Magnetismo para o ensino médio

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

JOSÉ CARLOS TENÓRIO DA SILVA

MAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO

VOLTA REDONDA

JOSÉ CARLOS TENÓRIO DA SILVA

MAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

Orientador:

Jorge Simões de Sá Martins

Volta Redonda 2019

JOSÉ CARLOS TENÓRIO DA SILVA

MAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO

Orientador:

Jorge Simões de Sá Martins

Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

Aprovada em 01 de fevereiro de 2019.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________ Prof. Dr. Jorge Simões de Sá Martins - UFF

_________________________________________ Prof. Dr. Carlos Augusto Domingues Zarro - UFRJ

_________________________________________ Prof. Dr. Thadeu Josino Pereira Penna - UFF

Volta Redonda 2019

Ficha catalográfica automática - SDC/BAVR Gerada com informações fornecidas pelo autor

T289m Tenório da Silva, José Carlos

Magnetismo para o Ensino Médio / José Carlos Tenório da Silva ; Jorge Simões de Sá Martins, orientador. Volta Redonda, 2019.

122 p. : il.

Dissertação (Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física) -Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda, 2019. DOI: http://dx.doi.org/10.22409/PROFIS.2019.mp.10057548706

1. Ensino de Física. 2. Eletromagnetismo. 3. Aprendizagem Significativa. 4. Magnetismo. 5. Produção Intelectual I. Simões de Sá Martins, Jorge, orientador. II. Universidade Federal Fluminense, Instituto de Ciências Exatas. III. Magnetismo para o Ensino Médio.

Dedico esta dissertação à minha filha, Isabella. Tudo mudou depois de você.

AGRADECIMENTOS

Agradeço à CAPES pelo apoio financeiro por meio da bolsa concedida, e à Universidade Federal Fluminense que, com excelentes professores, ajudou a formar o profissional que sou hoje.

Agradeço a meu orientador, pela paciência, compreensão, e pelos sermões bem ajustados.

Agradeço à minha esposa Michelle Salles, por toda a paciência e companheirismo.

Agradeço a meus familiares e amigos por me ajudarem a aliviar o estresse cotidiano.

Agradeço à minha mãe Keilla. Obrigado por nunca deixar uma pergunta sem resposta. Tudo começou com você.

RESUMO

MAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO

José Carlos Tenório da Silva

Orientador:

Jorge Simões de Sá Martins

Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) da Universidade Federal Fluminense, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física

Os docentes que atuam na rede estadual do Rio de Janeiro devem atender às diretrizes estabelecidas pelo Currículo Mínimo, produzido pela Secretaria Estadual de Educação. Visando colaborar para o cumprimento desse objetivo, foi produzida uma sequência didática que atende em sua totalidade aos itens definidos para o segundo bimestre do terceiro ano do Ensino Médio Regular. A presente dissertação discute a aplicação de um produto educacional desenvolvido para proporcionar ao aluno a possibilidade de aprendizado significativo de conceitos de Magnetismo através de aulas interativas, que fazem uso de tecnologias de informação e comunicação e relacionam o tema ao contexto social do discente, desde o preparo das aulas até a avaliação. Inicialmente é feita breve discussão sobre a fundamentação teórica que forma a base para a elaboração do produto, seguida de uma descrição do mesmo e de detalhado relato de sua aplicação em turmas de Física no Ensino Médio, com comentários acerca dos resultados da aplicação.

Palavras-chave: Ensino de Física, Eletromagnetismo, Aprendizagem Significativa

Volta Redonda Fevereiro de 2019

ABSTRACT

MAGNETISM FOR HIGH SCHOOL

José Carlos Tenório da Silva

Supervisor(s): Jorge Simões de Sá Martins

Abstract of master’s thesis submitted to Programa de Pós-Graduação de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) from Universidade Federal Fluminense, in partial fulfillment of the requirements for the degree Mestre em Ensino de Física.

Teachers who work in the public educational system of the state of Rio de Janeiro must follow the guidelines established by a so called “minimum curriculum”, produced by the State Department of Education. Based on the content distribution of this curriculum, a didactic sequence was produced that fully meets the items defined for the second bimester of the third year of regular High School. The present master’s dissertation presents and discusses the usage of this educational product. It was developed to provide the student a meaningful learning of concepts of Magnetism through interactive classes that make use of information and communication technologies and relate the topic to the social context of the student, from the preparation of classes up to evaluation. Initially, a brief discussion is made on the theoretical basis used in the design of the product, followed by its description and a detailed report of its use in the Physics classroom of a High School, with comments on the results obtained.

Keywords: Physics education, Electromagnetism, Meaningful Learning

Volta Redonda 2019

Sumário

Capítulo 1 Introdução ... 9

Capítulo 2 Fundamentação Teórica ... 14

Capítulo 3 Magnetismo ... 26 3.1 Introdução ... 26 3.2 Características dos Ímãs ... 27 3.3 Campo Magnético... 28 3.4 Espiras e Bobinas... 30 3.5 O Eletroímã... 31 3.6 Indução Eletromagnética ... 31 3.7 Objetivos de Aprendizagem ... 33

Capítulo 4 Apresentação do Produto Educacional ... 35

Capítulo 5 Utilização do Produto Educacional... 39

5.1 Público Alvo ... 39

5.2 Descrição da Atividade ... 41

5.3 Discussão dos Resultados ... 47

Capítulo 6 Considerações Finais ... 52

Apêndice A Material do Professor ... 54

Apêndice B Material do Aluno ... 93

Capítulo 1

Introdução

No Brasil, o direito à Educação está garantido pela Constituição Federal de 1988 sob o artigo nº 205 [BRASIL 1988], mas pode existir uma grande distância entre a garantia de um direito e o pleno gozo do mesmo na prática. Em particular com relação aos processos educacionais, não são poucos os obstáculos enfrentados, tanto por educadores quanto por educandos, no cumprimento de tal tarefa.

De acordo com Paulo Freire, a Educação deve ocorrer de maneira dialógica e indissociável, já que não há docência sem discência: o educador aprende ao ensinar e o aprendiz ensina ao aprender [FREIRE 1996]. É relevante, portanto, considerar as dificuldades encontradas por ambos durante o processo, já que é através das interações entre si e com os problemas do outro que se dá o processo de ensino-aprendizagem.

Só é possível listar os obstáculos que os atores do processo educacional enfrentam se antes forem estabelecidos objetivos para o mesmo. Se assim não fosse, seria impossível saber se um elemento interfere de algum modo. Podemos considerar que um procedimento foi bem-sucedido se pudermos garantir que os objetivos foram cumpridos, e qualquer elemento que dificulte isso será considerado um obstáculo a ser superado.

A Lei de Diretrizes e Bases (LDB) define o Ensino Médio como etapa final da educação básica [BRASIL 1996] e estabelece como suas finalidades: I - a consolidação e o aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino fundamental, possibilitando o prosseguimento de 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 aperfeiçoamento posteriores; III - o aprimoramento do educando como pessoa humana, incluindo a formação ética e o desenvolvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico; IV - a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina. Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM) ampliam o texto da LDB e apresentam um perfil de currículo baseado em competências para a inserção do jovem na vida adulta, agrupadas em diferentes áreas de conhecimento, buscando “...dar significado ao conhecimento escolar, mediante a contextualização; evitar a compartimentalização, mediante a interdisciplinaridade; e incentivar o raciocínio e a capacidade de aprender.” [BRASIL 2000].

Inserida na área de Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias, da disciplina de Física é esperado que colabore para a formação de uma cultura científica eficaz, que forneça ao indivíduo as ferramentas necessárias para interpretar fatos, fenômenos e processos naturais, baseando-se em evidências e colocando o ser humano não apenas como agente transformador, mas como parte da natureza. Para tanto, espera-se que o conteúdo seja apresentado como parte de um processo histórico, envolvido no contexto de sua época e mesclado com outras manifestações da produção humana. Os PCNEM atribuem à Física a responsabilidade de familiarizar o indivíduo com os diversos equipamentos tecnológicos, de uso doméstico ou profissional, com relação a seu funcionamento e modo de operar [BRASIL 2000], sendo conveniente a elaboração de estratégias que possibilitem ao indivíduo tal oportunidade acerca de variados tópicos, dentro das áreas de Mecânica, Termodinâmica, Eletromagnetismo e Óptica, por exemplo.

