UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JULIO DE MESQUITA FILHO” INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E CIÊNCIAS EXATAS Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Graduação em Física ENSINO DE FÍSICA E EXPERIMENTOS: ÊNFASES E PERSPECTIVAS DE UM LABORATÓRIO DIDÁTICO Vinicius Fernandes dos Santos Prof. Dr. Eugenio Maria de França Ramos. Rio Claro (SP) 2022 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Instituto de Geociências e Ciências Exatas Campus de Rio Claro VINICIUS FERNANDES DOS SANTOS ENSINO DE FÍSICA E EXPERIMENTOS: ÊNFASES E PERSPECTIVAS DE UM LABORATÓRIO DIDÁTICO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas - Campus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, para obtenção do grau de Licenciado em Física. Rio Claro - SP 2022 S237e Santos, Vinicius Fernandes dos Ensino de Física e experimentos : ênfases e perspectivas de um laboratório didático / Vinicius Fernandes dos Santos. -- Rio Claro, 2022 41 p. : il., tabs., fotos Trabalho de conclusão de curso (Licenciatura - Física) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Geociências e Ciências Exatas, Rio Claro Orientador: Eugenio Maria de França Ramos 1. Ensino de Física. 2. Formação de Professores. 3. Experimentos Didáticos. 4. Laboratório Didático. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca do Instituto de Geociências e Ciências Exatas, Rio Claro. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. VINICIUS FERNANDES DOS SANTOS ENSINO DE FÍSICA E EXPERIMENTOS: ÊNFASES E PERSPECTIVAS DE UM LABORATÓRIO DIDÁTICO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas - Campus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, para obtenção do grau de Licenciado em Física. Comissão Examinadora Prof. Dr. Eugenio Maria de França Ramos (Orientador) Profa. Dra. Tatiana Schneider Vieira de Moraes Prof. Dr. Paulo César de Almeida Raboni Profa. Dra. Tassiana Fernanda Genzini de Carvalho (Suplente) Rio Claro, 25 de novembro de 2022 Vinicius Fernandes dos Santos Eugenio Maria de França Ramos RESUMO Neste trabalho analisamos os experimentos encontrados em um laboratório didático de uma escola estadual pública de ensino básico na cidade de Rio Claro - SP, da Rede Pública Estadual, buscando identificar quais áreas da Física eram mais privilegiadas. Documentos, como os Guias de Experimentos do fabricante, foram estudados para entender as indicações de possíveis usos dos conjuntos. Durante a pesquisa foram analisados indícios de como alunos se relacionam com o material didático experimental no ambiente escolar, como os professores os utilizam, sob a perspectiva dos saberes docentes. Observamos como é a relação de professores em formação quando interagem com o material experimental, para preparar determinada prática, durantes a disciplina Prática de Ensino de Física. O estudo evidenciou que (a) a área de Mecânica é a mais destacada dentre aquelas identificadas no material experimental e (b) que os materiais são pouco utilizados nas atividades didáticas, até mesmo no evento anual Feira de Conhecimentos. O aprendizado para a utilização dos conjuntos experimentais requer tempo e dedicação, para o estudo e ajustes dos equipamentos, tais conhecimentos, ausentes da formação inicial do professor, podem ser construídos nos chamados Saberes Docentes da prática pedagógica. Palavras-Chave: Ensino de Física; Formação de Professores; Experimentos Didáticos; Laboratório Didático ABSTRACT In this work we analyze the experiments found in a didactic laboratory of a state public elementary school in the city of Rio Claro - SP, of the State Public Network, seeking to identify which areas of Physics were more privileged. Documents, such as the manufacturer's Experiment Guides, were studied to understand the indications of possible uses of the sets. During the research, evidence of how students relate to experimental didactic material in the school environment, how teachers use them, from the perspective of teaching knowledge, was analyzed. We observed how the relationship of teachers in training is when they interact with the experimental material, to prepare a certain practice, during the discipline Practice of Teaching Physics. The study showed that (a) the area of Mechanics is the most prominent among those identified in the experimental material and (b) that the materials are little used in didactic activities, even in the annual Knowledge Fair event. Learning to use the experimental sets requires time and dedication, for the study and adjustments of the equipment, such knowledge, absent from the teacher's initial training, can be built in the so-called Teaching Knowledge of the pedagogical practice. Keywords: Physics Teaching; Teacher Training; Didactic Experiments; Didactic Laboratory Sumário 1 Introdução: ......................................................................................................................... 7 1.1 Os saberes docentes ................................................................................................... 7 1.2 Tipo da pesquisa: ....................................................................................................... 9 2 experimentos e guias de utilização .................................................................................. 10 2.1 O livro de atividades experimentais ......................................................................... 10 2.1.1 Seção: Instruções para o professor ................................................................... 10 2.1.2 Seção: Atividades para o Aluno: ...................................................................... 10 2.2 Os materiais experimentais didáticos do conjunto ................................................... 11 2.3 Visão geral sobre as áreas de conhecimento incorporadas pelo conjunto - Percurso metodológico. ....................................................................................................................... 14 2.3.1 Visão dos experimentos e propostas de atividades para cada área. ................. 14 2.4 Experimentos e temas segundo as áreas de conhecimento ...................................... 26 3 Atividade com os materiais experimentais ...................................................................... 