Modelagem computacional

Partindo do princípio de que toda simulação de um fenômeno físico em questão carece de um modelo que o defina, é preciso que este modelo se incorpore através da modelagem de um fenômeno em análise, que deve ser estruturado numa linguagem matemática ou esquemas algorítmicos implementados num software para que gerem simulações. Se esta modelagem computacional for bem elaborada, podemos criar simulações interativas com interfaces próximas ao cotidiano do alunado.

As respostas das simulações são gráficas ou animadas, e segundo Fiolhais (2003, p.264), os softwares de simulação consistem em: ―ações básicas do aluno em alterar valores de variáveis ou parâmetros de entrada e observar as alterações nos resultados‖.

A ciência é um processo de representação do mundo que deve ser feito pela matemática com o uso da modelagem. O termo modelagem costuma ser usado

quando a ênfase é dada à programação do modelo, ao passo que a simulação se refere à situação em que o modelo é uma caixa preta (VEIT e TEODORO, 2002, p.88). Um modelo é uma representação simplificada de um sistema que pode ser dinâmico, no qual, por exemplo, o tempo, é considerado como variável independente na maior parte dos conteúdos programáticos do ensino médio.

Segundo Gomes e Ferracioli (2004), um modelo é uma ponte de ligação entre a teoria em suas abstrações e a experimentação em suas ações. Segundo esses autores, devido à sua versatilidade e tratamento, um modelo pode ser amplamente utilizado em todas as áreas de conhecimento.

Segundo Veit e Teodoro (2002) o termo modelagem é utilizado quando a ênfase é dada à programação do modelo, onde os ambientes de modelagem permitem aos alunos manipularem e construírem modelos físicos próximos a sua realidade.

Enquanto que a versão do modelo no papel revela sua natureza estática, em que é privilegiada uma visão instantânea da realidade física, a sua versão computacional é dinâmica na medida em que o modelo pode ser simulado e os resultados desse processamento possam auxiliar na reestruturação e melhoria do modelo inicial, viabilizando, dessa forma, vislumbrar a evolução temporal dessa mesma realidade física (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002).

A introdução de modelagem no processo ensino/aprendizagem tende a desmistificar a imagem da Física inacessível, possibilitando uma melhor compreensão de seu conteúdo e contribuindo para o desenvolvimento cognitivo em geral, pois a modelagem facilita a construção de relações e significados, propiciando que os estudantes testem seus próprios modelos cognitivos, detectem e corrijam inconsistências (HALLOUN, 1994, apud VEIT e TEODORO, 2002).

A modelagem facilita a construção de relações e significados, favorecendo uma aprendizagem construtivista e permitindo também (VEIT e TEODORO, 2002): elevação do nível de processo cognitivo dos estudantes pela generalização de conceitos e relações; definição mais precisas de idéias dos estudantes.

Destacamos a seguir alguns trabalhos sobre modelagem realizados por especialistas da área, fazendo uma exceção ao software Modellus, no qual faremos uma apresentação numa outra seção:

WorldMaker - nesse ambiente de modelagem (GOMES e FERRACIOLI, 2004) determinados sistemas da natureza permitem que sejam representados no computador através da especificação dos objetos que os constituem e das regras de interação que regem o comportamento destes objetos que gera os eventos. A especificação dos objetos no WorldMaker devem representar o sistema em questão, podendo ser simplesmente objetos ou objetos-canário. Os objetos representam todos os constituintes básicos do sistema que podem se mover na rede, enquanto que os objetos-cenário representam os locais por onde os objetos se movem. Por exemplo, o objeto seria um veículo e o objeto-cenário seria a estrada. O programa faz uso de células de parâmetros que por definição só podem ocupar um objeto de determinado tipo num mesmo tempo e a especificação dos objetos deve está atrelada tanto a especificação dos eventos que ocorrem no sistema quanto as regras que geram estes eventos para proceder a implementação do modelo no ambiente. Gomes e Ferracioli (2004), fizeram uso do software num curso de extensão abordando o estudo do fenômeno da difusão de um gás num modelo criado pelos usuários, que representa o que acontece com o gás após ser liberado de um recipiente.