O Eletromagnetismo é um tópico de particular interesse para o cidadão do século XXI, rodeado de aparelhos eletrônicos por todos os lados. Pela quantidade de dispositivos, não é difícil situar o ensino de Eletromagnetismo no cotidiano do discente. Há aparelhos eletrônicos, cujo funcionamento envolve conceitos de Eletromagnetismo, em uso na Medicina, para diagnóstico, como os aparelhos de Ressonância Magnética. No dia a dia é cada vez mais comum encontrarmos nas residências um Forno de Micro-ondas para cozinhar ou um Smartphone em uso para a comunicação. Diversos postos de trabalho envolvem o manuseio de dispositivos eletrônicos como atividade corriqueira, em uma sociedade cada vez mais informatizada. Para o pleno atendimento dos objetivos definidos na LDB, dentre eles o exercício da cidadania, o indivíduo precisa compreender o mundo tecnológico que o cerca para tomar decisões sobre si e sobre o contexto socioeconômico em que está inserido, atuando ativamente para a melhoria ou discernindo tentativas de fraude quando se apresentarem.

A continuidade dos estudos a nível superior de ensino também requer, em diversas áreas, que conhecimentos de eletromagnetismo sejam aplicados no exercício profissional ou ao longo da formação em Instituição de Ensino Superior, sendo fundamental que tais tópicos sejam apresentados ainda no Ensino Médio no intuito de possibilitar plena liberdade de escolha ao discente.

O Governo do Estado do Rio de Janeiro, através da Secretaria de Estado de Educação (SEEDUC), elaborou um currículo básico estruturado de acordo com a LDB e orientado pelos PCNEM listando os objetivos para o discente em cada etapa da educação básica. Este currículo passou a servir como referência para todas as escolas da rede estadual de ensino, buscando orientar os profissionais de maneira clara acerca das competências e habilidades que não podem

faltar nos planos de curso e nas aulas, definindo assim o conteúdo mínimo a ser trabalhado em conjunto com os alunos em um dado ano letivo. Segundo esse documento o eletromagnetismo é um tema a ser abordado ao longo do terceiro ano do Ensino Médio Regular, com seus diferentes tópicos divididos em quatro bimestres letivos. [RIO 2012]

O ensino-aprendizagem de tópicos de eletromagnetismo é um processo que requer atenção e enfrenta alguns obstáculos incômodos que, caso não sejam abordados, podem ser os responsáveis por problemas graves de comunicação. Talvez um dos maiores desafios envolvendo o ensino de eletromagnetismo seja a visualização. Conceitos de eletromagnetismo são, em alguns casos, bastante abstratos e difíceis de se compreender, sendo necessária a intervenção docente de modo a encurtar a distância virtual entre o discente e o conhecimento. Os modelos que explicam fenômenos eletromagnéticos frequentemente se baseiam em objetos muito pequenos, invisíveis a olho nu. A maior parte das classificações tradicionais de ondas eletromagnéticas por faixas de frequência não pode ser detectada pelo olho humano, sendo necessário um aparato de alguma forma para tal. O próprio modelo usado para explicar o campo elétrico possui aspectos que podem não ser pertinentes ao nível de Ensino Médio, apesar de estarem presentes em livros dessa etapa, ainda que apresentando o conceito equivocado [ASSAD 2012].

Se por um lado o ensino de Eletromagnetismo é fácil de contextualizar graças ao grande número de aplicações, por outro o estudante pode apresentar dificuldades ao conceber de maneira abstrata a existência de partículas que ele nunca observou, sendo necessário utilizar analogias macroscópicas. Em uma abordagem tradicional de ensino-aprendizagem centrada no professor, dispondo apenas da lousa como recurso, pode ser bastante desafiador atingir níveis satisfatórios de entendimento entre os alunos e o professor, que por vezes precisa depender de habilidades de desenho para representar algo.

Além das dificuldades inerentes ao tópico trabalhado, existem também dificuldades em outras esferas, como por exemplo o momento singular que a maioria dos alunos matriculados no Ensino Médio vive. É muito comum, por exemplo, que o jovem perca rapidamente o entusiasmo pelos estudos nesta etapa da vida escolar. Segundo Sposito e Galvão, uma aceleração do tempo de vida é produzida entre os estudantes. Durante o primeiro ano do Ensino Médio eles estão em geral mais entusiasmados, movidos pelo orgulho de terem vencido a barreira da escolaridade fundamental. No segundo ano há uma desmotivação natural, devido principalmente às dificuldades no processo de ensino-aprendizagem, que ocorre em concomitância com o desenvolvimento das relações interpessoais. A sociabilidade entre os pares e as amizades passam a ser mais importantes que os estudos. Quando o tema de

eletromagnetismo é abordado, o jovem está no terceiro ano do ensino médio, confrontado com inúmeras possibilidades de futuro, dúvidas e ansiedades geradas pela pressão de concorrer a vagas em Universidades. A busca por uma colocação no mercado de trabalho se torna mais próxima para muitos, colonizando a mente dos estudantes com preocupações [SPOSITO E GALVÃO 2004], [KRAWCZYK 2011].

Um ponto frequentemente levantado por professores em diferentes lugares como empecilho para o ensino de ciências é a falta de materiais didáticos e recursos tecnológicos, ou laboratórios [DOMINGUINI 2012]. De fato, nem todas as escolas estão equipadas com aparato tecnológico para a experimentação, e há escolas que utilizam o espaço do laboratório para outros fins, impossibilitando o professor de dele fazer uso.

Levando em consideração os diferentes aspectos do processo de ensino-aprendizagem, é fundamental que o docente utilize estratégias que se adequem à realidade da comunidade escolar à qual ele está vinculado. O produto discutido nesta dissertação tem por objetivo atender o maior número possível de docentes/discentes, usando como base a aplicação em turmas de terceiro ano do ensino médio da rede estadual do Rio de Janeiro, que sugere o tema envolvendo principalmente as propriedades e aplicações do magnetismo. A proposta foi adequada ao currículo básico sugerido pela SEEDUC/RJ, mas está em concordância com o conteúdo tradicionalmente praticado nas escolas de ensino médio do Brasil.

Apresenta-se uma abordagem planejada nos moldes de Unidades de Ensino Potencialmente Significativo (UEPS) para o segundo bimestre do terceiro ano do Ensino Médio, cobrindo todos os itens exigidos no Currículo Mínimo do Estado do Rio de Janeiro. A estratégia utiliza materiais de baixo custo e de fácil aquisição, solicitando que os estudantes atuem em grupos para proporcionar, através da interação com os pares, a oportunidade de ensinar-aprender sem o estigma associado à autoridade tradicionalmente concedida ao professor. Valendo-se de atividades a serem desenvolvidas em casa, fora do horário escolar, a UEPS aqui descrita proporciona a flexibilidade necessária para atender ao público de diferentes turnos, em particular o noturno, em que diversos estudantes já estão inseridos no mercado de trabalho. Por se tratar de uma proposta para um bimestre, pode ser adaptada sem muitos problemas à realidade de diversos docentes, e, por abordar todo o conteúdo presente no segundo bimestre, pode ser utilizada como módulo fechado para o ensino de magnetismo.

É feita uma sugestão para contornar as dificuldades de ensinar-aprender eletromagnetismo discutidas anteriormente, baseada na utilização de recursos didáticos gratuitos, como simulações computacionais.

Uma proposta de avaliação será dada, baseada nas competências esperadas para o discente após a conclusão do segundo bimestre do terceiro ano do Ensino Médio da rede estadual do Rio de Janeiro. A avaliação é descrita por completo, e espera-se com esta atividade atingir resultados satisfatórios que possam justificar seu uso por profissionais inseridos em qualquer contexto escolar. Os resultados da avaliação aplicada serão discutidos, apresentando possíveis explicações.

