Introdução

Metodologias alternativas de ensino de Física, como a Aprendizagem Baseada em Problemas, o Ensino por Investigação e a Demonstração de Aulas Interativas são cada vez mais discutidas no Brasil e no mundo com o objetivo de tornar a aprendizagem mais cooperativa e significativa, frente ao ensino tradicional (NUNES, 2014; PARANHOS et al., 2017; MULLER; ARAÚJO; VEIT, 2017; GAMA; SANTOS; QUEIROZ, 2020).

Especialmente, o uso de softwares educacionais no ensino de Física pode se relacionar com várias metodologias e possibilitar a inserção de atividades lúdicas e em grupo, o debate de ideias e soluções com maior participação do aluno e a compreensão de fenômenos físicos através de modelagem e simulação (FILGUEIRA; SOARES, 2015; SILVA, 2002; NEIDE, 2019). Essas ações proporcionam um ambiente de ensino prazeroso e atrativo ao estudante para torná-lo agente ativo na construção do próprio conhecimento.

Entende-se por software educacional o programa computacional usado na práxis educativa, fundamentado na pedagogia do processo de ensino-aprendizagem, independente da sua natureza ou área de aplicação (TEIXEIRA; BRANDÃO, 2003). Sua utilização envolve analisar previamente se as aplicações às quais se destinam serão atendidas, se a proposta é adequada aos educadores e à infraestrutura tecnológica do ambiente escolar e se as necessidades dos educandos serão satisfeitas (TEIXEIRA; BRANDÃO, 2003).

A união de áreas distintas como pedagogia e informática tem o propósito principal de oferecer novas ferramentas para o ensino que possam estimular o conhecimento, a criatividade, a concentração e a tomada de decisão na busca por soluções para os problemas apresentados. Dada a relação entre o indivíduo e o computador, que segundo Moran, Massetto e Behrens (2012, p. 13) está cada dia mais presente na sociedade e pode proporcionar “aos alunos e professores oportunidades de interação e produção de saberes”, os softwares simuladores podem ser utilizados nesse contexto para desenvolver habilidades como coordenação, percepção, memória, raciocínio-lógico e criação, de forma significativa.

Vigotsky (1989) já destacava que a ação de criar é inerente ao ser humano e que só ele pode partir da observação e manipulação do que já existe para produzir algo novo e (ou) prever situações futuras. Esse pensamento é complementado pela Teoria da Aprendizagem de Ausubel (MOREIRA; MASINI, 2001; AUSUBEL, 2002), a qual defende que aprender significativamente é expandir e reestruturar conceitos já formados mentalmente e, como consequência, estabelecer relações e semelhanças com novos conhecimentos. Em outras palavras, destaca-se que "o fator isolado mais importante que influencia o aprendizado é aquilo que o aprendiz já conhece" (AUSUBEL; NOVAK; HANESIAN, 1980, p. 137).

A utilização de softwares simuladores no ensino está relacionada com esta abordagem, uma vez que o papel dessas ferramentas é o de auxiliar a execução de atividades que permitam ao aluno ordenar e coordenar suas ideias e interpretações sobre os fenômenos/situações práticas a partir da sua interação com a máquina computacional, assistida e mediada pelo professor formador. Bernardi (2010) reforça a discussão sobre a importância do tema, afirmando que os softwares simuladores possibilitam várias formas de desenvolver conceitos, além de ajudarem a desenvolver na criança a aprendizagem ativa, a capacidade de representação (do virtual para o real), a autonomia, a reflexão sobre suas ações, a visão do erro numa perspectiva construtiva, a tomada de decisão e a expansão da sua visão de mundo.

O teórico Paulo Freire também discute o uso de tecnologias na educação quando fala que a evolução na ciência e na tecnologia influencia diretamente nas mudanças comportamentais, econômicas e culturais da sociedade e, consequentemente, a educação (FREIRE; VALENTE, 2001; DELIZOICOV, 2008; FREIRE, 2011; SOUZA; PINEL; MELO, 2018). Dessa forma, a justificativa da utilização de softwares simuladores deve levar em consideração essas mudanças, exigindo do formador a análise da prática educacional de forma versátil, com vista à ação transformadora dessa ferramenta metodológica no ensino-aprendizagem.

Na perspectiva do ensino de Física, diversos tipos de softwares educacionais têm sido trabalhados com base nas abordagens pedagógicas de Ausubel, Freire, Vigotsky e de outros teóricos da educação (SOUZA; PINEL; MELO, 2018; CUSTÓDIO et al., 2013; MOREIRA, 2011; VIGOTSKY, 1989; FREIRE; VALENTE, 2001). Algumas das possibilidades de uso de softwares incluem os do tipo: tutoriais; programação; aplicativos; exercícios e práticas; multimídia e internet; jogos; e simulação e modelagem. A pesquisa de PAULA et al. (2014) destaca que aproximadamente 66 % dos softwares disponíveis para o ensino de ciências são destinados à área de Física (quando comparados com os desenvolvidos para o ensino de Biologia, 21 %, e de Química, 13 %) e que a grande maioria é do tipo simulação e modelagem. Este último tipo de software educacional se destaca em relação aos demais pela possibilidade de estimular, de forma conjunta na criança, habilidades essenciais tais como memória sequencial, capacidade de combinar informações de textos e imagens de forma simultânea, orientação espacial e temporal (BARBETA; YAMAMOTO, 2002; CARVALHO JUNIOR, 2011; MACÊDO, 2009). Essas ações devem culminar com o controle das variáveis nas quais o fenômeno físico é dependente.

