do campo magnético induzido, demonstrando o pólo induzido no plano da espira que se encontra na perpendicular com o ímã usado na aproximação ou afastamento em relação a espira ou solenoide. 32 Figura 04 – Regra da mão direita aplicada em uma espira submetida a uma variação de fluxo de campo magnético: (a) Corrente elétrica induzida no sentido anti-horário (de acordo com o sentido do polegar da mão direita) e campo magnético induzido (de acordo com o sentido dos indicadores da mão direita) produzidos pela aproximação do pólo norte do ímã; (b) Corrente elétrica induzida no sentido anti- horário (de acordo com o sentido do polegar da mão direita) e campo magnético induzido (de acordo com o sentido dos indicadores da mão direita) produzidos pela aproximação da espira do pólo norte do ímã.(a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor 2.5 LEI DE FARADAY-LENZ Como já relatado anteriormente, Faraday após inúmeros experimentos observou que sempre que existe um movimento relativo entre uma espira e um imã, independente de quem se mova, surge uma corrente elétrica, chamada de corrente induzida, na espira. Por meio de seus relatos, nos quais constata-se que a corrente elétrica induzida é mais intensa quando a variação do fluxo do campo magnético na espira alcança seu valor máximo, que consiste nas situações apresentadas na Figura 03, pois a simples movimentação da espira imersa no campo magnético uniforme, demonstra a variação da área por onde o as linhas de campo magnética perpassam em seu interior, fazendo com que a intensidade da variação de fluxo do campo magnético aumente e reduza, sendo zerado na situação “c” e com o valor máximo na situação “b”, observando, assim, que a variação do fluxo magnético em uma superfície provocava o aparecimento de uma corrente induzida na espira, o que 33 equivale ao aparecimento de uma força eletromotriz (f.e.m.), ou voltagem, induzida na espira. A relação que dá a força eletromotriz induzida numa espira devido à variação do fluxo magnético é conhecida como Lei de Faraday, desenvolvida matematicamente pelo físico-matemático Franz Ernst Neumann, em 1845. Esta Lei física é expressa através da equação 3. (Eq. 3) Em 1833, Heinrich Friedrich Emil Lenz observou e constatou que a corrente elétrica induzida em uma espira, por meio da variação de um fluxo magnético tem um sentido tal que o campo magnético que ela gera tende a se opor à variação do fluxo magnético, através da espira. Com isso, observa-se que na Figura 02 que a corrente induzida irá gerar um campo magnético, devendo atrair o imã que está se afastando e repelir o imã que está se aproximando. Para o caso de uma bobina, que apresenta “N” números de espiras, temos a Equação 4. (Eq. 4) O fenômeno da indução eletromagnética se apresenta em várias aplicações tecnológicas. Temos como exemplos: a geração de corrente alternada, o funcionamento de transformadores, usinas hidrelétricas, microfones, radares para controle de velocidades nas rodovias, e alguns equipamentos usados em exames médicos, como o equipamento usado no exame de ressonância magnética, que faz uso de bobinas para a geração de campos magnéticos em seu interior. Vale ressaltar que não é a presença de campo magnético nas proximidades de um condutor que gera uma corrente elétrica induzida, mas sim a variação do fluxo de campo magnético. Dessa forma, é necessário que uma ou várias grandezas que definem o fluxo variem, sendo estas observadas no Quadro 01. Uma variação do valor do campo magnético, da área do condutor imerso no campo magnético ou da inclinação do plano da área do condutor em relação ao campo magnético. Pelo menos uma delas, são necessárias para o surgimento da corrente elétrica induzida. 