Modelagem Computacional no Estudo de Circuitos Elétricos - if

INVESTIGAÇÃO DE GANHOS NA APRENDIZAGEM
DE CONCEITOS FÍSICOS ENVOLVIDOS EM
CIRCUITOS ELÉTRICOS POR USUÁRIOS DA
FERRAMENTA COMPUTACIONAL MODELLUS*
Pedro F. T. Dorneles
Dissertação de Mestrado
Orientação: Prof. Dr. Marco A. Moreira
Profa. Dra. Eliane A. Veit
Instituto de Física – UFRGS
Novembro 2005
* Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
Estrutura da apresentação
• Introdução
• Revisão de literatura
• Fundamentação teórica
• Metodologia
• Resultados
• Conclusões
Contexto (GPEF)
Investigação sobre o uso de tecnologias
computacionais como recurso instrucional à
aprendizagem de Física.
Antecedentes
Araujo I. S. (2002). Um estudo sobre o
desempenho de alunos de Física usuários da
ferramenta
computacional
Modellus
na
interpretação de gráficos em cinemática
Araujo I. S. (2005). Simulação e modelagem
computacionais como recursos auxiliares no
ensino de Física Geral
Proposta
Propomos simulação e modelagem
computacionais como complemento
às atividades em sala de aula.
Objetivo
Investigar o desempenho dos alunos que
trabalharam com atividades computacionais no
estudo de circuitos elétricos simples e RLC,
utilizando o software Modellus.
Hipótese de pesquisa:
Admitimos que o uso de atividades de
simulação e modelagem computacionais:
•
promoveriam a predisposição do aluno
para aprender;
•
auxiliariam os alunos na superação das
dificuldades
de
aprendizagem
em
circuitos elétricos.
Por que circuitos elétricos?
•
há muitas dificuldades de aprendizagem
nesta área
•
por serem fenômenos dinâmicos são
propícios à modelagem computacional
Em particular, queremos avaliar possíveis
ganhos na aprendizagem de conceitos
físicos envolvidos em circuitos elétricos
com atividades computacionais, utilizando o
software MODELLUS.
Estrutura da apresentação
 Introdução
• Revisão de literatura
• Fundamentação teórica
• Metodologia
• Resultados
• Conclusões
Revisão da Literatura
Revisamos a literatura em busca de
publicações sobre:
• aplicações do software Modellus
(apenas uma publicação)
• dificuldades de aprendizagem em circuitos
elétricos (encontramos 50 publicações)
Incluímos nove revistas especializadas em
Ensino de Física.
Pesquisamos a partir de 1985.
Dificuldades de aprendizagem em
circuitos elétricos:
• dificuldades
conceituais: corrente elétrica,
diferença de potencial, resistência elétrica,...
• concepções alternativas
• linguagem e raciocínios incorretos
Síntese das dificuldades de aprendizagem em
circuitos elétricos simples e RLC
Exemplo: Dificuldade em relação ao
conceito de corrente elétrica
• compare os brilhos da lâmpadas L1, L2, L3, L4 e L5
Respostas típicas: L2 > L3
a corrente elétrica
é consumida
L1 = L2 = L3 > L4 = L5; i3 se divide
Somente 10% a 15% fornecem a resposta certa.
McDermott et
al.
Outras dificuldades de aprendizagem:
•
os significados atribuídos a i, R e DV na
linguagem cotidiana são diferentes dos
científicos
•
raciocínio local em vez de sistêmico (ou
holístico)
•
raciocínio seqüencial em vez de sistêmico
Raciocínio local em vez de sistêmico
•
focalizam a atenção em um ponto e ignoram
o que existe nos ramos do circuito
Muitos alunos respondem que:
i1= 0,6 A, i2= 0,3 A e i3= 0,3 A
Duit et al.
Raciocínio seqüencial em vez de
sistêmico
•
pensam em “antes” e “depois” de passar a
corrente
1/3 dos alunos pensam que se
R1 for alterada o brilho de L1
mudará, R2 for alterada o
brilho de L1 ficará o mesmo
Duit et al.
