Reforma curricular dos laboratórios de ensino básico de Física da Unicamp

Transforming the introductory physics labs at Unicamp

Resumo

Disciplinas de física experimental estão tipicamente presentes tanto em cursos de Física quanto em diversas engenharias. Entretanto, o objetivo dessas disciplinas muitas vezes está mais ligado à verificação da física teórica do que à prática da física experimental propriamente dita ou à compreensão da Física como uma ciência experimental e, portanto, associada a conceitos intrínsecos como a incerteza das medidas e a incompletude dos modelos. Neste artigo, descrevemos como foi realizada uma reforma curricular nos laboratórios de ensino básico de Física do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Por meio dessa reforma, o foco das disciplinas passou a ser o desenvolvimento de habilidades relevantes para a física experimental, em oposição ao simples reforço da física teórica. As habilidades foram organizadas em três disciplinas, que compreendem: (1) um núcleo mínimo de habilidades, como a realização e o registro de medidas simples; (2) habilidades básicas, como a calibração de instrumentos; e, por fim, (3) a aplicação das habilidades adquiridas em projetos, de modo a estimular a autonomia dos estudantes. Os experimentos foram escolhidos de forma a evidenciar e trabalhar cada uma dessas habilidades. Essa estrutura é apresentada em detalhes, e uma proposta de implementação é discutida, incluindo exemplos de experimentos para as três disciplinas.

Palavras-chave:
Ensino de física experimental; Laboratórios didáticos de graduação; Reforma curricular; Aprendizagem baseada em habilidades

Abstract

Experimental physics courses are typically part of both Physics degree programmes and a wide range of engineering curricula. However, the objectives of these courses are often more closely associated with the verification of theoretical physics than with the practice of experimental physics itself or with an understanding of Physics as an experimental science and, therefore, as a discipline inherently connected to concepts such as measurement uncertainty and the incompleteness of models. In this article, we describe the implementation of a curricular reform in the introductory teaching laboratories of the Institute of Physics Gleb Wataghin at the University of Campinas (Unicamp). Through this reform, the focus of the courses shifted towards the development of skills relevant to experimental physics, rather than the reinforcement of theoretical physics. These skills were organised into three courses, comprising: (1) a minimum core of skills, such as performing and recording simple measurements; (2) basic skills, such as the calibration of instruments; and, finally, (3) the application of the acquired skills in project-based activities, aimed at fostering student autonomy. The experiments were selected to best highlight and develop each skill. This structure is presented in detail, and a proposal for its implementation is discussed, including examples of experiments for the three courses.

Keywords:
Experimental physics education; Undergraduate laboratory teaching; Curriculum reform; Skill-based learning

1. Introdução

Os laboratórios de ensino básico de Física da graduação são o ponto de partida para muitos estudantes, de diversos cursos, começarem a aprender e a vivenciar a física experimental. Existe uma variedade de maneiras nas quais os laboratórios de ensino podem ser estruturados [¹]. Tradicionalmente, os experimentos nestes laboratórios são guiados com roteiros que explicitam o passo a passo do procedimento experimental e têm como foco reforçar os conceitos físicos abordados nas aulas de física teórica. Entretanto, a eficácia destes laboratórios de ensino básico já é objeto de estudo há bastante tempo [², ³, ⁴].

Resultados recentes questionam a eficácia do uso de laboratórios de ensino introdutórios a fim de reforçar os conceitos científicos introduzidos nas disciplinas teóricas quando avaliados pelos próprios métodos de avaliação empregados nestas disciplinas [⁵, ⁶, ⁷]. Também houve estudos que avaliam o impacto dos laboratórios na construção de epistemologia e expectativas dos alunos a respeito da natureza da física experimental [⁸, ⁹]. A principal conclusão foi de que nas disciplinas de laboratório cujo objetivo principal é ensinar conceitos de Física, os alunos terminam a disciplina com expectativas e epistemologia menos identificadas com aquelas de físicos profissionais do que alunos de disciplinas cujo foco é o desenvolvimento de habilidades experimentais. Laboratórios de ensino caracterizados como “guiados” também mostram efeitos negativos semelhantes [¹⁰]. Por outro lado, estudos mais recentes indicam que laboratórios de ensino são mais eficazes quando o seu objetivo é ensinar práticas experimentais em vez de conceitos físicos [¹¹].

Há alguns anos, a American Association of Physics Teachers (AAPT) publicou um relatório com recomendações para o currículo dos laboratórios de ensino mais focado no desenvolvimento de habilidades [¹²]. As habilidades recomendadas são: analisar e visualizar dados; construir conhecimento; planejar experimentos; desenvolver habilidades técnicas e práticas; modelar fenômenos físicos; e comunicar resultados físicos. As recomendações da AAPT têm como objetivo principal ajudar os alunos a aprenderem a pensar como físicos experimentais. Os objetivos de aprendizado da AAPT aplicam-se tanto a estudantes de Física quanto àqueles de outros cursos, pois habilidades similares são requeridas em diferentes campos profissionais [¹³, ¹⁴].

Em uma disciplina de laboratório tradicional, estudantes trabalham com o aparato fornecido a fim de confirmar um resultado científico bem estabelecido. Quase todas as atividades mentais ou cognitivas associadas com o trabalho de um cientista experimental [⁷] terão sido realizadas para o estudante, restando a ele a parte mecânica associada à coleta e à análise dos dados. Idealmente, os laboratórios devem incluir atividades e tarefas cognitivas autênticas, similares àquelas com as quais um experimental profissional se engajaria. Por exemplo, os laboratórios de ensino devem dar aos alunos a oportunidade de planejar o experimento ou, pelo menos, partes do experimento. Os estudantes também precisam ter oportunidades para testar ideias e aprimorar os procedimentos experimentais e os resultados coletados. Assim, uma aprendizagem significativa a partir do trabalho em laboratório somente ocorrerá se os estudantes possuírem tempo e oportunidade suficientes para interação e reflexão sobre as atividades propostas, com possibilidade de expressar sua interpretação e crenças sobre os resultados obtidos e os significados de suas investigações [¹⁵].

Embora o laboratório tradicional ainda seja predominante na imensa maioria das instituições de ensino superior mundo afora, pode-se destacar algumas iniciativas de reforma dos laboratórios de ensino a fim de priorizar o desenvolvimento de habilidades experimentais. Estas iniciativas estão principalmente concentradas nos EUA, como na Cornell University [¹⁶], University of Rutgers [¹⁷] e University of Maryland [¹⁸], mas são encontradas também em alguns outros países, como na University of British Columbia [¹⁹] no Canadá e na University of York [²⁰] no Reino Unido.

Neste trabalho, descrevemos uma reformulação recente dos laboratórios de ensino básico do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Até então, os laboratórios de ensino do IFGW seguiam o formato tradicional, com os experimentos temáticos (Mecânica, Termodinâmica, Ondas, Eletricidade e Eletromagnetismo, Óptica) voltados para o reforço de conceitos físicos. A reformulação visou criar novas disciplinas experimentais com foco no desenvolvimento de habilidades experimentais, dissociadas dos conceitos aprendidos nas aulas de física teórica. Na Seção 2, resumimos brevemente como as disciplinas experimentais funcionavam antes da reformulação. Descrevemos o novo modelo adotado na Seção 3. Na Seção 4, apresentamos a ementa e o projeto pedagógico das três disciplinas novas que foram criadas, com as habilidades trabalhadas e os experimentos adotados.

2. O Modelo Anterior dos Laboratórios de Ensino do IFGW

No IFGW, as disciplinas de laboratório de ensino básico são disciplinas de serviço, oferecidas a diversos cursos da Unicamp nas áreas de Exatas, Tecnológicas e da Terra. Essas disciplinas atendem cerca de 1100 alunos todos os semestres. Até antes da reformulação, as disciplinas de laboratório do IFGW eram temáticas: F 129 – Física Experimental I, envolvendo experimentos de mecânica; F 229 – Física Experimental II, com experimentos de termodinâmica e ondas; F 329 – Física Experimental III, eletricidade e eletromagnetismo; e F 429 – Física Experimental IV, eletromagnetismo e óptica. Essas disciplinas – genericamente denominadas F X29 – trabalhavam habilidades experimentais, mas tinham como um dos focos principais reforçar o aprendizado de conceitos físicos. Todas as quatro disciplinas eram disciplinas de 2 créditos (30 horas-aula). As ementas das disciplinas do modelo anterior podem ser consultadas no Portal da Diretoria Acadêmica da Unicamp [²¹].