Baseado na Teoria da Aprendizagem de Ausubel (MOREIRA, 2011), na visão crítica de Paulo Freire sobre o uso de tecnologias da informação e comunicação (TIC) no ambiente educacional (FREIRE; VALENTE, 2001;SOUZA; PINEL; MELO, 2018), na perspectiva de Vigotsky (1989) sobre o ser humano como criador e transformador do meio a sua volta e nas práticas pedagógicas construtivistas (CUSTÓDIO et al., 2013), este trabalho desenvolve uma revisão bibliográfica exploratória-descritiva, com o objetivo de compreender o uso de simuladores virtuais educacionais e as possibilidades do PhET para o ensino-aprendizagem de Física no Ensino Fundamental. Quais os pressupostos pedagógicos relacionados à utilização de simuladores como o PhET no ambiente escolar?; Quais os conceitos de Física são abordados nas simulações disponíveis para esse nível de ensino? Esses são alguns questionamentos importantes que serão elucidados com vista à investigação do tema diante do cenário atual do ensino de Física no Brasil.

Metodologia

Este trabalho de pesquisa se caracteriza como um estudo bibliográfico, de caráter exploratório-descritivo, com o objetivo de melhorar definições e construir conceitos importantes para o desenvolvimento do objeto de pesquisa (LIMA; MIOTO, 2007; MARCONI; LAKATOS, 2003). A execução da pesquisa envolveu as etapas de investigação das soluções, análise explicativa das soluções e de síntese integradora.

Na fase de investigação das soluções (LIMA; MIOTO, 2007) foi realizada uma busca por trabalhos acadêmicos (teses, dissertações, livros e artigos científicos) publicados e disponíveis no Portal de Periódicos CAPES, no Google Acadêmico e na base de dados Scopus para explorar o uso de softwares simuladores como ferramenta alternativa de ensino de Física e seus pressupostos pedagógicos baseados nos teóricos destacados. Como critério semântico de busca, as palavras-chave “ensino de Física”, “simulador computacional” e “laboratório virtual" foram utilizadas para iniciar a pesquisa bibliográfica. A pesquisa sobre os simuladores virtuais para o ensino de Física no Ensino Fundamental disponíveis no PhET foi realizada no portal educacional PhET, da Universidade do Colorado em Bouldere (PhET, 2021).

Na fase de análise explicativa das soluções (LIMA; MIOTO, 2007), foi realizada uma análise crítica das contribuições dos diversos autores e trabalhos pesquisados para o avanço nas pesquisas em ensino de Física e, em especial, dos eventos que tratam do tema central e dos subtemas deste trabalho. O objetivo dessa fase da pesquisa foi organizar, explicar e (ou) justificar os dados e/ou informações coletados nos textos dos documentos científicos selecionados, considerados significativos para o estudo em questão.

Na etapa de síntese integradora (LIMA; MIOTO, 2007) foi desenvolvido um estudo exploratório, na base de dados Scopus, para mapear como as palavras-chave sugeridas para este estudo se relacionam nos trabalhos científicos publicados na última década (2010 a 2020) e quais subtemas se destacam nesses documentos. Estas reflexões foram relacionadas com os pressupostos pedagógicos de ensino e com os conceitos/ discussões investigados na literatura. Os resultados foram apresentados com o auxílio de tabelas e de agrupamento de palavras-chave (produzido no software VOSViewer) (PRAIS; ROSA, 2017) dos principais aspectos relacionados à pesquisa.

Tecnologias digitais no ensino

Com o avanço da tecnologia, as relações sociais foram se modificando ao longo do tempo. Um exemplo é a comunicação que passou a ser mais interativa e instantânea. Comparada a essa realidade, essa transformação atingiu diretamente os modos de educar. Como ressaltou Moran (2007), as salas de aulas ganharam objetos de aprendizagem que possibilitaram aos estudantes e professores um momento mais dinâmico para o conhecimento, tratando os recursos digitais como meios facilitadores do ensino. Gabriel (2013, p. 10) aponta que “a evolução das tecnologias digitais de informação e comunicação tem transformado profundamente a sociedade em todas as suas dimensões, inclusive a educação”.

Nesse contexto, o uso das tecnologias no ambiente escolar representa uma grande inovação para educação, uma vez que propicia a ampliação do trabalho em colaboração, podendo estimular a investigação tanto dos alunos quanto dos professores. Estes últimos poderão se apropriar do uso de novas ferramentas digitais para mediar os trabalhos dos estudantes, buscando sempre condições mais propícias para o processo de aprendizagem interativo e dinâmico. Ainda segundo Moran (2007), a mudança na educação também depende da boa formação dos professores, e esta seria um meio reparador.

O método de ensino tradicional vem sendo discutido como ineficaz, uma vez que não acompanha a revolução tecnológica transformadora dos meios educacionais na tentativa de tornar a aprendizagem significativa. Os professores necessitam estar cada vez mais conectados com as mudanças em todos os setores da sociedade, buscando ofertar condições adequadas ao desenvolvimento do processo ensino-aprendizagem favorecendo a criatividade, interatividade e envolvimento com os saberes. Marinho (2002, p. 42) destaca que “o computador deverá desempenhar, na escola, o mesmo papel que tem na sociedade: o de mediador nas relações sociais. Será muito pobre um uso que se restrinja a repassar conteúdos e informações aos alunos”. Dessa forma, vê-se que a presença das tecnologias digitais no ambiente escolar deve servir para estimular o aluno a adquirir novos papéis na busca pela construção do conhecimento. Dessa maneira, se a internet como um sistema global conseguiu interligar diversos países em variadas questões, no meio educacional não poderia ser diferente.