34 3 REFERENCIAL TEÓRICO 3.1 CURIOSIDADE, MOTIVAÇÃO E ENSINO NA APRENDIZAGEM Quantas vezes, enquanto estudantes da Educação Básica, não queríamos ir para a escola? Por que as aulas dos nossos professores, por vezes, não nos despertava a vontade de estudar e aprender o que estava sendo ensinado? Por que jogar baralho com o colega, na hora do recreio, era mais interessante do que sentar em uma carteira e resolver os problemas de física? Essas são algumas reflexões comuns da esfera educacional e que são visíveis por meio das atitudes dos educandos. Consideramos, pois, pontos de partida para refletirmos a respeito desta sessão. O que leva uma pessoa a gostar mais de uma determinada coisa e menos de outra; ou fazer uma atividade mais que outra; aprender um assunto mais que outro, estão diretamente ligados aos interesses. Assim, “para sentir interesse, deve-se saber o que se pretende e sentir que isso preenche uma necessidade (de saber, de realizar, de informar-se, de aprofundar)” e uma das maneiras de despertar o interesse em uma atividade, é possibilitar que o estudante se envolva ativamente (NAVARRO et al., 2016, p. 48). Em consonância, Antunes (2010, p. 35) afirma que “nada é interessante para um estudante se não corresponde à satisfação de uma necessidade”, reafirmando assim, os apontamentos da autora. O que nos interessa nos causa curiosidade. Para Antunes (2010, p. 31) A curiosidade, a vontade de saber, o desejo de buscar respostas são, provavelmente, as mais importantes qualidades da espécie humana. Por ser dono de um cérebro curioso e revelar um desejo insaciável de respostas é que saímos das cavernas e, inventamos os computadores, viajamos pelos espaços siderais. Antunes (2010) revela quase que explicitamente, que é a curiosidade que nos move, nos constitui seres inquietos e em contínua busca de aprender. Certamente, quanto mais interesse em aprender, mais curioso é o sujeito. Com isso, o processo proveniente da curiosidade nos faz ir em busca de entender aquilo que é novo e que resultará num conhecimento que gerará novos conhecimentos. Contudo, Antunes (2010) ressalta que apesar de toda pessoa ser naturalmente curiosa, a ausência 35 dessa vontade de descobertas pode gerar amargas “consequências” para a mente humana. Nossos estudantes são naturalmente curiosos, assim afirma Antunes (2010). A escola ─ aqui falamos de professores e gestores ─ acaba por não potencializar essa curiosidade quando propõe situações de ensino falíveis, desinteressantes e que não englobam-se na esfera social dos educandos. Assim, o professor de Física [...] deve buscar sempre ajudar seu aluno a ser transformar em um caçador de curiosidades, um inventor de problemas engraçados, um profissional sempre capaz de “acender” a curiosidade [...] (ANTUNES, 2010, p. 32, grifo do autor). Ao propor que os estudantes sejam “caçadores de curiosidades e inventores de problemas engraçados”, Antunes (2010) aponta para a necessidade de se instaurarem práticas-pedagógicas que insiram os educandos num processo de questionar-se, de buscar pelo novo e refletir os impactos dessa descoberta. Para Solé e Coll (2009) o interesse, uma motivação, proveniente de uma necessidade de saber, é fundamental, uma vez responsável pela mobilização cognitiva que desencadeia o processo de aprender. Começa-se a despontar, portanto, a presença da motivação no processo de aprendizagem. Segundo Antunes (2010), a motivação é “um dos fundamentos essenciais de uma aula” de qualquer disciplina, em especial a de física, e existem algumas maneiras de motivar o aluno, em despertar a sua curiosidade. Assim, para o autor, o professor deve: • Propor perguntas intrigantes: A aula começa com perguntas desafiadoras. Para isso, busca-se a realidade do aluno, que é rica em desafios, associando- os aos temas que irá trabalhar em sala de aula; • Ajudar seus alunos a associarem aquilo que aprendem na escola à vida que os desafia e os caminhos por onde andam: Nada interessa tanto ao aluno do que ele mesmo, as coisas que gosta de fazer, as conversas que gosta de ter, ou seja, o ensino deve voltar-se para o aluno e seu cotidiano; • Disponibilizar meios e ferramentas para que os alunos possam buscar respostas: O problema, quando de difícil alcance, acabam de certa forma tornando-se desinteressante para o aluno. Devem ser propostos problemas 