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A HIDROSTÁTICA ENSINADA ATRAVÉS DE EXPERIMENTAÇÕES EM SALA
DE AULA
Rivo Lopes de Medeiros . Orientadora: Prof.ª Dra. Ana Rita Pereira Catalão - GO Agosto de 2020 Dissertação apresentada ao Programa do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), ofertado pelo Polo 02 - UFG da Regional Catalão da Universidade Federal de Goiás (UFG) - Polo de Catalão – GO, em parceria com a Sociedade Brasileira de Física (SBF) como requisito para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Universidade Federal de Goiás Regional Catalão - Unidade Acadêmica Especial de Física Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física
SUMÁRIO
- Introdução
- Justificativa
- Objetivos
- 3.1.Objetivo geral
- 3.1.2. Objetivos específicos
- 4 Referencial teórico
- 4.1. A experimentação como estratégia de ensino
- 2 A experimentação no ensino de física
- da experimentação em sala de aula 4. 3 O papel do professor no desenvolvimento da aprendizagem a partir
- até a Base Nacional Comum Curricular (BNCC) 4. 4 A experimentação desde os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN’s)
- 4.5. Teoria da aprendizagem usada no desenvolvimento do produto educacional
- 4.6. Contribuição histórica do pensamento pedagógico de John Dewey
- 4.7. A contribuição de John Dewey à educação
- 4.8. A educação democrática de John Dewey
- 5 O desenvolvimento doo produto educacional
- 5 .1. Um recorte sobre hidrostática
- 5 .2. Abordagem histórica da hidrostática - principais cientistas
- 5 .3. Dos conteúdos abordados nesse produto educacional
- 5 .4. Os conceitos físicos necessários à compreensão dos fenômenos de hidrostática
- 5.4.1. Densidade (massa específica)
- 5.4.2. Pressão exercida por sólidos e fluidos
- 5.4.3. Variação da pressão em um fluido em equilíbrio estático
- 5.4.4. O Teorema de Stevin
- 5 .4.5. O Princípio de Pascal
- 5.4.6. A prensa hidráulica
- 5.4.7. O Princípio de Arquimedes
- 5.4.8. O Princípio de Arquimedes e a flutuação de corpos
- 5.4.9. Condições de flutuabilidade de um corpo
- 5.4.10. Corpo parcialmente imerso em um líquido
- Desenvolvimento do produto educacional
- 6.1. Atividades desenvolvidas
- 6.2. Confecção/montagem das maquetes dos experimentos
- 6.2.1. Grupo 1: Denso D+
- 6.2.2. Grupo 2: Pressol
- 6.2.3. Grupo 3: Liquipress
- 6.2.4. Grupo 4: Pascal
- 6.2.5. Grupo 5: PH – prensa hidráulica
- 6.2.6. Grupo 6: Stevin
- 6.2.7. Grupo 7: Princípio de Arquimedes
- 6.2.8. Grupo 8: Boia-afunda
- Resultados obtidos
- Minha avaliação acerca do desenvolvimento do produto educacional
- Considerações finais
- Referências
- Apêndice
ABSTRACT
HYDROSTATICS LEARNED THROUGH CLASSROOM EXPERIMENTS
Rivo Lopes de Medeiros Advisor: Profa. Dr. Ana Rita Pereira There is a growing daily lack of interest among high school students in the exact sci- ences subjects. This attitude stems, among other factors, from the difficulty most students have in dealing with fundamental mathematical concepts (proportion, directly and inversely propor- tional quantities, functions etc.), elementary arithmetic calculations (the four basic operations), and reading and interpretation of texts. Thus, the purpose of this proposal is to verify the real impact that the use of classroom experimentation has on the significant learning of high school students. We start from the conception that experimentation is a way of favoring the establish- ment of a link between the world of objects, the world of concepts, laws and theories and that of symbolic languages. Given this, we propose strategies for teaching hydrostatic content, using experimentation as a way to stimulate students' interest in knowing and understanding im- portant physics content and to participate in classroom discussions on the subject. The strategies adopted aim to make the students realize that the physical phenomena related to hydrostatics are known and widely used in situations of their daily tasks on a larger or smaller scale, often without the perception that they are significant physical concepts. Thus, we will try to show them that both the understanding of the physical concepts involved in each phenomenon and the use of mathematical formalism, which are both important and complementary, and that the “boring and complicated” part (the mathematics), is the language used for synthesize the con- cepts studied. So to teach hydrostatic contents we will develop a didactic sequence with activ- ities that contemplate playfulness (activities that enable moments of pleasure, delivery and in- tegration of those involved) by setting up simple experiments and using a computer simulator that show the concepts/ phenomena, for example: pressure exerted by contact area between solid bodies, density of solid bodies and hollow bodies, hydraulic press, Stevin Theorem, Ar- chimedes Principle; buoyancy conditions of bodies immersed in hydrostatic equilibrium fluids. The results of these activities will be experienced/explained by the students in an internal school science show. Keywords : physics teaching, hydrostatic, playfulness, experimentation.