O uso de objetos de aprendizagem possibilita uma maior interação entre professor e aluno. Estes podem utilizar vídeos, imagens e textos para compartilhar conhecimentos, além de garantir uma interdisciplinaridade dos conteúdos, acessibilidade à internet e ajudar no processo de aprendizagem (ARANTES; MIRANDA; STUDART, 2010). Logo, a escola deve se tornar palco de preparação para um mundo contemporâneo o qual tem a tecnologia como base e, surgindo a necessidade de repensar os métodos educacionais como forma de construção de saber.

Especialmente em Física, o uso de recursos digitais pode facilitar a compreensão dos conceitos e pode instigar a investigação no estudante que, ao recorrer a estas ferramentas, descobrirá diversas soluções para os problemas discutidos. Libâneo (2007, p. 309) destaca que “o grande objetivo das escolas é a aprendizagem dos alunos, e a organização escolar necessária é a que leva a melhorar a qualidade dessa aprendizagem”. Contudo, é preciso ressaltar que a figura do professor como mediador nesse novo cenário educacional é de grande relevância, pois além de possibilitar o aprendizado, ele é responsável pela apresentação dos meios digitais para os seus alunos e por enfatizar a importância dessas ferramentas como facilitador do ensino de Física. Demo (2021, p. 1) ressalta essa ideia apontando que “toda proposta que investe na introdução das TIC na escola só pode dar certo passando pelas mãos dos professores. O que transforma tecnologia em aprendizagem não é a máquina, o programa eletrônico, o software, mas o professor”.

Aprendizagem com o uso de simuladores virtuais

Investigar é buscar respostas para determinadas questões sobre acontecimentos de relevância, marcos teóricos ou metodológicos coerentes e consistentes. É nesse contexto que surge a teoria da aprendizagem defendida por Ausubel (2002), que argumenta sobre a aprendizagem significativa fundamentada na capacidade do aprendiz interpretar o significado do que está sendo aprendido, de forma participativa.

A aprendizagem significativa é caracterizada quando um novo conhecimento se relaciona com o conhecimento prévio de forma substantiva e não arbitrária a outro já existente. Para que essa relação ocorra, é preciso que exista uma capacidade para aprender. De forma conjunta, é necessária uma situação de ensino planejada pelo docente que leve em consideração o contexto/ realidade no qual o estudante está inserido e o uso social do objeto a ser estudado (MOREIRA, 2011).

De acordo com Moreira (2011), é preciso atenção para que as evidências da aprendizagem significativa sejam interpretadas corretamente, a partir da formulação de questões e problemas de uma maneira nova e não familiar. Segundo o autor, duas condições são necessárias para a aprendizagem significativa: (i) o material de aprendizagem deve ser potencialmente significativo; (ii) o aprendiz deve apresentar uma predisposição para aprender. Assim, essas condições definem que o material de aprendizagem (livros, aulas, aplicativos, softwares, entre outros) deve ser apresentado sem arbitrariedade, com estrutura cognitiva apropriada e relevante. Dito de outra forma, a escolha do material deve se relacionar à ordenação cognitiva, enquanto o aprendiz precisa querer adquirir o conhecimento para que esta relação ocorra de forma apropriada.

Assim, a utilização de simuladores virtuais no processo ensino-aprendizagem pode ser uma experiência pedagógica eficaz na medida em que viabiliza aos alunos uma construção do conhecimento de forma mais interativa, estimulante, desafiadora e prazerosa. Além do mais, os diversos simuladores permitem a esses alunos um ambiente lúdico e interativo, capaz de estimular o raciocínio e a criatividade, ao mesmo tempo em que eles se divertem, facilitando a compreensão de conceitos que na maioria das vezes são apresentados apenas a partir de livros didáticos. Logo, os simuladores virtuais podem ser entendidos como recursos que aperfeiçoam as práticas de ensino e aprendizagem, com novas possibilidades de metodologias, técnicas e ambientes virtuais de aprendizagem (LARA; MARTINS, 2017). Algumas plataformas de simulação educacional na internet (como, por exemplo, o PhET) são capazes de funcionar como um intermediário entre professores e alunos, na qual os estudantes podem resolver situações-problema para fixação de conteúdos vistos em sala de aula.

Contudo, se o propósito é incentivar uma visão da natureza da ciência mais próxima da realidade aos alunos, uma alternativa é incluir simulações nas práticas de ensino de ciências. Pesquisadores concordam que as simulações computacionais não constituem apenas um novo instrumento, mas uma nova forma de produção tecnológica que se aproxima das tarefas diárias da ciência contemporânea, especialmente as relacionadas com a aprendizagem baseada em modelos e o trabalho experimental (GRECA; SEOANE; ARRIASSECQ, 2014), como é o caso da Física. Essas vantagens oferecidas pelas simulações computacionais estão de acordo com algumas das teorias de aprendizagens estudadas como a aprendizagem significativa, o sociointeracionismo e o construtivismo.

Segundo Freire e Valente (2001), ao se tratar do emprego das TIC no âmbito educacional, deve se atentar à ética e aos compromissos ligados ao trabalho do professor e à necessidade de refletir sobre a prática pedagógica enquanto motivador da autonomia dos alunos na busca da aprendizagem significativa. Freire (2011) também discute o tema e destaca que não existe docência sem discência e que o ato de ensinar não é apenas o de transferir conhecimento, e sim criar um leque de possibilidades para a aprendizagem. O teórico ainda reforça a ideia de que quem ensina, aprende ao ensinar e quem aprende, ensina ao aprender, baseado no fato de que no ambiente escolar, os professores ensinam e aprendem com os alunos e vice-versa. Acredita-se que os avanços das TIC, significam um mecanismo de construção de uma prática educativa na qual é considerada em suma uma busca contínua pela pesquisa. Neste sentido, surgem os laboratórios de informática como ambientes educativos, assumindo uma relevância de busca e inovação, possibilitando trilhar caminhos para construção de novas ideias sobre o uso da tecnologia com foco na aprendizagem (FREIRE; VALENTE, 2001).

