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Revista Brasileira de Ensino de Fısica, vol. 25, no. 3, Setembro, 2003 259

Fısica no Computador: o Computador como uma Ferramentano Ensino e na Aprendizagem das Ciencias FısicasPhysics in the Computer: the computer as a tool in the education and the learning of physical sciences

Carlos Fiolhais1 e Jorge Trindade1,2

1Centro de Fısica Computacional, Departamento de Fısica

Universidade de Coimbra, 3004-516 Coimbra

[email protected])Escola Superior de Tecnologia e Gestao

Instituto Politecnico da Guarda, 6300-559 Guarda

[email protected]

Recebido em 21 de julho, 2003. Aceito em 06 de agosto, 2003.

Sao conhecidas as dificuldades que muitos alunos apresentam na compreensao dos fenomenos fısicos. Entreas razoes do insucesso na aprendizagem em Fısica sao apontados metodos de ensino desajustados das teoriasde aprendizagem mais recentes assim como falta de meios pedagogicos modernos. A necessidade de diversi-ficar metodos para combater o insucesso escolar, quee particularmente nıtido nas ciencias exactas, conduziuao uso crescente e diversificado do computador no ensino da Fısica. O computador oferece actualmente variaspossibilidades para ajudar a resolver os problemas de insucesso das ciencias em geral e da Fısica em particular.Neste trabalho, apresentamos uma breve resenha historica da sua ascensao no ensino. Procuramos relacionara aplicacao do computador com avancos nas teorias de aprendizagem. Analisamos os principais modos deutilizacao do computador no ensino, desde as simulacoes ate a realidade virtual, passando pela aquisicao dedados em laboratorio e pela Internet. Apesar do balanco da utilizacao dos computadores no ensino se reve-lar inegavelmente positivo, subsistem numerosos problemas por resolver. Com efeito, nao obstante as suasreconhecidas potencialidades, o computador nao se tornou a chave magica do sucesso educativo. Discutimosalgumas dessas dificuldades. O potencial pedagogico dos computadores so podera ser plenamente realizadose estiverem disponıveis programas educativos de qualidade e se existir uma boa articulacao deles com oscurrıculos e a pratica.

Palavras-chave:Fısica, computador, software, hardware.

The difficulties that many pupils show in understanding some physical processes are well known. Among vari-ous reasons for failure in Physics learning old or misguided education methods have been pointed out. The needto diversify methods to attack pedagogical failure led to the increasing use of the computer in Physics educa-tion. Currently this tool offers various possibilities to help solving problems in Physics education. We presentan historical summary of the rise of computers in education. We relate computer applications to advances inlearning theories. We review the main computer uses in science education, from simulations to virtual reality,including data acquisition and Internet. Although the balance of the use of the computers in education is clearlypositive, many questions remain. In effect, in spite of its recognized potentialities, the computer did not becomethe magical key of educative success. We discuss some of the standing difficulties. The pedagogical potentialof the computer could only be carried through if good educative software would become available and if thiswould be smoothly connected to syllabus and practice.

Keywords: Physics, computer, software, hardware.

I Introduc ao

O elevado numero de reprovacoes a Fısica, nos varios nıveisde ensino e em varios paıses, mostra bem as dificuldadesque os alunos encontram na aprendizagem dessa ciencia.As causas deste problema nao estao devidamente esclareci-

das. E, por isso, as solucoes tambem o nao estao. Contudo,entre as razoes do insucesso na aprendizagem em Fısica,sao em geral apontados aos professores metodos de ensinodesajustados das teorias de aprendizagem mais recentes enao utilizacao dos meios mais modernos, enquanto aos alu-nos sao apontados insuficiente desenvolvimento cognitivo

260 Carlos Fiolhais e Jorge Trindade

[1], deficiente preparacao matematica e pre-existencia deconcepcoes relacionadas com o senso comum e nao com alogica cientıfica [2]. Devemos ainda acrescentar, especial-mente no ensino secundario em Portugal, o grande numerode alunos que nao tem a menor vocacao para a disciplina eque, portanto, dificilmente poderao ter qualquer sucesso noestudo dela.

Uma caracterıstica da Fısica que a torna particularmentedifıcil para os alunose o facto de lidar com conceitos abs-tractos e, em larga medida, contra-intuitivos. A capacidadede abstraccao dos estudantes, em especial os mais novos,ereduzida. Em consequencia, muitos deles nao conseguemapreender a ligacao da Fısica com a vida real.

E da responsabilidade dos docentes proporcionar aosseus alunos experiencias de aprendizagem eficazes, com-batendo as dificuldades mais comuns e actualizando, tantoquanto possıvel, os instrumentos pedagogicos que utilizam.Segundo Hestenes [3] os metodos tradicionais de ensinarFısica sao inadequados. Como afirmam Lawson e McDer-mott [4], nao serao de admirar falhas na aprendizagem seconceitos complexos e difıceis de visualizar so forem apre-sentados de uma forma verbal ou textual. Deviam por issoser divulgadas e encorajadas tecnicas de instrucao atraen-tes que coloquem aenfase na compreensao qualitativa dosprincıpios fısicos fundamentais.

A necessidade de diversificar metodos de ensino paracontrariar o insucesso escolar ajudou ao uso crescente docomputador no ensino da Fısica [5]. A utilizacao desoft-ware apropriado, por exemplo de simulacao, para alem doapoio computacional na realizacao de experiencias e naapresentacao audiovisual, pode facilitar o ensino, nao ofe-recendo todavia garantias de sucesso pleno [6]. McCloskey[7] e McDermott [8] referiram que alguns jogos de compu-tador podem ter grande eficacia na aprendizagem. Comoveremos adiante, esta estrategia continua a ser frutuosa paraestimular a aprendizagem.