Tipicamente, em cada disciplina, eram realizados de 10 a 12 experimentos ao longo do semestre letivo. Os experimentos eram guiados, com roteiros que descreviam o passo a passo de sua realização. Ao longo dos anos, reformas pontuais foram realizadas a fim de aperfeiçoar o oferecimento das disciplinas. Com o tempo, o número de experimentos realizados nas disciplinas foi reduzido para tipicamente seis experimentos por semestre, permitindo que os alunos pudessem melhor explorar esses experimentos. Os experimentos foram também reformulados, sendo levados a um modelo no qual os estudantes eram menos guiados e as habilidades experimentais mais valorizadas. Entretanto, as disciplinas ainda permaneciam temáticas, contendo muitas redundâncias de habilidades experimentais trabalhadas. Reformas mais profundas esbarravam nas ementas destasdisciplinas.

3. O Novo Modelo de Disciplinas Experimentais

Em 2020, a coordenadoria de graduação do IFGW criou um grupo de trabalho (GT) a fim de estudar e propor um novo modelo para as disciplinas de laboratório. Duas condições postas para o novo modelo foram não aumentar o total de créditos das disciplinas experimentais e aproveitar ao máximo o parque de equipamentos já existente nos laboratórios de ensino. Inicialmente, o GT fez um mapeamento das habilidades que eram trabalhadas nas disciplinas F X29, assim como aquelas que precisariam ser trabalhadas, em consonância com as recomendações da AAPT e experiências de outras instituições de ensino. Foram elencadas tanto habilidades técnicas (avaliação de incertezas, produção de gráficos e tabelas, ajuste linear, etc.) quanto comportamentais e interpessoais (trabalho em equipe, resolução de problemas, análise crítica de dados e resultados, etc.). Cuidou-se de desvincular as habilidades de experimentos temáticos.

Desde o início, ficou claro para o GT que seria necessário separar o conjunto de habilidades em dois grupos. O primeiro grupo conteria habilidades básicas, trabalhadas em experimentos direcionados para o objetivo de desenvolver de forma crescente cada uma das habilidades. O segundo grupo conteria habilidades intermediárias, mais apropriadamente trabalhadas em atividades do tipo projetos visando desenvolver a independência e confiança dos alunos em suas habilidades experimentais. O conjunto de habilidades do primeiro grupo é bastante extenso. Embora fosse possível trabalhar todas as habilidades básicas em uma única disciplina de 4 créditos (60 horas-aula), o aprendizado dos alunos seria melhor trabalhando-se essas habilidades de forma contínua e recorrente ao longo de um período mais extenso. O GT recomendou então que as habilidades desse primeiro grupo fossem trabalhadas em duas disciplinas distintas de 2 créditos (30 horas-aula) cada: Introdução à Física Experimental I e II. Já as habilidades do segundo grupo seriam trabalhadas em uma disciplina (Introdução à Física Experimental III) de 4 créditos (60 horas-aula), sendo que 2 créditos seriam em sala de aula (laboratório) e os outros 2 créditos fora de sala de aula¹.

Os estudantes devem sair das novas disciplinas tendo desenvolvido habilidades científicas e conceitos-chave associados à física experimental, os quais não devem ser confundidos com conceitos de teorias físicas. A cada disciplina, o estudante aprofundará seu entendimento de diferentes métodos experimentais; aprenderá, em situações reais, a elaborar experimentos escolhendo os métodos mais adequados, tratar dados utilizando os métodos estatísticos corretos e analisar resultados tendo em conta a metodologia usada e também as limitações dos modelos utilizados para obtê-los a partir dos dados. Espera-se que, confrontado com uma situação experimental, o estudante que concluiu as disciplinas com aproveitamento satisfatório saiba decidir:

• o que medir,

• como medir,

• como representar os dados em gráficos

• como descrever os dados

• como tratar seus dados,

• como interpretar os resultados, articulando os dados, modelo e conhecimentos teóricos.

Para aproveitar a infraestrutura existente, buscou-se identificar, dentre os experimentos oferecidos nas disciplinas antigas, aqueles que melhor contemplavam as habilidades definidas para a nova disciplina. Deve-se destacar que, nas novas disciplinas, não há identificação temática dos experimentos. Por exemplo, experimentos antes oferecidos no laboratório de eletricidade e magnetismo (F 329) podem ser usados na disciplina de Introdução à Física Experimental I (F 159), realizada tipicamente no início dos cursos. Desta forma, os experimentos sugeridos na proposta podem ser substituídos por quaisquer outros experimentos (em qualquer tema) que possuam as características necessárias para trabalhar as habilidades específicas, pois o foco é colocado nas habilidades e não no conceito físico.

A proposta do GT foi apresentada e discutida tanto internamente (no IFGW) quanto externamente (nas demais unidades da Unicamp atendidas pelas disciplinas do IFGW). Aprovadas em agosto de 2022 pela Congregação do IFGW, as novas disciplinas de laboratório começaram a ser implantadas em 2023, gradualmente substituindo as disciplinas antigas.

As novas disciplinas F 159 – Introdução à Física Experimental I e F 259 – Introdução à Física Experimental II têm o objetivo de servir a todos os cursos de graduação das áreas de Exatas, Tecnológicas e da Terra que já eram atendidos pelas disciplinas F X29. A disciplina F 259 – Introdução à Física Experimental II é oferecida no semestre seguinte a F 159 – Introdução à Física Experimental I e tem esta última como pré-requisito. Por sua vez, F 359 – Introdução à Física Experimental III tem como público-alvo principal os alunos dos cursos de Licenciatura em Física, Licenciatura Integrada em Química/Física e Engenharia da Computação, além de estudantes da Área Básica de Ingresso (ABI) para Matemática, Matemática Aplicada e Computacional, Física, Engenharia Física, Física Médica e Biomédica. A disciplina é oferecida no semestre seguinte a F 259 – Introdução à Física Experimental II e tem esta como pré-requisito. As ementas das novas disciplinas podem ser consultadas no Portal da Diretoria Acadêmica da Unicamp [²¹].

Desta forma, devido ao encadeamento das disciplinas, as trilhas possíveis são:

1. Introdução à Física Experimental I (F 159) – núcleo mínimo de técnicas e habilidades experimentais;

2. Introdução à Física Experimental I e II (F 159/F 259) – técnicas e habilidades experimentais básicas;

3. Introdução à Física Experimental I, II e III (F 159/F 259/F 359) – técnicas e habilidades experimentais básicas e aplicação em projetos.

Outras combinações não são possíveis. A trilha (i) atende 6 cursos da Unicamp, enquanto 8 dos cursos das Tecnológicas fazem a trilha (ii). Estudantes da ABI para Matemática, Matemática Aplicada e Computacional, Física, Engenharia Física, Física Médica e Biomédica seguem a trilha (iii), cursando todas as três disciplinas básicas de laboratório.

4. Ementas e Propostas Pedagógicas das Novas Disciplinas

Nas subseções seguintes, apresentamos a ementa e o projeto pedagógico de cada uma das 3 disciplinas novas. Descrevemos também os experimentos que trabalham as habilidades descritas nas ementas. De forma geral, os experimentos são de 3 tipos [²²]: (i) observacional, no qual os alunos descobrem fenômenos “novos” a partir da observação experimental; (ii) teste de hipótese, no qual os alunos fazem uma previsão a respeito do resultado do experimento e baseados na concordância (ou não) entre previsão e experimento, fazem um julgamento a respeito da previsão que estão testando; (iii) e, por fim, de aplicação, onde uma grandeza desconhecida é determinada experimentalmente a partir de dois métodos diferentes e os resultados são comparados.

4.1. F159 – Introdução à Física Experimental I

4.1.1. Ementa e proposta pedagógica

A disciplina tem como proposta apresentar os métodos da física experimental aos alunos de cursos de graduação das áreas de Ciências Exatas, Tecnológicas e da Terra. A disciplina visa trabalhar as habilidades experimentais mínimas necessárias para que o aluno seja capaz de planejar e executar um experimento a fim de estudar um sistema de interesse e interpretar seus resultados. As habilidades experimentais descritas na ementa são abordadas em um conjunto de experimentos e/ou práticas direcionadas com o objetivo de trabalhar de forma crescente cada uma dessas habilidades. O foco da disciplina está no desenvolvimento dessas habilidades e não no ensino ou reforço de conceitos teóricos de Física, embora conceitos e relações físicas sejam explorados.

