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Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciência e Tecnologia - PPGECT
I Simpósio Nacional de Ensino de Ciência e Tecnologia – 2009 ISBN: 978-85-7014-048-7
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A apresentação de circuitos elétricos e seus respectivos conceitos da Física através da
experimentação real e virtual
Júlio César David Ferreira
Rosemara Perpetua Lopes
Rosana Ramos Socha
Eloi Feitosa
Resumo
No seguinte trabalho, apresentaremos algumas possibilidades de
desenvolvimento de circuitos elétricos simples com alunos do 3º ano do ensino
médio na disciplina de Física. Com experimentações, tanto reais como virtuais,
chegaremos ao conceito de Potência Elétrica.
Podemos tratar a inclusão de experimentos virtuais específicos,
previamente selecionados por critérios bem definidos, como uma ferramenta que
pode se somar ao material distribuído pela Secretaria da Educação aos professores
da rede pública.
Não estamos propondo que seja oferecido ao professor, material didático
(CD-ROM) que não sairá do armário, ma sim um recurso de fácil aplicação que
poderá ser utilizado sem grandes demandas de recursos materiais pelo fato de
atualmente existirem softwares como o que apresentaremos, disponíveis
gratuitamente na internet.
Palavras-chave: Tecnologias na educação, Simulações virtuais, Ensino de
Física, Aprendizagem significativa.
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Abstract
The layout of electrical circuits and their concepts of physics through real
and virtual experimentation
At work, present some potential for simple electrical circuits with students
of the 3rd year of secondary education in the discipline of physics. In experiments,
both real and virtual, get the concept of Electric Power.
We can treat the specific inclusion of virtual experiments, previously
selected by well defined criteria as a tool that can add to the material distributed
by the Department of Education to teachers from public.
We are not proposing that is offered to the teacher, teaching materials (CD-
ROM) not out of the closet, but rather a resource-friendly application that can be
used without large demands for material resources because of software currently
available such as that presented, freely available on the Internet.
Keywords: Technologies in education, Virtual simulations, Teaching of
Physics, Meaningful learning.
1. Introdução
A aprendizagem de conceitos escolares é objeto de estudos de Ausubel (1980). Baseados
em sua teoria da aprendizagem significativa, especificamente na utilização de organizadores
prévios como elementos mediadores situados entre aquilo que o aluno já sabe (conhecimento
prévio) e aquilo que se espera que ele aprenda (MOREIRA, 1985), apresentaremos algumas
formas de se desenvolver de maneira significativa, conceitos de Física, especialmente o de
Potência Elétrica.
Esperamos que o trabalho, de alguma forma, promova a articulação entre tecnologia
computacional e aprendizagem escolar, sob a premissa de que é possível utilizar mecanismos,
estratégias e ferramentas pedagógicas diferenciadas, no caso, as computacionais, como
facilitadores da aprendizagem enquanto processo que implica na formação de conceitos pelo
sujeito aprendiz.
1.1. Simulações computacionais no processo de ensino-aprendizagem escolar
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Utilizadas para fins escolares, as tecnologias podem ser vistas como mecanismo de
motivação à aprendizagem, desde que devidamente utilizadas na construção do conhecimento.
Entendemos que a utilização do computador pode dinamizar o processo de ensino-aprendizagem
escolar, tornando-o mais interativo e, conseqüentemente, mais profícuo. O elevado número de
reprovações em Física, o fato de ser a Física uma ciência experimental com leis expressas por
equações diferenciais e fórmulas, o uso de métodos tradicionais inadequados no ensino de seu
conteúdo e a necessidade de criar condições para que o aluno desenvolva suas capacidades
cognitivas justificam o uso do computador como ferramenta no processo de ensino-aprendizagem
das ciências físicas (FIOLHAIS & TRINDADE, 2003).
De acordo com Valente (1993: 24), “o computador pode enriquecer ambientes de
aprendizagem onde o aluno, interagindo com os objetos desse ambiente, tem chance de construir
o seu conhecimento”. Na ausência de recursos que proporcionem um grau de interação mais
elevado entre o aluno e o computador - como ocorre, por exemplo, com as modelagens
computacionais, dentre as quais se destaca a linguagem de programação Logo -, as simulações
virtuais, especialmente as classificadas como abertas por promoverem uma maior interação do
aluno com o computador, colocam-se como opção a professores que ainda hoje desenvolvem
suas aulas com recursos como lousa, giz e voz.