36 de respostas possíveis e professor deve “ensinar o aluno a pescar, e nunca dar o peixe”; • Ajudá-los a associar suas descobertas às emoções que guardam em suas lembranças: O professor deve solicitar que os alunos falem dos temas estudados a emoções vividas. Discutir as emoções que se associaram as regras de um problema físico que foi resolvido, acaba por contribuir no processo de aprendizagem e na manifestação da motivação.Essas ações, propostas pelo autor, podem contribuir na potencialização da sensação de serem (os alunos) capazes de aprender. Dessa forma, é importante que o docente aprenda a criar entre seus alunos níveis de aspiração emocional mais elevados, pois os alunos sempre estarão no aguardo de aulas que tratem de problemas vitais nos quais o aluno é sempre protagonista (ANTUNES, 2010). Em se tratando de motivação, Solé e Coll (2009) declara que, quando um aluno se coloca diante de uma atividade, a maneira de enfrentá-la (enfoque superficial ou profundo) depende do tipo de motivação (intrínseca ou extrínseca) que se encontra o aluno. Para a autora, esses tipos de motivação aparecem, por vezes, como algo que o aluno possui, ou seja, um elemento do seu universo pessoal. A motivação intrínseca, segundo Solé e Coll (2009, p. 39), se constrói [...] durante as interações estabelecidas em aula, em torno das tarefas cotidianas, entre alunos e entre os alunos e o professor [...], e que não é uma característica do aluno, mas das situações de ensino/aprendizagem, e afeta a todos seus protagonistas. Um sujeito, quando motivado intrinsecamente, realiza as atividades em busca de satisfazer-se, vivencia a experiência no sentimento de autodeterminação e que não necessita de recompensas exteriores, condição necessária quando se deseja motivar extrinsecamente (TAPIA; MONTERO, 1990 apud SOLÉ; COLL, 2009). Até o momento, demos, ao interesse e à curiosidade, responsabilidade para que o aluno sinta-se motivado, ou seja, desperte sua motivação. Contudo, por traz da vontade de aprender ─ podendo inclusive estar dentro da esfera motivacional ─ estão dois componentes importantes: o autoconceito e a autoestima. 37 De acordo com Fierro (1990, apud SOLÉ; COLL, 2009) o conjunto de representações (imagens, juízos, conceitos) constituem o autoconceito que temos de nós mesmos. Fazem parte alguns aspectos psicológicos, físicos, sociais, morais, etc. Assim pensando, o autoconceito refere-se ao conhecimento que o aluno tem de si mesmo e inclui juízos valorativos, os quais chamamos de autoestima. Solé (2009) afirma que o autoconceito pode ser forjado ou aprendido no decorrer das experiências da vida, por meio das percepções que os outros têm de nós mesmos. Nos ambientes escolares, as relações entre o professor e os alunos podem construir autoconceitos. Assim, “o autoconceito, influenciado pelo processo seguido pelos resultados obtidos na situação de aprendizagem, por sua vez, influencia a forma de enfrentá-la” (SOLÉ; COLL, 2009, p. 39). Ou seja, refere-se a imagem pessoal construída por meio das atividades realizadas, tanto em se tratando de aspectos positivos ou negativos e esses influenciam na motivação e na forma de enfrentar as tarefas. Dessa forma, o autoconceito negativo é consequência das apreciações negativas construídas nas experiências escolares e podem influenciar a autoestima dos alunos (SOLÉ; COLL, 2009). O autoconceito construído na escola, além de partir das relações interpessoais, pode originar-se da maneira que o próprio aluno se vê diante de sua capacidade de aprender, quer dizer, a opinião do professor sobre os alunos, a natureza da tarefa, podem ser fatores gerados de autoconceito, tanto positivo, quanto negativo (SOLÉ; COLL, 2009). Ao aprender, o aluno vivência experiências de uma imagem positiva de si e de sua capacidade de aprender e isso reforça a sua autoestima, levando-o a continuar a enfrentar outros desafios, quando propostos. Na esfera da motivação, encontram-se ainda os impactos gerados pelas representações mútuas que alunos e professores