Aos computadores, cada vez mais velozes e cada vezcom maior capacidade de tratamento e de representacaode dados, juntaram-se modernamente novas interfaces entrehomem e maquina (capacetes de visualizacao imersiva, lu-vas de dados, etc.). Surgiram assim novas oportunidades deusar tecnologias da informacao na educacao e de concretizarcom elas novas formas de aprendizagem [9]. Os computa-dores modernos oferecem inegavelmente um grande numerode possibilidades para ajudar a resolver alguns problemasconcretos do ensino das ciencias [10]. Hoje em dia, exis-tem varios tıtulos desoftwareeducacional (alguns dos quaiscom caracter ludico) que permitem enfrentar dificuldades deaprendizagem, pese embora a escassez de estudos quantita-tivos sobre as reais vantagens do seu uso. A evolucao tec-nologica recente permite adivinhar que os meios disponıveisnas escolas se tornarao ainda mais poderosos [11]. Taismeios nao substituirao inteira e radicalmente as formas tra-dicionais de ensinar, mas poderao constituir um comple-mento ajustado a dificuldades especıficas dos alunos.

II A ascensao do computador no en-sino

A historia da utilizacao de computadores na educacao cos-tuma ser dividida em dois perıodos: antes e depois do apare-cimento dos computadores pessoais. Os computadores pes-soais, que surgiram no final da decada de 70 do seculo XX,representaram um marco significativo na democratizacao douso de computadores.

O primeiro computador pessoal surgiu em 1979 e ou-tros logo se seguiram. Com efeito, aIBM introduziu nomercado, em 1981, o seu computador pessoal, oIBM-PC,que imediatamente se tornou popular (Figura 1-a). O im-pacto causado por esta nova maquina foi tao grande que,em 1982, a revistaTime a considerou “maquina do ano”(http://historyofcall.tay.ac.uk/). Em 1984 aApple lancou ocomputadorMacintosh, uma maquina revolucionaria pelafacilidade de utilizacao que era oferecida pela sua inter-face grafica (Figura 1-b). Nesse mesmo ano apareceu, comenorme sucesso, o sistema operativoWindows, daMicrosoft,com funcionalidades semelhantes ao doMacintosh. Estavadado um outro passo decisivo para a democratizacao dosmeios informaticos.

a)

b)

Figura 1: a) O impacto causado pelo computador pessoal daIBM(IBM-PC), surgido em 1981, foi tao grande que, em 1982, a revistaTimea considerou “maquina do ano”; b) O computadorMacintoshconheceu pouco depois grande sucesso devidoa facilidade do seusistema operativo com interface grafica.


O ano de 1980 ficou marcado na historia dos computa-dores no ensino. Seymourt Papert, professor de Matematicano Massachusetts Institute of Technology, em Boston, nosEUA, e autor do livro “Mindstorms: Children, Computersand Powerful Ideas” [12], criou a linguagem de computadorLogo, com a qual criancas com mais de seis anos podiamprogramar e desenhar figuras matematicas. A linguagemLogo teve um enorme impacto “porque propiciou podero-sas facilidades computacionais para as criancas e um modocompletamente diferente de falar sobre educacao. Algumasdestas facilidades, como os graficos, foram revolucionariasconsiderando o poder computacional disponıvel naquela al-tura, e durante muito tempo o Logo foi ounico softwareeducacional que permitia aos estudantes desenvolver acti-vidades educacionais com o computador” [13].

Tal como Seymourt Papert, o fısico norte-americano Al-fred Bork foi um pioneiro na utilizacao do computador noensino. Em 1978, Bork, numa conferencia patrocinadapela American Association of Physics Teachers, intitulada“Aprendizagem Interactiva”, enunciou uma profecia que soparcialmente foi realizada [14]: “Estamos no princıpio deuma grande revolucao na educacao, uma revolucao sem pa-ralelo desde a invencao da imprensa escrita. O computadorsera o instrumento dessa revolucao. Apesar de estarmosapenas no inıcio – o computador como um instrumento deaprendizagem nas escolase, actualmente, comparado comtodos os outros modos de aprendizagem, quase inexistente -o ritmo sera maior durante os proximos 15 anos. Por voltado ano 2000, a principal forma de aprendizagem em todosos nıveis e em quase todas asareas sera atraves do uso in-teractivo dos computadores.”

Um outro avanco importante na aplicacao da informaticaa educacao foi, nos anos 80, o desenvolvimento da Internet.Em finais dessa decada foi criada aWorld Wide Web, queso nos anos 90 se popularizou. O seu impacto no ensino,ao tornar mais acessıvel a Internet, foi enorme. A decada de90 foi tambem marcada pelo aparecimento de processadoresmais potentes e de capacidades graficas maiores. Os com-putadores tornaram-se tambem cada vez mais baratos, o quepermitiu a sua proliferacao por escolas e lares.

No inıcio do presente seculo assistimos a uma novageracao de computadores e de dispositivos de comunicacao,que, para alem das suas apreciaveis qualidades graficas, temna portabilidade a sua principal vantagem.E o caso, porexemplo, doPersonal Digital Assistant(PDA) (Figura 2-a)e do recente ultracomputador pessoal desenvolvido pela em-presa norte-americana OQO http://www.oqo.com/ (Figura2-b).

O aparecimento destes meios tecnologicos e de ou-tros dirigidos para as comunicacoes (como o Wire-less Application Protocolou WAP e o Universal Mo-bile Telecommunications Systemou UMTS) oferece no-vas perspectivas educacionais que importa desenvolvere avaliar. Por exemplo, oStanford Learning Lab(http://acomp.stanford.edu/), desenvolvido na Universidadede Stanford, na California, pretende estudar a utilizacaode alguns prototipos de comunicacao movel na aprendi-

zagem de lınguas estrangeiras. De igual forma, o Mas-sachusetts Institute of Technology, em Boston, esta adesenvolver um projecto designado porGames-to-Teach(http://cms.mit.edu/games/education/news.html) (Figura 3),que, explorando vertentes ludicas, procura disponibilizarnovas ferramentas de aprendizagem direccionadas paraequipamentos portateis.

a)

b)

Figura 2. a) OPersonal Digital Assistant(PDA) e um computadorde bolso com um sistema operativo que consome menos recursosde processamento mas que permite correr as mesmas aplicacoesque qualquer computador pessoal; b) O ultracomputador pessoalda OQO, que cabe na palma da mao e pesa menos que 270 g, correo sistema operativoMicrosoft Windows XP Professionale incor-pora um processador a 1 GHz, com 256 MB de RAM, um discoduro de 10 GB e um ecra de cristais lıquidos VGA de 4 polegadas,sensıvel ao tacto.