Capítulo 2

Fundamentação Teórica

O ato de ensinar envolve a participação dialógica de dois atores, um docente e um discente, em constante interação em que ambos ensinam e aprendem. Em cada período histórico os atores inseridos em diferentes contextos sociais apresentaram diferentes demandas, que precisaram ser respondidas pelo sistema educacional. No Brasil, a produção científica e tecnológica foi afetada por períodos de instabilidade política e, no começo de sua institucionalização nos anos 1950, foi marcada por ideais que deram ao ensino uma forte característica conteudista, que deixava em segundo plano as diferentes interações sociais e a forma como as mesmas influenciam o comportamento e a vida dos indivíduos [VACAREZZA 1999], [NASCIMENTO 2010].

Com a redução da presença reguladora do Estado nos anos 1980 e 1990 e a consequente abertura da economia ao comércio internacional, ocorreu gradativamente a inserção de grupos econômicos privados, com variados interesses, na produção tecnológica brasileira. Esses grupos influenciam não apenas a produção tecnológica, mas também a formação de profissionais para o mercado de trabalho, em atendimento a suas próprias necessidades e deixando clara de uma vez por todas a crescente necessidade de analisar a relação entre ciência, tecnologia e sociedade [NASCIMENTO 2010]. As escolhas feitas por um indivíduo para sua formação e posto de trabalho levam em consideração suas necessidades, os recursos e oportunidades disponíveis à época da escolha, de modo a atender a seus próprios interesses e de sua família.

Desde a década de 60, as teorias cognitivistas influenciaram a imagem do professor, migrando gradativamente de um transmissor de informações para a de facilitador de experiências educativas e de aprendizagens [MARTINS 2004]. Passou-se a considerar a necessidade, por parte dos professores de ciências, de planejar as estratégias educacionais levando em consideração as fases do desenvolvimento intelectual dos estudantes, assim como suas singularidades, incentivando a superação constante de obstáculos cognitivos e didáticos.

A formação do estudante moderno não mais pode ser vista como unicamente voltada para o mercado de trabalho. A sociedade do século XXI, em constante e rápida transformação, exige de seus membros a capacidade de se adaptar a diferentes realidades. Faz-se necessário, portanto, que o moderno ensino de ciências privilegie a flexibilidade frente à complexidade dos problemas científicos e tecnológicos atuais. A capacidade do aluno interpretar uma questão a

partir de diferentes referenciais teóricos, analisando as mais variadas resoluções, se tornou uma competência desejada.

Apesar de diversos estudos que focalizam a interação entre ciência, tecnologia e sociedade, a ciência muitas vezes não é vista como algo pertinente ao cotidiano do sujeito, tendo pouca ou nenhuma influência sobre sua experiência de vida. Segundo Nascimento,

“As dificuldades de compreensão das complexas relações existentes entre as teorias científicas e técnicas, ciência pura e aplicada e teoria e prática leva-os a perceberem as ciências apenas pelos resultados de suas aplicações, favorecendo o surgimento do cientificismo, da fusão ciência/técnica e do mito da neutralidade científica.” [NASCIMENTO 2010]

.

Essas dificuldades induzem o indivíduo a conceber a ciência a partir da tecnologia produzida por ela, negligenciando sua participação abrangente na sociedade como promotora de grandes mudanças sociais na forma como o trabalho e as formas de consumo são vistos. Em um ambiente como esse não é difícil entender o surgimento da concepção equivocada de que a ciência pode conhecer e explicar a tudo, por representar a realidade tal como é [CHAUÍ 1997].

Segundo a Pedagogia Problematizadora apresentada por Paulo Freire, o sujeito desenvolve seu aprendizado de maneira crítica e reflexiva, mantendo sempre como ideia central a transformação da realidade, de modo a privilegiar a ação e o diálogo entre os indivíduos.

Freire traz os conceitos de Educação Libertadora e Educação Bancária. Segundo o autor a concepção de homem como um “ser vazio”, dependente de “depósitos” de conhecimento, corresponde à perspectiva opressora denominada “Educação Bancária”. Esta segue uma linha conservadora, e é pautada numa forma de comunicação unidirecional e verticalizada, contrária ao diálogo, servindo como instrumento de desumanização, domesticação e alienação do “oprimido” [VIEIRA 2006]. Neste sentido, o educando é desprovido de informação e compete ao educador transmitir seu conhecimento científico. Já no modelo proposto por Freire, a ação educativa libertadora se diferencia da educação tradicional por abominar, dentre outras coisas a relação de dominação do educador sobre o educando. Na Educação Libertadora, existe uma relação dialógica entre os atores do processo educativo, isto é, uma troca horizontal gerando a partir dessa troca uma transformação da realidade conhecida [MEDEIROS 2010].

Por isso, a Educação Libertadora é considerada uma educação conscientizadora, uma vez que, além de conhecer a realidade, busca sua transformação, ou seja, tanto o educando quanto o educador aprofundam seus conhecimentos em torno de um mesmo objeto cognoscível com intuito de intervenção sobre ele [MEDEIROS 2010]. Assim, o educador pode ser visto como facilitador do processo de aprendizagem, cuja responsabilidade e tomada de decisões devem ser compartilhadas com o aprendiz.

Segundo Freire, o diálogo não é só um encontro de dois sujeitos que buscam o significado das coisas, o saber, mas um encontro que se realiza na práxis ação mais reflexão, no engajamento, no compromisso com a transformação social [FREIRE 1987]. Dialogar não é apenas trocar ideias. O diálogo que não leva à ação transformadora é puro verbalismo. Portanto, o diálogo libertador implica assumir compromissos, comprometer-se.

O Método Paulo Freire reforça a dignidade e o respeito ao indivíduo, colocando-o ao lado do instigador que, por sua vez, tem a tarefa de orientar e dirigir o processo educativo e é um ser que busca o conhecimento junto com o aluno. Nesta perspectiva, o indivíduo é coautor e participante ativo do processo educativo, sendo este construído “com” ele e não mais “para” ele.

O diálogo permite o compartilhamento dos saberes e práticas do educador e do educando através das palavras, levando em consideração os saberes do outro, valorizando sua cultura, seu modo de viver, suas práticas, crenças e valores. Dessa forma, o modelo teórico conceitual de Freire contribui de forma significativa para o docente, transformando sua prática profissional, através de um cuidado diferenciado baseado nas necessidades do indivíduo, respeitando seus saberes, suas práticas, valores e crenças.

Com a intenção de estabelecer a participação ativa do educando e a promoção do desenvolvimento da Educação em Ciências, o profissional deve refletir sobre os conteúdos ensinados e sobre as práticas pedagógicas adotadas na sala de aula. A ação docente precisa estimular a criação de situações problema no ambiente de aprendizado e a formulação de hipóteses e soluções que privilegiem o protagonismo do indivíduo.

Na perspectiva construtivista de Piaget, o início do conhecimento é a ação do sujeito sobre o objeto, ou seja, o conhecimento humano se constrói na interação homem-meio, sujeito-objeto. Desenvolvimento e crescimento mental, para o autor, surgem devido à atividade do sujeito que se defronta com o seu meio e a inteligência, ou mais especificamente o desenvolvimento cognitivo é a condição para que os seres humanos construam conhecimento sobre o meio [DEMIZU 2015].

Todo organismo vivo em aprendizado experimenta busca constante por equilíbrio. Este representa o objetivo primordial de qualquer organismo vivo, já que é fundamental para a manutenção da vida. Define-se o equilíbrio como um estado constante de troca. Sempre que se vê em uma situação de conflito, o organismo precisa lançar mão de algum recurso em busca de reequilibrar-se, adaptando-se à nova realidade que o meio lhe impõe. Define-se então os conceitos de assimilação e acomodação, em que o primeiro se apresenta como o processo de incorporação de ideias, costumes e rotinas à atividade do indivíduo, enquanto o segundo se caracteriza pela adaptação de uma estrutura através da modificação de esquemas em função das peculiaridades do objeto que será assimilado.