29 3.1.1 Gerador eletroestático de Van de Graaff ......................................................... 29 3.1.2 Energia solar - Conjunto conversão da energia com bateria solar 5 W ........... 32 3.1.3 Física moderna - Conjunto tubo de Geissler com fonte e bomba de vácuo ..... 32 3.2 A feira de ciências da escola .................................................................................... 34 4 Considerações finais ........................................................................................................ 37 4.1 A luz dos saberes ..................................................................................................... 39 4.2 A disciplina de Pratica de Ensino .................................................................................. 40 Referências: .............................................................................................................................. 41 7 1 INTRODUÇÃO: As atividades experimentais no ensino de Física, podem ser classificadas de acordo com o tipo de material usado e da relação do aluno com os materiais didáticos e o espaço do laboratório, como descrito por FERREIRA (1978). Para a área de Ensino de Física, é consenso que as atividades experimentais são importantes e podem contribuir com o ensino, mas o consenso não se reflete na introdução dessas atividades em sala e a metodologia de uso dos materiais GASPAR (2014). Mesmo sem consenso, é possível encontrar nas escolas, ambientes de laboratório de ensino e seus materiais, SILVA (2012). Os materiais podem ser produzidos por empresas especializadas, ou pelo professor/alunos durante o ano letivo, podem ser encontrados materiais novos e modernos ou antigos e avariados Devemos ainda refletir sobre a utilização da experimentação na Ciência, para ALVES (2000) está relacionada está relacionada à construção de “verdades científicas", ou seja, de produção profissional do conhecimento científico. A estrutura dessa ferramenta de construção do conhecimento, não "nasceu" pronta, e sim foi construída socialmente ao longo do tempo. A experimentação ligada ao laboratório didático difere de seu significado utilizado na Ciência, os experimentos não vão estar mais sendo usados, exclusivamente, para a demonstração de uma previsão teórica ou fornecer argumentos para um modelo científico. O experimento para o Ensino tem uma função diferente do experimento da Ciência, o de produzir condições para a construção de conhecimentos científicos BENETTI, RAMOS (2014) sendo esses conhecimentos os já aceitos pela comunidade científica, guardando seus respectivos limites de explicação. Esses experimentos são chamados de experimentos didáticos. Os experimentos didáticos proporcionam a possibilidade de que os alunos confrontem seus conhecimentos prévios, elaborar hipóteses para dados coletados ou observações, e se aproximar da construção do conhecimento científico, mesmo que de forma limitada, segundo apontado no trabalho de BENETTI, RAMOS (2014) 1.1 Os saberes docentes Durante a formação do profissional professor, ainda na graduação, este estuda conceitos físicos de maneira teórica, e experimental, em laboratórios didáticos construindo os seus saberes relacionados ao conteúdo, de física no caso. 8 Mas quais são os saberes relacionados com a utilização de um laboratório didático para o nível do Ensino Médio? Basta o conhecimento teórico do conteúdo, e a experiência no laboratório da graduação? Esses são dois dos seis pontos apontados por GAUTHIER (2013) sobre como a atividade de ensino é vista de maneira errônea. Utilizando as seguintes definições dos saberes docentes para GAUTHIER (2013) Saberes Disciplinares (SD): Gauthier descreve os Saberes Disciplinares como o conjunto dos conhecimentos acumulados socialmente e consolidados durante sua formação acadêmica. Através de ações de ensino, o professor irá transformar esse saber em seu conteúdo de aulas. Curriculares (SC): Os Saberes Curriculares não são necessariamente construídos pelo professor, este, como o próprio nome diz, é a composição do currículo de determinada instituição, norteia o que o professor deve trabalhar com os alunos. Ciências da Educação (SCE): Tomando uma licenciatura em alguma área das ciências naturais como exemplo, os Saberes da Educação são as áreas de estudo que tratam sistematicamente da organização da escola e de aula, noções de como avaliar os alunos, e seu desenvolvimento. Tradição Pedagógica (STP): Este saber está relacionado com a experiência do professor e de como ele enxerga seu papel profissional. Experienciais (SE): Os Saberes Experienciais são estratégias, macetes ou manias que são desenvolvidas conscientemente, ou não, pelo professor em seu trabalho e que ele não fará algum tipo publicação ou exposição sobre. Ação Pedagógica (SAP): Quando o professor sistematiza seu Saber Experiencial, ele o torna em um Saber da ação pedagógica que por meio de testes e reflexão, podem se consolidar ou não e servem de objeto de estudo até para outros professores. 9 No contexto de preparação de aulas e atividades utilizando um laboratório didático, imaginemos que o saber mais requisitado seja o SD, considerando que na formação do professor, este teve suas aulas teóricas e nos laboratórios didáticos de sua instituição, então não será problema em desenvolver e aplicar as atividades didáticas experimentais. Neste trabalho, pretendemos estudar o acervo de um laboratório didático de uma escola pública da cidade de Rio Claro, levantando as áreas da física que podem ser estudadas com seus materiais didáticos e discutir sob a perspectivas dos saberes docentes, a utilização desses materiais. O trabalho se desenvolveu em dois momentos, inicialmente com o levantamento das características das áreas de conhecimento atendidas pelo conjunto de materiais e seus temas de estudo, descritas na Seção 2, e a utilização desse material em um contexto de ensino dentro da Escola, com a participação de um grupo da disciplina de Pratica de Ensino do curso de Física da UNESP - Rio Claro, descritas na Seção 3 1.2 Tipo da pesquisa: Esse trabalho pretendeu, de maneira descritiva e qualitativa, GONSALVES (2007), identificar: Quais as ênfases nas áreas de conhecimento de Física que podem ser percebidos no laboratório