Estrutura da apresentação
 Introdução
 Revisão de literatura
• Fundamentação teórica
• Metodologia
• Resultados
• Conclusões
Fundamentação Teórica
Utilizamos:
• a Teoria da aprendizagem significativa de
Ausubel
• o referencial de trabalho de Halloun para a
modelagem esquemática
Teoria de Ausubel
Idéia central
conhecimento prévio
Para Ausubel, segundo Moreira (1999b, p.152),
“o fator isolado que mais
influencia a aprendizagem é
aquilo que o aluno já sabe (cabe
ao professor identificar isso e
ensinar de acordo)”
Conceito central
Significado do
novo
conhecimento
Aprendizagem Significativa
resulta da interação
entre uma nova
informação e um
aspecto relevante da
estrutura cognitiva do
aprendiz
de forma
substantiva
(não-literal)
Subsunçor
Diferenciação
progressiva
Partir do geral e, progressivamente, chegar ao
particular
Reconciliação
integrativa
Também se deve fazer constantes referências ao
geral para não perder a visão do todo
Conceitos mais gerais e
inclusivos
Conceitos
intermediários
Conceitos específicos
Moreira
Condições para ocorrência da
aprendizagem significativa
1. Material
potencialmente
significativo
2. Disposição
para aprender
o conteúdo do material a ser estudado
deve ter relação com a estrutura
cognitiva do aluno
o material deve ter significado lógico
o aluno deve manifestar uma
disposição para relacionar o novo
material, potencialmente significativo,
à sua estrutura cognitiva
Modelagem esquemática
Halloun (1996) desenvolveu uma abordagem
teórica que auxilia a resolução de problemas
paradigmáticos
Cinco estágios da modelagem esquemática
• Seleção
do modelo
inicialmente seleciona-se um modelo
apropriado de um repertório de modelos
familiares em uma teoria específica
Construção
construção do modelo matemático que o
ajude a resolver o problema
Validação
consistência interna do modelo
consistência externa
•
Análise
a análise deve proceder de modo a
satisfazer o propósito para qual o modelo foi
construído
•
Expansão
aprimoramento ou extrapolação do modelo
para a construção de outros novos modelos
•
•
Estrutura da apresentação
 Introdução
 Revisão de literatura
 Fundamentação teórica
• Metodologia
• Resultados
• Conclusões
Estratégia
• propor atividades que requeiram que o
aluno interaja de modo consciente com
computador
• uso do método POE (predizer, observar,
explicar)
(White e Gunstone apud Tao & Gunstone, 1999)
• método colaborativo presencial
(Araujo, Veit & Moreira, 2005)
Procedimento didático
Circuitos simples
(cinco aulas)
1 aula expositiva
4 no laboratório de informática
Circuitos RLC
1 aula expositiva
(quatro aulas)
3 no laboratório de informática
O livro texto adotado: “Fundamentos de
Física Vol. 3 – Halliday, Resnick”.
Delineamento da pesquisa
Método quantitativo
Delineamento quase-experimental (Campbel e Stanley, 1979)
01 = Teste inicial
X = procedimento didático
(atividades computacionais)
02 = Teste final
Análise de conteúdo
Método qualitativo
Levantamento de opiniões
Notas de aula
Amostra
alunos de Engenharia (Física II-C 2004/2)
Grupos
Primeira etapa:
ensino de
circuitos simples
(cinco aulas*)
Pré-teste
Pós-teste
Experimental1 (28 alunos)
X
X
Controle1 (165 alunos)
X
X
Segunda etapa:
ensino de
circuitos RLC
(quatro aulas)
Pós-teste
Experimental2 (26 alunos)
X
Controle2 (31 alunos)
X
* Cada aula teve duração de 1h40min
Instrumentos de pesquisa:
Teste sobre circuito simples (Silveira, Moreira & Axt, 1989)
Teste sobre circuito RLC (Dorneles et al.)
Uma questão de prova
Atividades computacionais propostas
Exemplos:
• Simulação computacional
• Modelagem computacional
Estrutura da apresentação
 Introdução
 Revisão de literatura
 Fundamentação teórica
 Metodologia
• Resultados
• Conclusões
Resultados quantitativos circuitos simples
Comparamos os grupos com uma Análise de
Variância e Covariância - ANOVA/ANCOVA –
(Finn, 1997)
Resultados quantitativos circuitos RLC
Comparação entre as médias ajustadas do pósteste
Resultados qualitativos da análise de uma
questão de prova
Números de respostas dos alunos em cada
categoria (26 alunos)
Exemplo de respostas incluídas na
categoria apresentação de considerações
qualitativas corretas
“o capacitor estava sendo carregado e quase atingindo a carga máxima Q1 (veja Fig. 1) para o
circuito quando V foi aumentado repentinamente (ponto de inflexão). A partir deste ponto tem-se
um novo circuito, com uma nova V1 fonte. Neste circuito a quantidade máxima de carga
armazenada no capacitor será Q2, partindo-se da carga inicial Q1. Com isto, pode dividir o gráfico
em duas partes: a do “primeiro circuito” C1 – em que a carga inicial armazenada é zero e a final
tende a Q1, e a do “segundo circuito” C2 – em que a carga inicial armazenada no capacitor é Q1
e a final tende a Q2” (Aluno 11)
Fig. 1 – Figura usada na justificativa do Aluno 11.