As simulações pertencem à classe dos ambientes interativos de aprendizagem. Um exemplo
é o software SimCity que, em contexto educacional, permite ao usuário criar situações sobre as
quais ou a partir das quais alunos e professores poderão discutir e propor soluções viáveis para
problemas como poluição, trânsito e preservação do meio ambiente (BARANAUSKAS et al., 1999).
Simulações englobam uma vasta classe de tecnologias, do vídeo à realidade virtual. Podem
ser vistas como representações ou modelagens de objetos específicos, reais ou imaginados, de
sistemas ou fenômenos, sendo portadoras de possibilidades e limites (MEDEIROS & MEDEIROS,
2002). Há numerosas simulações de fenômenos físicos disponíveis na Internet. Elas têm cores,
formas e movimentos (algumas têm som) que atraem a atenção do estudante, facilitando a sua
compreensão sobre um determinado fenômeno antes verificado apenas por meio de fórmulas
escritas no livro didático ou na lousa pelo professor. Além disso, as simulações virtuais são de fácil
acesso e não exigem muito em termos de especialização do professor ou aluno usuário.
Neste trabalho, selecionamos uma simulação computacional aberta, considerando dois
aspectos apontados por Valente (1993): 1) grau de intervenção do aluno no processo, de maneira
a que o computador seja utilizado mais como ferramenta e menos como máquina de ensinar; 2) a
concepção de simulação como um complemento de apresentações formais, leituras e discussões
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de sala de aula. Neste caso, cabe ao professor o papel de criar condições para o aluno relacionar o
fenômeno simulado ao fenômeno real.
1.2. A Física e suas especificidades
Ministrar uma aula “interessante” aos alunos não é tarefa fácil, especialmente quando a
matéria é Física. Da seleção de conteúdos à forma de encaminhamento, as dificuldades se
multiplicam, tornando a aprendizagem distante e a Física praticamente inacessível à maioria dos
alunos, num cenário em que compreensão e memorização de conceitos não se coadunam.
A aprendizagem de Física é dificultada por seus conceitos. Numa situação de ensino
tipicamente instrucionista, o aluno pode não conseguir visualizar mentalmente fenômenos que o
professor descreve oralmente com palavras ou graficamente com desenhos e letras na lousa.
Nesse caso, as simulações, com seus movimentos, cores e formas podem gerar resultados que o
professor não conseguiria utilizando apenas figuras estáticas desenhadas no quadro negro.
O ensino de Física para alunos da escola pública é orientado pelos Parâmetros Curriculares
Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM, 2000). De acordo com este documento, a Física: tem uma
maneira própria de lidar com o mundo, expressando-se, sobretudo, na busca de regularidades, na
conceituação e quantificação de grandezas, na investigação dos fenômenos; desenvolveu uma
linguagem própria para seus esquemas de representação, composta de símbolos e códigos
específicos que representam um saber conceitual; requer identificação de grandezas físicas
correspondentes a situações dadas e conhecimento para o emprego de símbolos, como os de
vetores ou os de circuitos, quando necessário. Uma das competências e habilidades previstas no
PCNEM para o ensino de Física é conhecer e utilizar conceitos físicos, compreendendo e utilizando
leis e teorias físicas.
Esses mesmos Parâmetros orientam que é preciso ajudar o aluno a construir uma visão da
Física, de tal maneira que ele seja capaz de “compreender, intervir e participar da realidade”, não
se restringindo à memorização de fórmulas e resolução mecânica de exercícios. Nesta linha,
apontam a necessidade de o professor oferecer aos alunos situações que mostrem a Física
presente no cotidiano deles, permitindo, assim, a construção de significados.
2. Objetivos
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Apresentar simulações computacionais como ferramenta de apoio pedagógico no processo
de ensino-aprendizagem.
Abordar o conceito de potência elétrica, assim como grandezas correlatas como tensão e
corrente elétrica, utilizando mecanismos didáticos, cujas práticas sejam desenvolvidas em tempos
e espaços diferenciados, quais sejam, o real e o virtual.
Comparar a realização de uma situação de aprendizagem em meios distintos.