têm de si. Nesse sentido, Solé e Coll (2009) apresentam as relações que ocorrem entre os professores e alunos e a forma como cada um vê o outro, como fatores que interferem na motivação, e posteriormente, na forma de encarar as atividades de aprendizagem. Tanto os alunos, por meio de uma representação ruim ou boa do professor, podem encarar suas aulas de maneiras diferenciadas, quanto os professores, através das representações que têm de seus alunos, podem propor de diferentes maneiras as 38 tarefas, a avaliação e o sentido de sua atuação enquanto docente. Nessas relações estão presentes, também, aspectos emocionais e afetivos, e as representações, então construídas, podem ser confirmadas ou modificadas no decorrer das experiências escolas. Em síntese, o autoconceito “surge como um elemento articulador entre as situações de ensino e aprendizagem (e tudo o que elas implicam) e a possibilidade de os alunos lhe atribuírem sentido e significado” (SOLÉ; Coll, 2009, p. 44). Nos parece visível que esses fatores (curiosidade e motivação), contando com a presença do autoconceito e da autoestima, implicam diretamente na formação da imagem pessoal, que “convém recordar, nunca é neutra” (SOLÉ; COLL, 2009, p. 49). É com esta imagem que os alunos aproximam-se da tarefa de aprendizagem, sendo requisito necessário prestar atenção, selecionar, estabelecer relações, conscientizar-se delas, avaliar, etc (SOLÉ; COLL, 2009). Essas ações, por mais simples que sejam, contribuem no processo de atribuição de sentido, necessário para que ocorra aprendizagens mais significativas possíveis. O sentido que o aluno coloca na atividade diz respeito não somente ao que é para ser feito, mas o quanto aquilo é importante para minha formação humana, seja social, intelectual ou afetiva. Assim, o sentido diz respeito “[...] aos componentes motivacionais, afetivos e relacionais da contribuição do aluno ao ato de aprender” (SOLÉ; COLL, 2009, p. 50). Segundo a autora acima, existem três condições necessárias para que uma atividade tenha sentido para nós ou, em nosso caso, para o aluno: • É imprescindível saber o que é pra fazer: O aluno precisa entender qual é a finalidade de se realizar aquela atividade, a que se responde e com quais outras é possível relacioná-la. Conhecer ou compreender o propósito da tarefa não é estritamente cognitivo, ou seja, a tarefa pode parecer atraente, sensata, estimulante, intratável, fora de lugar, delirante e são estas nuances responsáveis pela compreensão que faz dela; • Deve parecer atraente, interessar ao aluno e preencher sua necessidade: Quando isso acontece, é essa necessidade que funciona como motor da ação. Às vezes, essas necessidades são criadas na própria situação de ensino/aprendizagem. Essa condição pode levar não só a atribuição de 39 sentido, mas modificar, no professor, sua forma de apresentar e organizar suas ações; • A percepção de que se pode aprender: Dos três requisitos, esse é o mais importante e imprescindível. A tarefa de aprendizagem, para alcançar esse quesito, deve ser um desafio, um conhecimento que ele ainda não adquiriu, devendo estar, necessariamente, dentro de suas possibilidades. Essas condições, apontadas por Solé e Coll (2009), nos fazem refletir o quanto ao papel do professor e também do aluno são fundamentais quando se fala de ensino e de aprendizagem. Estamos diante de requisitos não só relevantes, mas necessários, quando desejamos que a aprendizagem aconteça e seu reflexo seja o de atribuir significado a tudo o que foi elaborado, discutido e aprendido. Por esse ângulo, [...] o sentido que podemos atribuir à aprendizagem é requisito indispensável para a atribuição de significados característica da aprendizagem significativa. É isto que nos impele a aprender, e é também nossa contribuição para uma situação que nos envolverá ativamente (SOLÉ; COLL, 2009, p. 53). O sentido é, portanto, condição necessária para que a aprendizagem significativa possa ocorrer. Concordando com a autora ao apontar que o envolvimento ativo do