Logo, as TIC, segundo o pensamento Freireano, admitem um papel secundário, como mecanismo de requisito desta nova condição de perfil. Freire (2011, p. 26) compreende que “a técnica é sempre secundária e só é importante quando a serviço de algo mais amplo. Considerar a técnica primordial é perder o objetivo da educação”. Logo, essa visão não diminui a função das técnicas ou instrumentos tecnológicos, mas esclarece o seu real objetivo: a reabilitação de todos os seres humanos por meio da garantia de igualdade do acesso ao conhecimento, considerando as diferenças que caracterizam cada sujeito e as transformações sociais e tecnológicas cada vez mais evidentes (DELIZOICOV, 2008).

Demo (2021) não deixa dúvidas sobre o papel das TIC em meio ao processo de ensino-aprendizagem. Ele descreve que os educadores têm a perspectiva de que as TIC podem aperfeiçoar as formas ensino e pesquisa, aumentando de forma considerável as possibilidades de participação ativa do aluno na construção do próprio conhecimento. O autor complementa esse pensamento, destacando que

Por isso mesmo, faz pouco sentido simplesmente transportar o ambiente instrucionista vigente em Educação para os mundos virtuais e vice-versa (...). As oportunidades educacionais e formativas precisam ser acuradamente arquitetadas em consórcio entre expertos em tecnologia e em educação, numa empreitada recíproca. Ambos os lados precisam aprender juntos. (DEMO, 2021, p.1).

As contribuições de Freire para o ensino de Física já foram objeto de algumas pesquisas e projetos. Para o autor, educador e educando devem estabelecer um diálogo, rompendo com práticas tradicionais de ensino, a fim de que a realidade seja percebida e que se transforme em objeto de reflexão. Através da ênfase nos aspectos históricos e da discussão das situações que se colocam como obstáculos para a compreensão da realidade vivida pelos sujeitos, a proposta educacional de Freire procura estabelecer uma relação dialética com o mundo. Dito de outra forma, ele propõe uma práxis educacional que transcende a simples utilização de conhecimentos na prática, pois implica reflexão, ação e transformação, tanto da realidade vivida como do sujeito que a vive.

Desse modo, a tríade codificação - problematização - descodificação é central na abordagem Freireana. A codificação de uma situação existencial é a sua representação, a mediação entre o contexto real e o contexto teórico. A problematização é o diálogo não apenas com a realidade do sujeito, mas também entre o professor e o aluno, a fim de que este último se reconheça na representação. E, a descodificação é a análise crítica e a exteriorização da visão de mundo do sujeito. A relação dialética entre o homem e o mundo se verifica mais uma vez quando Freire defende que a leitura da realidade compartilhada deverá se dar em tempo real, histórica e socialmente situada (FREIRE, 2011). É uma leitura/compreensão que não se separa do próprio homem/sujeito. Portanto, ao mesmo tempo em que há uma abstração dessa realidade, ocorre também uma aproximação com o sujeito, pois este “se reconhece na representação da situação existencial ‘codificada’, ao mesmo tempo em que reconhece nesta, objeto agora de sua reflexão, o seu contorno condicionante em e com que está com outros sujeitos” (FREIRE, 2011, p. 72).

Vale destacar, no entanto, que essa compreensão da realidade transcende o espaço físico próximo do aluno, embora possa ser o ponto de partida. Essa transcendência visa libertar o sujeito, segundo Freire, da inconsciência de sua situação existencial. Ou seja, espera-se que os saberes ensinados a partir de simuladores virtuais tenham sentido para o aluno, na medida em que possam ser mobilizados em outros contextos fora dos muros escolares (FREIRE; VALENTE, 2001).

Para Vigotsky (1989), o desenvolvimento cognitivo do aluno se dá na condição por meio da interação social, assim seja, de sua interação com demais indivíduos e com o meio. A aprendizagem nesse contexto tem um papel fundamental para aquisição do saber e conhecimento e, portanto, qualquer processo de aprendizagem é ensino-aprendizagem, introduzindo aquele que aprende, aquele que ensina e a relação entre eles. Entretanto, para que ocorra essa interação, a mesma deve estar entre o desenvolvimento e aprendizagem através da zona de desenvolvimento proximal (é a distância que há entre os níveis de desenvolvimento potencial e o nível de desenvolvimento real). Em outras palavras, é a distância que existe entre o que a criança consegue fazer e formar sozinha (nível de desenvolvimento real) e o que ela consegue com auxílio do mediador (nível de desenvolvimento potencial).

Simuladores virtuais no ensino de Física

As TIC têm garantido valoroso sucesso em todas as áreas da educação e da simulação de modelos de instrução e explicação. Dificuldades na aprendizagem em Física podem estar relacionadas a métodos de ensino tradicionais (centrados na exposição verbal e textual e até em experimentos prontos e acabados). Além disso, o modelo tradicional de ensino pode dificultar a explicação de fenômenos e situações do cotidiano que são mais complexos que os usuais. Ao contrário disso, coexistem propostas de aprendizagem mais modernas, visuais, auditivas e interativas, com o recurso de simuladores virtuais que são facilmente dominados pelos alunos e criam um ambiente amplo de possibilidades ao professor (que deixa de ser o único detentor de conhecimento) para estimular o desenvolvimento cognitivo deles (FERREIRA, 2016). Em outras palavras, esse recurso tecnológico pode potencializar a interação entre professor e aluno no cenário de ensino-aprendizagem de Física.