III Fundamentos para a utilizacao docomputador no ensino

Tanto as ferramentas computacionais emergentes como osdesenvolvimentos mais recentes das teorias de aprendiza-gem tem contribuıdo para viabilizar algumas mudancas naeducacao. Desde muito cedo que se procurou apoiar o usopedagogico do computador nos conhecimentos sobre os mo-dos como os estudantes aprendem. Para Papert [12] deveraoser disponibilizadas aos alunos “ferramentas que viabilizema exploracao dos nutrientes cognitivos ou seja os elementosque compoem o conhecimento”. Tornou-se consensual quee “a partir dos contributos da psicologia do desenvolvi-mento e da psicologia da aprendizagem quee preciso partirpara um entendimento com o computador tornando-o um


Figura 3. O projectoGames-to-Teach(Jogos para Ensinar) em desenvolvimento no Massachusetts Institute of Technology. Este projectoconsiste na criacao de um conjunto de programas com conteudos das ciencias exactas (Matematica, Fısica e Biologia) e das engenharias,que se revestem de aspectos ludicos. Um dos componentes deste projecto esta direccionado para os PDA.

parceiro que providencia oportunidades de aprendizagem”[15]. De facto, se o papel do computador nao for contri-buir para um ensino mais adequado a cada aluno (tendo emconta as diferencas entre os processos e ritmos de aprendi-zagem individuais, a adequacao dos conteudos ‘as diversascapacidades pessoais, a necessidade de apetrechar os jovenscom ferramentas que desenvolvam as suas capacidades cog-nitivas, etc.), depressa caımos num mero prolongamento doensino tradicional [16]. Varias experiencias tem sido tenta-das, sendo os resultados ainda preliminares. Como referemPlomp e Voogt [17], “apesar de decadas de investigacao eexperiencia, estamos, ainda, numa fase de (re)criacao demodalidades de utilizacao do computador na educacao”.

Desde que os primeiros computadores foram introduzi-dos na escola, a aplicacao da informatica no ensino poderesumir-se a tres perıodos, acompanhando a evolucao dasprincipais teorias de aprendizagem.

A primeira geracao foi moldada pela teoria behaviorista.O behaviorismo baseia-se no estudo de comportamentos ob-servaveis e mensuraveis dos alunos [18]. Segundo esta te-oria, a mentee uma “caixa negra”, no sentido em que res-ponde a estımulos que podem ser observados e medidos, naointeressando os processos mentais no seu interior [19]. As-sim, os pressupostos por detras deste primeiro perıodo fo-ram:

• O comportamento do aluno pode ser razoavelmente

previsto se forem bem conhecidos os objectivos pre-tendidos para o ensino e os metodos a usar para osobter [20].

• O conhecimento que o aluno deve adquirir pode serdecomposto em modulos elementares, cujo domınioconjunto produzira o resultado desejado [21].

• A aplicacao da teoria behavioristae suficientementefiavel para assegurar a eficiencia do ensino desenvol-vido pela sua aplicacao sistematica, sendo mesmo dis-pensavel a intervencao do professor [22].

A segunda geracao de utilizacao dos computadores noensino foi moldada pela teoria cognitiva. Esta baseia-se nosprocessos mentais que estao na base do comportamento. Poroutras palavras, as mudancas observadas no comportamentodo aluno sao tomadas como indicadores sobre os processosque se estao a desenrolar na sua mente [19]. A teoria cog-nitiva – desenvolvida, entre outros, pelo suıco Jean Piaget –preconiza que a aprendizagem resulta de uma estruturacaogradual dos conhecimentos efectuada pelo instruendo. Ape-sar de ter surgido nos finais da decada de 50 so no finalda decada de 70 a psicologia cognitiva comecou a exer-cer uma influencia efectiva nas formas concretas de ensinar.Esta segunda geracao caracterizou-se por uma maiorenfasequer nos conteudos da aprendizagem quer na forma da sua


apresentacao aos alunos – odesign[23]. O pressuposto deque nao ha dois alunos psicologicamente iguais e que es-sas diferencas nao podem ser ignoradas conduziu a consi-deraveis melhorias na utilizacao dos computadores. Foi oprimeiro passo para uma educacao baseada no respeito pelaindividualidade.

Na decada de 90, os avancos tecnologicos permitiram oaparecimento de uma terceira geracao. Esta terceira geracaoassenta na teoria construtivista, segundo a qual cada alunoconstroi a sua visao do mundo atraves das suas experienciasindividuais [19]. Os teoricos do construtivismo defendemque “os aprendizes constroem a sua propria realidade oupelo menos interpretam-na baseados nas suas percepcoesdas experiencias e, portanto, o conhecimento individualefuncao das experiencias tidas, das estruturas mentais e dascrencas que sao utilizadas para interpretar as coisas” [24].Neste quadro, a promocao nos alunos da capacidade de pre-ver qualitativamente o decorrer dos fenomenose mais im-portante do que a manipulacao de formulas ou de outrasferramentas formais. A nova geracao caracterizou-se pelaenfase nas interaccoes entre aluno e maquina. A naturezadessas interaccoes pode ser tao importante (ou mesmo mais)quanto o conteudo de informacao ou a forma como esteeapresentado.

O meio de apresentacao mais utilizado passou a ser ohipertexto porque este possibilita uma aprendizagem nao li-near em vez de sequencial. Oslinks num documento per-mitem ao aluno escolher o seu percurso e avancar ao longodele, apesar de haver o perigo de se “perder” no hiperespaco.Indo ao encontro desta preocupacao, Jonassen e McAlleese[25] referem que as sucessivas fases da aquisicao de conhe-cimentos requerem aprendizagens de tipo diferente. Numafase inicial, a aquisicao de conhecimento sera mais bem con-seguida por metodos classicos, incidindo em conteudos pre-determinados que sao transmitidos de modo sequencial, en-quanto numa fase mais avancada ambientes de tipo constru-tivista podem ser mais adequados.