A teoria de Piaget apresenta uma proposta de divisão do desenvolvimento cognitivo em quatros estágios: do nascimento até os 2 anos de idade considera-se que o sujeito esteja no estágio sensório motor, em que o bebê gradualmente se torna capaz de executar atividades no meio em que está inserido, experimentando através de atividades sensórias motoras, manifestando inteligência claramente prática. Em geral entre os 2 e 6 anos de idade o indivíduo experimenta o estágio do pensamento pré-operatório, em que se torna capaz de representar o meio mentalmente e compreendê-lo através de representações e pensamentos. Neste estágio a linguagem se desenvolve e a socialização passa a fazer integrar o desenvolvimento de maneira central. Em geral dos 6 aos 12 anos de idade a criança experimenta a definitiva assimilação da logicidade da transformação sem perda de características físicas. Os conhecimentos adquiridos até aqui são transformados em conceitos abstratos e o último estágio, o Estágio Operatório Formal vai dos 12 anos de idade em diante. O raciocínio, a dedução, a formulação de hipóteses, propostas de resolução de problemas e o pensamento organizado e sistemático se consolida junto com a linguagem, sendo possível portanto o debate lógico e conclusivo. [DEMIZU 2015]. Piaget desenvolveu sua pesquisa através da observação e experimentação, com o intuito de elucidar o funcionamento e o desenvolvimento do sistema cognitivo da criança, esperando compreender melhor como o adulto representa o real. [HALBWACHS 1978 apud CARVALHO 1983], ao passo que o professor, em sala de aula, faz o caminho inverso, já que inicia com conhecimentos que já possui e se esforça para redescobri-lo com o discente. A clientela de Piaget em seus experimentos pode não ser a mesma do professor nos dias de hoje. O grande desafio para o professor de Ciências, na verdade, é a necessidade de ensinar um conteúdo que exige sólido e amadurecido raciocínio formal para alunos que possivelmente ainda não se encontrem em tal nível de desenvolvimento. O nível de desenvolvimento cognitivo do aprendiz deve pautar o desenvolvimento da estratégia de ensino, que precisa ser adaptada de acordo com a realidade da sala de aula.

Uma vez identificado o nível de desenvolvimento dos discentes, é conveniente compreender como o conhecimento é assimilado. Vygotsky afirma que a interação do sujeito com o meio é fonte de conhecimentos, e que a aprendizagem se dá através do processo de mediação simbólica. Segundo Vygotsky “O crescimento intelectual da criança depende de seu domínio dos meios sociais do pensamento, isto é, da linguagem” [DEMIZU 2015]. Para adquirir real entendimento do desenvolvimento do sujeito, deve-se considerar ainda os níveis de desenvolvimento real e proximal. Define-se a Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP) como aquela que preenche a distância que separa o nível atual em que a criança se encontra, de acordo com sua capacidade de resolução de problemas individualmente, e o nível de desenvolvimento potencial, determinado através da capacidade de resolver problemas em colaboração com os pares, ou sob supervisão dos pais, por exemplo. Pode-se entender que Vygotsky concebe o desenvolvimento humano, portanto, a partir das relações sociais que a pessoa estabelece no decorrer da vida. [DEMIZU 2015]

Independentes de eventuais discordâncias nas teorias apresentadas por ambos, o aprendiz é visto sempre como um ser ativo, atento, capaz de formular hipóteses sobre o meio que o cerca. Piaget dá ênfase à maturidade biológica, enquanto Vygotsky privilegia o ambiente social, mas o fato permanece de que ambos são interacionistas, ressaltando a importância do protagonismo do indivíduo e da interação no processo de aprendizagem. Para o ensino de Ciências, isso se traduz na forma como as estratégias de ensino devem ser formuladas, de modo a privilegiar a interação dos estudantes com seus pares e seu protagonismo nas aulas de Física. Também em concordância com a característica interacionista de Piaget e Vygotsky está a Teoria da Aprendizagem Significativa, de David Ausubel. Nela o autor descreve elementos fundamentais para a compreensão da forma como ocorre o aprendizado, e destaca um tipo diferente de interação:

O conceito central da teoria relata “um processo através do qual uma nova informação se relaciona, de maneira substantiva (não-literal) e não arbitrária, a um aspecto relevante da estrutura cognitiva do indivíduo. Neste processo a nova informação interage com uma estrutura de conhecimento específica, a qual Ausubel chama de “conceito subsunçor” ou, simplesmente “subsunçor”, existente na estrutura cognitiva de quem aprende. [MOREIRA 2016]

Enquanto Piaget e Vygotsky relatam a interação do aprendiz com novas informações advindas do convívio social ou do meio que o cercam, Ausubel aborda a interação cognitiva da

nova informação com a informação já disposta na estrutura mental do sujeito, o subsunçor, que desempenha papel fundamental no processo de ensino-aprendizagem.

O subsunçor se caracteriza, em seu papel, por funcionar como uma espécie de vínculo, ou âncora, em que o sujeito baseia a nova informação para dar-lhe significado. Dentro da disciplina de Física, por exemplo, se o conceito de velocidade como a rapidez com que a posição varia ao longo do tempo (taxa de variação temporal da posição) estiver estabelecido na estrutura cognitiva do aluno, tal conceito servirá de subsunçor para o aprendizado do conceito de aceleração como a rapidez com que a velocidade varia ao longo do tempo (taxa de variação temporal da velocidade). De certa forma, o subsunçor representa um conceito familiar ao sujeito, que faz uma espécie de associação do novo material com o que já possui estabelecido. Essa familiaridade pode existir em diferentes graus de detalhe, sendo afetada por exemplo pela frequência e pela maneira com que foi experimentada. Antes de estabelecer-se como subsunçor, a ideia da velocidade como a rapidez com que a posição de um ponto varia utilizou uma noção intuitiva de rapidez como subsunçor, construída a partir da interação do sujeito com o meio, e de uma noção intuitiva da passagem do tempo.

Segundo Moreira, Ausubel atribui grande organização hierárquica no armazenamento de informações na mente humana, estabelecendo que elementos específicos estão ligados a conceitos e ideias mais gerais e inclusivos, e os novos conhecimentos assumem, portanto, um lugar na hierarquia mental, modificando a estrutura existente e interagindo com as informações futuras com que o indivíduo se depare. Essa capacidade de uma informação ficar “retida” na estrutura mental do aprendiz associada a conceitos prévios e ser capaz de influenciar a interação com novas informações é o que dá significado ao conhecimento.

Em contrapartida, é possível que o aprendiz adquira informações que não se relacionam com nada que ele conhece, não se prendendo ou ancorando a nenhuma informação prévia (subsunçor) e não se tornando capaz de influenciar o aprendizado de algo novo, sendo armazenada de maneira arbitrária. A isso Ausubel chama de aprendizagem mecânica [MOREIRA 2016].

Um estudante de Física poderia, portanto, ser capaz de afirmar, ou reproduzir a afirmação de que a intensidade da força de interação entre duas partículas eletricamente carregadas é diretamente proporcional ao produto dos módulos das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa, e não perceber que, quanto maior for a distância, menor será a intensidade da força. Esse seria um exemplo de aprendizagem mecânica, assim como aquela informação memorizada cinco minutos antes do início da prova, aplicada naquele momento e logo depois esquecida.

Para que ocorra a aprendizagem significativa é preciso que o conteúdo possa ser relacionado à estrutura cognitiva do aprendiz, sendo então chamado de Potencialmente Significativo. Para traçar estratégias de ensino e escolher quais procedimentos pedagógicos devem ser utilizados deve-se assim adaptar o material à turma com que se trabalha, em respeito às singularidades e características apresentadas por aquele grupo em particular. O material escolhido precisa ser “logicamente significativo”, isto é, ser suficientemente organizado e coerente para ser relacionado de forma substancial a ideias correspondentes relevantes, mas ainda dentro das capacidades do estudante.