didático de uma escola de tempo integral da Rede Pública Estadual, tendo como a fonte primária de documentos GONSALVES (2007), um banco de dados de materiais de um laboratório recém montado de uma escola pública da cidade de Rio Claro - SP 10 2 EXPERIMENTOS E GUIAS DE UTILIZAÇÃO A análise documental se origina do acervo do LaPEMID, onde grupos, em trabalhos do ano de 2016, registraram em fotos e scanners os materiais recém-chegados à escola peça por peça. Esses materiais foram adquiridos por uma escola pública da cidade de Rio Claro - SP com a expansão da escola para o período integral. Neste trabalho, que se iniciou durante o período da pandemia de COVID 19, as fontes primárias foram identificadas e agrupadas, utilizando plataformas digitais, para classificar a quais áreas do conhecimento a que pertencem e seus quais temas da Física o conjunto fotografado pode abordar. Os experimentos chegaram à escola todos desmontados, o livro de atividades continha instruções para a montagem, de acordo com a proposta de atividade experimental, além de questões referentes a cada atividade. Segundo o próprio livro de atividades experimentais, as propostas são para diferentes níveis de ensino, Fundamental, Médio e Superior e segundo o fabricante, foram fabricados sob os Parâmetros Nacionais Curriculares (PCNs). O livro de atividades propõe que o professor monte o cronograma com os experimentos disponibilizados, de acordo como ele julgar o nível de seus alunos. 2.1 O livro de atividades experimentais 2.1.1 Seção: Instruções para o professor Na seção para o professor, esse livro trata dos cuidados relacionados à manutenção nos equipamentos, limpeza, aborda instruções detalhadas para o manuseio dos equipamentos durante as práticas experimentais e em alguns casos, aborda pontos teóricos relacionados a cada proposta experimental da Seção Atividades para o Aluno. 2.1.2 Seção: Atividades para o Aluno: As propostas no livro de atividades são divididas em partes, em geral, em 4 tópicos básicos: Habilidades e Competências, Materiais necessários, Montagem e Atividades. O tipo de atividade é variado, perguntas relacionadas a observação e levantamento de hipóteses que explique um fenômeno observado, tomada de um conjunto de dados, elaborar cálculos e reflexões conclusivas do aluno sobre a prática. 11 2.2 Os materiais experimentais didáticos do conjunto O número de peças para cada kit experimental é variado. A seguir alguns exemplos dos conjuntos da escola. Para esse conjunto, além do aparato do plano com manípulo para ajuste da inclinação, tem-se um dinamômetro, corpos de estudo (bloco de madeira, carrinho e massas variadas) e um dispositivo para captura de dados de maneira eletrônica (sensores fotoelétricos). Além desse conjunto, outros 4 apresentam algum tipo de coleta e tratamento de dados através de softwares providos pela mesma empresa fabricante do material didático. Figura 1: Conjunto do plano inclinado 12 O conjunto do gerador Van de Graaff acompanha além do próprio gerador com esfera um aparato chamado de mesa projetável, em que se pode aplicar uma diferença de potencial, e estudar as linhas de campo Nesse kit a placa fotovoltaica, para captação da energia luminosa, é acompanhada de uma resistência variável, armazenador de energia e corpos de prova (carrinho e disco de Newton) Figura 2: Gerador eletrostático, gerador de Van de Graaff Figura 3: Conjunto conversão de energia, painel solar 13 Esse conjunto apresenta aparatos para projeção de feixes luminosos além de espelhos, lentes e redes de difração de diferentes tipos e uma lanterna com lâmpada de halogênio Ao todo o conjunto adquirido conta com um total de 28 kits de experimentos didáticos. Tabela 1: Nomes dos 28 kits experimentais adquiridos pela Escola Banco Óptico Linear, Luz Policromática Conjunto Gerador Eletrostático, Gerador de Van de Graaff, 400kV Lanterna policromática de três aberturas Conjunto de Lupas Plano Inclinado RA, com sensores e software Conjunto para Magnetismo A Conjunto Lançador com sensores e software Painel para Eletroeletrônica com Sensores e Software Anel de Gravesande Painel com Vasos Comunicantes Conjunto Pêndulos Físicos Painel de Forças com Tripé Par de diapasões Looping Conjunto de Roldanas Waltrick Cuba de Ondas com Estroboflash, Refletor, Painel, Frequencímentro Digital, LCD Mola Helicoidal Longa Conjunto Conversão da Energia com Bateria Solar de 5W Termômetro de Galileu Aparelho para Dinâmica das Rotações com Sensor e Software Conjunto Boyle-Mariotte com manômetro Conjunto Tubo de Geissler com Fonte e Bomba de Vácuo Radiômetro de Crookes Conjunto para Queda de Corpos com Sensores e Software, 24 VCC Poço de Potencial Conjunto para Dilatação com Gerador Elétrico de Vapor com Controle de Potência Conjunto Lâminas Ressonantes Trilho de Ar com Dois Sensores e Software Calorímetro de Duplo Vaso com Resistor, Alumínio Figura 4: Banco óptico linear, luz policromática 14 2.3 Visão geral sobre as áreas de conhecimento incorporadas pelo conjunto - Percurso metodológico. Dentro do acervo virtual, foram localizados os livros de atividades escaneados e agrupados por área de conhecimento, nós limitamo-nos a manter a área de conhecimento indicada pelo fabricante, a quantidade de experimentos por área pode ser vista no Gráfico 1. Assim podemos ter uma ideia de quais áreas esse conjunto de materiais pode abordar. Gráfico 1: Visão geral das áreas cobertas pelo material de laboratório Nota-se uma predominância de experimentos na área da Mecânica (35,7 %). A razão da maior diversidade dos equipamentos da área da mecânica, não puderam ser constatadas se foram uma opção de quem selecionou os kits para a compra, ou simplesmente a não disposição de equipamentos em outras áreas pela empresa fabricante dos materiais Para o restante dos equipamentos utilizamos a ferramenta de catalogação com o Google planilhas para agrupar cada peça em seu conjunto aumentando a organização da biblioteca virtual para possíveis trabalhos futuros. 2.3.1 Visão dos experimentos e propostas de atividades para cada área. Identificando cada experimento por área, foi levantado o número de propostas experimentais nos livros de atividades, para cada um dos kits experimentais, representados nos gráficos Gráfico 2 a Gráfico 12. Isso contribui para se ter a noção das possibilidades de uso para cada kit experimental. 