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1. INTRODUÇÃO Vivemos atualmente em uma sociedade dinâmica e consumista, do “imediatismo”, do “tudo pronto e acabado” e ao “alcance das mãos”, e que segundo Valadares (2005), estamos numa sociedade de consumo que fornece as coisas prontas e aliado à esse consumismo tem as facilidades do uso da internet, considerada por muitos “a fonte de consulta e de solução de todos os problemas” que surgem no nosso cotidiano, trazendo uma avalanche de informações em tempo real, possibilitando à sociedade moderna acesso global a inúmeras informações e produ- tos, muitas vezes sem qualquer embasamento científico. Tudo isso faz com que a alfabetização científica seja cada vez mais importante, pois o acesso ilimitado a tantas informações e produtos torna bastante difícil, senão impossível às pessoas uma análise criteriosa daquilo que é relevante em termos de conhecimento, daquilo que é meramente uma informação sem importância ou daquilo que é “fake news”, devido à rapidez com que um “conhecimento” ou informação são substituídos por outras nessa rede dinâmica. Segundo Bondía (2002), a descuidada semelhança entre “informação”, “conhecimento” e “aprendizagem” leva a uma equivocada caracterização da sociedade: “[...] aprender não significa adquirir e processar informação”; “[...] a informação não faz outra coisa que cancelar nossas possibilidades de experiência” (BONDÍA, 2002, p.22). A fragmentação do conhecimento em disciplinas com um grande volume de informa- ções nos currículos escolares, desconectados do cotidiano, contribui para afastar ainda mais o pensamento crítico das escolas. Em relação à Física, é perceptível que a maioria dos estudantes da Educação Básica e até mesmo no Ensino Superior, tem grande dificuldade de relacionar os fenômenos físicos observados e vivenciados no seu cotidiano com aquilo que lhe é ensinado em sala de aula. Assim, a percepção e aprendizagem do conteúdo ficam comprometidas, pois o processo de ensino-aprendizagem torna-se fragmentado, haja vista a necessidade de se fazer inferências e analogias para a abstração e posterior compreensão de teorias científicas. De acordo com Serafim (2001) o aluno que não reconhece o conhecimento científico em situações cotidianas não consegue compreender o significado da teoria relacionada a essa situação. Segundo Freire (1997), para compreender a teoria é preciso “experienciá-la”. Portanto é importante que o aluno estabeleça a dinâmica e a indissociável relação entre teoria e prática. Em particular no Ensino de Física, uma ferramenta pedagógica útil que pode ser utilizada é a realização de experimentos que demonstre os variados fenômenos físicos e a sua relação com o cotidiano. Em relação ao processo de ensino-aprendizagem da Física existe ainda o desafio de tor- nar o ensino atraente, instigante e prazeroso, buscando despertar no aluno o gosto pela educação
13 mostrado a metodologia adotada na construção desse trabalho; o capítulo 6 aborda o desenvol- vimento e aplicação do produto educacional na unidade escolar. E no capítulo 7 faremos as considerações finais sobre o trabalho realizado e serão apontadas algumas perspectivas futuras sobre o projeto desenvolvido.