Especialmente, é reconhecida a dificuldade de apresentar fenômenos dinâmicos como os de mecânica, eletricidade, magnetismo e calorimetria com recursos estáticos geralmente disponíveis (por exemplo, o quadro e o livro didático) e a carga horária destinada às aulas, mesmo com uma boa exposição dos temas pelo professor. Assim, é comum considerar que a habilidade de abstração do aprendiz é cabível para a percepção da evolução temporal dos eventos físicos. Na prática, uma minoria desenvolve essa capacidade, o que consequentemente contribui para a dificuldade de aprendizagem de Física no ensino básico. Nesse contexto, os simuladores virtuais podem ser considerados como ferramentas didáticas adequadas para a exposição dos fenômenos dependentes do tempo, uma vez que tornam mais acessíveis a percepção das ações que estão em discussão e podem ser trabalhados em horário extra-sala com roteiros auto-instrucionais.

A interação estudante-objeto de estudo é um ponto bem destacado entre as vantagens do uso de simuladores virtuais no ensino da Física. De acordo com Costa (2017), a simulação computacional proporciona ao aluno um ambiente interativo e construtor do conhecimento e assume um papel relevante no ensino da Física, com a possibilidade de experimentações em laboratórios virtuais. Essa interação pode estimular uma infinidade de possibilidades de construção de conceitos sobre fenômenos físicos que seriam mais difíceis de serem entendidos pelo uso do modelo tradicional, no qual o livro didático e o professor são colocados como os principais atores no processo de ensino-aprendizagem.

Em ambos os casos, e trazendo esse exemplo para o universo escolar, pode-se dizer que a tecnologia ofertada pelos simuladores navega tanto na produção quanto na divulgação de conhecimento resolvendo problemas de limitação física que eventualmente possam existir, como a falta (ou carência) de laboratórios de Física Experimental nas unidades escolares. Certamente, um fator que favorece o uso de laboratórios de informática para a utilização de simuladores computacionais para o ensino de Física é o fato de que estes se mostram mais baratos, acessíveis e de fácil manutenção, quando comparados aos laboratórios de Física Experimental (COSTA, 2017). E, mesmo com a existência deste último, nem sempre conseguem atender às demandas de aulas e são limitados na possibilidade de experimentos, especialmente os de mecânica, gravitação e astronomia. Da mesma forma, os alunos podem ter computadores ou smartphones com os softwares, e isso permite maior independência na execução dos experimentos. Essa autonomia instiga a curiosidade e a iniciativa dos estudantes para outras atividades do campo científico. É o ir além da sala de aula, da nota na prova e da aprovação curricular. Enfim, é a iniciação científica estimulada pelas diversas possibilidades de simulação de experimentos no computador. A Tab. 1 apresenta as principais plataformas digitais em língua portuguesa retornadas nos trabalhos pesquisados, com os respectivos temas de Física abordados nos simuladores virtuais disponíveis.

As plataformas citadas foram amplamente investigadas e confirmaram propostas de experimentação no contexto da Educação Básica brasileira. Foi verificado que estas plataformas atendem às demandas requeridas para a melhoria do ensino de Física no Brasil, primeiro pela proposta alternativa de inserção de TIC no processo ensino-aprendizagem e em segundo, não menos importante, pelo fato desses simuladores permitirem com que sejam trabalhadas habilidades requeridas pela Base Nacional Comum Curricular (BNCC) como, por exemplo,

construir questões, elaborar hipóteses, previsões e estimativas, empregar instrumentos de medição e representar e interpretar modelos explicativos, dados e/ou resultados experimentais para construir, avaliar e justificar conclusões no enfrentamento de situações-problema sob uma perspectiva científica. (BNCC, 2018, p. 561).

Tabela 1
Principais plataformas digitais retornadas na pesquisa com simuladores virtuais de Física, em Língua Portuguesa

Elaborado pelos Autores

Plataforma	Simuladores/ tema	Endereço eletrônico
Física na Escola	Mecânica; Ondas; Termodinâmica; Óptica; Eletricidade; Magnetismo; Gases; Física Quântica.	https://www.vascak.cz/physicsanimations.php?l=pt
Virtual Lab Física	Mecânica; Astronomia; Óptica; Eletricidade; Calorimetria; Gases; Densidade; Física Quântica.	https://virtuallab.pearson.com.br/Laboratorios/Fisica
LabVirt Física	Mecânica; Termodinâmica; Óptica; Eletricidade; Magnetismo.	http://www.labvirt.fe.usp.br/indice.asp
Modellus	Mecânica	http://modellus.fct.unl.pt/
PhET	Mecânica; Ondas; Termodinâmica; Eletricidade; Magnetismo; Física Quântica.	https://phet.colorado.edu/pt_BR/

As atividades tradicionais (como exercícios, seminários, trabalhos de pesquisa e elaboração de textos) não serão substituídas definitivamente pelas simulações computacionais, visto que elas fazem parte do objeto de conhecimento da disciplina de Física. A intenção do uso dessa ferramenta didática é desfazer o mito de que a Física se baseia apenas em cálculos. Segundo Veras (2018), busca-se introduzir este recurso tecnológico atual e de uso crescente em todo o mundo como mais uma ferramenta que poderá auxiliar o processo ensino aprendizagem. Além de tornar as aulas mais dinâmicas e interessantes, os laboratórios virtuais a partir de simuladores são um poderoso aliado em diversas disciplinas, em especial no caso da Física. Os simuladores possuem um grande apelo visual despertando a curiosidade e a vontade de aprender conceitos abordados. Propicia a visualização de características dos fenômenos físicos reais ou ideacionais e permite que o aprendiz modifique condições para melhor observação e análise.