15 Gráfico 2: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento da mecânica O conteudo das propostas tratadas no kit do Plano Inclinado tem os seguintes temas: Velocidade média, função horaria do movimento retiline uniforme (MRU), função horaria do movimento retilineo uniformemente variado (MRUV), Força de equilibrio (estudo vetorial), Força de atrito, Energia cinética Energia Potencial, momento de inercia, conservação de energia. No kit Conjunto lançador estuda-se os temas, MRUV no lançamento de um projétil, Energia cinética, Energia potencial, conservação de energia do momentum linear e angular, momento de inercia, periodo de oscilação. Para o kit do Pêndulo Fisico é feita uma analise do periodo de oscilação para diferentes corpos. No kit das Roldanas estuda-se a aplicação de forças, com a segunda lei de Newton com representação vetorial de forças e forças resultantes para diferentes configurações de roldanas. 16 No experimento do Poço de potencial é apresentado de forma contra intuitivo o conceito de energia potencial e centro de massa, de forma que um dos corpos de prova, tem formato cônico, o que leva a ele ter um movimento aparentemente fora do “normal”. Para o kit do Painel de forças é estudado a representação vetorial de força, forças resultantes usando um dispositivo com diferentes massas e medindo a força com um dinamômetro. No experimento de Looping, através de um diagrama vetorial das forças que atuam ao longo do percurso em uma esfera rolando por uma canaleta é proposto calcular a altura mínima, e a energia potencial mínima para a esfera completar o loop no percurso. Além de estudado a força centrípeta no loop. No Dinâmica de rotações, nesse experimento é estudado período, frequência, movimento circular uniforme (MCU), força e aceleração centrípeta, conservação do momento angular, pendulo cônico, no experimento existem diferentes tipos de montagem para os estudos de caso, e mede-se a força com um dinamômetro. Para o kit de Queda dos corpos estuda-se conservação da energia cinética e potencial, movimento retilíneo acelerado, equação horaria do movimento, nesse experimento os dados são coletados com sensores e tratados com software No kit do Trilho de ar são estudados os conceitos de força atuante em um corpo, forças de atrito, estudo do MRU, MRUV; conservação momentum em colisão inelástica e conservação da energia mecânica, nesse experimento os dados também são colhidos por sensores. 17 Gráfico 3: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento da calorimetria A proposta do kit do Anel de Gravesande é mostrar a dilatação volumétrica de um metal, quando aquecido em que uma esfera a temperatura ambiente pode passar por um anel metálico, mas quando a esfera é aquecida (pela proposta, mergulhada em um recipiente com agua quente) fica incapaz de passar pelo orifício do anel. As propostas básicas do Calorímetro de Duplo Vaso são, identificar e calcular a capacidade calórica de um corpo e seu calor especifico, esse copor, sólido ou liquido, pode ser introduzido dentro de um copo com a agua sera aquecida, e com entradas para monitorar a temperatura. Algumas propostas para essa atividade necessitam muitos itens que não acompanham o kit original. 18 Gráfico 4: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento da acústica Nesse kit é estudado, basicamente, a propagação do som em diferentes meios, frequência do diapasão do kit e demonstração do Efeito Doppler, com um conjunto de diapasão Gráfico 5: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento da ondulatória 19 As propostas para o kit da Mola Helicoidal Longa em resumo, estuda o comportamento de uma onda em uma mola metálica, identifica e reproduz propriedades das ondas em uma mola (pulso longitudinal, onda periódica, frequência, comprimento de onda, interferência e reflexão da onda), velocidade da onda em uma mola, medir comprimento de onda. Para as Lâminas Ressonantes estuda-se o fenômeno da ressonância, em diferentes configurações das laminas. O kit de Cuba de Ondas estuda os princípios das ondas planas em meio liquido, determinar frequência, medir comprimento de onda, determinar velocidade de propagação de uma onda. No experimento da Cuba de Ondas podem ser realizados pulsos e ondas planas em meio liquido frequência, comprimento de onda, velocidade de propagação. A proposta do conjunto Boyle-Mariotte é analisar a variação do volume de um gás a temperatura constante (volume é inversamente proporcional a pressão), é usado um pistão, com graduação para a posição do embolo, em que se pode aumentar a pressão no interior e controla- la, com um manômetro. Gráfico 6: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de mecânica dos fluidos 20 Os Vasos Comunicantes, são uma aplicação do princípio de Pascal, em que para um liquido no interior de um tubo aberto em todas as suas “saídas” o nível do liquido é a mesma em todas elas. O kit da dilatação de metais relaciona a variação no comprimento de um metal em função de temperatura e do comprimento inicial, determina o coeficiente de dilatação linear do latão, do aço e do cobre usando um dilatômetro. O Radiômetro de Crookes demonstra a influência da cor de uma superfície na absorção da radiação térmica. A interação da radiação com as faces de um conjunto de plaquetas em uma configuração de hélices, faz a mesma girar. Gráfico 7: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de termodinâmica 21 O gerador de Van de Graaff, como já citado, estuda a eletroestática, o modelo de representação e interação de cargas elétricas a influência do campo elétrico em objetos, descarga elétrica. O painel de eletrônica, estuda diversos dispositivos eletrônicos e alguns dos objetivos para cada um são: Associação em série e em paralelo de lâmpadas, código de cores para resistores, caracterizar a lei de Ohm. Reconhecer e montar associações de resistores em série e em paralelo, e suas propriedades. Realizar medidas de corrente e tensão sobre os terminais de um potenciômetro. Identificar e aplicar lei das malhas de Kirchhoff. Caracterizar um capacitor, identificar uma associação de capacitores, calcular a capacitância equivalente de um sistema. Identificar o comportamento de um circuito