É fundamental, para que ocorra a aprendizagem significativa, que o estudante esteja motivado, interessado no tema, demonstrando predisposição à conexão de novas informações à sua estrutura cognitiva. É possível planejar de maneira objetiva e lógica o material, antevendo essa predisposição uma vez que o professor, em contato com sua turma, possa elencar quais assuntos são de maior interesse e quais despertam maior curiosidade. Ao trabalhar com o coletivo, é claro, podem ocorrer divergências. Materiais Potencialmente Significativos para um aluno podem não ser para outro, guardadas as peculiaridades dos diferentes históricos de interação social que cada indivíduo possui, mas é desejável que o conteúdo ainda esteja dentro da Zona de Desenvolvimento Proximal, de modo que, ainda que a conexão não seja tão forte a priori, seja possível de ser fortalecida através dos vínculos sociais entre pares.

O próprio Ausubel exemplifica tal fato usando um conceito da área de Física:

“Um estudante pode aprender a Lei de Ohm, a qual indica que, num circuito, a corrente é diretamente proporcional à voltagem. Entretanto, essa proposição não será aprendida de maneira significativa a menos que o estudante já tenha adquirido, previamente, os significados dos conceitos de corrente, voltagem, resistência, proporcionalidade direta e inversa (satisfeitas estas condições, a proposição é potencialmente significativa, pois seu significado lógico é evidente), e a menos que tente relacionar estes significados como estão indicados na lei de Ohm.” [MOREIRA 2016]

É perfeitamente plausível que em um grupo de estudantes essa situação seja compatível com alguns e incompatível com outros. Quando não houver subsunçores presentes, sugere-se o uso de organizadores prévios como mediadores do vínculo entre os conhecimentos. Organizadores prévios são definidos como materiais introdutórios, apresentados antes do próprio material a ser aprendido, mas em um maior nível de abstração, abrangência e generalidade. Mais do que um índice, os organizadores prévios servem “de ponte entre o que o

aprendiz já sabe e o que ele precisa saber para aprender significativamente a tarefa com que se depara”. [MOREIRA 2016].

Dentre as formas encontradas por profissionais para apresentar tópicos aos estudantes, as Sequências de Ensino Investigativas (SEI) se mostram bastante interessantes, principalmente por sua flexibilidade. Uma SEI se caracteriza como um conjunto de atividades programadas e interconectadas com determinada finalidade educativa, que faz uso principalmente da investigação para dar ao aluno a oportunidade de protagonizar seu próprio aprendizado. Uma SEI deve ter algumas atividades principais: Ela deve iniciar-se em geral por um problema, experimental ou teórico, contextualizado, que insere os aprendizes no tópico desejado, ao mesmo tempo que dá as ferramentas para raciocinarem e trabalharem com os aspectos fenomenológicos relevantes ao problema. Após a resolução do problema, é preciso que haja uma atividade de sistematização do conhecimento construído pelos alunos, que ocorre de preferência através de um texto escrito, com debate comparando o que fizeram com o que é relatado no texto. É válido também inserir a sequência no cotidiano dos alunos, para que eles tenham a oportunidade de perceber a importância da construção daquele conhecimento do ponto de vista social [CARVALHO 2017].

Destaca-se aqui a importância da dimensão interativa interpessoal em sala de aula como recurso para minimizar os possíveis efeitos negativos da pluralidade discente no planejamento e escolha de estratégias pedagógicas. A cooperação ao redor de um desafio intelectual comum é essencial no desenvolvimento cognitivo do aprendiz, e as interações entre pares resulta em conhecimento do outro e em conhecimentos construídos com o outro. É possível que eventuais pontos particulares dos alunos, não cobertos pelo planejamento docente dada a pluralidade da sala de aula, sejam abordados com qualidade na interação entre os pares, não restando dúvida de que “...a abordagem da aprendizagem escolar em termos de interação social é de fundamental importância, quando menos por reverter a ênfase, bastante frequente, que se aloca aos fatores individuais no sucesso ou fracasso escolar.” [DAVIS 1989]

É de conhecimento da Psicologia que todas as interações sociais admitem um certo nível de hierarquia e dependência, como era de se esperar em um ambiente plural, e cabe ao docente, como mediador, criar mecanismos para reverter eventuais comportamentos nocivos, pois não há como garantir que as relações estabelecidas entre os alunos sejam simétricas, havendo então a possibilidade de que alguns alunos se calem, e fazendo-se necessária a intervenção do mediador para reverter essa tendência, visando a compreensão mútua e a comunicação produtiva. [DAVIS 1989]

O erro, em sala de aula, não deve ser critério de hierarquização, e convém haver espaço para que os estudantes, ainda que distantes do tema discutido em sala de aula, sejam encorajados a falar o que pensam estar correto acerca do tema. Se assim não for, o trabalho do professor será dificultado, uma vez que os alunos evitarão, por constrangimento público ou medo de represálias sociais, dizer o que pensam em debates, ainda que estejam corretos. A sala de aula deve ser um ambiente onde, sob regras de respeito e convivência, os estudantes sintam-se à vontade para se expressarem acerca dos conteúdos ministrados.

Apesar de tradicionalmente ainda definirmos a sala de aula como um local físico onde estudantes e professores se encontram, é cada vez mais notório que a sociedade moderna se rearranjou de modo a sustentar as interações dialógicas ainda que separadas fisicamente. Moore destaca que a distância, ao invés de um empecilho, pode tornar-se em algo a ser explorado, levando em consideração os diálogos possíveis:

“[...]a extensão do diálogo e a flexibilidade da estrutura variam de programa para programa. É essa variação que dá a um programa maior ou menor distância transacional que outro [...] Em programas mais distantes, onde menos ou pouco diálogo é possível ou permitido, os materiais didáticos são fortemente estruturados de modo a fornecer toda a orientação [...] Por conseguinte, em programas muito distantes, os alunos precisam se

responsabilizar por julgar e tomar decisões acerca das estratégias de estudo” [PRETI 2002]

Utilizando-se do termo “distância transacional”, Moore destaca a relação entre três componentes que precisam trabalhar juntos para encurtar a distância e promover aprendizagem significativa: o diálogo entre professor e aluno, a autonomia do aluno, e a estrutura em si, as mídias utilizadas. O conceito pode ser entendido como uma lacuna psicológica e de comunicação, um espaço de potencial desentendimento entre professor e aluno. A sensação de separação experimentada numa interação vai além da distância física, e a distância entre percepções e entendimentos pode causar desmotivação no educando. Para que uma atividade a distância seja bem-sucedida, atingindo seu máximo potencial, segundo Moore, a distância transacional deve ser minimizada.

O entendimento de que a relação dialógica pode ocorrer ainda que os sujeitos estejam separados geograficamente é fundamental para o desenvolvimento de atividades a distância enquanto mecanismo moderno e válido de aprendizagem, e a própria concepção de diálogo foi estudada por Peters, como se segue:

“Um diálogo é direcionado, construtivo e é apreciado pelos participantes. Cada uma das partes presta respeitosa e interessada atenção ao que o outro tem a dizer. Cada uma das partes contribui com algo para seu desenvolvimento e se refere às contribuições do outro partido. Podem ocorrer interações negativas e neutras. O termo diálogo, no entanto, sempre se reporta a interações positivas. Dá-se importância a uma solução conjunta do problema discutido, desejando chegar a uma compreensão mais profunda dos estudantes.” [PETERS 2001].