A ementa da disciplina de F 159 consiste em:

• Distribuições de probabilidade: Medição única (triangular e retangular) e medições repetidas (Gaussiana);

• Avaliação e expressão de incertezas (Tipos A e B); algarismos significativos;

• Uso de instrumentos de medição de dimensões físicas (régua, paquímetro, balança, cronômetro) e grandezas eletromagnéticas (multímetro digital);

• Variáveis dependentes e independentes;

• Confecção e análise de histogramas;

• Organização de dados em tabelas;

• Confecção de gráficos (em papel milimetrado e log-log);

• Medições diretas e indiretas;

• Propagação de incertezas – método numérico e Lei da Propagação das Incertezas;

• Acumulação de medições para reduzir incerteza (ex.: empilhar folhas para medir espessura; observar várias oscilações para determinar período de pêndulo);

• Comparação de medidas experimentais distintas;

• Ajuste de curvas, incluindo: Lei de Escala (ajuste por uma reta à mão) e Método dos Mínimos Quadrados (ajuste linear)

• Modelos, suposições e limites de validade

• Trabalho em equipe e ética científica

• Reportar resultados experimentais de maneira formal: relatório escrito ou apresentação oral

De forma geral, os roteiros dos experimentos guiam o raciocínio dos alunos, evitando instruções muito detalhadas que não exijam uma participação mais ativa dos alunos no planejamento e execução dos experimentos. Desde o início, os alunos são encorajados a pensar em questões do tipo “Quantos pontos eu devo coletar?” ou “Quais são as principais fontes de incerteza do meu experimento?” Para que os alunos consigam identificar as fontes de incerteza do experimento e se concentrem em aprender os conceitos de medição, os experimentos utilizam preferencialmente equipamentos familiares aos alunos, evitando-se equipamentos complicados e procedimentos complexos.

O início desta disciplina tem a função de ensinar conceitos básicos aos alunos: medidas, medições, incertezas, noções de variabilidade das medidas, distribuições estatísticas como forma de quantificar incertezas, resolução de instrumentos, precisão e exatidão². Nesta etapa, os experimentos são simples e guiados em detalhe. Esses experimentos trabalham inclusive o uso de medições repetidas a fim de melhorar o conhecimento a respeito do valor de uma grandeza.

Em seguida, é introduzida a noção de propagação de incertezas, com experimentos nos quais a quantidade a ser determinada é obtida a partir de outras medidas diretamente (medições diretas vs. medições indiretas). Inicialmente, trabalha-se uma compreensão conceitual da propagação de incertezas. Nesse sentido, é introduzido o método numérico descrito por Junior e Silveira [²⁴] que não requer o uso de derivadas na propagação. A Lei da Propagação das Incertezas é adiada até o final do semestre letivo. Nesta etapa, o conceito de variáveis independentes e dependentes em um experimento é introduzido e as noções de modelo e planejamento experimental já começam a ser trabalhadas. Trabalha-se também a comparação de valores experimentais através da superposição das barras de incerteza.

As primeiras noções de linearização são então trabalhadas, em particular a linearização de uma lei de escala. Introduzimos a noção de que conhecimento novo pode ser obtido da observação experimental, mesmo quando não existe um modelo prévio que descreva o fenômeno. Os alunos observam um fenômeno (para o qual não possuem nenhuma expectativa prévia do resultado), definem um procedimento experimental para caracterizá-lo e obtêm a “Lei Física” (no caso, a lei de escala) que rege o fenômeno a partir da análise dos dados. A partir deste ponto, os roteiros passam a ser menos detalhados para que os alunos possam pensar sobre as dificuldades experimentais e participar ativamente do planejamento e execução dos experimentos.

Na sequência, a noção de ajuste de modelos a dados experimentais é introduzida, limitando-se a modelos lineares. Introduzimos o Método dos Mínimos Quadrados (MMQ) e como estimar os parâmetros de um modelo a partir do MMQ.[²⁵] A fim de reforçar a compreensão do MMQ e evitar que esta ferramenta se torne uma “caixa preta”, os alunos executam o MMQ manualmente pelo menos uma vez.

Em todas as etapas, é trabalhada a forma de apresentação de resultados com gráficos, tabelas e resumos expandidos. Também procuramos trabalhar as boas práticas de laboratório, incluindo o registro do trabalho experimental em caderno de laboratório e integridade científica. Em relação a esse último, pode-se destacar o compartilhamento de responsabilidades experimentais com outros membros da equipe (por exemplo, rodízio de papéis, permitindo outros liderarem o trabalho) e a consideração de questões éticas científicas ao analisar dados. Questões éticas científicas que são trabalhadas incluem lidar com pontos espúrios, lidar com dados e resultados que não estão em acordo com previsões ou expectativas e lidar com dados e resultados que estão em acordo com previsões.

Trabalhar a escrita científica é uma componente-chave da disciplina. Porém, o formato tradicional de um relatório, dividido em seções de introdução, teoria, metodologia, etc., ou em formato de artigo científico completo não é adequado para uma disciplina introdutória e deve ser evitado. Laboratórios de ensino não replicam as condições de pesquisa científica que produzem artigos científicos. Mas, talvez mais importante, os alunos não possuem tempo suficiente para aprofundar sua visão do experimento e assim contextualizar o trabalho em uma seção de introdução ou descrever o modelo pertinente e suas limitações na seção de teoria, por exemplo. O relatório deve estar alinhado com as atividades realizadas no laboratório de modo que os alunos tenham algo significativo a dizer. No contexto desta disciplina, por exemplo, os estudantes devem planejar partes do experimento e avaliar quantitativamente todas as incertezas envolvidas. A autonomia dos estudantes na prática de laboratório deve se refletir em relatório contendo uma descrição interessante das escolhas que foram feitas e de como isso afetou as incertezas observadas.

Sendo assim, para os dois primeiros experimentos propostos, o relatório pode ser simples, com perguntas a serem respondidas com o propósito de guiar o raciocínio dos alunos a fim de perceberem os conceitos principais. Para os demais experimentos, o relatório evolui para uma descrição do trabalho realizado, porém limitado a uma ou duas páginas de texto corrido (sem divisões em seções), além das figuras e tabelas. Sem se preocupar em encaixar informações em seções preestabelecidas com as quais não possuem familiaridade e tendo um espaço limitado para escrita, o aluno pode se concentrar em outros aspectos significativos da escrita científica do tipo: enunciar o problema investigado, descrever como o experimento foi executado, decidir quais dados mostrar, como usar gráficos e tabelas de maneira eficaz; discutir as tendências e padrões exibidos pelos dados, fazer uma reflexão a respeito da qualidade dos dados, dentre outros.

4.1.2. Implementação

A seguir descrevemos como estamos implementando a disciplina. A Tabela 1 mostra os experimentos na ordem em que as habilidades são trabalhadas. Os experimentos ocupam quase todas as horas-aula (30 horas-aula) da disciplina, sem muita margem para aulas expositivas, mas deixando tempo para avaliações. O conteúdo da disciplina é transmitido aos estudantes prioritariamente através de atividades extraclasse como leitura do Guia de Laboratório (contendo roteiro dos experimentos), exercícios e/ou livros-texto com teorias e modelos relevantes. Durante as aulas, esse conteúdo será apenas brevemente revisado potencialmente no formato de sala de aula invertida. Além disso, recursos como videoaulas em plataformas online, como o Moodle, podem opcionalmente apoiar a fixação de conteúdo sem utilizar tempo de aula. De fato, o aprendizado extraclasse permite que os alunos estudem no seu próprio tempo e libera mais tempo em sala de aula para o professor discutir com os grupos sobre o experimento sendo realizado. A utilização de um guia de laboratório contendo roteiros e conteúdo pode ser também muito útil para centralizar o conteúdo da disciplina.

Tabela 1
Tabela de experimentos, habilidades trabalhadas e número de aulas utilizadas em F 159. Tipicamente, um semestre letivo tem por volta de 15 aulas, sendo que 3 dessas são usadas para avaliações da disciplina. Duas são aulas expositivas que tratam de avaliação e expressão de incertezas e método dos mínimos quadrados. As 10 aulas restantes trabalham as habilidades experimentais abaixo.