RC, medir e calcular o tempo de carga e descarga de um capacitor em um circuito RC. Gráfico 8: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de eletricidade 22 No experimento do Tubo de Geissler, como já tratado anteriormente, se estuda a emissão de luz por um gás submetido a uma alta diferença de potencial, além da possibilidade de interagir com a luz dentro do tubo, através de um imã. Gráfico 10: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de Energia Solar Gráfico 9: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de Magnetismo 23 No experimento da Conversão de Energia Solar, as propostas estudam descrever os diferentes tipos de energia envolvidos e as transformações entre painel solar, acumulador e "carga" seja o carrinho, ou disco de Newton, além de analisar o rendimento do painel solar. O conjunto dos corpos magnetizados busca reconhecer objetos que são ou não atraídos pelo imã, desenhar as linhas de indução magnética produzidas por um e dois ímãs em posições frontais e paralelas; reconhecer a indução magnética sobre um objeto de ferro próximo a um ímã; reconhecer a formação de dipolos magnéticos ao se fracionar um ímã e verifica que é impossível isolar um pólo magnético de um ímã. Identificar os polos magnéticos de um objeto magnetizado. Gráfico 11: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de Física Moderna 24 Gráfico 12: Quantidade de propostas de atividades para cada experimento de Óptica As propostas do kit de ótica geométrica e da lanterna policromática proporciona o estudo da óptica geométrica e suas interfaces, tais como: • Simulação dos eclipses, • A reflexão no espelho plano, • Os principais elementos geométricos do espelho esférico côncavo e seus três raios principais, a • Refração e suas leis, • Os dióptros, a dispersão da luz nos prismas, • A difração da luz utilizando diferentes lâmpadas e um CD; • As lentes esféricas e suas principais características, a relação entre o objeto, a lente e a imagem gerada pela lente, a medida do comprimento de onda das faixas espectrais da luz, interferência, com banco óptico linear; • A lei do deslocamento de Wien, a construção de alguns instrumentos ópticos, a influência de um campo magnético sobre o plano de polarização da onda eletromagnética. O que temos com esse levantamento é uma dimensão ampliada do laboratório formado por esse conjunto experimental. Podemos perceber que, para as três grandes áreas da Física clássica (Mecânica, Eletricidade, Óptica) existem muitas propostas experimentais, que podem servir para demonstrar os conceitos básicos de cada área e cobrem bem um currículo de ensino 25 básico, levando em consideração do SÃO PAULO, Secretaria de Educação. Currículo Paulista Mas se analisarmos os fenômenos relacionados a junção de duas áreas, como o eletromagnetismo, percebemos a falta de propostas experimentais para estudo de conceitos como a produção de um campo magnético produzido por uma corrente elétrica, ou a produção de um campo magnético devido a uma corrente elétrica, o kit do magnetismo, se limita ao estudo do campo magnético produzido de maneira natural, ou ferromagnéticos. Uma característica marcante desse conjunto é que todos os kits, são únicos, aparentemente pensados para o uso do tipo demonstrativo ou do tipo experimentos de cátedra, descritos por FERREEIRA (1978), pois não foram encontradas evidências de que o laboratório fica aberto para os alunos, ao menos não esse conjunto experimental, pois, muitos desses kits não apresentavam nenhum sinal de uso 26 2.4 Experimentos e temas segundo as áreas de conhecimento Por último, foi escolhido levantar os principais temas tratados pelos kits em suas respectivas áreas, e verificar se um tema era abordado mais de uma vez em uma mesma área com diferentes experimentos. Assim foi buscado nas áreas com mais de um kit experimental, (Mecânica, Calorimetria, Ondulatória, Mecânica dos Fluidos, Termodinâmica, Eletricidade e Óptica) a replicação de temas, porém só encontramos temas replicados nos experimentos de Mecânica, Ondulatória e Óptica, mostrado nos Gráficos 13 a Gráfico 15 na seção 3. Os temas observados para cada area, estão associados com seus respectivos conceitos da física estudados pelas propostas e descritos na Tabela 2. Temas que são abordados mais de uma vez em diferentes experimentos, pode ser uma oportunidade de se abordar o tema e os conceitos de diferentes maneiras nesse laboratório. Tabela 2: Área de Conhecimento Temas que se replicam Conceitos estudados nos temas Mecânica Estudo do movimento Calcular variáveis das equações do MRU e MRUV Mecânica Conceito de Força, qualitativo e vetorial Aplicações das segunda e terceira leis de Newton Mecânica Energia Mecânica Define os conceitos de conservação da energia mecânica, energia cinética e potencial Mecânica Momentum, Conservação momento Identifica as quantidades, calcula os valores que demonstram a conservação de momento Mecânica Momento de inércia, Período de Oscilação Momento de inércia de um corpo Ondulatória Características de ondas Identificar e calcular comprimento de onda, período, frequência Ondulatória Propagação de ondas Velocidade de propagação de ondas Óptica Simulação de eclipses Aplicação dos princípios da óptica geométrica e suas limitações Óptica Composição e decomposição da luz Observar a composição da luz branca, com as outras cores 27 Gráfico 13: Os temas em mecânica e o número de experimentos em que eles são abordados Gráfico 14: Os temas em ondulatória e o número de experimentos em que eles são abordados 28 Grafico 15: Os temas na área da óptica abordados mais de uma vez e a quantidade de vezes que são abordados A simetria das propostas do kit de óptica provavelmente se dá, pois, os dois kits se completam, ou seja, o kit de Óptica geométrica utiliza da lanterna policromática, no conjunto de mesmo nome, para algumas atividades, assim incorporando algumas atividades dela 29 3 ATIVIDADE COM OS MATERIAIS EXPERIMENTAIS Em visita à escola, com o grupo de Prática de Ensino e Estágio Supervisionado II no ano de 2022, observamos aspectos interessantes no ambiente de laboratório dessa escola. Observamos que alguns dos experimentos estavam sob um armário, e alguns deles mostravam certas marcas de uso, porém estavam muito empoeirados, um sinal de que esses experimentos, já foram usados um dia, mas a algum tempo estavam ali parados. Outro ponto é que, muitos outros materiais dos kits, aparentava nenhum sinal de uso e embrulhados no plástico bolha, o que nos leva a pensar que poucos kits são utilizados durante o ano, e ainda, não podemos concluir se a utilização desses kits são necessariamente as propostas do livro de atividades do conjunto. 