Um agrupamento de palavras-chave relativas ao uso de simuladores no ensino de Física é ilustrado na Fig. 1 para mapear os subtemas relacionados ao estudo e como eles se relacionam entre sí nos trabalhos científicos retornados. As 3 palavras-chave escolhidas para a busca de dados na base Scopus retornaram 794 trabalhos científicos no período de 2010 a 2020. Para aumentar a representatividade desse agrupamento, foram consideradas 24 palavras-chave secundárias (relacionadas às palavras-chave base) que apareceram pelo menos em 5 documentos diferentes. Palavras-chave de mesma realidade/ significado foram verificadas e apenas as que apareceram com maior frequência nos trabalhos foram consideradas. As palavras-chave secundárias que interagiram com maior frequência nos trabalhos selecionados estão destacadas em grupos definidos por cores no agrupamento (Fig. 1).

O agrupamento revelou que as ações com simuladores computacionais se concentram nos ambientes do tipo laboratórios virtuais e objetivam a melhoria da Educação em Ciências, o entendimento de conceitos físicos e de relações entre as variáveis do problema.

A análise também revelou que os estudos com simuladores virtuais educacionais para o ensino de Física nesta última década abordaram principalmente aspectos tais como simulação interativa, aprendizagem ativa e realidade aumentada. Aspectos esses que vêm sendo discutidos mundialmente para a melhoria do processo ensino-aprendizagem de Física. Por exemplo, o trabalho de BINEK et al. (2018) destacou o EduPython como um aplicativo de simulação interativa para o ensino de física, a partir da resolução de problemas. Os autores destacam que a aplicação interativa permite com que o professor possa, por exemplo, ministrar uma aula baseada em simulações computacionais de experimentações reais, incluindo aqueles que não são possíveis de serem executados no espaço físico da escola.

Figura 1
Agrupamento de palavras-chave relativo ao uso de simuladores virtuais no ensino de Física, obtida a partir da busca de dados na base Scopus, no período de 2010 a 2020
Elaborado pelos Autores

Já SenthilKumar (2019) estudou o imapcto de simulações Interativas no modelo de Aprendizagem Ativa no ensino de física. O trabalho mostrou que existe diferença estatisticamente significativa entre a aprendizagem obtida pelo grupo experimental e o grupo controle (sem uso de simulações interativas). O uso dos simuladores permitiu uma maior compreensão dos conceitos físicos abordados, além de desenvolverem nos alunos habilidades cognitivas para compreensão conceitual.

Em resumo, as relações obtidas deixam claro que o objetivo principal do uso de simuladores é tornar o ambiente de aprendizagem mais interativo, visualmente atrativo e que favoreça a exploração de situações reais no meio virtual, de forma dinâmica, valorizando o construtivismo na aquisição do conhecimento.

Explorando o PhET no Ensino Fundamental

O Physics Educacional Technology (PhET) é uma plataforma digital gratuita, de código fonte aberto e que disponibiliza simuladores virtuais interativos em Ciências. O PhET foi fundado no ano de 2002 na Universidade do Colorado Boulder pelo pesquisador Carl Wieman, um dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física em 2001. Os simuladores são desenvolvidos em linguagem Java, Flash ou HTML5 (PhET, 2021).

O acesso aos simuladores pode ser feito via computador (Desktop/Laptop), Chomebooks, iPad, tablets ou smartphones, com suporte para os mais diversos sistemas operacionais, incluindo Windows, Linux (de código aberto), Android e IOS. Isso permite com que as simulações do PhET sejam rodadas em HTML5, tornando possível o uso desses aplicativos web tanto no modo on line quanto off line. Em adição, o acesso às simulações PhET via smartphone supera as limitações de tempo e espaço físico (como é o caso da falta de sala de computadores para os estudantes na escola) e democratizam ainda mais o uso da aplicação.

As simulações ofertadas são resultados de inúmeras pesquisas educacionais, com testes e avaliações em sala de aula, que asseguram a eficácia pedagógica do uso dessas ferramentas no processo de ensino-aprendizagem. Atualmente, o PhET disponibiliza mais de 150 simulações interativas, traduzidas para diversos idiomas, distribuídas nas áreas de Física, Química, Matemática, Ciências da Terra e Biologia, do Ensino Fundamental ao Nível Superior, em ambientes didáticos do gênero jogos. Esses ambientes são caracterizados pelo incentivo à investigação científica e à interatividade, proporcionando ações intuitivas com aprendizagem baseada na observação, exploração e descoberta e vinculada ao entendimento de fenômenos e situações reais (PhET, 2021).

A maioria dos simuladores disponíveis no PhET é destinada ao ensino de Física (106). Destes, 65 tratam de ambientes de aprendizagem destinados ao Ensino Fundamental, 29 ao Ensino Médio e 12 são orientados ao Ensino Superior. Essa análise confirma que os alunos da educação básica são o público-alvo do projeto PhET.

Tratando especificamente da disponibilidade de simuladores PhET para o estudo de Física no Ensino Fundamental, os desenvolvedores da plataforma virtual recomendam 33 simulações interativas para aplicação até o 6° Ano. Quando a pesquisa inclui a faixa do 7° ao 9° Ano, são retornadas mais 32 simulações, totalizando 65 ambientes virtuais de aprendizagem que tratam de um ou mais temas de estudo, de forma isolada ou combinada (PhET, 2021). Todas as simulações interativas acompanham orientações e material de apoio para o professor mediador. A Tab. 2 mostra a distribuição da quantidade de simuladores interativos no PhET disponíveis para o Ensino Fundamental, por tema.