2. JUSTIFICATIVA A escolha da metodologia de ensinar hidrostática através de experimentação se justifica por sua evolução histórica que demonstra um avanço em relação às concepções mais tradicio- nais de ensino de física em virtude de suas bases teóricas empírico-construtivistas que privile- giam a participação ativa dos estudantes no processo de aprendizagem, seus princípios teórico- metodológicos que ressaltam o papel mediador do professor e a ênfase na problematização dos conteúdos que caracteriza uma sequência de ensino experimentalista. A perspectiva de ensinar física através de experimentação em sala surgiu da percepção, enquanto professor, da pouca aprendizagem demonstrada pelos discentes frente o método de ensino tradicional vigente e da frustração advinda, tanto de professores quanto de alunos, com o baixo rendimento nas avaliações institucionais internas e externas. Que posturas didático- pedagógicas são necessárias para a implementação do ensino por experimentação em sala de aula e que contribuições essa metodologia de ensino-aprendizagem pode proporcionar para a aprendizagem de conceitos físicos relevantes? Em colóquios/reuniões com professores, de instituições diversas, atuantes em áreas afins da ciência é consenso que um ensino mais contextualizado, com atividades mais instigan- tes, lúdicas e motivadoras, contribui efetivamente para potencializar a aprendizagem de concei- tos físicos pelos alunos e sua aplicação em situações reais observadas tanto no próprio ambiente escolar quanto fora dele. Entretanto, a implantação e aplicação efetivas desse ensino inovador ainda se encontram distanciados da realidade da maioria das escolas brasileiras. Uma infinidade de dificuldades na implementação dessas novas abordagens metodológicas favorece a perma- nência da prática de ensino tradicional. O que se espera ao testar essa metodologia de ensino- aprendizagem é que ela proporcione aportes teóricos e metodológicos que possam subsidiar a adoção de uma postura didático-pedagógica que vise a superação do ensino mecanicista e con- tribua para que outros professores se sintam encorajados a experimentar abordagens de ensino mais desafiadoras.
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3. OBJETIVOS 3 .1. OBJETIVO GERAL Implementar uma sequência didática de ensino-aprendizagem voltada para a experimen- tação de fenômenos em sala de aula, com vistas a colher informações que possam apontar as potencialidades e contribuições dessa metodologia de ensino para a formação de conceitos fí- sicos relevantes relacionados à Hidrostática. 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ➢ Enfatizar a importância de um ensino de física contextualizado, que contribua para a percep- ção, por parte dos estudantes, do papel social da ciência e das suas aplicações tecnológicas. ➢ Caracterizar a sequência de ensino investigativo focado em experimentação, destacando as etapas do seu processo de implementação em sala de aula; ➢ Destacar a dimensão formativa da elaboração e implementação da sequência de ensino por experimentação, enquanto processo indutor da reflexão e ressignificação da prática docente. 4. REFERENCIAL TÉORICO 4 .1. A EXPERIMENTAÇÃO COMO ESTRATÉGIA DE ENSINO A realização de experimentos em sala de aula tem sido uma importante ferramenta pe- dagógica no ensino de ciências. Ao utilizá-la o professor consegue estimular os alunos a serem mais interessados e participativos. É por meio da experimentação que a ciência encanta. Na vida escolar o contato com objetos, situações materiais, relações diretas com a natu- reza e com produtos tecnológicos, constituem um aspecto essencial como forma de mediação na composição do currículo escolar. Entendida dessa forma a atividade experimental visa apli- car a teoria na resolução de problemas e dar significado à aprendizagem da ciência, consti- tuindo-se como uma verdadeira atividade teórico-experimental (ZANON e FREITAS, 2007). Ao longo do desenvolvimento das teorias associadas à Psicologia e à Filosofia aplicadas no contexto da educação diversos pensadores se debruçaram sobre importância da experimen- tação enquanto atividade de ensino/aprendizagem. De acordo com Manacorda (2001), há mais de 300 anos, John Locke (1632-1704) apontou a necessidade do uso de atividades práticas pelos estudantes. O reconhecimento da importância das atividades práticas na educação das crianças também pode ser encontrado em Rousseau (1712-1778), Pestalozzi (1746-1827), Montessori (1870-1952), Dewey (1859-1952) e outros. As atividades práticas são vistas por estes em
16 provoca grandes mudanças na sociedade, e são bastante relevantes para serem aplicadas na área da educação, das comunicações e das ciências. O uso de computadores, celulares, jogos etc., em sala de aula despertam mais interesse desses “nativos digitais” do que atividades que re- queiram raciocínio e habilidades manuais para lidar com ferramentas simples (alicate, tesoura, pistola de cola quente etc.). O professor orientador tem de levar em conta essa situação, haja vista que ela pode se tornar um grande transtorno durante uma aula experimental e aquilo que foi planejado para ser uma atividade divertida e instrutiva, tornar-se uma algazarra sem proveito algum. Nesse sentido, Gaspar discorre: Uma atividade experimental realizada isoladamente por um grupo de alunos, por mais desafiadora e motivadora que seja, não terá nenhum significado se não houver alguém do grupo ou com ele interagindo que conheça e possa expor o seu modelo explicativo aos demais. Só quem conhece a fundamentação teórica de uma experiência pode rea- lizá-la de forma significativa e fazer com que ela possa promover a aquisição do co- nhecimento para a qual foi proposta e apresentada. (GASPAR, 1997, p.11). Para evitar isso, uma alternativa é usar o desenvolvimento de projetos, conduzidos por grupos de alunos com a supervisão de professores, o que pode dar oportunidade de utilização dessas e de outras tecnologias, especialmente no ensino médio. Isso, é claro, não ocorre espon- taneamente, mas sim como uma das iniciativas integrantes do projeto pedagógico de cada uni- dade escolar, projeto que pode mesmo ser estimulado pelas redes educacionais. Certamente que o ensino científico-prático não é suficiente para resolver todos os problemas educacionais, mas pode propiciar uma aproximação do conhecimento científico ensinado em sala de aula com aqueles produzidos pelos cientistas (Alves Filho, 2000). Trazer para a sala de aula as aplicações de conhecimentos científicos utilizados na cons- trução de máquinas e equipamentos de uso cotidiano pode ser uma forma de despertar nos es- colares o interesse em estudar ciências e, consequentemente, despertar neles o interesse de en- tender os princípios de funcionamento e qual/quais fenômenos físicos estão relacionados com seu funcionamento. Não se quer uma geração de jovens que apenas consomem tecnologia, sem entender o que são, como são construídas e como funcionam os diversos equipamentos tecno- lógicos amplamente utilizados atualmente. Para modificar essa realidade a experimentação tem se mostrado uma estratégia bem eficaz na aprendizagem dos conteúdos da Física.