Exemplo de respostas incluídas na
categoria apresentação de considerações
qualitativas superficiais ou respostas sem
argumentação
“Aumentando a diferença de potencial V fará
com que aumente a carga máxima que será
armazenada no capacitor. A corrente no circuito
aumentará.” (Aluno10)
Exemplos de respostas incluídas na
categoria apresentação de considerações
qualitativas incorretas
“A ddp aumentada acelera o processo de carga
de um capacitor até sua estabilização
novamente. Isto não significa que a quantidade
de carga será maior. Somente que o tempo para
esta carga será menor” (Aluno 20)
“Com o aumento da potência fornecida pela
fonte o capacitor aumenta a sua capacitância...”
(Aluno 12)
Exemplo de respostas incluídas na
categoria raciocínio baseado apenas em
fórmulas
“qmax = V x C, (C) constante a (q) vai
aumentar! Pois é o que está nesta fórmula. Por
isso é que a curva do gráfico da carga “q”
versus tempo sofre um aumento”. (Aluno 9)
Opiniões dos alunos sobre o uso das
atividades computacionais
1) O procedimento didático adotado no ensino de
circuitos elétricos durante a disciplina contribuiu para
a sua compreensão dos conceitos físicos envolvidos
em circuitos elétricos?
• Sim. Foi mais fácil aprender visualizando o que
acontecia cada vez que mudávamos algo no circuito.
(aluno1)
2) O que você achou do software Modellus?
• Ótimo! Muito didático e muito fácil de mexer, mesmo
para quem não entende nada de computadores.
(aluno 4)
• Achei bom. Pode ser melhorado, mas desempenhou
bem a função de assistente didático. (Aluno 2)
3) Pontos positivos e negativos
• Como pontos positivos lembro que
depois das simulações feitas na tela as
leis ficavam mais claras, era legal ver os
resistores e capacitores influenciando no
circuito! Como ponto negativo acho que
destaco que o software falhava às vezes
e não era muito fácil escrever as
fórmulas. (Aluno 2)
Estrutura da apresentação
 Introdução
 Revisão de literatura
 Fundamentação teórica
 Metodologia
 Resultados
• Conclusões
Conclusões
•
o desempenho dos alunos dos grupos
experimentais foi melhor do que o dos grupos de
controle (diferença estatisticamente significativa).
•
os resultados de nossa análise qualitativa sugerem
que
muitos
dos
alunos
atingiram
uma
aprendizagem significativa.
• atividades
de
simulação
e
modelagem
computacionais com o software Modellus podem
auxiliar os alunos a superar as dificuldades de
aprendizagem sobre conceitos físicos usualmente
enfrentadas na aprendizagem de circuitos elétricos.
•
o procedimento didático adotado exigiu muita
interação dos alunos: com as atividades
computacionais, entre si, e com o professor,
tornando-se um elemento motivador para a
aprendizagem de circuitos elétricos.
Perspectiva futura
Investigar a integração entre atividades de
simulação e modelagem computacionais com
atividades experimentais.
Fim
Atividades computacionais
Simulação
caracterizadas pela observação,
análise e interação do aluno
com modelos já construídos
Modelagem
caracterizadas pelo processo
de construção do modelo
desde sua estrutura
matemática até a análise dos
resultados gerados por ele
Síntese das dificuldades conceituais e concepções alternativas detectadas e
identificadas na terceira coluna por [1] Duit & Von Rhöneck (2005), [2] Shaffer &
McDermott (1992) e [3] Engelhardt & Beichner (2004).
Síntese das dificuldades conceituais e concepções alternativas detectadas e
identificadas na terceira coluna por [5] Eylon & Ganiel (1990), [6] Thacker,
Ganiel & Boys (1999) e [7, 8] Greca & Moreira (1996, 1998) respectivamente.
Consideramos um modelo físico:
• como uma representação simplificada e
idealizada de um sistema ou fenômeno
físico
• aceito pela comunidade científica
• constituído por proposições semânticas,
representações (externas) e modelos
matemáticos subjacentes”
Veit (2003).
a) A janela Modelo mostrada na Fig. 1 é de um modelo
de um circuito RC. Com base neste, construa um
modelo de um circuito RL (Fig. 2).
Fig. 2- Circuito RL
Fig. 1- Janela Modelo
b) Insira na janela Animação, do modelo construído, uma
barra para variar a indutância no indutor L. Após discuta
as alterações na corrente elétrica e na diferença de
potencial em R e em L ao alterar a indutância em L.
No circuito mostrado na Fig. 1, R é um resistor, C um capacitor e I um interruptor.
Em cada item é fornecido o gráfico da carga no capacitor em função do tempo
durante o processo de carga do capacitor para uma situação em que a diferença
de potencial fornecida pela fonte V é repentinamente:
Fig. 1 - Figura ilustrativa de um
circuito RC.
Justifique o comportamento da curva descrita no gráfico carga versus
tempo, para cada item acima. Qual é o significado físico (variável
associada) da inclinação desta curva?