Tabela 2
Temas de Física abordados nos simuladores PhET destinados ao Ensino Fundamental

Elaborado pelos Autores

Tema	Até o 6° Ano	7° ao 9° Ano	Total
Movimento	13	7	20
Som e Ondas	3	3	6
Força, Trabalho e Energia	5	2	7
Calor e termodinâmica	5	5	10
Fenômenos Quânticos	0	4	4
Luz e Radiação	5	8	13
Eletricidade, Magnetismo e Circuitos	10	11	21

Entre os temas de Física abordados no PhET para o Ensino Fundamental, o de Movimento e o de Eletricidade, Magnetismo e Circuitos são os que possuem mais simulações disponíveis, com 20 e 21 possibilidades de simuladores interativos, respectivamente.

No tema Movimento, destacam-se simuladores que abordam movimentos unidimensionais e bidimensionais, tratando de conceitos em colisões, pêndulo simples, lançamento de projéteis e que relacionam movimento e força, tais como os simuladores de atrito, torque e do sistema massa-mola. Por exemplo, o simulador “Força em 1 Dimensão” ilustra de forma interativa o efeito da aplicação de uma força sobre um objeto inicialmente em repouso sobre uma superfície (Fig. 2).

Figura 2
Layout do simulador interativo Força em 1 Dimensão do PhET
(PhET, 2021)

Os gráficos disponibilizados permitem verificar em tempo real o comportamento do deslocamento, da velocidade e da aceleração do objeto, bem como a descrição e intensidade das forças atuantes sobre ele durante o movimento.

Na seção Eletricidade, Magnetismo e Circuitos são encontrados simuladores atrativos para abordar conceitos que historicamente são desconhecidos pelos alunos. Os conceitos abstratos relacionados à corrente elétrica, resistência, diferença de potencial elétrico e das relações entre eletricidade e magnetismo podem ser explorados através de circuitos elétricos interativos. Essas ferramentas podem tornar “visível o invisível”, como destaca o próprio site do PhET (PhET, 2021). Entre os simuladores desta seção, destacam-se os laboratórios virtuais que tratam de conceitos básicos sobre a utilização e aplicação de baterias, o Laboratório Virtual de Construção de Circuitos, o Laboratório de Capacitores, a Lei de Faraday e o simulador que fornece noções básicas sobre a Lei de Ohm, a partir da manipulação das variáveis envolvidas na lei de formação do fenômeno (Fig. 3). Essa última ação proporciona o conhecimento das relações diretamente e inversamente proporcionais entre as variáveis.

Figura 3
Layout do simulador interativo Lei de Ohm do PhET
(PhET, 2021)

Por sua vez, o tema Som e Ondas traz para os usuários 6 simuladores que abordam conceitos físicos básicos sobre a relação entre os sons e as ondas, e conceitos aplicados como, por exemplo, os relativos à interferência sonora, à propagação de ondas em um dado meio e ao funcionamento de um aparelho micro-ondas.

Para o tema Força, Trabalho e Energia são discutidos o trabalho de uma força, bem como as diferentes formas de energia. Em adição, as possibilidades de transformação de uma energia em outra e da conservação da energia são também explorados de forma lúdica. Pode-se destacar nessa seção, o uso do simulador de pista de Skate (Fig. 4), que fornece opções de formatos de pistas para que o usuário, ao manipular a posição do skatista sobre ela, possa verificar as energias, suas intensidades, suas transformações e conservação da energia total envolvidas durante a execução do movimento.

Na mesma seção é possível encontrar o mesmo simulador de pêndulo simples presente na seção do estudo do movimento, destacada anteriormente. Esta é uma característica comum dos simuladores PhET, que dá a possibilidade do professor explorar vários conceitos de física em um mesmo ambiente interativo.

Dos simuladores disponíveis para o tema Calor e Termodinâmica, destacam-se os simuladores de introdução ao estudo dos gases, os que tratam de conceitos relativos à difusão, de estados da matéria e do efeito estufa. Em adição são notados simuladores de outras seções tais como o de funcionamento do aparelho micro-ondas, de força de atrito e o de formas e transformações de energia, com temas diretamente relacionados ao conceito de calor.

Figura 4
Layout do simulador interativo de Pista de Skate do PhET
(PhET, 2021)

Como descrito pelo PhET, também é possível trabalhar no ensino fundamental, conceitos básicos envolvidos nos fenômenos quânticos. O PhET trabalha os simuladores Decaimento Alpha, Espectro de Corpo Negro, Lasers e Fissão Nuclear para abordar de forma lúdica e atrativa, subtemas de mesmo nome que são tradicionais nessa área da Física, mas que ainda são pouco explorados em sala de aula nesse nível de ensino. Por sua vez, a seção destinada à Luz e Radiação destaca a interação entre a luz e as moléculas, a formação das cores, a diferença entre o comprimento de onda visível e o ultravioleta, além de trabalhar vários outros simuladores encontrados em Som e Ondas, em Calor Termodinâmica e em Fenômenos Quânticos com conceitos diretamente interligados aos fenômenos da seção.

Nota-se que a quantidade e a diversidade de simuladores para os diferentes temas de Física nesse nível de ensino é de grande importância para se buscar uma aprendizagem de Física atrativa às crianças usando ferramentas tecnológicas, com introdução e evolução de conceitos para o entendimento do mundo real. Damasio e Steffani (2008) destacam essa ação, afirmando que se a Física for mostrada de forma contextualizada através de recursos computacionais, os alunos podem deixar de considerá-la como uma disciplina chata e difícil e começar a admirá-la, tornando-se admiradores da ciência.

