Ensino de dinâmicas de transformação de energia

Antes de realizarmos a pesquisa, apoiávamos-nos fortemente em livros didáticos para ensinar conteúdos de Física aos alunos no ensino médio.

Ao ensinar o conceito de energia, associávamo-no ao trabalho mecânico. Energia entendida como trabalho (T) — produto da força (F) pelo deslocamento (d) — realizado pelo corpo, sujeito a ação da força:

T = F . d

Resultado de um esforço que demanda a transmissão do movimento de um corpo a outro. Esse modo de conceituar o termo traz sempre a pergunta: “Para sustentar um corpo muito pesado em equilíbrio não precisamos ‘gastar’ energia?” Essa dúvida dos alunos é muito frequente.

Tratávamos fenômenos naturais com exemplos imaginários e teóricos. Não adotávamos abordagem histórica ou temporal. O ensino era fundamentalmente disciplinar e não havia diálogo com outros professores. Exigíamos memorização de fórmulas matemáticas, como por exemplo a da energia cinética (Ec) e a da energia potencial gravitacional (Ep) — em que: m é a massa do corpo; v sua velocidade; g aceleração da gravidade; e h a altura do corpo em relação ao referencial adotado.

Ec = m . v² / 2 Ep = m . g . h

Notávamos que os alunos tinham dificuldade em aplicar as fórmulas aos contextos de conteúdo escolarizados. Geralmente, atribuíamos o problema à dificuldade dos alunos com operações matemáticas (tipicamente não sabem fazer divisão) e com interpretação dos enunciados. Ou explicávamos a falta de aprendizagem como derivada da falta de interesse pela Física.

Os exemplos de fenômenos que obedecem às leis de transformação de energia eram rigorosamente aqueles expostos em livros didáticos. Ensinávamos o princípio de conservação de energia mecânica com base na relação dos tipos de energia utilizando exemplos, tais como

montanha russa, sistema massa-mola e pêndulo. As situações utilizadas envolviam a transformação de energia potencial (gravitacional ou elástica) em energia cinética e vice-versa, para tentar entender um conceito mais completo, o de conservação da energia. Usávamos, muitas vezes, exemplos e exercícios em que bastava identificar as variáveis (velocidade, massa, altura) de cada situação para, em seguida, aplicar as fórmulas matemáticas memorizadas ou expostas na lousa. Esse modo de resolver os problemas é muito comum nas indicações dos livros didáticos de Física, sobretudo os mais recentes. Compreender leis quantitativas que são traduzidas em expressões matemáticas exige estabelecer relação que não é linear. Comparar proporcionalmente a variação de grandezas que envolvem transformações de energia requer muito cuidado, pois nem sempre as proporções são diretas. Um exemplo é a variação da energia cinética em função da velocidade. Os alunos, ao observarem a fórmula (Ec = m . v² / 2), fazem interpretações estabelecendo proporcionalidade direta entre energia cinética e velocidade. Ao duplicar a velocidade, por exemplo, a energia cinética resulta num valor quatro vezes maior, e não o dobro, como a maioria dos alunos interpreta.

Nas escolas em que trabalhamos, raramente havia laboratórios de Ciências equipados com materiais e instrumentos que pudessem simular fenômenos de transformação de energia. Quando a estrutura da escola era favorável, usávamos simulações de computador (Phet — applets da Universidade do Colorado/EUA) para ilustrar fenômenos, mas nem sempre isso era possível. A maioria das escolas não dispõe de laboratórios de informática onde os alunos possam testar simulações. Além disso, apenas ver uma simulação de computador, mostrada pelo professor, muitas vezes não possibilita entender fenômenos e as leis naturais que presidem essas mudanças. É diferente quando o aluno está diante de uma demonstração real, concreta, de um fenômeno natural e busca controlar variáveis, identificar mecanismos e causas.

É comum encontrarmos nos livros didáticos problemas sobre conservação de energia, como por exemplo: “Um carrinho de montanha russa parte do repouso de uma altura (h). Considerando o princípio da conservação da energia mecânica, qual a velocidade (v) do carrinho ao atingir o nível de referência?”. Considerar o princípio da conservação de energia para o exercício deveria desprezar as perdas de energia, principalmente sob a forma de calor e atrito. Na natureza, num sistema mais amplo, complexo, quase nunca podemos desprezar as perdas de calor, afinal o calor também é um tipo de energia. Se compararmos ao planeta Terra, a dificuldade aumenta ainda mais se desprezarmos perdas, pois os corpos interagem numa

dinâmica de fluxo de matéria e energia, e nunca podemos desconsiderar as “perdas”. Quando estudamos um sistema como o Planeta, é impossível pensar em sistemas isolados, como em um laboratório.

Se tomarmos os níveis de qualidade de aula de Johnson, Khale e Fargo (2006), interpretamos que o ensino do conceito de transformação de energia situava-se entre os níveis um e dois, ou seja, entre aulas ineficientes que apenas em alguns momentos engajavam os alunos na aprendizagem. Os alunos eram passivos diante de exposições do objeto de estudo; permaneciam, em uma parcela do tempo, apáticos e desinteressados. Tudo isso sugere baixo nível de motivação para aprender.

Esse quadro inicialmente desalentador serviu de motivação para o professor buscar alternativas, procurar construir conteúdos, problemas e objetos de estudo de maneira diversa daquela que vinha sendo praticada.

A interação com professores de disciplinas diferentes, enfrentando dificuldades de aprendizagem dos alunos semelhantes àquelas que encontrávamos, foi o caminho que conduziu à inovação. A trajetória encaminhou a pergunta: como os alunos poderiam reconhecer que a energia é responsável pelas dinâmicas de transformações do ciclo da areia? Como a energia transporta grãos e influencia mudanças na superfície da Terra?

O ciclo da areia é um tema que trata de fenômenos, como erosão, transporte e sedimentação, e possibilita ensinar dinâmicas de transformação de energia, contextualizando dimensões culturais, sociais e econômicas, com sentido humanista.