É através do diálogo que as partes envolvidas participam do processo de ensino-aprendizagem, e se fazem relevantes em função da autonomia. O diálogo desempenha papel transformador, em que sua presença define o ser humano enquanto agente criador, e mais notável é a percepção de que não existem níveis distintos entre as posições de educador e educando, não havendo conquista ou prevalência de um sobre o outro. [FREIRE 1987]. O processo dialógico implica a abertura ao que é novo, de ambas as partes. Abertura “ao desenvolvimento e à investigação das próprias práticas educacionais", e ao “ser mais” via constante de ação-reflexão e vontade de criação. Deste modo, é preciso assumir que, no processo de diálogo entre os sujeitos para a construção de conhecimentos, é de vital importância assumir o ensino e a aprendizagem como processo dialógico [ANGOTTI 2005].

Graças ao processo de globalização e a recursos de comunicação a distância, os meios que os indivíduos escolhem para interagirem se modificaram, e as relações sociais, ainda que distantes fisicamente, permanecem ativas, representando talvez o mais frequente aspecto da vivência do aluno de Ensino Médio do século XXI. Ao invés de encarar o uso de dispositivos eletrônicos como distratores no processo de ensino-aprendizagem, convém ao professor tentar dar significado especial aos mesmos dentro da prática pedagógica, inserindo tais tecnologias em suas estratégias de ensino.

As Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) podem ser um elemento valioso nas práticas pedagógicas, agregando, em termos de acesso à informação, flexibilidade e diversidade de apoio. Valorizam também os processos de entendimento de diversos fenômenos, na medida em que conseguem associar diferentes formas de mídia para transmitir informação, como imagem e áudio, por exemplo. Experiências anteriores com recursos didáticos mostram, entretanto, que mais importante do que a tecnologia utilizada, é sua inserção em uma estratégia maior, com a finalidade de favorecer o ensino-aprendizagem. O uso simples de um recurso tecnológico não representa a solução para todos os problemas na hora da comunicação [MARTINHO E POMBO 2009]

As TIC podem ser inseridas no ensino de ciências, por exemplo, como ferramentas no preenchimento de tabelas e na construção de gráficos e bases de dados, como fontes de referência utilizando informações contidas em mídia física como um DVD-ROM ou na Internet. Pode ser um meio de comunicação através do uso de correio eletrônico e aplicativos de mensagens instantâneas, da discussão online, das apresentações em slides, da apresentação de imagens digitais e da utilização de quadros interativos. É comum também sua utilização como um meio para exploração com recurso a programas de programação básica e de simulação (Murphy, 2003).

O uso de uma TIC como parte do processo pedagógico deve ser pensado no sentido de suprir uma necessidade, ou potencializar uma atividade ao invés de ser centralizado no recurso tecnológico. Frequentemente encontra-se na literatura relatos de dificuldades de uso encontradas por professores mesmo em artigos que narram experiências pessoais direcionadas a um recurso específico [DE CARLI 2013].

De fato, os casos relatados que afirmam ter sucesso constante no uso de TIC em sala de aula ocorrem em ambientes de extremo apoio e incentivo a tal prática, onde sua aplicação está geralmente atrelada à qualidade do ensino, o que não representa a realidade para muitos profissionais docentes.

Trabalhar com as tecnologias constitui, para esse grupo, uma efervescente necessidade que mobiliza e motiva, o que permite o entendimento de que há sujeição ao discurso pelo qual os professores são interpelados e que os faz sentir a necessidade de trabalhar com as tecnologias como uma adesão espontânea. Ou, ainda, esse assujeitamento faz referência à falta de suporte encontrada nos laboratórios da área de ciências, arregimentando os professores para o uso do laboratório de informática como saída aos problemas de infraestrutura. Por necessidade e/ou sujeição ao discurso, percebe-se um imbricamento de práticas e relações através de um complexo bloco de ferramentas de controle que buscam caracterizar o sujeito da atualidade. O grupo também incorporou as redes sociais como forma de trabalho e acesso aos alunos. [DE CARLI 2013]

Os recursos disponíveis para o professor trabalhar são muitos na atualidade, e a literatura está repleta de estudos consolidando as ideias ora discutidas. Todas essas opções reforçam a importância do papel que o professor desempenha no mover pedagógico, desde o julgamento das demandas e escolha dos recursos, passando por todo o planejamento das estratégias que melhor contemplem os objetivos para o público discente em questão até a reflexão sobre sua prática, analisando seus resultados à luz da imparcialidade, para então recomeçar o processo e

aprender, ele mesmo, com a docência. As revoluções históricas na forma de enxergar o professor em momento algum diminuem a relevância de suas contribuições, mas o transformam, dando a oportunidade para que se adapte às demandas em constante atualização por parte da sociedade.

Capítulo 3

Magnetismo

As substâncias presentes na natureza exibem diferentes propriedades, e seu estudo pode ajudar a humanidade a compreender melhor os diversos fenômenos que são observados no cotidiano. Uma dessas substâncias, um minério de ferro chamado magnetita (Fe3O4), já era conhecida na Grécia Antiga, e podia ser encontrada na região da Magnésia. Apresentando propriedades peculiares, entre elas a capacidade de atrair fragmentos de ferro, dizemos que um pedaço de magnetita é um ímã permanente [NUSSENZVEIG 1997].

Ao longo dos anos foram feitas diversas tentativas de esclarecer os fenômenos magnéticos, com relatos afirmando que Tales de Mileto (625 A.C. - 558 A.C.) já conhecia efeitos magnéticos de atração e repulsão de pedras de ferro, e por volta de dois mil anos depois William Gilbert (1544 – 1603) publicou um importante tratado onde observa pela primeira vez que a Terra atua como um grande ímã. A compreensão dos fenômenos magnéticos somente começaria a se consolidar no século XIX, com os trabalhos de Hans C. Oersted (1777 – 1851), em um período de intensos estudos das áreas de eletricidade e magnetismo [BARRETO & XAVIER 2016].

Originalmente essas duas áreas de conhecimento se desenvolveram de forma independente durante muito tempo, mas a partir de certo momento descobriu-se que havia alguma conexão entre ambas, o que acabou dando origem ao que hoje é conhecido como Eletromagnetismo, descrito pelas equações de Maxwell (1831 – 1879) e até hoje um dos pilares da tecnologia moderna. [TORRES 2016].

Por volta do século X da era cristã, os chineses aprenderam um processo simples de imantação, criando assim os primeiros ímãs artificiais [BONJORNO 2016]. Com uma pedra de magnetita, esfregavam um corpo de ferro sempre no mesmo sentido, transformando-o em ímã. Atualmente são confeccionados ímãs com formas e tamanhos diferentes, os quais têm em sua composição diferentes porcentagens de ferro, níquel e cobalto.

3.2 Características dos Ímãs

Dispondo de um ímã, pode-se realizar um conjunto de testes práticos e observar algumas de suas propriedades: aproximando-o de alguns materiais ordinários, como clipes, plástico, papel etc., nota-se que alguns materiais são atraídos para o ímã, enquanto outros não sofrem qualquer efeito. Se aproximarmos o ímã de um punhado de limalha de ferro, por exemplo, veremos que existem duas regiões diferentes em que a limalha de ferro se concentra em maior quantidade, ou seja, duas regiões onde podemos perceber a ação magnética mais claramente, de maneira mais acentuada. Chamamos essas duas regiões de polos magnéticos.

Se suspendermos o ímã por um fio amarrado ao seu centro de gravidade e deixarmos que se movimente livremente, eventualmente ele entrará em equilíbrio, alinhando seus polos magnéticos aproximadamente com a direção norte-sul geográfica da Terra, e a partir disso atribuímos os nomes de polo norte e polo sul aos polos que ficam apontados para a direção norte geográfica e sul geográfica respectivamente.

Continuando a experimentar com os ímãs, é possível observar que quando aproximam-se ímãs a partir de polos de mesmo tipo (norte-norte ou sul-sul) a interação entre eles é de repulsão, e quando aproximam-se ímãs a partir de polos de tipos diferentes (norte-sul e sul-norte), a interação observada é de atração, de maneira semelhante ao que ocorre em eletrostática com cargas de mesmo tipo (repulsão) e de tipos diferentes (atração).

