Physlets e Open Source Physics para professores e estudantes portugueses
Introdução
O ensino por computadores instalou-se nas nossas escolas e instituições
educativas. Como consequência, uma boa parte do ensino teórico e experimental
das ciências já não consegue ser feito sem o auxílio dos computadores. Há
vários exemplos de ferramentas de modelação e simulação de qualidade em Física,
de atividades virtuais ou de vídeo, quer ao nível de software gratuito como o
Modellus (Teodoro & Neves, 2011) e o Avimèca (Legall, 2007), ou as
animações de Walter Fendt (Applets Java de Física, 2009) e o projeto PHET
(Interactive Simulations, 2011), quer software comercial como o Logger Pro
(Vernier, 2012), quer ainda programas de ensino assistido por computador como o
Coach (Heck, Kadzierska & Ellermeijer, 2009) ou o Physics Suite (Redish,
2003).
Apesar dos progressos na investigação educacional, verifica-se que o uso dos
computadores na prática letiva permanece ausente em muitos programas de Física,
nomeadamente ao nível do ensino pré-universitário. Em geral, os estudantes
tomam contacto com atividades virtuais através dos seus professores, dos livros
e/ou dos manuais escolares, mas poucos estão preparados para avaliar
criticamente essas simulações; ainda são menos aqueles a quem lhes é pedido
para criar os seus próprios modelos computacionais. De facto, um estudante de
Física pode nunca vir a sentir necessidade de analisar criticamente uma
simulação, ou de estudar um algoritmo computacional, simplesmente porque tal
não lhe é requerido no acesso a níveis de estudos superiores ou em provas de
acesso a esses níveis (como, por exemplo, nos exames nacionais para acesso ao
Ensino Superior Português, ou nos Scholastic Aptitude Test e nos Graduate
Record Examination para acesso a doutoramento nos Estados Unidos da América).
As Physlets e o Open Source Physics são projetos educacionais que visam
fornecer materiais didáticos para o ensino da Física, com vista à aquisição de
competências fundamentais que todo o estudante de Física deveria ter (Karplus,
1977). Este artigo descreve como estão a ser disponibilizados e adaptados os
materiais didáticos resultantes destes projetos, para o público em geral mas
sobretudo para professores e estudantes de língua Portuguesa.
Physlets
Há uma década atrás, nos Estados Unidos, um esforço interuniversitário foi
pioneiro na criação de tecnologia e pedagogia baseadas na Web, do qual resultou
o desenvolvimento do método Just-in-Time Teaching (JiTT) (Novak, Patterson,
Gavrin & Christian,1999) e o aparecimento das Physlets. O termo Physlet
(applet de Física), refere-se ao conjunto de 40 applets (miniaplicações)
criadas no Davidson College para o ensino da Física. Estas applets em Java são
pequenas e flexíveis, podendo ser usadas numa grande variedade de aplicações da
World Wide Web. Muitas outras simulações de Física em linguagem Java vão sendo
produzidas por todo o mundo (Interactive Simulations, 2011; Applets Java de
Física, 2009), algumas das quais bastante úteis no ensino. Contudo, a classe de
simulações a que chamamos Physlets tem alguns atributos que as tornam únicas e
particularmente valiosas na tarefa educacional:
As_Physlets_são_simples. Os gráficos são simples; cada Physlet é
construída para abordar uma única faceta de um fenómeno ou conceito,
não incorporando muito da forma de análise de dados. Isto torna as
Physlets relativamente pequenas, portanto facilmente descarregáveis,
mesmo a partir de ligações de internet lentas. A sua simplicidade
também advém do facto de conter apenas informação relevante para o
problema a resolver, removendo da simulação detalhes potencialmente
mais distraidores do que úteis.
As_Physletssão_flexíveis. Todas as Physlets podem ser controladas por
comandos JavaScript. Por exemplo, o pacote Animator pode ser
utilizado em praticamente todos os problemas envolvendo forças ou
trajetórias de partículas. Apenas os comandos JavaScript - e não o
núcleo em Java - que controlam a animação necessitam ser
alterados. A aquisição de dados e a respetiva análise, podem ser
incorporadas na simulação quando necessário, usando inter-aplicações.