Exp.	Habilidades	# Aulas
1	Incerteza associada a instrumentos analógicos e digitais.	1
2	Incerteza associada a medições repetidas que não fornecem o mesmo valor – histograma.	1
3	Aplicação de propagação de incertezas e comparação de resultados	1
4	Investigar fenômeno que só aparece após minimização de incertezas	2
5	Descobrindo uma Lei Física – lei de escala e ajuste por uma reta	1
6	Aplicação de MMQ	2
7	Limites de validade de modelos dados pelas aproximações feitas para derivá-los	2

Descrevemos a seguir as principais características que os experimentos devem possuir a fim de trabalhar as habilidades fundamentais para a disciplina. Citamos experimentos específicos que atendem a essas características, embora quaisquer outros que atendam aos requisitos descritos possam ser oferecidos. Aqui, descrevemos uma implementação com 7 experimentos, mas é possível condensar as habilidades em uma menor quantidade de experimentos de modo a solicitar uma quantidade menor de relatórios dos estudantes. Isso pode ser importante caso os créditos da disciplina não prevejam uma quantidade significativa de atividades extraclasse.

4.1.3. Experimentos sugeridos

Experimento 1 – Atividades que introduzem a incerteza associada ao uso de instrumentos analógicos e digitais. Os instrumentos devem ser simples e preferencialmente familiares (analógicos: régua milimetrada e paquímetro; digitais: balança) de modo que os alunos se concentrem na avaliação da incerteza associada ao uso desses instrumentos e não na operação do instrumento em si (o paquímetro sendo a exceção).

Sugestão de experimento: Determinação da curva de distensão de um elástico em função da massa suspendida. Nesse experimento, os estudantes fazem medidas simples de comprimento de um elástico comum através de uma régua fixada no aparato de suspensão do elástico. Na ponta livre do elástico, está presa uma cesta onde são colocados pesos de chumbo cujas massas são medidas com uma balança. O elástico não fica próximo da régua para que a cesta fique suspensa livremente. Assim, há incerteza de paralaxe envolvida. Pode-se propor como modelo a Lei de Hooke, mas ela não funciona bem em elásticos e assim é possível introduzir outros conceitos como a histerese dos elásticos ou o fato de que nem todo material segue a Lei de Hooke. Pode-se discutir que nem sempre temos modelos adequados para descrever o comportamento de um sistema físico.

Experimento 2 – Nesta atividade, a ideia deve ser trabalhar o conceito de medições diretas e indiretas e aplicar a propagação de incertezas. A grandeza física de interesse deve ser obtida através da substituição dos valores obtidos experimentalmente no modelo matemático. Privilegiar o método numérico de propagação de incertezas, sem derivadas parciais, de modo a favorecer o desenvolvimento de uma compreensão conceitual, tirando o foco da matemática (derivadas). O aparato experimental deve ser simples o suficiente para que o aluno consiga identificar as principais fontes de incerteza. O resultado experimental deve ser comparado com a previsão de um modelo teórico, através da superposição das barras de incerteza. Esta atividade pode ser parcialmente guiada a fim de permitir a sua realização em apenas um aula.

Sugestão de experimento: Determinação da velocidade de translação de uma esfera ao final de uma rampa de lançamento. Neste experimento, os alunos trabalharão com grandezas físicas simples com as quais já possuem familiaridade, podendo concentrar-se na compreensão da propagação de incertezas. As grandezas medidas diretamente serão o diâmetro da esfera (com paquímetro) e o tempo de obstrução de um photogate colocado no final da rampa. A velocidade da esfera é determinada indiretamente pela razão do diâmetro pelo tempo de obstrução. A velocidade obtida experimentalmente poderá ser comparada com uma previsão teórica (via conservação de energia mecânica). Essa previsão também oferece oportunidade para trabalhar a propagação de incerteza, pois será necessário determinar experimentalmente as alturas inicial e final da esfera, assim como a sua massa. Em uma primeira previsão, provavelmente os alunos irão ignorar a rotação da esfera, obtendo um valor menor de velocidade do que o medido. O modelo então poderá ser aprimorado com a inclusão da energia cinética de rotação da esfera, obtendo um valor mais próximo do experimental. O experimento introduz a noção de que um modelo pode não ser adequado para descrever o experimento e, em vista do resultado experimental em desacordo, talvez precise ser revisto. É importante utilizar esferas bem lisas (como esferas de rolamentos) para evitar a dispersão da velocidade de translação. É possível utilizar diferentes tipos de esfera (feitas de plástico, metal, borracha) que evidenciam o atrito de rolamento.

Experimento 3 – Trabalha a incerteza associada a medições repetidas que não fornecem o mesmo resultado, apesar de realizadas sob condições aparentemente idênticas. O experimento deve permitir uma visualização clara da dispersão dos dados e uma compreensão mais concreta (menos abstrata do que números em uma tabela ou outros valores numéricos) do significado de conceitos como média e desvio-padrão dos dados. O experimento deve envolver muitas repetições para elaboração de histogramas que mostram uma tendência a uma distribuição gaussiana à medida que o número de repetições aumenta.

Sugestão de experimento: Determinação do alcance de uma esfera lançada por uma rampa de lançamento. Neste experimento, os estudantes trabalham novamente com grandezas físicas simples e é um experimento que segue o anterior. Agora o alcance da esfera é determinado pela marca deixada em papel milimetrado pelo uso de papel carbono no local de impacto da esfera. Novamente, o alcance médio poderá ser comparado com a previsão teórica obtida através do mesmo modelo que no Experimento 2, mas acrescentando o momento de queda livre da esfera. Utilizando esferas com sutis deformações (como bolas de gude ou esferas de madeira), haverá uma clara dispersão do alcance. É possível discutir quantos eventos são necessários para que o desvio padrão atinja um valor estável e para que a incerteza da média se torne menor que outras incertezas envolvidas.

Experimento 4 – Atividade para trabalhar a necessidade de se revisar os procedimentos experimentais iterativamente e reflexivamente. Os alunos devem ter controle significativo sobre o procedimento experimental e tomar várias das decisões relacionadas. O procedimento experimental deve ser simples de modo que os estudantes se concentrem na análise e iteração. O experimento deve dar à análise de incerteza um objetivo autêntico, não sendo uma mera rotina automatizada sem objetivo claro: em um primeiro momento, o fenômeno de interesse deve ficar “escondido” na dispersão dos dados e aparecer após aprimoramento do experimento. Preferencialmente, as condições de execução do experimento devem ser tais que um modelo do fenômeno seja propenso a falhar.

Sugestão de experimento: Dependência angular do período de oscilação de um pêndulo simples. Os alunos devem medir o período de oscilação para dois ângulos de lançamento (${10}^{\circ }$ e ${20}^{\circ }$, por exemplo). O modelo $T=2\pi \sqrt{L/g}$, conhecido pelos estudantes, sugere que o período é independente do ângulo e as medições em ${10}^{\circ }$ e ${20}^{\circ }$ não devem diferir. Deve-se instruir os alunos a respeito do que eles precisam medir, mas não como fazer a medição. Tipicamente, numa primeira rodada de medições, os resultados para os dois ângulos serão indistinguíveis. Os alunos serão então encorajados a aprimorar a medição, reduzindo as incertezas (através do acúmulo de oscilações do pêndulo), a fim de perceber que os períodos para os dois ângulos são de fato diferentes.

Experimento 5 – Objetiva explorar a geração de conhecimento “novo” através da experimentação. A atividade deve consistir de um experimento para o qual os alunos não conheçam de antemão a resposta. Através da análise dos dados, os alunos devem obter a lei de escala que rege o fenômeno observado. Introduz também o conceito de ajuste aos dados através do traçado de uma reta. É fundamental que o roteiro do experimento não contenha uma introdução teórica do fenômeno na qual um modelo é apresentado.

Sugestão de experimento: Formação de crateras em bacia com areia [²⁶]. Neste experimento, a lei de escala que rege a dependência do raio da cratera em função da altura de lançamento (ou energia potencial) de uma esfera de aço é determinada experimentalmente. Este experimento oferece várias oportunidades para os alunos planejarem a execução do experimento, envolvendo medições simples (comprimento e massa). A fim de coletar dados suficientes para observação adequada da lei de escala, a esfera deve ser lançada de alturas cobrindo duas ordens de grandezas: de 10 cm a 2 m de altura. A partir do resultado obtido para a lei de escala, os alunos podem decidir entre dois modelos possíveis para o fenômeno.