Para Jonassen [24], “apesar de acreditarmos que o cons-trutivismo nao e uma teoria de ensino prescritiva, deve serpossıvel propiciar linhas de orientacao mais explıcitas so-bre o modo de conceber ambientes de aprendizagem quepromovam uma aprendizagem construtivista”. Assim, esseautor aponta as seguintes implicacoes do construtivismo naconcepcao de ambientes de ensino:

• Propiciar multiplas representacoes da realidade.

• Apresentar tarefas contextualizadas.

• Propiciar a analise de situacoes em ambientes reais deaprendizagem, em vez de sequencias esquematicas.

Por outro lado, autores como Vygotsky [26] conside-ram que existe uma “zona de desenvolvimento potencial” namente de cada aluno, representando esta zona o acrescimoque o aluno pode conseguir na aprendizagem individual eem colaboracao com outros indivıduos. A esta ideia podeassociar-se a existencia de uma “janela de aprendizagem”em cada momento do desenvolvimento cognitivo do aluno[27]. A importancia dessa janela obriga a assegurar, a cada

grupo e a cada aluno, conteudos e actividades pedagogicaspersonalizadas.

IV Modos de utilizacao dos computa-dores

Vejamos, numa breve resenha, os principais modos deutilizacao do computador no ensino das ciencias em gerale da Fısica em particular.

1) Aquisicao de dados por computador

Como a Fısicae uma ciencia experimental, o laboratorioassume um papel central no seu ensino. O computador en-controu ja um lugar permanente no laboratorio escolar e oseu uso nesse local encontra-se cada vez mais generalizado[2].

Champagne e colaboradores [2], entre outros, sugeriramnos anos 80 a utilizacao do computador na aquisicao de da-dos experimentais em laboratorio. Muito se evoluiu desdeentao. Utilizando sensores esoftwareapropriado, os alu-nos podem hoje medir e controlar variaveis como posicao,velocidade, aceleracao, forca, temperatura, etc. (Figura 4).O computador permite novas situacoes de aprendizagem aopropiciar aos alunos a realizacao de medicoes de grandezasfısicas em tempo real que lhes fornecem respostas imediatasa questoes previamente colocadas. A apresentacao graficade dados facilita leituras e interpretacoes rapidas.

2) Modelizacao e simulacao

A modelizacao/simulacao e talvez o ambiente mais po-pular de aprendizagem da Fısica usando o computador. Otermo modelizacao costuma ser utilizado quando aenfaseedadaa programacao do modelo, ao passo que a simulacao sereferea situacao em que o modeloe uma “caixa negra”. Estadistincao e de alguma forma artificial e nem sempre clara.Uma vez que as leis da Fısica sao expressas por equacoesdiferenciais, pode construir-se um modelo e simular de ime-diato um dado problema fısico: por exemplo, a queda li-vre de um grave, o movimento orbital de um planeta sob ainfluencia de uma ou mais estrelas, os movimentos das es-trelas de um globulo estelar, ou mesmo a colisao de duasgalaxias. Contudo, as simulacoes podem tambem ser rea-lizadas quando nao se dispoe de uma equacao diferencialmas sim de um esquema algorıtmico: e o caso do mapalogıstico (uma equacaoas diferencas que surge nos estudosintrodutorios do caos) e da agregacao limitada por difusao(um processo que representa, por exemplo, um fenomenode cristalizacao). Ao permitir realizar “experiencias concep-tuais” a modelacao/simulacao esta muito proxima de umaforma de aprendizagem designada por “descoberta” [28].

Os ambientes de modelacao permitem aos alunos cons-truir modelos do mundo fısico que serao mais ou menosaproximados [29]. Estes ambientes sao por vezes designa-dos por “micromundos” [30], de que sao exemplos ambien-tes baseados na linguagemLogo [31], nomeadamente oAl-ternate Reality Kit(ARK), que serve para criar simulacoesinteractivas.


a)

b)

Figura 4. Utilizacao do computador na aquisicao de dados em tempo real, com equipamento da Pasco. a) Utilizando sensores de posicao ede forca e uma interface adequada com o computadore possıvel estudar fenomenos como o movimento de um corpo no plano inclinado; b)Os dados recolhidos pelos sensores e fornecidos ao computador atraves do interface sao representados em tempo real.

Ao usar simulacoes computacionais baseadas num mo-delo da realidade fısica, as accoes basicas do aluno consis-tem em alterar valores de variaveis ou parametros de entradae observar as alteracoes nos resultados (Figura 5).

Embora as simulacoes nao devam substituir por com-pleto a realidade que representam, elas sao bastanteuteispara abordar experiencias difıceis ou impossıveis de realizarna pratica (por serem muito caras, muito perigosas, demasi-ado lentas, demasiado rapidas, etc.). Quando se revestem deum caracter de “jogo”, as simulacoes fornecem uma recom-pensa pela realizacao de um certo objectivo.

O acesso a boas simulacoes contribui para solucionaralgumas questoes no ensino das ciencias [18]. De facto,os alunos que estao a formar e desenvolver o seu pensa-mento sobre determinadas materias cientıficas encontramproblemas tıpicos que podem ser resolvidos por ambien-tes de simulacao orientados por preocupacoes pedagogicas.Tal pode ser feito numa fase inicial da aprendizagem dessasmaterias pois os alunos nao necessitam de dominar todo o

formalismo matematico subjacente para explorar uma dadasimulacao. Pelo contrario, se aos estudantes so forem for-necidas equacoes como modelo da realidade, eles serao co-locados numa posicao onde nada nas suas ideias comunseparecido ou reconhecido como fısica. Estae uma situacaoque obviamente dificulta a aprendizagem [12].