As_Physlets_são_criadas_para_a_Web. Correm em (quase) todas as
plataformas e podem ser inseridas em qualquer documento do formato
html, seja ele uma tarefa educativa, uma página pessoal ou um
documento extenso sobre ciência. As Physlets podem ainda ser usadas
como ferramentas didáticas de qualquer currículo programático em
Física (Dancy & Beichner, 2006).
As_Physlets_são_distribuídas_gratuitamente_para_uso_não_comercial. Os
seus arquivos, isto é, os ficheiros compactados contendo programas
Java compilados, podem ser descarregados do servidor WebPhysics do
Davidson College (Physlets, 2007).
Estes ficheiros, depois de gravados no disco-duro do computador ou num servidor
de uso não comercial, permitem o acesso simplificado a materiais didáticos, que
podem ser posteriormente personalizados por professores e estudantes. O Projeto
Physlets (2007) já levou à produção de mais de 1.500 simulações de distribuição
gratuita e 2 livros com material curricular (Christian & Belloni, 2001,
Christian & Belloni, 2003), sendo também uma das mais conhecidas e bem
sucedidas inovações educacionais para o ensino universitário e pré-
universitário nos Estado Unidos da América. Uma procura no motor de busca da
Google revela existir cerca de 38.000 páginas Web de simulações baseadas em
Physlets. Para além das obras acima referidas, têm sido incluídas Physletsem
vários livros de texto e foram editados livros traduzidos em espanhol,
eslovaco, alemão e hebraico; neste momento as Physlets estão também a ser
traduzidas para português com enquadramento didático, estando para breve a
publicação de um livro pelos autores deste trabalho. Mais recentemente, a
publicação do livro Physlet Quantum Physics (Belloni, Christian & Cox,
2006) expandiu o uso de Physlets a níveis mais elevados de instrução no
panorama do ensino universitário.
Uma investigação experimental recente, realizada em sete escolas portuguesas,
sobre o impacto da utilização de Physlets e questões conceptuais na prática
letiva no ensino secundário, revelou nas escolas de intervenção, ganhos
normalizados de aprendizagem nos testes de diagnóstico Force Concept Inventory
(FCI) (Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992) e Fluid Mechanics Concept
Inventory (FMCI) (Martin, Mitchell, & Newell, 2003), significativamente
superiores aos medidos nas escolas de controlo, onde estes materiais não foram
usados (Briosa & Carvalho, 2010).
As Physlets e outros materiais interativos em português, estão já disponíveis
para utilização online por professores e alunos, como parte de um projeto de
intervenção em escolas portuguesas que manifestem interesse em trabalhar com os
autores (Carvalho & Briosa, 2012), com início em setembro de 2012.
Um bom exemplo do envolvimento dos alunos com as Physlets é a experiência
virtual da segunda lei de Newton (Briosa & Carvalho, 2011), representada na
figura_1. Esta simulação foi usada em contexto escolar, como tarefa
investigativa para estudantes do 11º ano, sobre a relação entre uma força
externa, F(o peso das massas suspensas), aplicada ao sistema em estudo e a
aceleração, a, adquirida pelo carrinho de massa desconhecida.
Foi sugerido aos professores que estimulassem o cálculo da aceleração do
carrinho por duas técnicas diferentes, de acordo com o nível cognitivo e
conhecimento conceptual dos seus estudantes: (1) determinação do declive da
reta na representação linear da rapidez do carrinho em função do tempo
(definição operacional de aceleração), ou (2) ajuste de uma expressão
matemática de segundo grau à curva da posição do carrinho em função do tempo, a
partir dos dados recolhidos da animação.