3.1.1 Gerador eletroestático de Van de Graaff Durante essa visita à escola, tentamos montar uma proposta experimental relacionada ao gerador de Van de Graaff, efeito do "vento elétrico" com o torniquete. Tivemos que localizar todos os materiais necessários para essa proposta, pois essa não aparentava ser uma prática experimental já utilizada, então foi feito a montagem do aparato, seguindo as instruções do livro do fabricante, como mostrado nas figuras. Podemos constatar que o efeito de ionização do ar, pelas pontas da hélice estava ocorrendo, mas, provavelmente, pela baixa quantidade de carga acumulada, a velocidade de Figura 5: torniquete em formato de “x” a esquerda (5a) e, a direita, haste (5b) onde ela é colocada 5 (a) 5 (b) 30 rotação é mais baixa do que o esperado. Para melhorar a acúmulo de cargas, seguindo as orientações do fabricante deveríamos fazer a limpeza da correia em atrito com o plástico, e a aplicação do pó de caulim, na extensão da correia, e a secagem do equipamento com um secador de cabelos, este último item, não disponível no momento. Esse gerador tinha outras marcas de uso, a correia de atrito apresentava diversos cortes em sua extensão, e uma esfera menor de alumínio, usada em uma proposta para carregar outro corpo, continha várias regiões amassadas em sua superfície . Figura 6: Visão do aparato experimental montado, o torniquete apoiado sob uma ponta, conectado a esfera condutora, o torniquete gira, ao ser eletricamente carregado. Fotos feitas pelos autores 31 Figura 7: marcas de amassado na esfera utilizada. Fotos feitas pelos autores 32 3.1.2 Energia solar - Conjunto conversão da energia com bateria solar 5 W Foi testado o kit de conversão de energia com painel solar, um dos multímetros que acompanhava o kit originalmente, não foi encontrado, então foi adaptado com outro, que havia no próprio sem nenhum tipo de perda. Nessa montagem o painel fotovoltaico, converte a energia luminosa do Sol, nesse caso, em energia elétrica, e essa energia estava sendo usada para girar o disco de Newton, entre os multímetros em que, um media a tensão e outro a corrente elétrica do circuito. O acumulador de cargas do sistema, parecia estar operando sem problemas. 3.1.3 Física moderna - Conjunto tubo de Geissler com fonte e bomba de vácuo Outra atividade testada foi utilizando o kit do Tubo de Geissler (Figura 7), que apresentou muitas dificuldades relacionados à bomba de vácuo do kit. Deve ser gerado uma baixa pressão no interior do tubo assim, aumenta-se a condutividade elétrica desse meio, resultando maior facilidade de passar uma corrente elétrica entre os terminais em seu interior. Figura 7: Um painel fotovoltaico, carregando uma bateria e girando o disco de Newton. Os multímetros medem 8,73 V e 1,6 mA. Fotos feitas pelos autores 33 Figura 8: Tubo de Geissler. Fotos feitas pelos autores A corrente elétrica que agora passa pelo tubo a baixa pressão, pode ionizar as moléculas de gás em seu interior, a frequente excitação dos elétrons, para níveis superior e inferior da camada eletrônicas, resulta na luz no interior do tubo, observado na Figura 9. As dificuldades encontradas relacionadas a bomba de vácuo estavam relacionadas a sua tensão de operação. No laboratório da escola, não havia uma fonte de tensão de 220 V, mesmo a bomba sendo bivolt, quando ligada em 110, a bomba esquentava muito, e era difícil produzir a pressão necessária no tubo. A tomada para a operação ideal, foi encontrada em uma área perto do pátio, mas longe do laboratório. O aparato de papelão ao redor do tubo, serve para melhor visualizar a luz emitida em seu interior. Figura 9: Tubo de Geissler, com o gás a baixa pressão no tubo, e submetido a uma alta tensão nos terminais. Fotos feitas pelos autores 34 3.2 A feira de ciências da escola Na escola da qual os materiais analisados pertencem, estava agendado um evento do tipo feira de ciências e cultura, em que a escola fica aberta a visitas da comunidade escolar. Nesse evento os alunos eram responsáveis por escolher temas de diversas áreas, das Ciências Naturais, Ciências Humanas e Artes, e apresentarem ao público em geral. A atuação do grupo de Pratica de Ensino, junto com outros professores da escola, foi a de auxiliar os alunos em temas escolhidos pelos próprios alunos, uma ótima oportunidade de utilização dos materiais do laboratório didático. Dentro os temas escolhidos pelos alunos alguns foram possíveis a incorporação dos kits de material experimental descritos do acervo sob a orientação do grupo de pratica de ensino. Os kits escolhidos para serem usados no evento foram o gerador eletroestático de Van de Graaff, o tubo de Geissler e o de conversão de energia com bateria solar, descritos na seção anterior. A turma de pratica de ensino atuou como orientadores dos grupos de alunos, para a discussão acerca dos conceitos teóricos e para o uso dos materiais experimentais para seu respectivo tema. A proposta de uso do grupo de trabalho com o kit gerador eletroestático, acrescentou a “garrafa de Leiden”, um acumulador de cargas, que eram geradas pelo gerador Van de Graaff. O grupo podia demonstrar as pequenas descargas elétricas que ocorriam entre a esfera maior do gerador, e a esfera de alumínio da garrafa, depois, por um fio conectado a garrafa, mostravam a Figura 10: Bancada do grupo com o gerador eletroestático e as garrafas de Leiden sob a mesa do lado esquerdo. Fotos feitas pelos autores 35 descarga elétrica entre a parte de dentro da garrafa (carregada) e a parte de fora. As garrafas de Leiden já estavam montadas no laboratório da escola, e não pertenciam ao conjunto analisado. Além das garrafas, também foram utilizadas demonstrações de eletrização por atrito com canudos de plástico O outro grupo, que trabalhou com o tubo de Geissler teve que apresentar o equipamento em outro local, pois na sala de aula, não existia uma tomada com tensão 