A partir desse fato seria intuitivo tentar descrever as propriedades magnéticas dos ímãs de maneira análoga à eletrostática, mas a experiência mostra que não é possível separar os dois polos de um ímã: sempre que são partidos, cada pedaço continua tendo polos norte e sul. Até hoje toda tentativa de isolar um único polo magnético resultou infrutífera, de modo que mesmo repetindo o processo para dividir o ímã cada vez mais, chega-se ao nível atômico, que é representado com dois polos opostos. De acordo com os modelos compatíveis com os experimentos, a estrutura magnética mais elementar é bipolar, e um único polo magnético não pode existir isoladamente. [NUSSENZVEIG 1997].

É possível que as propriedades de atração de um ímã se estendam a outros objetos, atribuindo-lhes a mesma capacidade. Se encostarmos um ímã em um prego de aço, por exemplo, este conseguirá atrair fragmentos de ferro, assim como o ímã originalmente fazia, de modo que algo ocorre no material de que é composto o prego para produzir essa alteração. Uma explicação para o magnetismo dos ímãs foi proposta em 1907 pelo físico francês Pierre Weiss

(1865 - 1940): ele sugeriu que os campos magnéticos criados pelos ímãs seriam decorrentes do movimento dos elétrons de seus átomos.

Weiss considerou que, nos ímãs, cada conjunto de átomos define uma região que ele chamou de domínios magnéticos, que seriam equivalentes a um pequeno ímã elementar. No modelo criado por Weiss, cada ímã elementar é representado por uma pequena seta orientada de sul para norte, que simboliza o campo magnético no domínio.

Segundo a teoria dos domínios, quando um corpo, feito por exemplo de ferro ou aço, não está magnetizado, seus ímãs elementares estão distribuídos no material com orientação aleatória, e ao ser colocado nas proximidades de um ímã permanente, seus domínios magnéticos se alinham sob a influência do campo magnético externo, em um processo chamado de indução magnética do ímã sobre o corpo inicialmente desmagnetizado. Quanto maior for o alinhamento dos ímãs elementares, mais intensa é a magnetização. Na região central do corpo, por causa da proximidade de polos contrários, os efeitos magnéticos “se anulam”, sobrando apenas os efeitos observados nos polos norte e sul do material. isso justifica a existência da polaridade de um ímã e explica o porquê da inseparabilidade dos polos: ao cortar o ímã ao meio, a orientação permanecerá a mesma em ambas as partes cortadas [BONJORNO 2016].

3.3 Campo Magnético

Podemos comparar uma barra ou agulha imantada a um dipolo, e os polos norte e sul que aparecem em suas faces seriam análogos às cargas de polarização ligadas sobre as extremidades de uma barra dielétrica polarizada. Ao colocarmos um dipolo em uma região onde atue um campo elétrico uniforme, ele eventualmente entrará em equilíbrio se alinhando com o campo. Usando essa informação, podemos mapear a direção e o sentido de um campo magnético usando pequenas bússolas, considerando a posição de equilíbrio e a direção sul-norte da agulha como sendo a mesma do campo magnético naquele ponto. Cada fragmento da limalha de ferro mencionada anteriormente funciona como uma pequena bússola na presença de um campo magnético (magnetização por indução), e pode ser usada para construir um mapa material do que chamamos de linhas de campo ou linhas de indução. A partir desse processo percebe-se claramente que as linhas se orientam, externamente ao ímã, do polo Norte para o polo sul, e internamente ao ímã do sul para o norte [BONJORNO 2016].

No início do século XIX Oersted observou que a agulha de um ímã sofre mudança de direção quando é colocada nas proximidades de um fio condutor pelo qual passa uma corrente elétrica [BARRETO & XAVIER 2016]. Como já era conhecido que uma agulha magnética interage com campos magnéticos, Oersted eventualmente chegou à conclusão de que a corrente elétrica, ao percorrer o fio, produz um campo magnético no espaço ao seu redor, apresentando uma relação direta entre fenômenos elétricos e magnéticos.

Repetindo o processo de utilizar a bússola para mapear a direção e o sentido do campo magnético, descobre-se que para um fio retilíneo que transporta corrente as linhas de campo são circunferências em planos perpendiculares ao fio, cuja orientação é anti-horária quando vista por um observador que vê o sentido da corrente atravessá-lo de seus pés para a cabeça.

Destaca-se os trabalhos do físico André-Marie Ampère (1775-1836) após a apresentação dos resultados de Oersted como sendo de extrema importância para o estudo do eletromagnetismo. Ele verificou que a intensidade do campo criado pela corrente elétrica varia com a intensidade da corrente i no condutor retilíneo e com a distância perpendicular r entre o ponto externo considerado e o fio condutor. Medindo o valor do campo magnético para diversos valores de corrente elétrica, e em seguida mantendo fixo o valor da corrente e medindo a intensidade do campo magnético produzido em diferentes pontos do espaço em volta de uma seção do condutor ele concluiu que a intensidade do campo magnético B é diretamente proporcional à intensidade i e inversamente proporcional à distância r:

𝐵 =

𝜇

. 𝑖

2 . 𝜋 . 𝑟

Em que μ0 é uma constante chamada de permeabilidade magnética do vácuo, cujo valor em unidades do SI é igual a 4.𝜋. 10-7_{. A unidade de campo magnético no SI é o tesla (T), nome} dado em homenagem ao cientista croata Nikola Tesla (1856 - 1943).

3.4 Espiras e Bobinas

Outro caso de campo magnético gerado por correntes elétricas em fios é o de espiras ou bobinas. Chamamos de espira circular um fio condutor com a forma de uma circunferência, e de bobina um conjunto de espiras sobrepostas. Esses campos são utilizados em diversas aplicações, desde campainhas elétricas, alto-falantes e até em guindastes eletromagnéticos. Novamente pode-se recorrer ao processo de jogar limalha de ferro sobre uma superfície que é atravessada perpendicularmente por uma espira, para observarmos o posicionamento das linhas de campo. Nesse caso observa-se que no centro da espira as linhas tendem a se orientar paralelamente ao seu eixo, enquanto nas proximidades do fio a tendência de orientação é da forma de circunferências concêntricas.

A lei de Biot e Savart pode ser utilizada para calcular as contribuições de campo magnético a partir de um elemento de corrente em um fio condutor. Valendo-se da simetria de uma espira, podemos calcular o valor do campo magnético para um ponto P qualquer ao longo do eixo central da circunferência. Nesse caso, as contribuições radiais de elementos de corrente diametralmente opostos se cancelam, e apenas as componentes paralelas ao eixo são consideradas, para chegar ao resultado:

𝐵 =

𝜇

. 𝑖 . 𝑟

2

2 . 𝑑

Onde d é a distância entre o ponto P e cada elemento da espira, e r é o raio da espira. No caso da bobina plana encontramos o fio condutor na forma de circunferências concêntricas, sendo a espessura da bobina muito menor em relação a seu raio. Nesse caso, a configuração do campo magnético será a mesma, apenas com intensidade maior. Para uma bobina com n voltas, teremos um campo magnético n vezes mais intenso. Se considerarmos também o ponto P ao longo do eixo central, mas localizado no plano da espira, então a distância d passa a ser o próprio raio r, e os termos no numerador e no denominador se cancelam, de modo que para uma bobina plana circular temos o seguinte resultado:

𝐵 =

𝑛 . 𝜇

. 𝑖

2 . 𝑟

3.5 O Eletroímã

O eletroímã é um ímã temporário. Ele é construído com materiais que são facilmente imantados, como o ferro com alto índice de pureza, chamado de ferro doce [BARRETO & XAVIER 2016]. Para que ele se torne um eletroímã é preciso envolvê-lo em um solenoide, percorrido por corrente elétrica.

O solenoide é uma bobina cilíndrica, e, supondo que se mantenha constante o número n de espiras por unidade de comprimento, com um enrolamento sempre muito compacto, isto é, espiras adjacentes muito próximas, então o campo magnético fica confinado dentro do solenoide, onde é uniforme e tem a direção axial, e sentido positivo em relação às espiras orientadas.