Experimento 6 – Ajuste linear de dados experimentais usando o MMQ. O experimento deve produzir resultados experimentais que demonstram uma clara relação linear direta entre as variáveis dependente e independente, sem necessidade de linearização, e preferencialmente de maneira robusta e sem grandes dispersões nas medidas. A aplicação do MMQ deve produzir um resultado que possa ser comparado com resultados de medições alternativas simples. Deve-se a partir deste experimento explorar a Lei de Propagação de Incertezas.

Sugestão de experimento: Experimento da Lei de Ohm (curva característica de um resistor). Aqui, deve-se ajustar os dados de $I$ (variável dependente) em função de $V$ (variável independente). Os valores medidos costumam se dispor ao longo de uma reta de maneira robusta. Os alunos associarão o coeficiente angular da reta ajustada com (o inverso da) resistência. O valor obtido (com incerteza) deve ser comparado com o valor nominal (com sua tolerância) e com o valor obtido por medida direta com multímetro (com sua incerteza). Essa comparação pode ser qualitativa ou, preferencialmente, quantitativa utilizando o método do valor-t’. Adicionalmente, os estudantes podem fazer um gráfico de $V/I$ em função de $V$, que deve resultar em uma reta horizontal (constante) e é a expressão da Lei de Ohm. Os alunos medem corrente, tensão e resistência com um multímetro digital e aprendem a avaliar a incerteza de calibração deste instrumento considerando as diferentes escalas.

Experimento 7 – Atividade que visa explorar o limite de validade de um modelo devido às aproximações feitas para obtê-lo. O experimento deve demonstrar um comportamento linear entre as variáveis independente e dependente dentro de um intervalo. Fora desse intervalo, a relação deve desviar do comportamento linear. Os alunos devem escolher os pontos experimentais no intervalo de validade do modelo, a fim de realizar um ajuste via MMQ. Preferencialmente, o caráter não linear deve contrastar com as pré-concepções típicas dos alunos a respeito do fenômeno, de forma a evidenciar o limite de validade do modelo.

Sugestão de experimento: Lei de Hooke. Os alunos medem a distensão de uma mola em função de uma força peso aplicada à mola. Dois tipos de mola devem ser explorados: molas com separação nula entre as espiras e molas com as espiras separadas. As molas com as espiras separadas seguem a Lei de Hooke. As molas com separação nula das espiras seguem a Lei de Hooke apenas após a força peso superar a tensão interna que mantém as espiras juntas. O desvio da Lei de Hooke se manifesta nos dados através de um coeficiente linear não nulo. Para pequenas distensões dessa mola, o comportamento distensão vs. peso é não-linear.

4.2. F 259 – Introdução à Física Experimental II

4.2.1. Ementa e proposta pedagógica

A disciplina avança no conteúdo aprendido na disciplina anterior e desenvolve a independência e confiança dos alunos em suas habilidades experimentais por meio de experimentos mais abertos. Assim como na disciplina anterior, o foco é no desenvolvimento dessas habilidades e não no ensino ou reforço de conceitos de Física, embora conceitos e relações físicas possam ser explorados. A ementa dessa disciplina inclui:

• Produção de gráficos em computador;

• Linearização de modelos não-lineares;

• Ajuste linear por software;

• Coleta de dados a partir da análise de um vídeo;

• Desvios sistemáticos nos dados;

• Uso de instrumentos de medição de grandezas eletromagnéticas (multímetro, osciloscópio e gerador de funções) e de grandezas termodinâmicas (termômetro de dilatação, termopar e termistor);

• Celular “smartphone” como instrumento de medição (câmera e sensores);

• Medições de calibração: curvas de calibração;

• Coleta automatizada de dados via software;

• Testes de modelos; comparação de modelos; uso de modelos para fazer previsões a respeito de resultados esperados;

• Reportar resultados experimentais em um formato formal: relatório escrito e apresentação oral;

• Trabalho em equipe e ética científica.

Os alunos passam a fazer ajustes lineares através de software regularmente. Introduzimos medições mais elaboradas, inclusive utilizando sensores de smartphones como aparelhos de medição [²⁷]. Inclusive, explorando-se o uso do smartphone como instrumento de medição, pode-se fazer medições quantitativas até mesmo em casa. Por exemplo, o experimento de ondas acústicas foi originalmente concebido para ser oferecido de forma remota.

A disciplina trabalha a linearização dos dados como etapa preliminar ao ajuste de uma reta aos dados linearizados, ressaltando as diferentes transformações de variáveis e incertezas. Em todos os experimentos, os roteiros são menos detalhados que na disciplina anterior, evitando-se roteiros que descrevam o passo a passo do procedimento experimental e/ou que prescrevam os valores que devem ser obtidos no experimento. Os alunos assumem a responsabilidade por partes do planejamento experimental. Por exemplo, em alguns experimentos, os alunos escolhem quais instrumentos utilizar a partir de considerações sobre a resolução necessária para observar os fenômenos de interesse ou escolher as regiões mais relevantes do espaço de parâmetros do experimento.

Os experimentos são apresentados com um modelo que deve descrever o fenômeno observado e com a proposta de utilizar um ajuste do modelo aos dados experimentais que serão coletados pelo grupo para estimar o valor de algum parâmetro P do modelo. O guia de laboratório não apresenta derivações detalhadas dos modelos, mas destaca as aproximações feitas para chegar ao modelo e quais os limites de validade destas. Tendo em conta que os estudantes ainda estão no início do desenvolvimento de suas habilidades experimentais, escolhemos experimentos para os quais exista um valor esperado para P, ou então seja possível estimar seu valor a partir de outras informações. O conhecimento de um valor esperado para P é importante para que os alunos tenham a oportunidade de fazer uma análise crítica dos seus resultados experimentais no relatório.

Cada experimento tipicamente ocupa duas aulas, a fim de permitir que os alunos tenham tempo para revisar os procedimentos e aprimorar os resultados experimentais a partir do retorno dado pela equipe docente em resposta a um planejamento experimental enviado após a primeira aula, idealmente contendo dados preliminares e sua análise. As exceções são os experimentos 3 e 6, cuja proposta é apresentar uma nova técnica (a realização de medições de calibração) ou instrumento (o osciloscópio) aos estudantes e, portanto, são mais dirigidos para que o foco possa ser exclusivamente o aprendizado desta e não a aplicação das demais habilidades que pretendemos desenvolver ao longo da disciplina.

Outro aspecto importante desta disciplina é a ênfase dada às questões relacionadas à ética científica e ao trabalho em equipe. Em particular, o compartilhamento de responsabilidades experimentais com outros membros da equipe (por exemplo, o rodízio de papéis, permitindo que outros liderem o trabalho) e a consideração de questões de ética científica ao analisar dados e comunicar resultados. Nesse último, questões trabalhadas incluem: lidar com pontos espúrios, lidar com dados e resultados que não estejam em acordo com previsões ou expectativas e lidar com dados e resultados que estejam em acordo com previsões.

Por fim, há um reforço e uma expansão na forma de apresentação de resultados, com relatórios mais completos, mas ainda concisos, além de seminários e outras formas de comunicação oral. Além de uma seção do Guia de Laboratório dedicada aos elementos de um relatório e a como escrevê-los, exemplos de escrita científica, na forma de artigos da Revista Brasileira de Ensino de Física e do Caderno Brasileiro de Ensino de Física, são disponibilizados aos alunos como material de apoio.

4.2.2. Implementação

Abordamos a seguir a implementação sugerida para a disciplina. As habilidades trabalhadas em horas-aula estão detalhadas na Tabela 2. Chamamos a atenção para o fato de que os experimentos ocupam quase todas as horas-aula da disciplina, sem margem para aulas expositivas. Descrevemos as principais características que os experimentos devem possuir a fim de trabalhar as habilidades. Sugerimos mais adiante os experimentos que atendem essas características, mas quaisquer outros podem ser utilizados contanto que atendam aos requisitos listados.

Tabela 2
Tabela de experimentos, habilidades trabalhadas e número de aulas sugerido para F 259.