220 V para a bomba, inicialmente eles estavam usando um vídeo para demonstrar o efeito. Superado esse problema o resultado foi o obtido na Figura 8. Esse experimento, estava com o grupo que pretendia apresentar as concepções dos 4 elementos naturais (agua, ar, terra e fogo) e como eles se organizam na natureza, sob a concepção Aristotélica, foram usados materiais não pertencentes ao conjunto analisado na seção 2.2, a demonstração adicional constituía em mostrar a mudança de cor, pela oxidação da dipirona e agua em contado com agua sanitária dentro de uma garrafa PET, depois, era queimado um canudo de papel, e era observado a entrada de parte da fumaça para dentro da garrafa PET ficando sob o liquido mudando de cor, do azul para o amarelo. O experimento do tubo de Geissler mostrava a maior complexidade dos modelos que explicam os efeitos da matéria. O kit da conversão de energia foi utilizado por um grupo que tinha um tema parecido ao do referido kit. No dia do evento, a apresentação foi feita dentro de uma sala, para isso foi providenciado uma lâmpada nova para o kit, a original não estava com o conjunto, com a Figura 11: Bancada com o experimento do tubo de Geissler, notebook onde era mostrado o vídeo com o equipamento funcionando. Fotos feitas pelos autores 36 proposta de demonstração usando o disco de Newton. A dinâmica da rotação foi observada igual ao realizado no pátio da escola. Figura 12: Painel fotovoltaico sendo usado com a lâmpada de alta intensidade luminosa (11a), funcionando o disco de newton (11b). Fotos feitas pelos autores 12(a) 12(b) 37 4 Considerações finais Para o conjunto de materiais de laboratório estudado notamos uma predominância maior nos materiais da área da Mecânica seja no número de experimentos e na quantidade de propostas experimentais contidas nos livros de atividades. Considerando ainda que cada experimento pode ser uma maneira diferente de abordar um tema ou ainda, uma maneira diferente de se abordar um conceito, os experimentos da Mecânica são os que mais oferecem essa diversidade em abordagens. Porém para a utilização de todos esses kits, é necessário que o professor despenda tempo para a preparação do experimento, visto que o funcionamento desses está diretamente ligado a sua manutenção/limpeza e a preparação da atividade. Percebe-se que os detalhes das montagens dos experimentos tomam muito tempo do professor, que sozinho, fica sobrecarregado e não consegue aproveitar as oportunidades didáticas que os materiais podem oferecer. O tempo necessário para as preparações das atividades na escola em que analisamos o laboratório, foi “suprido” pelos colegas, graduandos de Licenciatura em Física, que participaram esse ano do trabalho com os materiais experimentais dessa escola, que atenderam demandas dos alunos dessa escola e respectivos professores para elaboração dos arranjos experimentais diversos. A possível barreira do tempo - que deve ser despendido pelo professor para estudar o material -, pode refletir-se em uma barreira aos alunos da Educação Básica na utilização do material por eles mesmos, pois, mesmo que o laboratório seja aberto, os alunos precisam de um mínimo de instruções quanto aos cuidados com o material, além de sequencias de instruções bem definidas para sua utilização. Dessa forma, como se encontram no momento, os materiais experimentais também não se tornam acessíveis diretamente aos estudantes. Durante a elaboração das propostas para os grupos dos alunos, na atividade Feira do Conhecimento, as principais dificuldades enfrentadas foram: • Gerenciar a montagem de determinado experimento: Durante a montagem dos aparatos, era difícil aos futuros professores se atentar às instruções dos manuais, notava-se certa ansiedade para partir para a tentativa e erro. Tal abordagem é bastante arriscada, uma vez que pode ocasionar a perda de um equipamento, pois as escolas podem não ter facilidade em repor o mesmo. 38 • Incerteza com relação a montagem e proposta: A montagem do aparato tem muitos detalhes, e leva tempo para ser preparada, como essa dificuldade na preparação foi sentida pelo grupo de estudantes de Prática de Ensino de Física, e podemos considerar igualmente que ela é sentida pelos professores da escola. Uma possibilidade importante é a de que depois de preparados os detalhes pelos colegas graduandos da Licenciatura em Física, os professores da escola se sentim seguros e passem a usar mais alguns dos experimentos. • Traduzir os anseios dos alunos: as propostas experimentais dos estudantes da Educação Básica foram atendidas pelos colegas, mas tiveram que passar por um processo de entender o que os alunos queriam, e sugerir um procedimento que se aproveitasse a utilização do laboratório para a construção do conhecimento deles. Caso o grupo de futuros professores da disciplina de Pratica de Ensino não tivesse apresentado os materiais desses conjuntos para os alunos, provavelmente não seriam cogitados incluí-los em suas apresentações da Feira de Conhecimento, o que evidencia a importância do professor na aproximação com tais equipamentos. Ainda sobre essa última dificuldade, para o grupo com o experimento usando o tubo de Geissler, havia uma certa barreira de entendimento para eles relacionarem a observação de luz no tubo, com o outro experimento proposto por eles. Os aspectos que chamam a atenção são, os alunos pareciam especialmente interessados em mostrar em outra prática demonstrativa a mudança de cor do líquido, e os aspectos da teoria aristotélica. Mostraram-se relutantes em utilizar o experimento do tubo de Geissler, que exigia a proximidade com uma tomada 220 V necessária para acionar uma bomba de vácuo. A dificuldade em montar o experimento na mesma bancada contribuiu para afastá-los “fisicamente” do experimento, ainda que fossem capazes de explicá-lo, preferindo assim apresentarem a demonstração do tubo de Geissler em vídeo. Por isso observamos que havia certa dificuldade em comunicar uma demonstração com as outras utilizadas pelos estudantes. É curioso notar ainda que embora a área da mecânica esteja mais completa em termos de números de experimentos, de propostas para eles e da quantidade de temas abordados em diferentes experimentos, esses não parecem se encaixar em uma necessidade ou despertar o interesse dos alunos para estudo, o que ficou evidenciado nas apresentações de temas da Feira de Conhecimento, mesmo quando eles tiveram a oportunidade de escolher nesse evento. 