WLinkIt - usado em modelagem para construção e simulações de modelos dinâmicos em nível semi-quantitativo, que representam relações causais entre variáveis relevantes de fenômenos, eventos, objetos do mundo a ser modelado. Camiletti e Ferracioli (2002) usaram esse software no ensino de Física para o sistema massa-mola, onde o usuário deveria construir um modelo para essa situação-problema, representando-a no computador a partir de pares de causa e efeito, ou seja, relações causais entre as variáveis dessa situação-problema analisada (metáfora de ícones WLinklt), e assim criar a estrutura para a execução da simulação, ampliando as possibilidades de análises no processo de ensino-aprendizagem. O usuário não precisa ter o conhecimento das relações matemáticas entre as variáveis para a construção de um modelo, pois os cálculos da simulação são internos ao programa, por isso, esse software demanda do usuário um raciocínio em nível semi-quantitativo.

Stella - Já o programa de modelagem STELLA (Structural Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation) baseado no pensamento sistêmico, permite a construção de modelos através da conexão de ícones que traduzem a evolução temporal dos fenômenos em estudo, onde ao invés de se exigir do usuário, o uso de equações matemáticas, fornece relações causais entre as variáveis consideradas relevantes, gerando respostas tanto por gráficos quanto por tabelas que traduzam numericamente essas variações, numa evolução temporal (FERNANDES e FERRACIOLI, 2004). O autor utilizou o STELLA num curso denominado representação e modelagem de sistemas físicos com

computador, no qual os usuários conheceram o programa a partir de

atividades de construção de modelos para colisão entre partículas, se discutindo as respostas fornecidas pelo programa.

Tanto Gomes e Ferracioli (2004) quanto Fernandes e Ferracioli (2004) investigaram a utilização de ferramentas de modelagem por alunos do ensino superior, chamando a atenção tanto para a necessidade de ―instrução‖ em relação ao domínio e utilização da ferramenta, como para as características das atividades propostas. Na mesma direção, Miranda et al (2004) investigou a contribuição do uso de simulações a disciplina de Mecânica Básica no ensino superior, enfatizando a necessidade do papel do professor e do contexto educacional no processo de ensino-aprendizagem.

As ferramentas matemáticas usadas no corpo da Física são em sua maior parte grandezas vetoriais (força peso, aceleração, velocidade, impulso, quantidade de movimento), que descrevem e fazem previsões com boa aproximação dos fenômenos observados de um modelo físico idealizado.

Por exemplo, através da elaboração de modelos matemáticos estruturados em vetores e que estivessem inseridos em programas específicos de computador, se tornaria possível através da observação dessas estruturas em imagens 3D, perceber as particularidades dos arranjos espaciais e dos orbitais moleculares de certas substâncias, contribuindo para formulação de hipóteses que trariam novas descobertas.

Nessa tarefa de observação é que o computador se destaca, em relação ao lápis e papel. Além do mais, seria no mínimo enfadonho se tentar desenhar no plano

as estruturas moleculares espaciais de algumas substâncias, coisa que o computador executaria com facilidade. Assim, sobraria mais tempo para discussões a respeito dessas estruturas espaciais não se perdendo tempo desenhando-as à mão.

Essa necessidade de se modelar os fenômenos observados para em seguida interpretá-los, não acontece sem a ajuda das ferramentas da Matemática. Portanto, a Física deve se estruturar em observações cuidadosas dos fenômenos em análise, para em seguida ter condições de descrevê-los em suas minúcias, quando o computador está na retaguarda.

Teodoro (2002), enfatiza que o computador e, em particular, o uso do computador como ferramenta de modelação, é considerado peça chave no processo de aprendizagem de Física.