17 4.2. A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA Desde os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs, Brasil, 1998 ), os documentos ofi- ciais que regem a Educação Brasileira estabelecem que o ensino médio, etapa final da educação básica, com duração mínima de três anos, tem como finalidades: I. A consolidação e o aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino fundamental, possibilitando o prosseguimento nos estudos; II. A preparação básica para o trabalho e a cidadania do educando, para continuar aprendendo, de modo a ser capaz de se adaptar com flexibilidade a novas condições de ocupação ou aper- feiçoamentos posteriores; III. O aprimoramento do educando como pessoa humana, incluindo a formação ética e o desen- volvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico; IV. A compreensão dos fundamentos científicos e tecnológicos dos processos produtivos, rela- cionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina. O uso da experimentação como estratégia de ensino no processo de ensino- aprendizagem da Física pode amenizar as dificuldades que o aluno tem em entender o conteúdo repassado pelo professor, sendo que muitos a consideram uma disciplina de difícil assimilação. Essas dificuldades decorrem, muitas vezes, do abismo existente entre conceitos abstratos e experiências diárias dos alunos (SANTOS e DIAS, 2010). Nesse sentido há uma abrangente discussão sobre o ensino da física na atualidade, sobre suas necessidades como matéria em sala de aula e sobre as dificuldades de assimilação de conhecimento por parte dos alunos. Segundo Gaspar (1997): O ensino de Física é certamente uma atividade tão antiga como a própria Física, mas o Ensino de Física, grafado assim, com iniciais maiúsculas, é uma área de pesquisa em educação relativamente recente. Talvez pudéssemos situar seu início em meado do século XIX quando surgiram os primeiros livros didáticos de física, mas não se pode afirmar que esses textos tinham tido alguma fundamentação teórico-pedagógica consciente, o que a rigor só ocorreria um século depois. Estamos completando, portanto, meio século na busca de uma forma eficiente de transpor para a sala de aula o conhecimento construído pela física. É pouco tempo, sem dúvida, e apesar dessa eficiência ainda não ter sido alcançada, há um saldo positivo, sobretudo em relação à produção de material. (GASPAR, 1997, p.1). Professores de Física e de ciências em geral têm conhecimentos das aplicações imediatas das tecnologias que surgiram com o desenvolvimento das teorias e experimentações em suas áreas de atuação e podem utilizá-las como “gatilhos” para despertar o interesse dos estudantes para o tema abordado em sala de aula. Para Valadares e Moreira (1998): É necessário resgatar o interesse dos alunos pela Física. Cada um de nós que está ligado de uma forma ou de outra ao ensino de Física sabe que o seu estudo permite uma compreensão básica da natureza, além de desenvolver nos estudantes uma série de habilidades que podem dar vazão à sua criatividade, proporcionando prazer, alegria
19 práticas pedagógicas de transmissão de conhecimento a uma geração imersa em uma sociedade altamente tecnológica e tecnicista. O temor inicial de que o professor seria substituído por um computador em curto espaço de tempo não se concretizou. Pelo contrário: o tempo decorrido desde a assimilação dessas “ferramentas pedagógicas” em todos os níveis de ensino se encarregou de mostrar que o professor atualizado e em constante formação ainda é peça essencial nesse processo de transposição didática e como mediador do conhecimento. Segundo Gaspar (1997, p. 87 ), “Toda a ciência, assim como a física, é uma aquisição do ser humano. Pois são os físicos que detêm em suas mentes as teorias relacionadas aos fenômenos da natureza e, consequentemente, os professores de física também são portadores desses ensinamentos, devido seus estudos na área”. Dessa forma, se torna fácil para o aluno a possibilidade de aprender física tendo o professor como agente mediador, que faça a ponte do conhecimento entre ele e a