O uso de simuladores virtuais na Educação Básica para o ensino de Física no Brasil: uma revisão integrativa

O ensino de Física no Brasil enfrentou grandes desafios ao longo dos anos. A busca contínua por metodologias que aprimorem o processo de ensino-aprendizagem dessa disciplina é alvo de diversos estudos na área da Educação. A utilização das novas tecnologias digitais na Educação Básica visa facilitar a compreensão dos conteúdos abordados pelos professores.

Em relação ao ensino das Ciências Naturais, a BNCC indica que os alunos devem utilizar diferentes linguagens e tecnologias digitais de informação e comunicação para se comunicar, acessar e disseminar informações, produzir conhecimentos e resolver problemas das Ciências da Natureza de forma crítica, significativa, reflexiva e ética (Brasil, 2017).

Existem diversas maneiras de ensinar conteúdo de Física aos alunos da Educação Básica. Indubitavelmente, a utilização das novas tecnologias digitais enriquece e esclarece significativamente a prática pedagógica. Percebe-se que muitos alunos enfrentam dificuldades em compreender vários conceitos e resolver problemas que envolvem cálculos matemáticos na disciplina de Física.

Este estudo propõe uma abordagem aprimorada para determinado conteúdo, com o auxílio de simuladores virtuais. Acredita-se que essa formação para o professor contemporâneo é essencial para tornar as aulas mais atrativas, além de possibilitar a observação da aplicação do conceito estudado na prática, por meio de imagens, vídeos, simuladores, entre outros recursos.

Contribuir para a divulgação e despertar o interesse dos alunos pelo conhecimento científico com o uso das tecnologias são ações fundamentais para o ensino de Física atualmente. Mostrar aos estudantes que a Física é interessante e pode ser descomplicada é o principal objetivo desse recurso didático. Ao ter a oportunidade de interagir com o computador, o aluno torna-se protagonista de seu processo de aprendizagem.

Assim, a mediação do conteúdo e da ferramenta didática pelo professor aproxima este estudo da realidade do aluno e melhora a comunicação e o entendimento da Física, afastando o estereótipo de que essa disciplina é apenas a realização automática de cálculos matemáticos. A proposta e a aplicação do uso de simuladores virtuais como método de ensino, especialmente no Ensino Médio, são bem aceitas, uma vez que representam uma alternativa atrativa para a contextualização e complementação do conteúdo ensinado em sala de aula.

Portanto, busca-se por meio desta revisão avaliar os resultados obtidos nos artigos científicos selecionados sobre o uso de simuladores virtuais e contribuir para uma reflexão sobre a prática pedagógica dos professores de Física na atualidade. Analisa-se especialmente o desenvolvimento do planejamento do professor na prática, bem como a integração e a adaptação do aluno ao uso dessa tecnologia digital.

O objetivo desta pesquisa bibliográfica foi identificar e analisar artigos científicos relacionados ao uso de simuladores virtuais para o ensino de Física na Educação Básica no Brasil, a fim de buscar metodologias inovadoras para aplicação no ambiente da sala de aula. As pesquisas foram realizadas em seis bases de dados: SciELO, Holos, Repositório Institucional Unesp, Repositório Institucional UFRGS e Repositório Institucional IFPE, utilizando a combinação dos termos "simuladores" e "ensino de Física". Seis artigos foram selecionados após a análise dos resultados. As publicações escolhidas datam de 2010 a 2023, com restrição de análise dos artigos em línguas portuguesa e inglesa.

Este trabalho está organizado em duas seções. Na primeira seção, “O uso de simuladores virtuais na Educação Básica para o ensino de Física no Brasil”, aborda-se parte do contexto histórico sobre o início do ensino de Física no mundo, a importância da disciplina, os desafios em seu ensino no Brasil, o papel fundamental que os recursos tecnológicos exercem na educação contemporânea, além das vantagens e dificuldades em ensinar Física atualmente com o auxílio de simuladores computacionais. Nas Considerações Finais, discutem-se as perspectivas do uso de softwares como recurso didático para a contextualização e prática dos conteúdos abordados em sala de aula.