3. O conceito de Potência Elétrica
Contribuiu para a escolha do conceito de potência elétrica a dificuldade de o aluno
entender um fenômeno que não está visível a olho nu: o que vemos é tão somente a luz gerada
por uma corrente elétrica que, por sua vez, é gerada por uma ou mais pilhas. Trata-se, assim, de
um conceito cuja aprendizagem requer mais do que aulas meramente expositivas e memorização.
De modo subliminar, sua aprendizagem impõe o desafio de distinguir o que é definidor do que é
característico (LOMÔNACO, 1996).
Neste trabalho, concebemos "taxa de transferência de energia por tempo" como atributo
definidor do conceito de potência elétrica, adotando tensão, corrente elétrica e luminosidade da
lâmpada como atributos característicos.
Consideremos uma situação em que duas pessoas realizam um mesmo trabalho. O
indivíduo que leva um tempo menor realiza um esforço maior. Em Física, dizemos que esse
indivíduo desenvolveu uma potência maior. Utilizamos o conceito de potência quando analisamos
processos de transferência de energia, ou seja, a taxa temporal de transferência de energia. O
quociente do trabalho realizado (W) por uma força e o tempo gasto (t) em realizá-lo é a potência,
P = W/t, medida em Watts (W).
Nosso enfoque recai sobre a potência envolvida em circuitos elétricos, ou seja, a potência
elétrica. Em sistemas elétricos, a potência instantânea característica de um dispositivo de dois
terminais é o produto da diferença de potencial (V) entre esses terminais e a corrente (I) que
atravessa esse dispositivo. A relação matemática que extraímos disso é P = VI. Esta fórmula torna
relativamente fácil a tarefa de mostrar que a potência elétrica (P) equivale à taxa de variação
temporal do trabalho (W) realizado pela pilha para gerar corrente elétrica (I) - definida, esta,
como I = Q/t -, que equivale à quantidade de elétrons que atravessa uma seção linear do fio por
unidade de tempo, então, P = VI = VQ/t = W/t, onde W = VQ é o trabalho realizado pela pilha de
tensão elétrica (V) para fornecer carga elétrica ou elétrons (Q) ao circuito.
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Circuitos com lâmpadas ligadas em série e em paralelo podem ser utilizados para verificar
valores obtidos para a potência elétrica, sendo que o brilho (intensidade luminosa) da lâmpada
varia de acordo com a configuração do circuito montado.
3.1. Conceito de Tensão e de Corrente Elétrica
O funcionamento dos aparelhos elétricos pode ser entendido em função de quatro
grandezas principais indicados pelas letras: P (Potência), I (Corrente), R (Resistência) e U (Tensão
Elétrica), cujas unidades e relações são mostradas na Tabela 1.
Tabela 1 – Unidade de medida das grandezas elétricas no Sistema Internacional (SI) e seus
respectivos símbolos
GRANDEZA ELÉTRICA UNIDADE NO S.I.
Nome Símbolo Nome Símbolo
Corrente I Ampère A
Resistência R Ohm Ω
Tensão U=RI Volt V
Potência P=UI Watt W
Etiquetas de produtos elétricos e eletrônicos em geral indicam, entre outras coisas, a
tensão, corrente ou potência dos mesmos. Ex., a maioria dos aparelhos elétricos foi projetada
para funcionar sob uma tensão elétrica de 115 ou 220 volts (V).
Todo material condutor possui uma resistência elétrica que indica a dificuldade de
passagem da corrente elétrica. Isolantes têm alta resistência à corrente, nos condutores a
resistência é baixa. Metais em geral são bons condutores de corrente. Com eles são fabricados os
fios condutores. Os materiais condutores são portadores de cargas elétricas (elétrons ou íons)
quase livres. Os isolantes não apresentam portadores de cargas elétricas livres. Neles, a
mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula.
Aplicando-se uma diferença de potencial (d.d.p.) entre dois pontos de um condutor,
estabelece-se um campo elétrico interno e os elétrons passam a se movimentar numa certa
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ordem, constituindo uma corrente elétrica, definida como a razão entre a quantidade de carga
que atravessa certa secção transversal por unidade de tempo, I = Q/t.
Existe corrente elétrica quando portadores de cargas elétricas (positivos e/ou negativos) se
movimentam numa direção preferencial em relação às demais. Trata-se, assim, de um fenômeno
associado ao movimento ordenado de carga elétrica, sendo o potencial elétrico responsável por
esse movimento ordenado. Há dois tipos de corrente elétrica: corrente elétrica contínua - gerada
por pilhas e baterias - e corrente elétrica alternada - gerada por usinas que transformam energia.