Após o cálculo da aceleração do carrinho (por um dos processos anteriormente
descritos), foi solicitado aos estudantes que fizessem uma previsão do que
esperavam obter na representação gráfica de F vs. a, tendo depois esta previsão
sido comparada com o gráfico dos valores recolhidos da simulação.
Da relação linear obtida entre as duas grandezas, os estudantes puderam
calcular o fator de proporcionalidade direta, correspondente à massa total do
sistema em estudo e a partir desse valor, obtiveram a massa do carrinho.
Esta Physletpermite, assim, o estudo da segunda lei de Newton, de uma maneira
diferente da que é habitualmente explorada em aulas tutoriais e até
laboratoriais. Em particular, é dada a oportunidade aos estudantes de manipular
dados "experimentais" na resolução do problema, aplicando os seus
conhecimentos e competências num contexto enriquecido e portanto, tornando a
aprendizagem mais motivadora e desafiante. Outra vantagem é que ele pode correr
a simulação tantas vezes quantas quiser, no local que mais lhe convém (em casa,
na escola, com os colegas, …) e à hora preferida.
É aqui oportuno referir que uma atividade experimental virtual como aquela que
acabou de ser descrita, não substitui parcialmente ou por completo uma
atividade experimental real (ou seja, com manipulação de objetos e instrumentos
de medição). Há várias competências, nomeadamente do tipo processual, que só
podem ser adquiridas com experiências reais, em que os alunos exploram os
materiais didáticos com as suas próprias mãos. Assim, as atividades
experimentais virtuais devem ser encaradas como complementares às reais, por
promoverem a procura e medição de dados experimentais, o controlo de variáveis
e por facilitarem o envolvimento e a predisposição dos alunos com os conteúdos
a aprender, em total liberdade de escolha de local e tempo. Apenas em certos
casos, como aqueles em que as atividades experimentais reais sejam perigosas
para os alunos, ou em que a sua realização ou repetição envolva custos
demasiado elevados para a escola, é que as atividades experimentais virtuais se
revestem de um interesse superior relativamente ao trabalho experimental no
laboratório.
Open Source Physics (OSP)
O projeto Open Source Physics (OSP, 2011) consiste numa coleção de simulações e
recursos computacionais online, alojados no ComPADRE National Science Digital
Library (NSDL) e tem por base o modelo bem sucedido do projeto Physlets, de
desenvolvimento não-comercial de programas em código aberto. O OSP tem como
objetivo reformular o ensino pré-universitário e universitário, fornecendo
simulações e outros materiais curriculares que envolvam ativamente alunos e
professores, no processo de ensino e aprendizagem da Física e da Astronomia,
bem como da computação e da modelação computacional nessas áreas científicas. O
local disponível na Web está baseado na integração da ComPADRE NSDL com (1) uma
vasta coleção de simulações em Java para o ensino da Física e da Astronomia,
(2) simulações criadas em Easy Java (EJS) com ferramentas de criação e
modelação (Christian & Esquembre, 2007) e (3) libraria de códigos da OSP e
manual de física computacional.
Os modelos computacionais existentes na página da OSP:
Auxiliam_os_alunos_a_visualizar_conceitos_abstratos. No ensino
tradicional, os estudantes aprendem os conceitos físicos por imagens
estáticas e constroem modelos mentais incompletos ou incorretos, que
dificultam uma aprendizagem mais profunda desses conceitos (Beichner,
1997). O benefício mais óbvio das simulações é que estas ajudam a
operacionalizar os problemas em situações concretas.
São_interativos_e_requerem_a_participação_dos_alunos. Quando resolvem
problemas, os estudantes frequentemente procuram a expressão
matemática adequada, sem refletirem criticamente nos conceitos
físicos envolvidos (Maloney, 1994). Com simulações apropriadamente
construídas, há grandezas físicas (como a posição ou a velocidade)
que não são fornecidas, tendo assim que ser medidas ou calculadas a
partir dos dados recolhidos da simulação. Ao determinar a informação
relevante para a resolução do problema proposto, os estudantes
aprendem a reconhecer as bases conceptuais do problema (Christian
& Belloni, 2003).