O programaGraphs and Tracks(Figura 6), concebidopor David Trowbridge, da Universidade de Washington, emSeattle, e editado pela Physics Academic Software (umaaccao da Sociedade Americana de Fısica) constitui um bomexemplo do contributo que a pesquisa educacional pode darao desenvolvimento de ferramentas computacionais [32]. Oseu desenvolvimento teve por base as dificuldades que osalunos encontram na relacao entre o movimento de cor-pos e a respectiva representacao grafica. Assim, o pro-gramae constituıdo por duas partes: na primeira, a par-tir da observacao do comportamento de um corpo (graficosda posicao, da velocidade ou da aceleracao em funcao dotempo) o aluno tem que inferir quale a respectiva trajectoria;


a)

b)

Figura 5. Movimento Relativo, programa da accao comum “Softciencias” das Sociedades Portuguesas de Fısica, Quımica e Matematica.Estesoftwarepode ser obtido gratuitamente em http://www.fis.uc.pt/∼softc/omni98. Atribuindo valores a varias grandezas (a)e possıvelanalisar o comportamento de um projectil em dois referenciais distintos (b).

na outra parte, o aluno tem que descrever graficamente ocomportamento de um corpo depois de observar o seu mo-vimento. As accoes do utilizador osoftwarevai respon-dendo comfeedbackapropriado, de reforco se a respostafor correcta, ou com indicacoes apropriadas para alcancar asolucao, se a resposta for errada.

Como ja foi dito, o caracter de jogo de algumassimulacoes pode aumentar bastante o seu potencial pe-dagogico (Figura 7). Os jogos permitem uma grande va-riedade de situacoes e uma exploracao flexıvel delas pe-los jogadores (a resposta rapida e individualizada dada porum computador constitui precisamente uma das causas dafixacao dos jovens pelos jogos).

Inicialmente os programas de simulacao eram um poucolimitados, mas foram surgindo interfaces cada vez mais per-feitas, permitindo a manipulacao grafica das variaveis de en-trada e fornecendo saıdas na forma de graficos e animacoes[33] (Figura 8).

3) Multim edia

Esta modalidade de utilizacao do computador baseia-seno conceito de hipertexto ou, de forma mais abrangente,hipermedia. O termo multimedia significa que um pro-grama pode incluir uma variedade de elementos, como tex-tos, sons, imagens (paradas ou animadas), simulacoes evıdeos [34]. Seguindo o lema “uma imagem vale por milpalavras”, a informacao proporcionada deve ser tao visualquanto possıvel. Um modulo de hipertexto possui muitoslinks internos e um seu utilizador nao necessita de seguir umcaminho linear. Baseado na sua bagagem e nos seus interes-ses, ele podera seleccionar as partes do modulo que mais lheinteressam. Outroslinks permitirao ao utilizador mover-sefacilmente entre diferentes modulos. As caracterısticas es-senciais da multimedia sao a interactividade e a flexibilidadena escolha do caminho a seguir. Sem essas caracterısticas


a)

b)

Figura 6. ProgramaGraphs and Tracks, da accao Physics Academic Software, da Sociedade Americana de Fısica: a) Da analise dos graficosao estudo do movimento: analisando graficamente o movimento de um corpo o aluno tem que inferir a sua trajectoria (forma da pista) econdicoes iniciais; b) Do movimento aos graficos: aquie pedido ao aluno que construa o grafico do movimento (posicao, velocidade ouaceleracao) depois de analisar o movimento do corpo.


Figura 7. O programaElectric Field Hockey, da Physics AcademicSoftware, permite estudar interaccoes entre cargas electricas. Esteprograma ilustra bem o caracter ludico de algumas simulacoes.Num conjunto de varios exercıcios o aluno tem de dispor no“campo de jogo” varias cargas electricas para que a sua accao con-junta sobre uma carga positiva (que desempenha o papel de bola)origine uma trajectoria que, evitando os obstaculos, conduzaa ba-liza.

Figura 8. Imagem do programaInteractive Physics, da KnowledgeRevolution. Actualmente existem interfaces com manipulacaografica das variaveis de entrada e com saıda na forma de graficose animacoes. Neste exemplo,e colocado um problema inverso:pergunta-se qual deve ser a velocidade inicial para obter uma certatrajectoria. A resposta pode ser encontrada por tentativas.

“ ...nao e possıvel fazer do aluno um participante activo noprocesso de aprendizagem. As possibilidades neste camposao imensas. Embora num livro tambem seja possıvel su-gerir ao aluno que resolva um exercıcio num determinadoponto, nao e de todo viavel efectuar uma avaliacao dos re-sultados obtidos e sugerir caminhos de continuacao. Porexemplo, relembrar conceitos anteriores ainda nao domina-dos ou avancar rapidamente para outro assunto” [35].

Uma vez que tanto a interactividade como a flexibili-dade sao necessarias para assegurar uma aprendizagem in-dividual e activa, as vantagens educacionais do multimediatem sido muito defendidas. Os seus adeptos afirmam que setrata de um formato conveniente para a aprendizagem por onosso cerebro processar a informacao por livre associacaode conceitos. Contudo, o processo sequencial, que conti-nua a presidira organizacao da maioria dos cursos, parecemais adequado quando se pretende uma sistematizacao dosconteudos.

O multimedia pode funcionaron-lineou off-line depen-dendo do local onde a informacao e recolhida, na Internetou em disco local. A ligacao entre oon-line e o off-line ehoje facilmente conseguida: assim um disco local pode re-meter para a Internet. O mercado do multimediaoff-linenaocorrespondeua forte expectativas que a certa altura foramanunciadas devido talvez ao enorme progresso do formatoon-line, quee em geral mais economico. Contudo, o mul-timediaoff-line e uma ferramenta educativa de utilidade in-contestada: um exemplo entre muitos outros que se podiamdar em Fısicae o CD-ROMCartoon Guide to Physics(Fi-gura 9), baseado no interessante livro com o mesmo tıtulo deGonick e Huffman [36], que pode ser usado para actividadestanto lectivas como extra-lectivas. Tal como outros produtosmultimedia destinados a aprender ciencias, esse programainclui um conjunto de simulacoes interactivas.