aluno no processo de aprendizagem deriva do sentido que o mesmo coloca a tarefa de aprendizagem, conduzindo, das ações por ele tomadas, à aprendizagem significativa. A relaçãodesta sessão com a de Formulação de Sequências Didáticas na Experimentação, computacional e prática, de Geradores Elétricos se fundamenta no pressuposto de que ambas as ações fomentarão a curiosidade dos alunos, seja no ato de formular métodos de resolver as atividades propostas no simulador ou na prática experimental. Diante disto, a motivação intrínseca, própria das relações entre professor x aluno x situações de ensino/aprendizagem despontar-se-ão, promovendo um maior interesse dos alunos em participarem dessas práticas. Elas, por se tratarem de ações que resultam em resultados singulares e próprios de cada sujeito, alcançarão os quesitos necessários para se atribuir sentido, conforme proposto por Solé e Coll (2009) e, por fim, quando atribuírem sentido, poderão atribuir significados ao conteúdo que estarão aprendendo. A atribuição de 40 significados será, portanto, o resultado esperado dessas relações, e que será discutida na próxima sessão. 3.2 APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA: O QUE É ATRIBUIR SIGNIFICADO? Não há como negar que aprender significativamente é o resultado de se atribuir significado ao que foi aprendido. As relações que se produzem na estrutura cognitiva do aluno, entre o material novo potencialmente significativo (que tem relação com a vida do aluno) a ser aprendido e os conhecimentos prévios dos alunos, é que possibilitam a apreensão de significados. Dessa maneira, quando tratamos de atribuição de significados, devemos, necessariamente, falar de aprendizagem significativa. Nesta próxima sessão, portanto, trataremos da Teoria de David Paul Ausubel, suas implicações na aprendizagem, e suas nuances enquanto teoria de aprendizagem. 3.3 O QUE É APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA? A Teoria da Aprendizagem Significativa foi proposta por David Paul Ausubel. Segundo Moreira (2015), ele foi professor Emérito da Universidade de Columbia, em Nova York, e enquanto médico-psiquiatra de formação dedicou sua carreira acadêmica à psicologia educacional. Ausubel faleceu em 2008 aos noventa anos. Desde o momento em que se aposentou, Joseph D. Novak, professor da Universidade de Cornell, tem elaborado, refinado e divulgado a Teoria da Aprendizagem Significativa. Quando Ausubel propôs a sua Teoria, seus interesses estavam voltados para aspectos cognitivos. Tal relação estaria, portanto, em consonância com sua área de formação e atuação acadêmica. Moreira (2015, p. 160) afirma que se podem distinguir três tipos de aprendizagem: cognitiva, afetiva e psicomotora. Segundo ele, Ausubel, por ser um representante do cognitivismo, tratou em sua Teoria, da aprendizagem cognitiva, sendo este resultando do “[...] armazenamento organizado de informações na mente do ser que aprende, e esse complexo organizado é 41 conhecido como estrutura cognitiva”. Apesar de enfocar aspectos cognitivos, Ausubel também reconhecia a importância da experiência afetiva na aprendizagem. Segundo Moreira (2015), Ausubel entendia que “[...] aprendizagem significa organização e integração do material na estrutura cognitiva”. Assim, A estrutura cognitiva, entendida como o conteúdo total de ideias de um certo indivíduo e sua organização, ou conteúdo de suas ideias em uma área particular de conhecimento. É o complexo resultado dos processos cognitivos, ou seja, dos processos por meio dos quais se adquire e utiliza o conhecimento (MOREIRA, 2015, p. 160). Dessa forma, os conhecimentos prévios do indivíduo são considerados suas estruturas cognitivas, base necessária para aprender outros conceitos. Assim pensando, “novas ideias e informações podem ser aprendidas e retiradas na medida em que conceitos relevantes e inclusivos [...] funcionem, dessa forma, como ponto de ancoragem às novas ideias e conceitos” (MOREIRA, 2015, p. 160). Para Moreira, “Aprendizagem significativa é um