O uso de simuladores virtuais na Educação Básica para o ensino de Física no Brasil

Desde o início, nos Estados Unidos, com um projeto de renovação do currículo de Física no Ensino Médio em 1956, no Massachusetts Institute of Technology (MIT), propostas para modificar o ensino de Física, que antes se baseava apenas em livros de textos, têm sido elaboradas no âmbito internacional. Ao realizar uma retrospectiva sobre o ensino de Física no Brasil, destaca-se a necessidade de profundas mudanças curriculares, principalmente na Educação Básica. Limitar-se a um único enfoque pode ser um equívoco na busca pelo melhor método de ensino, conforme argumenta Moreira (2000).

Ensinar Física apenas sob a ótica da aplicação no cotidiano pode restringir o conhecimento e a compreensão a um nível superficial. Sob a perspectiva histórica, é importante ressaltar que, para adquirir ou construir conhecimento científico, não é necessário passar por todo o processo histórico de sua construção. Da mesma forma, utilizar exclusivamente recursos tecnológicos computacionais não é adequado, pois, na maioria das vezes, desconsidera a importante interação pessoal (Moreira, 2000).

As novas tecnologias exercem papel fundamental nas mudanças que já estão ocorrendo e nas que ainda virão. Ao analisar especificamente o ensino de Física, deve-se considerar que a maioria dos alunos do Ensino Médio não estuda a disciplina como posteriormente. Portanto, não há necessidade de ensiná-los como se fossem físicos em potencial. A Física ensinada nas escolas deve servir para a vida, melhorando a compreensão do mundo e da tecnologia, conforme Moreira (2000).

A relação entre Educação e Tecnologia é um campo que apresenta limites, relações e tensões com outros domínios, como o simbólico, no qual os pesquisadores buscam criticar e construir o discurso educacional, segundo Zapata (2018). Além disso, é relevante considerar o fator socioeconômico. A exclusão digital tem uma imensa correlação com outras formas de desigualdade social; de forma geral, as maiores taxas de exclusão se concentram nos setores de baixa renda. A inserção de políticas públicas capazes de acelerar o processo de inclusão digital e, consequentemente, a inclusão social em todos os seus aspectos deve ser a prioridade de um Estado que pretende reduzir as distâncias sociais existentes no país (Silva, 2011).

Refletir sobre como a tecnologia vem se desenvolvendo ao longo da história da humanidade e, consequentemente, no ambiente escolar é uma prática docente de grande importância atualmente. É essencial compreender como os contextos desenvolveram as tecnologias da informação e comunicação e quais seus impactos no setor educacional.

A sociedade contemporânea está totalmente envolvida por tecnologias. Não se pode ignorar a presença da mídia e de outros recursos tecnológicos que estão em toda parte, utilizados por diversos grupos, especialmente os mais jovens. Assim, é fundamental que os professores se adéquem a esse novo paradigma educacional emergente, conforme salienta Alves (2022).

A Educação Básica no Brasil é dividida em Educação Infantil, Ensino Fundamental e Ensino Médio (Barroso, 2019). Muitas propostas defendem a iniciação precoce das crianças em conceitos científicos, possibilitando que os educandos tenham acesso a essa linguagem desde cedo, diminuindo a estranheza e as dificuldades decorrentes de uma inserção abrupta e descontextualizada da Física no contexto escolar, segundo Bezerra et al. (2009). Para tanto, é necessária, principalmente, a formação conceitual, metodológica e atitudinal dos professores das séries iniciais (Monteiro; Teixeira, 2004).

Atualmente, a disciplina de Física é ministrada a partir do Ensino Médio, com apenas uma base conceitual mínima no final do Ensino Fundamental na disciplina de Ciências. Entre as capacidades e habilidades relacionadas ao uso das novas tecnologias a serem desenvolvidas no ensino de Física, destacam-se a construção e investigação de situações-problema, a identificação da situação física, a utilização de modelos físicos e a generalização entre diferentes situações, além da previsão, avaliação e análise das previsões (Moreira, 2000).

As mudanças sociais proporcionadas pelas tecnologias no momento histórico atual também trouxeram novas maneiras de aprender, segundo Enrique (2020). Os simuladores virtuais são softwares que, na Educação Básica, têm como objetivo reproduzir a realidade, permitindo, assim, a aprendizagem do usuário, conforme Silva e Lopes (2023).