As correntes contínuas são constantes com o tempo, já as alternadas variam periodicamente no
tempo. A direção de uma corrente elétrica é a mesma dos portadores de cargas elétricas. Seu
sentido é contrário ao do movimento dos elétrons. Então, corrente elétrica é carga elétrica
em movimento ordenado. A carga elétrica é uma propriedade da matéria constituída por átomos.
O átomo consiste de um núcleo ao redor do qual giram elétrons (carga negativa). No núcleo há
prótons (carga positiva) e nêutrons (não têm carga). As cargas elétricas são reconhecidas pelos
sinais (–) e (+). Cargas de mesmo sinal se repelem; cargas de sinais contrários se atraem. Existe
eletricidade porque há carga elétrica. Lembramos que a corrente surge do movimento ordenado
de cargas. Para haver este movimento é preciso haver a ação de uma força sobre elas. Essa ação
acontece quando existe uma tensão elétrica entre dois pontos. Se estes pontos estiverem ligados
por um condutor, as cargas se deslocam do ponto de maior potencial para o de menor potencial
(semelhante a um objeto que cai sob a ação do potencial gravitacional da Terra).
3.2. Experimento real e virtual de um circuito elétrico simples
Um circuito elétrico é constituído por componentes elétricos por onde a corrente circula.
Requer uma fonte de tensão (uma pilha, por exemplo) e fios condutores que conectem terminais
positivo (+) e negativo (-) a outros componentes (ex. lâmpada, buzina, motor elétrico). A corrente
percorre apenas circuitos fechados. Itzhak (2005, p. 43) esclarece que o termo circuito elétrico
“pode designar tanto um circuito contendo apenas dispositivos elétricos como um circuito com
componentes eletrônicos”. O circuito de que trata este trabalho contém pilha(s), fios condutores
e lâmpadas.
Para a montagem do experimento real, utilizamos uma situação de aprendizagem sugerida
no “Caderno do Professor” elaborado pelo Grupo de Reestruturação do Ensino de Física da USP
(GREF). Trata-se de material didático apostilado, distribuído em 2008 pela Secretaria de Educação
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do Estado de São Paulo aos professores da rede pública para o ensino de conteúdos como o de
Física.
A situação de aprendizagem prevista no referido Caderno orienta a montagem de um
circuito elétrico simples por cada aluno, isoladamente. A apostila não sugere simulações virtuais
como alternativa.
Para a realização do experimento virtual, adotamos o applet Circuit Construction Kit (DC
Only) 1, criado pelo Grupo Physics Education Technology (PhET), da University of Colorado at
Boulder.
A simulação possibilita construir circuitos com resistores, lâmpadas elétricas, baterias e
interruptores; realizar medidas com voltímetro e amperímetro realísticos; visualizar o circuito em
formato de diagrama ou de um circuito real.
A simulação escolhida pode ser utilizada off-line, desde que se faça o download do
programa. Trata-se de uma simulação aberta, que possibilita maior interação do aluno com o
computador, uma vez que é ele quem vai montando, aos poucos, o circuito, escolhendo cada uma
de suas partes. Para construir um circuito neste applet, o aluno, necessariamente, deve dispor de
algum conhecimento prévio sobre a estrutura de um circuito, assim como sobre a função de cada
uma das partes que o constitui.
Na tela do computador, o aluno visualiza uma corrente elétrica do tipo convencional (que
vai do positivo para o negativo da bateria) e não uma corrente elétrica do tipo real (sentido dos
elétrons). Quanto maior o valor da corrente, mais rápido o movimento das “cargas”.
4. Desenvolvendo o experimento
Foram montados circuitos sob diferentes configurações, de modo a ser possível
observar o aumento ou a diminuição do brilho da(s) lâmpada(s) ligada(s) ao circuito e
relacionar-se variação à tensão da fonte (uma ou duas pilhas ligadas em série) ou ao tipo de
associação das lâmpadas (em série ou em paralelo). Foram montados quatro circuitos com
variação quanto ao número de pilhas, número e disposição das lâmpadas, conforme se
observa na Figura 1, a seguir.