Figura 9. Imagem do software multimediaCartoon Guide to Phy-sics,da Harper Collins Interactive e desenvolvido a partir de umaideia de Larry Gonick e Art Huffman. Trata-se de um exemplo deum CD-ROMutil para a aprendizagem da Fısica. Nesta imagemilustra-se a aplicacao da leis de Newton na Lua, cuja gravidadeebastante inferiora da Terra. Como os corpos sao mais leves na Lua,qualquer pessoa seria aı um bom halterofilista...

Apesar do sucesso do multimedia no ensino das cienciaster sido algo limitado, o seu papel para aumentar amotivacao dos alunos nao deve ser ignorado. Com efeito,mesmo antes de surgirem dificuldades de compreensao dosalunos, a falta de motivacao para estudar ciencias pode ser acausa do falhanco.

4) Realidade virtual

A realidade virtuale definida por Harison e Jaques [37]como “o conjunto de tecnologias que permitem fornecer aohomem a mais convincente ilusao possıvel de que este estanoutra realidade; essa realidade (ambiente virtual) ape-nas existe no formato digital na memoria de um computa-dor”. De facto, a realidade virtual pode ser entendida comouma tecnologia que facilita a interaccao entre o homem ea maquina e o ambiente virtual um cenario constituıdo pormodelos tridimensionais, armazenado e gerido por compu-tador, usando tecnicas de computacao grafica [38]. Entre


as primeiras aplicacoes da realidade virtual encontram-se avisualizacao cientıfica [39] e a educacao [9].

De acordo com Papert [12], um bom ambiente de apren-dizagem requer um contacto livre entre o utilizador e o com-putador. Ora, a reducao da interfacee precisamente umacondicao necessaria para se ter realidade virtual imersiva.Na utilizacao pedagogica da realidade virtual o focoe, as-sim, colocado em ambientes que permitem aos alunos inte-ragirem com o computador sem restricoes ou com o mınimode restricoes.

A realidade virtual fornece um conjunto de carac-terısticas que a tornamunica como meio de aprendizagem[38]:

• A realidade virtuale uma poderosa ferramenta devisualizacao para estudar situacoes tridimensionaiscomplexas.

• O aluno e livre para interagir directamente com osobjectos virtuais, realizando experiencias na primeirapessoa.

• Os ambientes virtuais permitem situacoes de apren-dizagem por tentativa e erro que podem encorajar osalunos a explorar uma larga escolha de possibilidades.

• O ambiente virtual pode oferecerfeedbacksadequa-dos, permitindo aos alunos centrar a sua atencao emproblemas especıficos.

• Um sistema de realidade virtual pode adquirir e mos-trar graficamente dados em tempo real.

As principais caracterısticas que a realidade virtual dis-ponibiliza em benefıcio da educacao sao a imersao (a mai-oria das sensacoes provem do ambiente virtual), interacti-vidade (navegacao livre, escolha do referencial, etc.) e amanipulacao (accoes realizadas pelo utilizador tal como nomundo real). Um elemento educativo importantee a grandeproximidade entre o utilizador (aluno) e a informacao nocomputador (conteudos educativos) [40]. A realidade vir-tual tem sido considerada um poderoso instrumento de en-sino e treino entre outras razoes porque permite a interaccaocom modelos tridimensionais bastante realistas e uma ex-periencia multisensorial vivida pelo instruendo.

A utilidade dos modelos graficos oferecidos pelas tecno-logias de realidade virtual para formacao de modelos con-ceptuais correctos tem vindo a ser reconhecida. Com o ob-jectivo de comprovar os benefıcios da realidade virtual noensino e aprendizagem da Fısica e da Quımica, o Centrode Fısica Computacional da Universidade de Coimbra de-senvolveu, em colaboracao com o Instituto Politecnico daGuarda, o Exploratorio Infante D. Henrique de Coimbra e oDepartamento de Matematica da Universidade de Coimbra,um ambiente virtual - denominadoAgua Virtual - sobre aestrutura microscopica daagua (Figura 10).

Esse ambiente virtual abrange conceitos sobre fases damateria, transicoes de fase, orbitais atomicas e molecula-res. Os cenarios sao visualizados num ecra de computa-dor, podendo ou nao existir estereoscopia. Nesteultimo

caso, recorre-se aoculos especiais (ligadosa placa graficado computador) que, em conjunto com o ecra de compu-tador, proporcionam o efeito de relevo, istoe, a sensacaoque os objectos do cenario virtual ficam a pairara frente doutilizador, no espaco entre ele e o ecra. A interaccao do uti-lizador com o programae feita de modo convencional como rato.

a)

b)

c)


d)

Figura 10. Varias imagens do ambienteAgua Virtual, desenvol-vido no Centro de Fısica Computacional da Universidade de Coim-bra: a) Fase gasosa mostrando o movimento desorganizado dasmoleculas deagua; b) Estrutura normal do gelo; c) Representacaoda orbital do hidrogenio3px orientada segundo o eixo dosx e comum corte no planoxy; d) Representacao da densidade electronicatotal da molecula deagua (visualizacao em corte mostrando asposicoes do nucleo de oxigenio, no centro, e dos dois nucleos dehidrogenio).

5) Internet

A Internet conheceu um sucesso espectacular na soci-edade em geral e nas escolas em particular [41]. Elatornou-se a maior e mais activa de todas as bibliotecas domundo, tendo as paredes das salas de aulas sido “derruba-das” atraves da ligacao directaas fontes de informacao. AInternet relaciona-se com os varios meios de uso do compu-tador no ensino que foram atras discutidos. Com efeito, autilizacao do computador em rede pode incluir a exploracaode:

• Simulacoes. Estas podem ser descarregadas da Inter-net ou utilizadason-line se estiverem escritas na lin-guagemJavaou similar (applets).

• Multimedia. A linguagem padrao daWorld Wide Web,denominadaHypertext Markup Language(HTML), euma linguagem multimedia.

• Realidade virtual. AVirtual Reality Modeling Lan-guage(VRML) e a linguagem padrao para represen-tar objectos ou cenarios tridimensionais na Internet.Em areas como a Fısica da Materia Condensada ou aFısica Molecular, nas quais os modelos sao em geraltridimensionais, a VRML pode ser usado para incre-mentar a compreensao conceptual (Figura 11).