processo por meio do qual uma nova informação relaciona-se com um aspecto especificamente relevante da estrutura de conhecimento do indivíduo, ou seja, este processo envolve a interação da nova informação com uma estrutura de conhecimento específico, a qual Ausubel define como conceito subsunçor, ou simplesmente, subsunçor, existente na estrutura cognitiva do indivíduo” (MOREIRA, 2015, p. 161, grifos do autor). Diante do exposto, é característica da aprendizagem significativa o estabelecimento de relações entre o que se sabe e o que está para ser aprendido. Subsunçores são, portanto, conhecimentos prévios que os alunos possuem e que servirão de “ancoragem”, como trata Ausubel, nesse processo. Segundo Moreira (2015) e Moreira e Masini (2011), Ausubel vê o armazenamento de informações no cérebro humano como sendo algo hierárquico, ou seja, os conceitos mais específicos são ligados (e assimilados) com os conceitos mais amplos. O processo de assimilação resulta no crescimento ou modificação do subsunçor. Por exemplo: A aprendizagem dos conceitos de “Força elétrica; Força Magnética e Força Gravitacional”, considerada nova informação, relacionada e assimilada com o conceito de “Força” (subsunçor), resulta no produto interacional, subsunçor 42 modificado. Ou seja, a aprendizagem da nova informação acaba por modificar o conceito do subsunçor. Ausubel, a abordar sobre os subsunçores, relata que os mesmos podem ser “[...] abrangentes e bem desenvolvidos, limitados e pouco desenvolvidos, dependendo da frequência com que ocorre a aprendizagem significativa em conjunção com um dado subsunçor” (MOREIRA, 2015, p. 161). Vemos, assim, que os subsunçores podem a certo ponto, devido a tamanha limitação, não existirem na estrutura cognitiva. A aprendizagem mecânica, também apontada por Ausubel, é importante na aquisição de novas informações. Ausubel define essa aprendizagem como sendo aquela de novas informações as quais não se relacionam aos subsunçores. O armazenamento ocorre de maneira arbitrária, sem que esteja ligado a conceitos subsunçores específicos. É o que acontece quando aprendemos fórmulas, regras e procedimentos sem que estes se relacionem a algum conceito ou conhecimento existente. Ausubel não estabelece a distinção entre aprendizagem significativa e mecânica como uma dicotomia, mas como um contínuo. Seria a aprendizagem mecânica um caminho para se criar subsunçores? Respostas serão dadas adiante. Ainda na concepção de aprendizagem significativa, temos a aprendizagem por recepção e por descoberta. A primeira, o que deve ser aprendido pelo aluno lhe é apresentado em sua forma final, ou seja, o professor já apresenta o produto final da elaboração de todo o conhecimento, enquanto que a segunda, o principal, em relação ao conhecimento, deve ser descoberto pelo aluno. Apesar de ambas parecem distintas, Ausubel coloca que “quer por recepção ou por descoberta, a aprendizagem é significativa [...] se a nova informação incorpora-se de forma não arbitrária à estrutura cognitiva” (MOREIRA, 2015, p. 162). Como visto em parágrafos anteriores, a necessidade de subsunçores é fundamental quando se trata de aprendizagem significativa. 43 3.4 A FORMAÇÃO DE SUBSUNÇORES O que fazer quando não existem os subsunçores, sendo eles necessários para a ocorrência da aprendizagem significativa? A existência de subsunçores é condição necessária para que ocorra a aprendizagem significativa. Dessa forma, quando os mesmos não estão presentes na estrutura cognitiva do indivíduo, é possível formá-los. Segundo Moreira (2015) e Moreira e Masini (2011), uma das possibilidades encontra-se na aprendizagem mecânica. Com isso, a aprendizagem mecânica [...] é sempre necessária quando um indivíduo adquire informações em uma área de conhecimento completamente nova para ele, isto é, a aprendizagem mecânica ocorre até que alguns elementos do conhecimento, relevantes a novas informações na mesma área, existam na estrutura cognitiva e possam servir
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