1 Disponível em:
http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Circuit_Construction_Kit_DC_Only
Acessado em: 3 de Março de 2009
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1 – (a)
Efeito da tensão da pilha (1,5V e 3,0V) na potência (brilho) da lâmpada; (b) brilho de uma
lâmpada ligada a duas pilhas (3V) utilizado como referência; (c e d) brilho de duas lâmpadas
ligadas em série e em paralelo, respectivamente. As pilhas têm a mesma característica (2,7V) e
produzem o mesmo brilho quando ligadas à mesma fonte.
A etapa a seguir pode ser realizada, desde que a escola tenha um laboratório de
informática ou um espaço adequado, com alguns computadores que possam executar o software,
não apenas pela montagem do circuito, mas pelo recurso que a comportou.
A Figura 2 contém circuitos virtuais equivalentes, em funcionalidade, aos circuitos reais
observados na Figura 1. Nos circuitos reais e virtuais, a intensidade do brilho das lâmpadas foi
comparada, evidenciando correspondência entre fenômeno real e virtual: em ambos o brilho de
uma lâmpada é explicado pelo número de pilhas (tensão aplicada) e pelo modo de associação –
em série ou em paralelo. Apenas a simulação virtual possibilita medir corrente e tensão elétrica
em qualquer parte do circuito, sem riscos ou dificuldades em relação aos medidores (multímetro
ou amperímetro).
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(a) (b) (c)
Figura 2 - (a) Efeito da tensão na potência de uma lâmpada; (b e c) potência elétrica de
lâmpadas ligadas em série e em paralelo
5. Resultados e Conclusões
Por hora, não temos resultados concludentes sobre a prática sugerida. Nosso trabalho
consistiu, nessa oportunidade, em uma verificação teórica acerca dos conceitos envolvidos e suas
demandas de recursos materiais e pedagógicos.
A Física é uma ciência experimental cuja aprendizagem requer estratégias de ensino. Nesta
tarefa, elementos como material de aprendizagem e disposição do aluno para a aprendizagem
são indispensáveis (AUSUBEL, 1980).
O exposto nos autoriza a afirmar que os objetivos propostos neste trabalho foram
alcançados, tendo em vista que: 1) apresentamos uma simulação computacional como
ferramenta auxiliar no processo educativo; 2) abordamos o conceito de potência elétrica em seus
aspectos característicos e definidor utilizando um experimento real e um virtual; 3) ao realizarmos
o experimento real e o virtual, constatamos que este último tem atributos que podem facilitam a
aprendizagem do aluno, por trazer em sua execução, condições impossíveis de serem obtidas no
experimento real com um baixo custo, como por exemplo, a visualização da corrente elétrica e a
variabilidade de parâmetros como tensão, resistência elétrica, etc.
6. Considerações Finais
A Física torna-se mais interessante quando compreendida. Santos, Alves e Moret (2006)
apontam dificuldades encontradas pelo professor para ensinar um fenômeno físico dinâmico
utilizando recursos estáticos. Os autores afirmam que a animação e a representação gráfica das
simulações podem ampliar a compreensão do aluno a respeito dos aspectos matemáticos e físicos
envolvidos nos conceitos. Ao nosso ver, simulações virtuais são recursos complementares, cuja
utilização não prescinde do trabalho planejado e intencional do professor.
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Em face do exposto, propomos refletir sobre algumas questões: se há simulações virtuais
em abundância na Internet, por que não chegam às escolas? No espaço escolar, o que impede
professores e alunos de utilizarem recursos tecnológicos hoje disponíveis? Por que não inovar,
quando as velhas práticas já mostraram que não dão conta do fenômeno educativo?
7. Referências Bibliográficas
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UNICAMP, 1993, p. 01-44.
Autores:
Júlio César David Ferreira: Aluno do Mestrado em Educação da Universidade Estadual
Paulista (UNESP), campus de Presidente Prudente – SP. [email protected]
Rosemara Perpetua Lopes: Aluna do Mestrado em Educação da Universidade Estadual
Paulista (UNESP), campus de Presidente Prudente – SP. [email protected]
Rosana Ramos Socha: Aluna do Mestrado em Educação na Universidade Estadual Paulista
(UNESP), campus de Presidente Prudente – SP. [email protected]
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Eloi Feitosa: Professor Adjunto do Departamento de Física da Universidade Estadual
Paulista (UNESP), campus de São José do Rio Preto – SP.