Exp.	Habilidades	# Aulas
1	Ajuste linear por software e produção de gráficos em computador.	2
2	Comparação de modelos, linearização de modelo não-linear e efeitos sistemáticos.	2
3	Familiarização com osciloscópio e medição de tensões contínua e alternada.	1
4	Linearização de dados e comparação de técnicas de medição diferentes.	2
5	Experimento de aplicação.	2
6	Medições de calibração.	1
7	Coleta automatizada de dados.	2

Atualmente, a disciplina F 259 se encontra em um estado intermediário de implantação, com apenas cinco experimentos, sendo o último um miniprojeto exploratório de três aulas. Este é de livre escolha dos grupos, dentro do tema de fenômenos relacionados à tensão superficial e/ou viscosidade de líquidos. Uma lista de sugestões é apresentada, mas os grupos são livres para propor outros experimentos. Esta é uma versão mais restrita da proposta de F 359, pensada para que os estudantes que não têm esta última disciplina em sua grade possam exercitar ao menos uma vez a sequência completa de habilidades experimentais, começando pela proposta de fenômeno a ser estudado.

Novamente, a leitura do Guia de Laboratório (contendo roteiro dos experimentos) e/ou livros-texto com teorias e modelos relevantes é a forma preferencial de transmissão do conteúdo da disciplina. Um curto momento no início das aulas pode ser utilizado para revisão, mas isso se faz preferencialmente solicitando o engajamento dos estudantes através, por exemplo, do formato de sala de aula invertida (em oposição a aulas expositivas). Recursos como videoaulas podem ser utilizados para aprendizado assíncrono conforme disponível.

4.2.3. Experimentos sugeridos

Experimento 1 – Nesse primeiro experimento, o foco está no tratamento de dados no computador (produção de gráficos e ajuste linear). O experimento exibe uma dependência linear entre as variáveis dependente e independente, sem necessidade de linearização. Aqui, introduzimos o uso do celular como instrumento de medição, explorando um dos seus diversos sensores. Esse é necessariamente um experimento observacional, no qual os alunos “descobrem” o fenômeno experimentalmente. Os alunos não têm expectativas a respeito do fenômeno e não conhecem a priori a “resposta”. (Portanto, é essencial que o roteiro do experimento não apresente um modelo matemático para o fenômeno e uma introdução teórica ao assunto deva ser apenas qualitativa.) Os alunos coletam os dados, analisam e encontram um padrão nesses dados. A seguir, encontram uma relação matemática que descreva o padrão observado.

Sugestão de experimento: Caracterização do campo magnético de uma bobina de Helmholtz [²⁸]. Os alunos poderão investigar a dependência da magnitude do campo magnético gerado com a corrente elétrica passando pela bobina. Aqui, pode-se explorar o sensor de campo magnético presente em muitos smartphones para medir o campo magnético da bobina.

Experimento 2 – Esse deve ser um experimento no qual os alunos têm oportunidade de utilizar os resultados experimentais a fim de comparar diferentes modelos para um determinado fenômeno. Os alunos percebem que os modelos são muito diferentes para uma região de parâmetros e muito similares para outra, de forma a entenderem que é importante conhecer de antemão o comportamento esperado do modelo para poder sondar as regiões mais relevantes do espaço de parâmetros. Após montado, o experimento é filmado (com o celular) pelos alunos para obtenção dos dados. A fim de analisar os dados, é necessário realizar uma linearização de função do tipo $x^2$, $x$ ou de complexidade similar, mas com coeficiente linear diferente de zero (funções linearizáveis simples para as quais o logaritmo não pode ser aplicado). Neste experimento, os alunos também percebem que medições podem estar sujeitas a efeitos sistemáticos que afetam a acurácia do resultado.

Sugestão de experimento: Montagem de um pêndulo a partir de um cilindro oco e longo, para que possam obter uma faixa significativa de valores para a distância $D$ do ponto de fixação ao centro de massa. Para valores pequenos de $D$ o comportamento do pêndulo é muito diferente do previsto para o pêndulo simples. Contudo, para valores grandes de $D$ a previsão dos dois modelos converge e a diferença pode se tornar menor que a incerteza na medição do período. Aqui, o efeito sistemático aparece em $D$ por dois motivos: o centro de massa não está necessariamente no centro geométrico do pêndulo e o ponto de fixação do pêndulo não é o centro do furo por onde passa o arame de fixação. Pode levar a desvios importantes no valor da aceleração da gravidade determinado pelo ajuste.

Experimento 3 – Atividade de introdução e familiarização com o manuseio e ajuste de gerador de funções e osciloscópio digital. Experimentos com circuitos elétricos simples diversos, tais como divisor de tensão, retificador, filtro RC, dentre outros que possibilitem aos alunos realizar medidas simples (amplitude, frequência, fase, etc.) de sinais de tensão elétrica (contínua e alternada) em um osciloscópio. Nesta atividade introdutória, é importante destacar conceitos relacionados à tensão DC, AC e terra. Essa deve ser uma atividade mais guiada a fim de que possa ser concluída em uma única aula.

Experimento 4 – Nesta quarta atividade, os alunos continuam a lidar com circuitos elétricos simples nos quais possam realizar medições com aparelhos de medição como multímetro e osciloscópio. É escolhido um circuito no qual, para a análise dos dados, é necessária uma linearização dos dados diferente da explorada no Experimento 2. O experimento oferece aos alunos a oportunidade de comparar o resultado experimental obtido usando métodos/técnicas diferentes de medição (e com incertezas diferentes), reforçando o método de comparação quantitativo (valor-t’) introduzido na disciplina anterior.

Sugestão de experimento: Circuito RC. Envolve a linearização de função exponencial. Neste experimento, pode-se obter a constante de tempo do circuito de três maneiras diferentes: ajuste aos dados, valores nominais de R e C, medição direta de R e C com o multímetro.

Experimento 5 – O objetivo desta atividade é trabalhar a habilidade do aluno de resolver um problema experimental ou determinar uma grandeza desconhecida através de um experimento. O experimento deve aprofundar as habilidades aprendidas no experimento anterior envolvendo circuitos elétricos e oferece mais uma oportunidade para uso do osciloscópio. Os alunos planejam como resolver o problema e executam o experimento. Para resolver o problema proposto, os alunos devem conectar ideias ou conceitos diferentes, de tópicos distintos de Física (ex., ondas acústicas e eletricidade) e tomar decisões práticas. Mais especificamente, o experimento precisa oferecer diferentes parâmetros livres, os quais devem ser otimizados pelos alunos.

Sugestão de experimento: Determinação da velocidade do som em metais via circuito RC. Devem ser disponibilizadas aos alunos diversas opções de resistores e capacitores para que otimizem o tempo de resposta do circuito a fim de conseguirem realizar a medição. Este experimento retoma e aprofunda os conhecimentos e habilidades desenvolvidos no experimento de circuito RC, além de usar esse conhecimento em uma aplicação.

Experimento 6 – Realizar a calibração de um instrumento ou sensor para o qual a acurácia não está especificada. O experimento proporciona ao aluno a compreensão de que em uma calibração é feita uma correspondência entre a resposta do dispositivo e valores de referência conhecidos. O experimento oferece a oportunidade de construção de uma curva de calibração e ajuste dos dados a um modelo de modo a obter a equação de calibração do dispositivo. O modelo é linearizável de modo a permitir um ajuste linear aos dados.

Sugestão de experimento: Calibração de um termistor NTC. A resistência deste sensor pode ser modelada como $R=A{e}^{B/T}$, oferecendo a oportunidade de uma nova modalidade de linearização ainda não explorada nos experimentos anteriores.

Experimento 7 – Este último experimento introduz o conceito de coleta de dados automatizada, em que o grupo ajusta os parâmetros do programa que realiza a coleta, como valor inicial do parâmetro, valor final, passo entre os valores e número de pontos. O procedimento automatizado permite que os alunos lidem com conjuntos de dados muito maiores que os coletados manualmente, de forma a valorizar o tratamento de dados utilizando software. A automatização é implementada através de um celular smartphone.

Sugestão de experimento: Identificação de ressonâncias acústicas em tubos e garrafas [²⁹]. Através de um aplicativo de gerador de sinais (e.g. Phyphox), pode-se gerar via celular uma varredura em frequência de uma onda sonora produzida pelo celular. Neste experimento é possível varrer uma grande faixa de frequências, em geral ultrapassando o limite de validade das aproximações feitas para estimar a frequência das ondas estacionárias no tubo.