natureza. A premissa é válida para as outras disciplinas do currículo escolar. Dessa maneira, considerando o papel fundamental da experimentação no processo de ensino, deve-se destacar o desempenho do educador quanto detentor do conhecimento e seu bom relacionamento com o educando, pois isso irá facilitar a transmissão e recepção desse conhecimento. A partir da inserção do experimento nas aulas, a interação entre aluno e professor aumenta, reforçando as aulas teóricas ministradas pelos professores. Sendo o educador a principal peça da finalidade pedagógica, ele encaminhará os experimentos em sala de aula, facilitando a aprendizagem. Nesse contexto, é o instrutor/professor quem propiciará significado ao experimento apresentado durante a aula por ser conhecedor da fundamentação teórica na qual se baseia determinada experiência. Isso vai de encontro ao do que diz Vygotsky “o conhecimento é transferido daqueles que o detêm para aqueles que devem ou querem adquiri-lo por meio da linguagem” (VYGOSTSKY, apud GASPAR, 1997, p. 9). De modo análogo, Fino (2001) discorre sobre a teoria de Vygotsky, ressaltando a interação social como meio para atingir o desenvolvimento do uso das ferramentas intelectuais; assim, o indivíduo alcançará o conhecimento no processo de ensino e aprendizagem a partir de sua interação com outros mais experientes no uso dessas ferramentas. Ainda de acordo com Gaspar: Não é o desenvolvimento cognitivo que possibilita a aprendizagem, mas é o processo de ensinar e o esforço de aprender que promovem o desenvolvimento cognitivo. Para Vygotsky, a ferramenta cognitiva básica desse processo é a imitação, e esta tem como corolário a presença indispensável do parceiro mais capaz. A imitação, se concebida
20 no sentido amplo, é a forma principal em que se realiza a influência da aprendizagem sobre o desenvolvimento. A aprendizagem da fala, a aprendizagem na escola se organiza amplamente com base na imitação (GASPAR, 1997, p.10). Conclui-se, portanto, que na escola o escolar não aprende o que sabe fazer sozinho, mas sim em colaboração e sobre a orientação do professor, que o ajuda a absorver o que ainda não sabe e lhe vem a ser acessível. 4. 4. A EXPERIMENTAÇÃO DESDE OS PARÂMETROS CURRICULARES NACIO- NAIS (PCN’S) ATÉ A BASE NACIONAL COMUM CURRICULAR (BNCC) “A experimentação é um tópico abordado nos PCNs de Ciências, e essas atividades práticas são consideradas relevantes para os objetivos propostos pelos PCNs de Ciências Naturais, pois indicam a experimentação como um procedimento que permite a investigação e o debate dos acontecimentos, além de estabelecer a relação entre os fatos e fenômenos. Dessa maneira, é considerada uma estratégia para o uso didático, promotora de informação e de conhecimento, que proporciona ao aluno a fuga da inalterabilidade das aulas tradicionais.” (BRASIL, 1998). É muito importante que as atividades não se limitem a nomeações e manipulações de vidrarias e reagentes ou de kits experimentais prontos, fora do contexto experimental. É fundamental que as atividades práticas tenham garantido o espaço de reflexão, desenvolvimento e construção de ideias, ao lado de conhecimentos de procedimentos e atitudes (BRASIL, 1998, p.122). Assim a experimentação não deve ser utilizada pelo educador apenas como demonstração, cujos métodos seguem uma orientação protocolar, enquanto os estudantes são convidados a observar os resultados mostrados por ele. Frequentemente, o experimento é trabalhado como uma atividade em que o professor, acompanhando um protocolo ou guia de experimento, procede à demonstração de um fenômeno; por exemplo, demonstra que a mistura de vinagre e bicarbonato de sódio produz uma reação química, verificada pelo surgimento de gás (BRASIL, 1998, p.122). Outro ponto importante mencionado pelos PCNs no contexto da utilização da experimentação consiste na necessidade de haver a discussão sobre a experiência realizada, onde a troca de ideias será fundamental para a consolidação do conhecimento no aluno. Assim, permitindo que eles criem as suas percepções acerca do assunto e apreciem as dos demais,