Esse recurso tecnológico e didático é utilizado pelos professores como uma estratégia para ensinar ciência de forma inovadora e interessante. Um dos simuladores virtuais mais utilizados é o Physics Education Technology (PhET), apresentado na Figura 1; ele é gratuito, aberto e de fácil utilização.

Figura 1: Imagem representativa das simulações virtuais dos conteúdos de Física disponíveis no PhET
Fonte: Site do PhET (Disponível em https://phet.colorado.edu/pt_BR/).

Considerando que as novas tecnologias de informação e comunicação (NTIC) estão cada vez mais presentes na vida cotidiana da sociedade contemporânea, a utilização de recursos tecnológicos na educação possibilita a melhoria da aprendizagem, conforme aponta Martins (2010). Vale ressaltar que as tecnologias digitais existentes e aquelas em desenvolvimento enfrentam grandes desafios para uma inserção adequada no ambiente escolar (Bittencourt; Albino, 2017). Esses desafios no uso das tecnologias são de caráter econômico, cultural, social, político e ético, levando à reflexão sobre a funcionalidade das tecnologias no que se refere à educação, à orientação ou à exploração de conhecimentos, conforme Silva e Correa (2014).

Os artigos selecionados de maneira geral têm como intenção verificar as vantagens e as dificuldades no ensino de Física atualmente com o auxílio de simuladores computacionais. Eles abordam especialmente a necessidade de formação continuada para que os professores se envolvam em atividades de reflexão e ação que visem desenvolver os conhecimentos matemático, instrumental e didático necessários para elaborar e utilizar simuladores virtuais.

Silva e Lopes (2023) analisam os fatores que prejudicam o ensino de Física no Brasil e apontam que a utilização de simuladores virtuais parece ser uma alternativa a ser considerada para enriquecer ainda mais o ensino e a aprendizagem dos alunos. A utilização desses softwares permite que os alunos interajam com situações cotidianas simuladas, cuja reprodução em laboratório seria trabalhosa e/ou demorada, além de simular conceitos ou situações abstratas, cuja construção pode ser difícil para o aluno. Os autores concluem que os simuladores são uma alternativa atrativa e importante para auxiliar no ensino de disciplinas que requerem experimentação e abstração para a compreensão. No entanto, também destacam a necessidade de cursos e treinamentos para que os professores possam incluí-los em seus planos de ensino.

Enrique et al. (2020) utilizaram simuladores com o software GeoGebra como objetos de aprendizagem para o ensino da Física. O software foi empregado para abordar os movimentos parabólico e harmônico simples, com o objetivo de inspirar os professores de Matemática e Ciências Naturais a elaborarem seus próprios simuladores computacionais.

Ao utilizar um simulador, os alunos interagem com o modelo computacional associado ao fenômeno em questão, manipulando as variáveis que controlam o ocorrido, com o propósito de analisar, compreender e prever o comportamento real do fenômeno ao longo do tempo. Os autores concluem que os simuladores computacionais representam um mundo aberto de possibilidades para a criação, exploração e uso de materiais educativos enriquecedores.

Fiscarelli et al. (2013) realizaram um estudo de caso no Ensino Médio no Brasil para o uso de simuladores educacionais, a fim de aprimorar o ensino de Física. O estudo incluiu oito turmas, totalizando 205 alunos do 2º ano de uma escola pública. Este trabalho critica uma das características da Educação brasileira: a ênfase em explicar o conteúdo por meio de modelagem abstrata, muitas vezes distante da realidade dos alunos.

Entre as opiniões dos estudantes sobre o uso dos simuladores, destacam-se as seguintes:

1. a aula foi mais interessante;
2. os simuladores facilitam o aprendizado, constituindo uma maneira divertida de aprender.

Os alunos ressaltaram ainda que gostariam de ter mais aulas com simuladores. Os autores concluem que os simuladores educacionais podem ser considerados uma possível solução para a contextualização do conhecimento em sala de aula.