Tomando partido da Internet a aprendizagem podetornar-se mais interactiva e pessoal. O professor ajudara oaluno a procurar e seleccionar a informacao mais relevantenos vastos “oceanos de informacao” fornecendo-lhe objecti-vos para neles navegar. Nestas circunstancias, o papel doprofessor deixara de ser tao central (apenas um orador emuitos ouvintes) para passar a ser mais periferico (muitos

oradores e muitos ouvintes). No entanto, o papel do profes-sor nao sera menos relevante que antes. Em particular, deveser notado o acrescimo do raio de accao do professor que aInternet permite.

Figura 11. Visualizacao da estrutura do gelo normal em formatoVRML, o formato padrao para representar objectos ou cenarios tri-dimensionais na Internet. Esta linguagem permite rodar a estrutura,fazer zooms, etc.

Muitos cursos estao hoje acessıveis na Internet. Por ve-zes, ao apresentar um curso na Internet, nao e so o seuaspecto mas tambem o seu conteudo quee novo. Veja-mos um exemplo desta alteracao de conteudos. Uma dascaracterısticas do ensino actuale a compartimentacao e aespecializacao do ensino porareas e subareas. Embora talseja compreensıvel e mesmo necessario, tem o efeito de obs-curecer as ligacoes entre as diferentesareas. Por exemplo,alunos dos cursos de engenharias ou ciencias exactas falhamem reconhecer que as ideias e metodos que aprendem nasdisciplinas de Calculo ouAlgebra Linear sao precisamenteo que precisam para resolver problemas que encontram.

Assim, algumas universidades comecaram a ex-plorar outras formas de organizar conteudos educati-vos. Por exemplo, o Rensselaer Polytechnic Institute,de Nova Iorque, oferece cursos baseados em modulos(http://links.math.rpi.edu/). O modulo “Mecanica,AlgebraLinear e a bicicleta” naoe concebido para ensinar Mecanica,Algebra Linear ou bicicletas. Em vez disso, o modulo tem aintencao de ser um guia sobre alguns conceitos de mecanicae tecnicas matematicas relacionadas, nomeadamente vecto-res, matrizes e sistemas de equacoes lineares. O modulotenciona provocar no aluno interesse pela compreensao domodo de funcionamento da bicicleta e da forma como elaeconcebida. O modulo oferece ao aluno oportunidades paraaprender alguns aspectos de mecanica e matematica, sendoo tema principal a ligacao entre matematica e engenharia as-segurada por modelos fısicos. Como demonstracao grafica,


um appletde Javapermite ao aluno criar novas formas debicicletas em duas dimensoes (Figura 12).

Figura 12. Imagem doapplet Simple Pendulumdesenvol-vido pelo Rensselaer Polytechnic Institute de Nova Iorque(http://links.math.rpi.edu/). A utilizacao de simulacoes escritas emJava, tal como estas, tem-se generalizado nosultimos tempos. Es-tas simulacoes correm em tempo real, bastando introduzir os dadose carregar emstart.

V Dificuldades de integracao do com-putador no ensino

O balanco da utilizacao do computador no ensino revela-se inegavelmente positivo nao apenas por ele ser um instru-mento quee hoje imprescindıvel a um ensino activo, base-ado na descoberta progressiva do conhecimento pelo alunoe na maior autonomia da sua aprendizagem, mas tambemporque, levantando novas questoes e ressuscitando algumasquestoes antigas, relancou a discussao em torno de assuntoscruciais como as relacoes professor-aluno, aluno-aluno e odesenvolvimento das capacidades do professor e do aluno.

Para alguns “profetas” como Alfred Bork, o computa-dor parecia ser a chave de uma mudanca radical e defini-tiva do ensino. Para outros, nao passava de uma maquinaameacadora que nao sabiam controlar e que abalava o poderdo professor. Tem-se vindo a verificar que nenhum dos doisgrupos tinha absoluta razao. Se o computador, naarea daeducacao, nunca assumiu um papel de verdadeira ameacapara o professor, quer substituindo-o, quer retirando-lhe aoperacionalidade na sala de aula, tambem nao conseguiu,no ambito das suas multiplas aplicacoes, resolver a genera-lidade dos problemas educativos abrindo de par em par asportas de extraordinarios mundos pedagogicos. Com efeito,apesar das suas reconhecidas potencialidades, o computadornao se tornou a chave magica da mudanca educativa. Comoafirmam Wilson e Redish [42], “o computador revolucio-nou o modo como se faz a investigacao em Fısica mas naoalterou significativamente o modo como se ensina Fısica”.Como instrumento de ensino, o computador nao conseguiuainda um lugar proeminente. Continuam a faltar provas da

utilidade de programas computacionais, que mostrem comoeles se integram no currıculo e contribuem para o maior su-cesso escolar. Por vezes, o computadore visto, tanto pordiscentes como por docentes, mais como uma maquina deentretenimento do que como uma ferramenta de trabalho.

Segundo Cornu [43] duas razoes explicam a defici-ente utilizacao de computadores nas escolas: generalizacaoe integracao. Generalizacao tem aqui o significado defamiliarizacao e assimilacao dessas tecnologias por todos osprofessores. Segundo ele empreendem-se muitos esforcospara desenvolver ferramentas educativas e sao realizadosmuitos trabalhos que recorrem aos computadores no ensino.Contudo, so uma pequena minoria de docentes utiliza com-putadores quer no contexto da sala de aula quer como com-plemento de ensino fora das aulas. Por outro lado, Cornuede opiniao que, no ensino, as novas tecnologias estao aindaa ser integradas nas velhas disciplinas. Ora, “as novas tec-nologias apenas estarao integradas quando elas nao foremferramentas suplementares, agregadas ao que existiu antes,mas sim quando elas tomarem o lugar e se tornarem ‘natu-rais’ e ‘invisıveis’ como o telefone, o televisor e as calcula-doras de bolso” [43].