4.3. F 359 – Introdução à FísicaExperimental III

4.3.1. Ementa e proposta pedagógica

Esta é uma disciplina prática de métodos experimentais baseada em projetos. A disciplina é pensada para ser intermediária entre os laboratórios básicos e os laboratórios profissionais. Os projetos versam sobre diversos tópicos de Física, aprofundando as técnicas e habilidades trabalhadas nas duas disciplinas anteriores. Embora uma compreensão do fenômeno investigado seja importante, a ênfase maior é em como realizar um estudo científico e as habilidades necessárias para ir da concepção do experimento à análise dos resultados [³⁰]. Os projetos são compatíveis com o nível de habilidades experimentais e conhecimento dos alunos, além de usar pelo menos alguns dos equipamentos de medição com os quais os alunos já possuem familiaridade. A ementa desta disciplina é:

• Projetos em tópicos diversos de Física;

• Reportar formalmente seus resultados experimentais: relatório escrito e apresentação oral;

• Habilidades comportamentais e interpessoais: comunicação oral; trabalho em equipe e ética científica; resolução de problemas; capacidade de aplicar conhecimento na prática; análise crítica de dados e resultados; compreensão dos limites de modelos e interferência de equipamentos utilizados, assim como a identificação de situações de uso incorreto dos mesmos.

Os alunos têm autonomia completa, inclusive para escolher o tópico de estudo, porém sob condições externas bem definidas: tempo, recursos humanos, infraestrutura dos laboratórios de ensino e uso das oficinas do IFGW. Cabe ao professor avaliar a adequação e a viabilidade do projeto, além de aconselhar e guiar os alunos. Os alunos concebem, constroem e testam o aparato experimental, para em seguida medirem o fenômeno físico que escolheram. Eles analisam e interpretam os dados coletados. Adicionalmente, os alunos são guiados a consultar a literatura para aprender as bases teóricas do fenômeno investigado, encontrar constantes físicas e parâmetros de materiais.

Tentativas e erros fazem parte do trabalho. Logo, é importante que os alunos tenham tempo suficiente para o desenvolvimento dos projetos. Sendo assim, os alunos desenvolvem apenas um único projeto ao longo do semestre letivo. Antes de começar a montar o experimento, os alunos são estimulados a discutir qual é a grandeza física que pretendem medir, os princípios físicos subjacentes e o aparato experimental, dando aos alunos um ponto de partida para trabalharem no projeto. Ao final do projeto, os alunos apresentam os seus resultados no formato de um relatório escrito. Como o docente nem sempre saberá de antemão as respostas às perguntas postas nos projetos e nem detalhes de como os experimentos foram montados e executados, cria-se uma necessidade autêntica dos alunos reportarem adequadamente os seus resultados. Adicionalmente, no final do semestre letivo, os alunos também apresentam seus resultados no formato de pôster. A apresentação do pôster é aberta a toda a comunidade do IFGW.

4.3.2. Implementação

A Tabela 3 mostra uma distribuição típica das aulas desta disciplina. Após se organizarem em grupos de 3 ou 4 integrantes, os alunos têm 3 aulas para planejar e propor um plano de trabalho. Durante esse tempo de planejamento, o docente conversa com os grupos, toma ciência do que os alunos estão considerando para projeto e avalia a viabilidade do projeto considerando a infraestrutura e parque de equipamentos do laboratório de ensino, dificuldade do projeto e outros fatores. Caso o docente julgue que o projeto é inviável, os alunos são orientados a escolherem outro projeto. O plano de trabalho deve conter o problema de pesquisa que eles escolheram investigar, uma hipótese a ser testada e a metodologia experimental a ser empregada.

Tabela 3
Organização das aulas de F359, com as atividades desenvolvidas e o número de aulas utilizadas. Um semestre letivo tem 15 aulas e cada aula tem duração de 2 horas.

Atividade	# Aulas
Planejamento	3
Apresentação oral do plano de trabalho	2
Execução do projeto	9
Seção de pôster	1

Os alunos têm ampla liberdade para escolher o tema do projeto. Frequentemente, um projeto baseado na Ref. [³¹] é escolhido. A Ref. [³¹] possui várias dezenas de sugestões de projetos nos mais variados tópicos de Física, mas os alunos podem também pesquisar projetos alternativos em revistas de ensino de Física, como a Revista Brasileira de Ensino de Física e o American Journal of Physics, além de outras fontes como problemas do International Physicits’ Tournament (IPT).

Uma formulação clara e objetiva do problema de pesquisa é fundamental para o sucesso do projeto. Perguntas muito abertas (por exemplo, “Quais fatores afetam o período de oscilação de um pêndulo físico?”) são desestimuladas. Perguntas objetivas (“De que maneira o ângulo inicial de lançamento afeta o período de oscilação de um pêndulo físico?”) dão foco aos alunos, pois definem claramente as variáveis dependente e independente do experimento e direcionam o trabalho. Problemas de pesquisa que visam verificar a validade de conceitos físicos muito conhecidos e bem estabelecidos também são desestimulados. Por exemplo, em vez de realizarem um experimento apenas para verificar a validade da Lei de Snell, os alunos podem usar essa lei para determinar de que modo o índice de refração de uma solução de água com sal depende da concentração de sal. Dessa forma, os alunos são incentivados a descobrir algo “novo” a partir do experimento, ao invés de simplesmente reforçarem algo já bastante conhecido. Uma vez definida a pergunta e a literatura pertinente ter sido consultada, os alunos elaboram uma hipótese a respeito do fenômeno que irão investigar. A hipótese formulada precisa ser testável e estar fundamentada em algum conceito, lei ou modelo físico. O passo seguinte envolve planejar a metodologia experimental pensando nos equipamentos que serão utilizados e em como o experimento será executado. Se for necessária a aquisição de algum insumo para a realização do projeto, os alunos precisam localizar um fornecedor e providenciar uma cotação.

O plano de trabalho é apresentado no formato de uma apresentação oral de 10 minutos pelos membros do grupo perante toda a turma. A apresentação oral é seguida de alguns minutos de perguntas, durante as quais o docente avalia e faz críticas e sugestões ao plano apresentado. Devido ao número de grupos numa mesma turma, a apresentação oral dos grupos se dá em duas aulas.

Os alunos têm então aproximadamente 9 semanas para desenvolverem seus projetos. Os projetos frequentemente envolvem o desenvolvimento de peças dos mais variados materiais, como mdf, vidro, alumínio, ferro, etc. Os alunos precisam, portanto, interagir com funcionários da oficina mecânica, vidraria, etc. do IFGW. Um dos projetos mais populares é o de propulsão eletromagnética de uma esfera de aço [³¹], no qual os alunos precisam enrolar um solenóide. Questões práticas como escolher o raio e comprimento do solenóide, bitola e comprimento do fio, dentre outras, são avaliadas pelos alunos. Os alunos têm acesso a uma impressora 3D dedicada à disciplina, assim como ao espaço maker da universidade, no qual contam com uma máquina de corte a laser. Ao longo do semestre, os alunos vão entregando, em datas predeterminadas, relatórios parciais que consistem das diferentes seções do relatório final (Modelo Teórico, Metodologia Experimental, Resultados, etc.). A correção dos relatórios parciais serve como devolutiva aos alunos que podem posteriormente implementar as correções e sugestões feitas no relatório final. Um outro propósito importante dos relatórios parciais é ditar aos alunos o andamento do projeto.

Na última aula do semestre letivo, os alunos apresentam os seus resultados numa seção de pôster que ocorre no horário da aula – Figura 1. As seções são amplamente divulgadas dentro do IFGW e os alunos têm a oportunidade de apresentar e discutir seus trabalhos com outros alunos de graduação, pós-graduação e docentes do IFGW. Projetos bem executados, com resultados inéditos, podem inclusive ser publicados, proporcionando aos alunos a experiência adicional de preparação e submissão de um artigo científico [³²].

Figura 1
Seção de pôster da disciplina F 359 – Introdução à Física Experimental III.