Bastos e Almeida (2020) avaliaram a usabilidade de simuladores no ensino de Física por meio da aplicação do método do percurso cognitivo. Esse método é uma aplicação da teoria cognitiva para avaliar, por meio de exploração sistemática de uma interface, a facilidade de aprendizado através da exploração. O uso de simuladores e aplicativos customizados para fins educativos abre novas possibilidades no processo de ensino e aprendizagem de diversas disciplinas, por meio de interações mediadas pelo computador.

Esse trabalho analisou a usabilidade do simulador de Física empregando duas técnicas distintas e complementares: a aplicação de um questionário sobre a satisfação com o uso e uma análise completa do método do percurso cognitivo. Os resultados desse estudo são relevantes para professores de Física que desejam desenvolver atividades com conteúdo digital interativo na web, especialmente na identificação de pontos a serem considerados ao apresentarem a ferramenta aos alunos.

Greis (2010) apresenta a possibilidade de utilizar um simulador virtual como recurso pedagógico. Esse recurso favorece a aproximação entre os conceitos teóricos e a realidade. Um fator destacado é que a ampliação do engajamento dos alunos nos modelos de simulação produzidos em mundos virtuais ocorre por meio da imersão proporcionada pela representação virtual, permitindo uma quase presença do aluno dentro da simulação estudada.

O modelo de simulação analisado em seu trabalho é o fenômeno físico da colisão de dois corpos. Os ambientes virtuais favorecem a interatividade entre alunos e professores envolvidos nos processos de simulação, auxiliando na compreensão dos conteúdos abordados.

Segundo Santos e Silva (2022), no ensino de Física, utilizar ferramentas didáticas baseadas em novas tecnologias contribui para a integração de um processo que visa promover melhorias no estudo de fenômenos de difícil visualização e compreensão. Os autores discutem o uso das simulações de interferência de onda e interferência quântica do PhET como recurso didático no estudo da dualidade onda-partícula, relacionando-os com as teorias que compõem o estudo do fenômeno. Eles concluem que simuladores virtuais contribuem para o estudo de fenômenos físicos, visando um ensino e aprendizagem de qualidade.

Considerações finais

Esta pesquisa de revisão bibliográfica científica baseou-se na investigação de uma ferramenta didática e tecnológica para melhorar o ensino de Física na Educação Básica no Brasil. Os simuladores virtuais emergem como uma alternativa eficaz para aprimorar a compreensão dos conteúdos abordados nas aulas, colocando o aluno como protagonista de sua aprendizagem e permitindo ao professor inovar sua prática pedagógica.

A utilização de recursos tecnológicos e a busca por atualização em novas ferramentas educacionais que envolvem mídias digitais são tarefas fundamentais para o professor contemporâneo. A análise das pesquisas apresentadas neste trabalho evidencia que o uso de simuladores virtuais no ensino de Física favorece um melhor entendimento da disciplina em sala de aula. Como resultado, a Física é percebida com maior aceitação pelos alunos, tornando os conteúdos mais interessantes e menos vinculados ao estereótipo de dificuldade associado à aplicação de cálculos matemáticos.

O simulador virtual mais amplamente utilizado para o ensino de Física é o PhET, que se destaca por ser aberto, gratuito e de fácil utilização. A implementação desse recurso tecnológico enriquece o processo de ensino-aprendizagem, sendo especialmente relevante para disciplinas que requerem experimentação e abstração para a compreensão. Esse tipo de softwares torna as aulas mais dinâmicas ao possibilitar a visualização de fenômenos físicos estudados na prática. Contudo, é importante garantir o acesso a dispositivos eletrônicos e à internet para que os simuladores possam ser efetivamente utilizados em sala de aula.

Para concluir, a análise dos artigos revisados sublinha a importância da formação continuada, destacando como fundamental que os professores participem de atividades de reflexão e ação. Essas atividades são essenciais para o desenvolvimento dos conhecimentos matemático, instrumental e didático necessários à elaboração e utilização de simuladores virtuais. Assim,este estudo aponta para a importância de incentivar o investimento e o interesse de toda a rede educacional na capacitação dos docentes da área de Ciências da Natureza, para que possam aplicar e criar, com maior frequência, esse valioso recurso tecnológico.

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