Ausubel (2002) já destacava que um dos parâmetros que mais interfere na aprendizagem das crianças é justamente o que ela já sabe e, por isso, esse fenômeno tem sido amplamente discutido em pesquisas educacionais. É o que se pode chamar de concepções alternativas. Comumente, estas compreensões prévias formadas sobre algo destoam do conhecimento científico que, por sua vez, pode ser introduzido pouco a pouco, considerando a evolução conceitual ao longo dos diferentes níveis de ensino. É o que descrevem Ariza e Hares (2002) sobre a epistemologia evolutiva de Toulmin, que avalia a validade do conhecimento humano. Nesse contexto, o desenvolvimento do pensamento científico ocorre de forma evolucionária, levando-se em consideração o conhecimento prévio do aluno para se buscar a mudança conceitual adequada ao longo do tempo.

Sobre essa perspectiva, Damasio e Steffani (2008) falam que o ensino de Física deve ser inicializado o quanto antes, de forma com que as concepções alternativas sejam substituídas pelo senso comum científico, promovendo a evolução dos conceitos físicos com qualidade. O PhET se relaciona diretamente com essa proposta, uma vez que suas ferramentas computacionais destacadas anteriormente podem propiciar ambientes de aprendizagem para a introdução e evolução de conceitos físicos de forma atraente e significativa. Nos simuladores PhET, à medida que a criança explora e interage com as ferramentas através de cliques e arrastes, por exemplo, ela pode controlar a variação de parâmetros e realizar medições através de instrumentos virtuais como réguas, termômetros, cronômetros, entre outros. Com esta dinâmica, a criança recebe na tela uma resposta imediata sobre o fenômeno em estudo, como consequência da variação que proporcionaram na experimentação virtual. Esse feedback dá subsídios para que se possa analisar e propor discussões sobre relações de causa e efeito, proporcionar a evolução conceitual e responder questões com base científica.

Nesse aspecto, o cognitivista Ausubel (2002), discorre que o papel do professor é o de propor um ensino que respeite o grau de desenvolvimento do aluno. Esse pensamento já era defendido por Bruner (1975, apud DAMASIO; STEFFANI, 2008, p. 2) que destacava que “sempre há uma versão a ser ensinada, a qualquer aluno”. A ação de ensinar física para crianças no Ensino Fundamental pode parecer um tanto desafiadora na visão de alguns educadores, mas de acordo com Bruner, sempre existirá uma forma mais simples e atrativa de se ensinar física às crianças, que dependerá intimamente das ferramentas didáticas usadas pelo professor. Nesse sentido, o professor do Ensino Fundamental pode fazer uso do PhET como uma poderosa ferramenta didática para se atingir este objetivo.

Outra tendência atual é associar ao PhET o uso de jogos digitais sociointerativos, com a oferta de ambientes multiusuário que possibilitem uma aprendizagem colaborativa, como defendida por Vigotsky (1989). O método permite com que as simulações possam ser exploradas dentro e fora do ambiente escolar, com aprendizagem centrada na descoberta e maior interação com os outros participantes. Além disso, é conhecido que a integração de jogos digitais ao PhET retorna um maior interesse dos alunos pelo uso dos simuladores, potencializando o seu papel instrucional. De forma resumida, o uso conjunto dessas ferramentas facilita o planejamento de ações, o aprendizado com o erro, e a participação do aluno na aquisição do seu próprio conhecimento (RIBEIRO, 2017).

Baseado nesses princípios, outra justificativa para o uso do PhET para o ensino de Física no Ensino Fundamental, e que corrobora com o pensamento de Bruner, é a possibilidade de se trabalhar o currículo em espiral (DAMASIO; STEFFANI, 2008). Através dos diferentes simuladores para se trabalhar um mesmo tema (ou um conjunto deles), o PhET dá a oportunidade do professor apresentar um dado conceito físico várias vezes, de diferentes formas, em diferentes séries, levando-se em consideração o grau de desenvolvimento do aluno para se propor abordagens com um grau maior ou menor de complexidade. Pode-se, por exemplo, trabalhar a evolução conceitual em uma primeira oportunidade de interação com as ferramentas disponíveis em um dado simulador PhET e posteriormente retomar os conceitos com simulações interativas mais sofisticadas usando o mesmo e/ou outros simuladores disponíveis.

Considerações Finais

A partir do estudo bibliográfico exploratório-descritivo realizado, foi possível discutir em detalhes o uso de tecnologias digitais no ensino e apresentar os pressupostos pedagógicos para o uso de simuladores virtuais no ambiente escolar.

A partir desta análise, os simuladores virtuais no ensino de Física foram explorados, com foco na sua importância e nas consequências positivas para a melhoria da aprendizagem de conceitos de Física no Ensino Básico. Constatou-se que ações de ensino-aprendizagem desenvolvidas a partir do uso de simuladores virtuais podem tornar a aprendizagem de Física prazerosa e significativa à criança.

Nesse contexto, foram descritas aplicações dos simuladores PhET para a melhoria do ensino de Física no nível Fundamental. Os resultados mostraram que o PhET disponibiliza uma grande variedade de simuladores nesse nível de ensino, distribuídos em sete grandes temas de estudo que são trabalhados no currículo brasileiro. Verificou-se que a proposta do uso do PhET está de acordo com o que defendem os teóricos destacados neste trabalho a respeito da evolução conceitual e da aprendizagem significativa da criança frente às constantes transformações socioculturais. Em adição, as discussões apontaram perspectivas positivas para o uso de simuladores educacionais em meio ao currículo vigente, com possibilidade de iniciação científica e tecnológica para o aluno do ensino básico.

Espera-se que este trabalho possa servir como fonte de pesquisa para os agentes envolvidos no processo de ensino-aprendizagem de Física no Ensino Fundamental que desejam exercitar a prática de simuladores virtuais como o PhET no ambiente escolar, com vista ao desenvolvimento do pensamento crítico-dedutivo do aluno com relação aos fenômenos físicos à sua volta.

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