39 4.1 A luz dos saberes Praticamente todos os conceitos da Física envolvidos nos experimentos observados durante essa pesquisa foram estudados durante a formação acadêmica dos futuros professores, ou seja, durante a construção de seus Saberes Docentes relacionados aos conhecimentos da área de Física. Porém, para explicá-los, no contexto do experimento, foi necessário preparar o conteúdo, uma das partes essenciais no trabalho docente, considerando assim neste aprendizado docente, os Saberes da prática docente. A preparação técnica dos materiais requer também tempo de preparação. Durante a graduação, o conhecimento acerca dos detalhes de montagem e preparação dos experimentos, se concentra nos profissionais técnicos de laboratório. Na escola em que o trabalho foi realizado, não se contava com um profissional desse, com conhecimentos específicos, sendo ali uma atribuição do professor preparar esse tipo de atividade. Como alguns desses conjuntos do laboratório da escola foram pouquíssimas vezes usados, a preparação deles passa pela própria construção do Saber Experiencial do professor, inclusive de como operar esses materiais antes e durante a aula. Assim, a situação observada, qual seja o possível não uso do material pelos professores, pode ser atribuído a dificuldade em prepará-lo para o manuseio, e, também, o não conhecimento das propostas abordadas por eles. Com relação as propostas sugeridas nos guias que acompanham o conjunto dos materiais, espera-se que o levantamento feito nesse trabalho possa servir de um guia para consulta de suas possibilidades de aplicação para ilustrar ou inserir tais materiais em atividades de ensino. As atividades realizadas na escola, na Feira de Conhecimento e acompanhando os estudantes da educação Básica, ofereceram aos futuros professores a oportunidade de montar alguns desses experimentos, até mesmo os equipamentos poucos utilizados e mostrar o possível uso desses no ensino de física. A experiência e o conhecimento adquirido pelos futuros professores, para a montagem dos equipamentos e preparação de práticas, pode ser passada para os professores, reforçando a importância dos Saberes da Ação Pedagógica. Mesmo para os materiais que já apresentavam que aparentavam algum uso, em especial o gerador Van de Graaff, a proposta de outras utilizações, como o vento elétrico, descrita na seção 3.1.1, não parecia ter sido executada antes, e pode ser melhorada, em termos dos efeitos produzidos, com a limpeza da parte de eletrização por atrito entre a correia e o material de plástico das roldanas, bem outros mecanismos de eletrização ali presentes. O estudo de tal 40 equipamento permitiu inclusive aos futuros professores fazer recomendações de manutenção do experimento didático para a direção da escola e para a professora de Física, como a troca da correia, que apresentava defeitos pelo desgaste de uso. 4.2 A disciplina de Prática de Ensino Não se pode deixar de lado alguma reflexão do papel da disciplina de Prática de Ensino em provocar situações que levam os futuros professores a articularem os saberes no contexto dinâmico da escola. A situação proposta a esses futuros professores, além de colocarem materiais pouco usados pela escola em ação, trouxe para reflexão dos futuros professores a dimensão do uso de experimentos didáticos no ensino de física; de como precisamos agir de maneira sistemática para a preparação do experimento, observando o tempo que é despendido pelo professor para a montagem do arranjo, ponto fundamental, visto que, durante o dia a dia de trabalho, a agenda do professor pode vir a ficar bastante comprometida por outras tarefas da burocracia escolar. Outro ponto de reflexão que a disciplina trouxe é da relação dos alunos com os experimentos. A aproximação pelo encanto com o experimento parece ter algumas características tais como, o aluno se sentir um cientista, por mais que o experimento didático seja diferente do experimento para a Ciência, e ainda, quais são os efeitos visuais produzido pelo experimento, caso os efeitos sejam muito chamativos esses experimentos podem se relacionar mais facilmente com os alunos. Na disciplina de Prática de ensino, na forma que se desenvolveu com as observações e intervenções, os futuros professores podem debater sobre esses tipos de experiências vivenciadas em um ambiente real da escola, fortalecendo o hábito da reflexão sobre suas próprias ações de ensino. 41 REFERÊNCIAS: ALVES, J. P. Atividades Experimentais: Do método à prática construtivista. Tese (Doutorado), UFSC: Florianópolis, 2000. BENETTI, B.; RAMOS, E. M. de F. Atividades experimentais e ensino de ciências: reflexões e diálogos com professoras dos anos iniciais do ensino fundamental. Águas de Lindóia. Anais 2. Congresso Nacional de Professores São Paulo: UNESP; PROGRAD, 2014. p. 5175-5185 CIDEPE. Manual CIDEPE Física Experimental - Mecânica - Plano inclinado RA, com sensores e software - EQ801 Luiz Antonio Macedo FERREIRA, N. C. Proposta de laboratório para a escola brasileira – um ensaio sobre a instrumentação no ensino médio de física. Dissertação (Mestrado), Instituto de Física e Faculdade de Educação, USP: São Paulo 1978. GASPAR, A. Atividades experimentais no ensino de Física: Uma nova visão baseada na teoria de Vigotski. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2014. GAUTHIER, C. Por uma teoria da pedagogia: pesquisas sobre o saber docente, 3ª edição; Ijui - RS, Editora Unijui 2013. GONSALVES, Elisa Pereira. Iniciação à Pesquisa Científica, 4ª edição, Campinas -SP, Editora Alinea, 2005 SÃO PAULO, Secretaria de Educação. Currículo Paulista; Disponível em: < https://efape.educacao.sp.gov.br/curriculopaulista/wp- content/uploads/2022/02/Habilidades_Ci%C3%AAncias-da-Natureza-e-suas- Tecnologias_1%C2%AA-e-2%C2%AA_S%C3%A9rie_EM.pdf > Acesso em (12/11/2022) SILVA, A. L. da. Laboratório didático: perspectivas experimentais do ensino de física no nível médio. 2012. 61 f. Trabalho de conclusão de curso (licenciatura - Física) - Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Instituto de Geociências e Ciências Exatas, 2012. Disponível em: .