Enquanto estiver imantado, o material no interior do solenoide pode atrair outros objetos, dependendo da intensidade do campo produzido em seu interior. O eletroímã costuma ser usado em ferros-velhos, e a vantagem de sua utilização em relação ao ímã permanente é a possibilidade de fácil controle de sua intensidade.

Para um solenoide real, que é finito, o campo “escapa” pelas frestas entre as espiras, e principalmente pelas extremidades do solenoide, mas o campo na região central ainda permanece, com boa aproximação, uniforme e a intensidade do campo fora do solenoide é muito menor do que dentro. O valor do campo magnético no interior de um solenoide com comprimento L, percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i e considerando n como o número de espiras por unidade de comprimento é dado pela expressão:

𝐵 =

𝑛 . 𝜇

. 𝑖

𝐿

3.6 Indução Eletromagnética

Após os resultados dos experimentos de Oersted em 1820, demonstrando que uma corrente elétrica produzia campo magnético, a curiosidade de diversos cientistas foi aguçada, e vários começaram a investigar a possibilidade de ocorrer o efeito inverso, isto é, obter corrente elétrica a partir do magnetismo. Na mesma época, mas em pesquisas isoladas, Michael Faraday, Heinrich Lenz e Joseph Henry conseguiram obter a resposta de que esse feito era possível. Seus

experimentos levaram à descoberta de um dos mais importantes fenômenos envolvendo a combinação entre eletricidade e magnetismo: a indução eletromagnética.

Em seus experimentos Faraday utilizou 70m de fio de cobre enrolados em madeira e conectados a um galvanômetro, onde ele esperava que fosse induzida uma corrente elétrica ao estabelecer uma corrente elétrica estacionária em um segundo circuito, isolado do primeiro e conectado a uma bateria [NUSSENZVEIG 1997]. Apesar de não obter o resultado esperado, Faraday notou que havia deflexão no galvanômetro somente quando o segundo circuito era ligado ou desligado.

Em experimentos posteriores ele confirmou a suspeita de que apenas a variação do campo magnético era capaz de induzir corrente elétrica no circuito, colocando por exemplo um ímã permanente no interior do solenoide e observando o surgimento de corrente em um sentido, e retirando o ímã permanente de dentro do solenoide, observando surgir corrente elétrica no sentido contrário. Um efeito análogo foi observado movimentando-se o solenoide em relação ao ímã permanente.

Para tornar compreensível o conceito de indução eletromagnética, isto é, o surgimento de uma corrente elétrica em um condutor pela variação de um campo magnético, é importante elucidarmos a ideia de fluxo magnético. Considere uma espira de área interna A inserida em uma região onde atua um campo magnético uniforme B, de tal forma que o vetor unitário n, normal ao plano da espira, forma um ângulo θ com as linhas de campo.

Definimos o fluxo magnético Φ através da espira, como o número de linhas de campo magnético que atravessam uma determinada superfície. Para o caso descrito anteriormente, o fluxo magnético seria dado pela expressão:

𝛷 = 𝐵 . 𝐴 . 𝑐𝑜𝑠 𝜃

Observa-se, portanto, que, para uma situação em que o vetor n seja perpendicular às linhas de campo, o fluxo magnético tem valor nulo.

Conforme mencionado anteriormente, além de Faraday, outros pesquisadores estudaram o fenômeno da indução eletromagnética. O físico Heinrich F. Lenz (1804 - 1865) realizou vários experimentos e chegou à seguinte conclusão sobre o sentido da corrente elétrica induzida:

“O sentido da corrente elétrica induzida em um circuito condutor fechado é aquele que dá origem a um fluxo magnético induzido que sempre se opõe à variação do fluxo que lhe deu origem.”

Em outras palavras podemos dizer que a corrente induzida em um circuito condutor fechado surge como uma tentativa de impedir a variação do fluxo magnético.

Pela expressão do fluxo magnético, podemos ver que sua variação pode ser obtida por uma variação do campo magnético, pela variação da área da espira ou, ainda, por uma variação no cosseno do ângulo formado entre o vetor unitário n e as linhas de campo. Segundo Faraday, o quociente entre a variação do fluxo magnético e o intervalo de tempo no qual ocorre essa variação corresponde ao valor da força eletromotriz induzida média através da espira:

𝐹

= −

𝛥𝛷

𝛥𝑡

O sinal negativo que antecede a expressão se deve aos experimentos feitos por Lenz a respeito do sentido da corrente elétrica. É interessante observar que a intensidade da força eletromotriz induzida (e da corrente elétrica) depende da taxa de variação do fluxo magnético, isto é, quanto mais rápida for a variação do fluxo, maior será a corrente induzida.

3.7 Objetivos de Aprendizagem

A discussão sobre magnetismo aqui apresentada tem por objetivo reforçar os conteúdos introduzidos aos alunos. Espera-se que, ao final da atividade, eles sejam capazes de reconhecer fenômenos de magnetismo presentes no funcionamento de diversos aparelhos de seu cotidiano, além de fornecer uma breve explicação de seu funcionamento.

A compreensão da indução eletromagnética e de seu histórico, ainda que em nível básico, é também fundamental para que o discente compreenda o trajeto percorrido pela ciência, como resultado do trabalho de diversas pessoas dedicadas, mas principalmente como fruto do contexto em que estavam inseridas.

Considera-se importante também que o aluno compreenda e seja capaz de explicar a inseparabilidade dos polos magnéticos e o magnetismo terrestre em função dos modelos apresentados nesta atividade, dimensionando o impacto da introdução da lei da indução para a formulação de um modelo único para eletricidade e magnetismo, e como o modelo de eletromagnetismo proporcionou o avanço da tecnologia e a produção de aparelhos eletrônicos de uso cotidiano.

Capítulo 4

Apresentação do Produto Educacional

A sala de aula é um ambiente extremamente plural, onde os indivíduos, ainda que pertençam à mesma faixa etária ou à mesma condição socioeconômica, trazem experiências e vivências diferenciadas, singulares. Quando chegam ao Ensino Médio, por exemplo, os estudantes têm cerca de dez anos de vida escolar, acumulando experiências com diversos profissionais da educação, e interagindo com colegas em momentos diferentes, produzindo indivíduos únicos, à revelia de existir homogeneidade aparente da turma. Para que sejam alfabetizados cientificamente é preciso que as aulas sejam planejadas pelo professor de maneira compatível com os referenciais teóricos que dão consistência e validade ao pensamento do profissional, e essa é uma tarefa difícil, dada a diversidade dos estudantes. Planejar atividades que sejam potencialmente significativas, que respeitem o estágio de desenvolvimento cognitivo, que sejam desafiadoras e que favoreçam a interação dialógica é tarefa cuidadosa, e deve ser tomada levando em consideração as singularidades de cada público.

Marco Antônio Moreira [2011] apresenta uma sequência de passos para a elaboração de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativo (UEPS), que foram seguidos para a elaboração deste produto educacional e são aqui resumidos. UEPS “são sequências de ensino fundamentadas teoricamente, voltadas para a aprendizagem significativa, não mecânica, que podem estimular a pesquisa aplicada em ensino, aquela voltada diretamente à sala de aula.” [MOREIRA 2011].

Passo 1: definição do tópico a ser abordado

Passo 2: proposição de situações que levem o aluno a externalizar seu conhecimento prévio, ainda que não seja aceito no contexto formal da matéria, mas supostamente relevante para a aprendizagem significativa.

Passo 3: proposição de situações problema em nível introdutório que preparem o terreno para a introdução do conhecimento que se pretende ensinar, sempre de modo acessível e não como exercício de aplicação rotineira de algum algoritmo.

Passo 4: apresentação do conhecimento a ser ensinado levando em conta a diferenciação progressiva, indo de aspectos mais inclusivos, gerais, para aspectos mais específicos.

Passo 5: abordagem dos aspectos estruturantes do problema de maneira mais complexa abordando, através de negociação de significados, o conteúdo a ser ensinado.