Parecem-se_mais_com_problemas_reais. A resolução de problemas
baseados em simulações e em problemas do mundo real, requer que os
estudantes distingam a informação importante da acessória. As
simulações, tal como as experiências reais, também permitem abordar
os problemas da incerteza nas medições e consequentemente, a
incerteza nos resultados obtidos. Assim, as simulações podem fazer a
ligação entre a teoria (mundo ideal) e o mundo real.
Usa_múltiplas_representações_para_mostrar_a_informação. A ideia de
que os estudantes aprendem melhor quando vêm os mesmos conteúdos em
contextos novos e diferentes, não é nova. As simulações podem conter
movimento, mas também mostrar simultaneamente informação de maneiras
diferentes, através de gráficos e tabelas cujos valores variam no
tempo, dando assim a oportunidade de investigar fenómenos físicos em
numerosos cenários alternativos.
Podem_melhorar_a_avaliação_da_aprendizagem_dos_estudantes. Os
recursos baseados em simulações podem constituir ferramentas de
avaliação melhores que os tradicionais testes escritos (Dancy &
Beichner, 2006). A comparação das respostas dos estudantes em
exercícios tradicionais, com as respostas em exercícios quase
idênticos baseados em simulações, permite concluir que os exercícios
baseados em simulações fornecem uma visão mais clara sobre o grau de
conhecimento conceptual dos estudantes.
Esta interação entre cálculo, teoria e trabalho experimental, leva a uma nova
visão e compreensão da ciência, que não pode ser adquirida com apenas uma
abordagem; em muitos casos, o cálculo é, infelizmente, a primeira e por vezes a
única forma usada para resolver problemas interessantes, em Física e noutras
Ciências.
Atualmente há mais de 400 itens na coleção da OSP e muitos deles contêm
documentos em variados suportes. Por exemplo, a "Montanha Russa"
(Roller Coaster em inglês, facilmente encontrável numa busca em
"conservação da energia" - energy conservation), contém
múltiplos documentos incluindo três simulações Java prontas a funcionar, para
os ensinos pré-universitário e universitário, um plano de aula para o ensino
secundário com uma folha de exploração para os estudantes, uma página com uma
miniaplicação (applet) e o código fonte. Como acontece com todas as simulações
criadas com EJS, os utilizadores podem examinar, modificar e recompilar o
modelo, para redistribuição gratuita. O conteúdo é, portanto, útil para os
professores que pretendam simulações para a sua prática letiva, para os que
querem modificar simulações já existentes e também para aqueles que querem ir
mais longe e pretendem estudar o algoritmo da simulação.
A simulação das Fases da Lua (Moon Phases), apresentada na figura_2, é um
exemplo de como contextos reais podem ser explorados para uma aprendizagem
conceptual efetiva. Neste modelo OSP, os estudantes são confrontados com
perspetivas visuais de dois referenciais: um referencial inercial (imagem da
esquerda) e um referencial local (imagem da direita). Durante a animação é
possível alterar manualmente os parâmetros "órbita da lua" e
"hora local" (pequeno ponto a verde sobre a Terra).
Várias conceções alternativas dos estudantes do ensino básico, tais como
"a fase da lua resulta da projeção da sombra da Terra sobre a superfície
lunar", ou "a lua aponta sempre a mesma face para a Terra porque
não tem movimento de rotação", podem ser discutidas e clarificadas com
esta simulação, numa abordagem bastante interativa e motivadora para os
estudantes.
Modelação de vídeo com o Tracker
A análise vídeo e a modelação são também parte integrante do projeto OSP.
Destinam-se a confrontar as imagens ou vídeos reais com a caracterização física
dos movimentos, sendo esta uma dificuldade bem conhecida entre os alunos. O
Tracker é um programa de uso livre, criado por Douglas Brown (Brown, 2008), que
permite a aquisição de dados a partir da gravação vídeo e correspondente
análise. Ao contrário de outros programas congéneres, o Tracker permite a
sobreposição de modelos baseados em equações diferenciais analíticas e
dinâmicas numa gravação vídeo, um procedimento a que se dá o nome
"modelação de vídeo". Embora o programa original seja em inglês,
ele está também disponível em versão multilíngue, incluindo o português.