Convem, a este proposito, relembrar a analogia do com-putador com o lapis apresentada por Seymourt Papert numaconferencia que proferiu em 1999, intitulada “Diversidadena aprendizagem: uma visao para o novo milenio”: “Imagi-nemos uma sociedade na qual havia escolas, mas a escritaainda nao tinha sido inventada. Por isso nao havia nemlivros nem lapis. Todo o ensino era feito por transmissaooral. Um dia alguem inventa a escrita e o lapis e pensou-seque iria ser o princıpio da revolucao na aprendizagem. Foientao decidido colocar um lapis em cada sala de aula. Aessencia do lapis nao e algo que possa ser utilizado tendoacesso apenas algumas horas por semana ou mesmo pordia, mas sim todo o tempo sempre que for preciso, sem ne-cessidade de deslocacao em certas horas a determinadoslugares. Trata-se de um instrumento pessoal e o mesmo iraacontecer com os recursos tecnologicos. Serao os lapis dofuturo, na medida em que serao utilizados em qualquer lu-gar, sempre que forem necessarios e para uma diversidadede propositos. E, quando tal for possıvel, veremos que aspessoas os usarao de formas muito, muito diferentes”.

Para Mucchielli [44] os principais problemas associa-dos ao uso dos computadores sao de natureza material epedagogica. Em relacao aos problemas de ordem materialrefere:

• O facto de ohardwarese tornar rapidamente obsoleto.

• A disponibilidade dehardware(por exemplo, na mai-oria dos estabelecimentos escolares nao existe aindaum computador por cada aluno nas aulas).

• As ligacoes dehardware(por exemplo, problemas deconexao, tomadas, etc.) e a manutencao dos equipa-mentos.

• Os problemas de natureza pedagogica podemsistematizar-se da seguinte forma:


• A maior parte dos programas deixam bastante a dese-jar, nao sendo utilizados pelos alunos nem na sala deaula nem em casa.

• A avaliacao dos programase difıcil, dado o numerocrescente destes. Tal dificulta o conhecimento dosprogramas mais relevantes nao podendo o professorapreciar devidamente a adequacao destesas suas ne-cessidades pedagogicas.

• Dificuldades na obtencao desoftwarede boa quali-dade. Muitas vezes o resultado da apresentacao peloprofessor desoftwarena sala de aulae monotono paraos alunos.

• Falta de formacao dos docentes para utilizarem as no-vas tecnologias. De facto, de nada serve utilizar o me-lhorhardwareesoftwarena sala de aula se o professornao estiver profundamente envolvido.

O potencial pedagogico dos computadores so podera sertotalmente realizado se existirem suficientes programas edu-cativos de suficiente qualidade [45]. Um estudo sobre autilizacao do computador em diversos sistemas educativos,incluindo o portugues, realizado pelaInternational Associ-ation for the Evaluation of Educational Achievement, con-cluiu que um dos factores que limita a utilizacao pedagogicado computadore o pequeno numero de programas educa-tivos com a qualidade exigıvel [46]. Para que o aprendizparticipe e “necessario garantir em primeiro lugar que oambiente onde ele vai aplicar grande parte do seu esforcoseja aliciante e estimulante, ate para vencer eventuais re-sistencias a um instrumento que explora novas estrategiasde ensino” [35].

Plomp e Voogt [17] referem que os conteudos da grandemaioria dosoftwareeducativo estao mal integrados com oscurrıculos, sendo a maioria dosoftwaredo tipo exercıcio-e-pratica ou do tipo tutorial, reminiscentes da teoria beha-vorista, e que nao exploram suficientemente as capacidadesdos modernos computadores. Tambem Hofstein e Walberg[47] consideram que a maioria dosoftwareeducativo naotem grande qualidade e que o respectivo desenvolvimentodevia levar em conta os resultados das ciencias cognitivas,a sua integracao no currıculo, bem como a interface com outilizador. O desenvolvimento dosoftwareeducativo nemsempre esta ligadoas didacticas das ciencias, nao sendo porisso feito o devido acompanhamento por especialistas emciencias e em educacao cientıfica.

O problema da avaliacao desoftwaree fulcral. Temosa disposicao, hoje em dia, um vasto conjunto de progra-mas que permite enfrentar dificuldades pedagogicas, masfaltam estudos sistematicos sobre as vantagens efectivas dasua utilizacao.

Sao varios os autores que apontam novas ideias parao desenvolvimento desoftware. Por exemplo, para Ball,Higgo, Oldknow, Straker e Wood [48] osoftwaredeve per-mitir que os alunos interiorizem os conceitos cientıficosmais importantes e os apliquem na resolucao de problemas

concretos. Deve tambem ser suficientemente flexıvel parapermitir que os alunos facam uma seleccao entre os variosassuntos incluıdos e ainda apelativo e facil de usar mesmopara os leigos em informatica. Por seu lado, Driver, Squi-res, Rushworth e Hackling [49] consideram fundamentais aarticulacao dos conteudos, o seu rigor cientıfico e a interfacecom o utilizador.

VI Conclusoes

As recentes tecnologias de base informatica abriram no-vas perspectivas para o ensino e aprendizagem das cienciasem geral e da Fısica em particular. Os diversos modos deutilizacao do computador (aquisicao de dados, modelizacaoe simulacao, multimedia, realidade virtual e Internet) permi-tiram a diversificacao de estrategias no ensino. O professordispoe de novas possibilidades para transmitir conteudos eos alunos dispoem de uma maior variedade de meios paraaprender.

Os modos de utilizacao que disponibilizam formas deaprendizagem interactivas sao particularmente promissorespara aprender ciencias. A realidade virtual, um dos meiosmais recentes, parece a este respeito promissora.

O trabalho de avaliacao sobre a real eficacia de es-trategias computacionais permanece em larga medida porfazer. Ele tera de ser feito para se ganhar uma melhor pers-pectiva sobre o real impacte dos computadores no ensino.Mas essa avaliacao dos computadores no ensino nao podeser feita de modo isolado. Naturalmente que a tecnologiaso por si nao basta (nunca bastou!), cabendo aos professoresum papel essencial na forma de rendibilizacao desses meiospedagogicos e aos alunos, comoe obvio, um esforco efec-tivo de aprendizagem.

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