5. Considerações Adicionais

Nesta reforma dos laboratórios de ensino, demos especial atenção ao currículo das disciplinas, procurando desenvolver as habilidades relevantes para a física experimental. Outros aspectos importantes de uma disciplina, como a avaliação e a metodologia de ensino, não foram objeto desta reforma. Nesta seção, fazemos algumas considerações a respeito desses aspectos.

5.1. Sobre as avaliações

Relatórios experimentais constituem um dos métodos mais tradicionais de avaliação dos alunos em disciplinas experimentais. Embora sejam eficazes para a avaliação de algumas habilidades, como, por exemplo, habilidades de comunicação, deixam a desejar na avaliação de outras habilidades experimentais.

Nas novas disciplinas, aplicamos alguns métodos diferentes de avaliação, de modo que as desvantagens de um método possam ser compensadas pelas vantagens de outro. No conjunto das disciplinas, os métodos de avaliação empregados exploram diferentes aspectos de aprendizado e de desenvolvimento das habilidades pelos estudantes.Em F 159, a avaliação é feita de forma mais tradicional utilizando relatórios e provas escritas, enquanto F 259 inclui um seminário. Já em F 359, a avaliação é feita através de relatórios, arguições e apresentações.

Enquanto o conteúdo das disciplinas é definido pelas ementas e independe do docente responsável pela turma, a avaliação pode, em princípio, variar dentro de parâmetros estabelecidos pela coordenação da disciplina ou do curso. Por conta disso, nas três disciplinas, muitas das avaliações são feitas por rubricas padronizadas, ajudando a mitigar a subjetividade e garantindo consistência entre as turmas de uma dada disciplina.[³³, ³⁴]

5.2. Sobre o modelo das aulas

Durante o tempo no laboratório (horas-aula da disciplina), além de realizar experimentos, os estudantes participam de aulas. Essas aulas seguem a dinâmica de cada disciplina e de cada experimento em cada disciplina e variam ao longo do semestre. Em F 159, por exemplo, cada experimento começa com uma breve aula relacionada com as habilidades que serão trabalhadas no experimento. Algumas aulas podem ser mais interativas e/ou se aproximar do modelo de sala de aula invertida, enquanto em outros momentos uma aula expositiva mais curta pode ser preferível. Vale notar, novamente, que o conteúdo é mais estático e que o formato da aula pode mudar conforme o estilo do(a) professor(a) responsável pela turma. No caso particular da Unicamp, cada uma das disciplinas aqui discutidas terá vários docentes e cada docente terá seu estilo e forma como prefere ministrar sua aula. Essa proposta pode ser aplicada seguindo diferentes metodologias didáticas em sala de aula.

Um aspecto importante, entretanto, que tem sido implementado e aprimorado a cada semestre é a documentação completa do conteúdo das disciplinas F 159 e F 259. Tal material é disponibilizado aos estudantes com antecedência tal que é possível estudar e compreender quais competências e habilidades serão trabalhadas em cada experimento e a cada aula. Similarmente, há um mínimo de informação e recursos para a elaboração dos projetos de F 359. Com esse material, os(as) estudantes podem se preparar para as aulas de laboratório e compreender melhor a aula, interagir durante a aula e perceber dúvidas, propiciando uma discussão sobre o conteúdo durante a aula.

Laboratório de Física nos tempos do ensino remoto emergencial Durante o ano de 2020, em virtude da pandemia de coronavírus, a UNICAMP viu-se forçada a implementar o ensino remoto emergencial. As disciplinas de laboratório do básico do IFGW não foram exceção. Podemos apontar três lições importantes que as aulas remotas nos trouxeram e que podem ser aproveitadas a fim de aprimorar o ensino presencial nos laboratórios básicos.

Primeiro, temos as aulas assíncronas que permitem que os alunos estudem no seu próprio tempo e liberam mais tempo em sala de aula (laboratório) para o professor discutir com os grupos os trabalhos que estão desenvolvendo. Segundo, a realização de experimentos em casa através da disponibilização de kits experimentais que os alunos pegariam emprestado e depois devolveriam. Esses experimentos devem inclusive envolver materiais cotidianos, facilmente encontrados em casa. Através dos kits, foi possível durante a pandemia atingir vários objetivos pedagógicos fora do espaço do laboratório nas disciplinas antigas F X29. Inclusive, os laboratórios podem vir a ser usados como um espaço avançado; os alunos podem montar o experimento em casa e ir ao laboratório para fazer medições que não sejam possíveis sem alguns recursos difíceis de transportar ou caros demais para serem emprestados, como osciloscópios, por exemplo. Além de aproximarem os experimentos do dia a dia dos estudantes, experimentos em casa podem permitir contornar limitações ao cronograma impostas por um número excessivo de feriados ou por outras ocorrências em um determinado semestre. Terceiro, temos o uso do celular smartphone no qual a câmera e sensores diversos são explorados como instrumentos de medição, permitindo o registro quantitativo de dados, mesmo em casa.

De fato, estes três pontos estão parcialmente incluídos na implementação desta proposta: algumas aulas gravadas seguem sendo utilizadas como apoio ao material escrito disponibilizado, os estudantes são estimulados a realizar atividades experimentais fora do laboratório e o celular smartphone é utilizado em alguns experimentos (de forma prioritária ou opcional) como instrumento de medida. Assim, alguns aprendizados foram transferidos e incorporados na implementação desta proposta.

6. Conclusões

O novo modelo dos laboratórios de ensino básico do IFGW consolidou mudanças que viam ocorrendo lenta e organicamente ao longo dos últimos 15 anos, acompanhando as mais recentes propostas educacionais para o campo da formação profissional, em especial os conceitos e habilidades experimentais [⁷, ¹¹]. As mudanças pontuais nas disciplinas prepararam o caminho que tornou possível a implementação do novo modelo. Buscou-se aproveitar a infraestrutura já existente, aproveitando-se ao máximo experimentos existentes que melhor trabalhavam as habilidades específicas, evitando-se uma identificação temática dos experimentos com as disciplinas. É importante salientar que as disciplinas de física experimental debatidas são oferecidas em diversos cursos da Unicamp. Desta forma, a proposta de formação apresentada não visava à formação de um profissional em física experimental, mas sim ao desenvolvimento de habilidades essenciais para uma prática experimental diversa. Buscava-se repensar os modelos de ensino historicamente utilizados, bem como o próprio currículo dessas disciplinas. Assim, foi proposta a criação de três novas disciplinas experimentais, que viriam a substituir as anteriores, seguindo princípios de um ensino mais engajado e que proponha um desenvolvimento mais amplo das habilidades experimentais [¹⁰, ⁷, ¹¹].

Nesse processo de reformulação das disciplinas experimentais, uma preocupação recorrente foi a adaptação às condições específicas das diferentes unidades de ensino da Unicamp, de modo que cada unidade pudesse optar pela trilha que melhor se atendesse às necessidades de conteúdo e de carga horária dos seus cursos de graduação. A trilha completa tem 8 créditos, mas há a possibilidade de uma trilha de 4 créditos e uma outra de 2 créditos apenas.

O novo modelo está alinhado com as recomendações da AAPT e a trilha completa das três disciplinas proporciona aos alunos a oportunidade de desenvolver todas as habilidades recomendadas.

Disponibilidade de Dados

Este estudo não gerou nem analisou conjuntos de dados, por se tratar de uma proposta para disciplinas de ensino.

Referências

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• ^[22] E. Etkina, D.T. Brookes e G. Planinsic, J. Phys.: Conf. Ser. 1882, 012001 (2021).
• ^[23] INMETRO, Guia para a Expressão de Incerteza de Medição (GUM), https://www.gov.br/inmetro/pt-br/assuntos/metrologia-cientifica/documentos-tecnicos-em-metrologia/gum_final.pdf/view
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• ^[34] E. Etkina, D.T. Brookes e G. Planinsic, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 2, 020103 (2006).

• 1
  O Regimento de Graduação da Unicamp prevê que disciplinas podem contar com créditos de “orientação”, correspondentes às horas semanais nas quais os alunos desenvolvem atividades com autonomia, sem a presença do docente.
• 2
  Adotamos as recomendações do “Guia para expressão de incertezas de medição (GUM 2008)” [²³], documento traduzido pelo Inmetro.

Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  29 Maio 2026
• Data do Fascículo
  2026

Histórico

• Recebido
  19 Dez 2025
• Revisado
  01 Abr 2026
• Aceito
  15 Abr 2026