A figura_3 mostra uma imagem de um vídeo sobre o lançamento oblíquo de um
projétil, analisado com o Tracker. A trajetória parabólica da bola pode ser
reconstruída a partir dos pontos experimentais assinalados no vídeo (pontos
circulares, na janela da esquerda), enquanto gráficos simultâneos de x(t) e de
y(t) são apresentados na janela superior da direita (o número máximo de
gráficos é 3). Depois, o módulo Data Tools permite aos estudantes ajustar
modelos físico-matemáticos aos dados experimentais, de modo a poderem
interpretar o movimento da bola segundo as direções xe y, sendo o movimento
global explicado, em fase posterior, pala utilização do princípio da
sobreposição de movimentos independentes.
Há muitos exemplos em Física e Astronomia onde o Tracker pode ser usado como
uma ferramenta de aprendizagem muito efetiva; uma vasta coleção de vídeos e
respetiva análise, encontra-se disponível na página da OSP, bem como na página
do Tracker (http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/).
Conclusão
As Physlets (ou seja, as miniaplicações que as constituem) foram recentemente
recompiladas num único ficheiro de arquivo Java (ou ficheiro jar, como é mais
conhecido), o qual é distribuído gratuitamente através da libraria digital
ComPADRE (OSP, 2011). Adicionalmente, a Pearson Education, a editora em língua
inglesa dos livros de material didático baseado em Physlets, concordou em
permitir que os professores usem Physlets das categorias
"Ilustrações", "Explorações" e "Problemas",
em páginas Webpessoais e para fins não comerciais, sem que para tal seja
necessária permissão adicional, desde que a citação da autoria e direitos dos
originais sejam explicitamente indicados. Este acordo permite uma divulgação
mais fácil das Physlets através do portal de Física e Astronomia da NSDL, bem
como do portal online em português. As simulações da OSP são distribuídas
gratuitamente ao abrigo da GNU GP e não têm quaisquer restrições comerciais.
Apesar do interesse atual em usar material curricular da OSP em cursos
avançados de Física, as estatísticas de acesso à página da OSP indicaram, no
final de 2010, uma média mensal de 35.000 páginas visualizadas, 9.000
visitantes e 7.000 downloads; isto corresponde, entre 2009 e 2010, a um
crescimento de 20 % na utilização dos recursos da OSP. O projeto ComPADRE
também contém material curricular privado, informação pessoal, locais de
discussão e páginas de grupos, bem como enciclopédias integradas.
Os dados relativos a recursos do ComPADRE estão disponíveis nos formatos IEEE
Learning Object Metadata (LOM), standard Dublin Core e NSDL Dublin Core. O uso
destas librarias de materiais educacionais padronizados aumenta o potencial de
divulgação dos conteúdos da OSP a uma grande comunidade de países.
Um comentário final dirigido aos professores: embora o foco deste trabalho
sejam as simulações (Physlets e recursos da OSP) e a modelação de vídeo, que
pelas suas características são motivadoras e promovem a participação ativa dos
estudantes (Redish, 2003), o ganho cognitivo nos estudantes de física só
aumentará significativamente se os professores usarem uma metodologia
interativa e adquirirem uma adequada preparação didática para o fazer. A
formação de professores, contemplando a manipulação e exploração de materiais
interativos, dentro e fora da sala de aula, é de grande importância para
promover mudanças de um ensino tutorial (normalmente expositivo) para um ensino
interativo, pois providencia as condições necessárias para uma melhor prática
letiva nas escolas. Neste contexto, as universidades não se podem alhear deste
desafio, dada a sua enorme responsabilidade na formação inicial e contínua dos
professores, bem como da prática letiva no ensino superior.
