Didactic Structure Proposal for Physics Education in Engineering: Analysis of the Integrative Project Component

Costa, José Benicio da Cruz; Rodrigues, Alexandre Guimarães; Neves, Renato Martins das

doi:10.1590/1806-9126-RBEF-2025-0016

Produtos e Materiais Didáticos • Rev. Bras. Ensino Fís. 47 • 2025 • https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2025-0016 linkcopy

Didactic Structure Proposal for Physics Education in Engineering: Analysis of the Integrative Project Component

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Abstract

This paper presents an artifact materialized in the form of a didactic structure as a Basic Physics course aimed at training engineers in order to meet the training demands required by the National Curricular Guidelines for undergraduate engineering education (DCNs) and by the competency-based training paradigm. This artifact is composed by a heuristic called structuring triad. Both ones were developed and based on the Design Science Research (DSR) methodology. The assessment of the construct was carried out on its most complex component, the Integrative Project, via two methods: the analytical assessment that deals with the internal alignment and suitability of the purpose of the artifact to the DCNs; and the experimental assessment that deals with the adherence and quality of student participation in this component. There are also presented the types of resources developed and the general characteristics of the teaching-learning activities of the artifact. The internal consistency of the artifact proved to be robust, so that it met all the didactic updating requirements demanded by the research. Therefore, it is feasible to conclude that the educational product produced by this research proves to be particularly useful for updating physics teaching in the context of engineering.

Keywords
National Curricular Guidelines; Competency-based training; Physics teaching for engineering; Design Science Research; Integrative Project

#	Nome	Descrição do recurso
1	Projeto integrador LIDF (PI)	É a atividade de ensino-aprendizagem mais complexa e desafiadora do artefato, a qual é baseada na Instrução por Modelagem [²⁴, ²⁵] e Aprendizagem Baseada em Projetos ABPj [²⁶, ²⁷], sendo especialmente inspirada nos trabalhos desenvolvidos na Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo USP [²⁸]. O PI LIDF desafia o aluno a projetar, construir e comparar modelos físico e computacional vinculados a situações-problemas propostas ou não pela equipe docente que são análogas à prática profissional do engenheiro. Os alunos trabalham em equipe e produzem um relatório estruturado com base no que é fornecido pela equipe LIDF. Ao final deste percurso, defendem seus projetos de forma oral perante uma banca de avaliadores. Os alunos são estimulados a executar o projeto cumprindo marcos na forma de entregas claras com datas previstas em um cronograma, por exemplo: o memorial de cálculo do modelo. Os alunos contam ainda com vários recursos desenvolvidos para apoiar essa atividade. são eles: a) Guia do Projeto Integrador; b) Guia Sintético do PI LIDF; c) Tutorial de ferramenta de modelagem FTOOL; d) Tutorial de Software de Cálculo MathCad; e) Orientação para a confecção do Diário de Bordo da Pesquisa; f) Rubrica de avaliação da apresentação e g) Modelo de Relatório.
2	Atividade Mão na Massa (AMM) LIDF	Buscando promover oportunidade de aprendizagem pela prática [²⁴, ²⁵, ²⁹]. A equipe LIDF desenvolveu atividades experimentais que permitem aos alunos trabalhar em grupos de forma investigativa (diferente de práticas usuais de laboratório baseadas em procedimentos do tipo “receita de bolo”) onde a tomada de medidas físicas tem relevância e os alunos devem decidir o que deve ser medido e como será medido. As atividades são planejadas com um grau de complexidade adequado às condições de tempo, público e espaço físico disponíveis. Em alguns casos requerem um espaço físico e recursos apropriado para que os alunos possam se movimentar e interagir com os experimentos típicos da AMM⁵ [³⁰]. As AMMs se materializam para o aluno na forma de fichas como as dos exemplos a seguir da Máquina de Atwood e Momento de Inércia.
3	Aprendizagem Crítica de Rodrigues (ACR) [²³].	É um protocolo metacognitivo proposto por Rodrigues [¹³] que propõe ao aluno questionar-se sobre o processo de aprendizado. O exercício compreende um total de quatro auto-questionamentos: a) O que eu sei? b) O que eu não sei? c) Porque eu não sei? d) Porque eu deveria saber? Ou de outra forma, isso está relacionado a que? O recurso é aplicado recursivamente ao longo de todo o curso a fim de que o aluno sempre se conscientize sobre suas dificuldades, limitações e dos seus “pontos de partida” em nível conceitual e operacional, a fim de permitir que os elos entre os conhecimentos os seus conhecimentos prévios e os adquiridos se tornem mais duradouros e significativos.
4	O que está em jogo	É uma atividade em que o professor em sala de aula dialoga sobre as intencionalidades didáticas e sobre a relevância das atividades propostas para os alunos, utilizando um inventário previamente construído. Compreendendo ser essencial a busca de uma aprendizagem realmente significativa [²³, ³¹] criou-se essa estratégia que visa dar clareza ao aluno em relação aos aspectos formativos quanto ao que será mobilizado. Este recurso ajuda a contextualizar o conteúdo, seja declarando aos estudantes as habilidades/competências almejadas para a atividade proposta, seja tratando sobre os princípios de aplicação prática do que estão aprendendo ou sobre o que estão mobilizando na resolução do problema/situação trabalhada. Cada atividade LIDF tem seu próprio inventário O que está em jogo, como exemplo observe o recurso Prova LIDF: O que está em jogo na Avaliação.
5	Perguntas instigantes	Envolve a formulação de questões que desafiam os alunos a pensar criticamente e a refletir profundamente sobre o conteúdo estudado, ajudando o aluno a discernir e compreender o conceito central da pergunta de maneira precisa. Essas perguntas são projetadas para ir além da simples memorização de fatos, incentivando os alunos a explorar diferentes perspectivas, fazer conexões e desenvolver habilidades de pensamento crítico. O recurso emerge do professor ou dos alunos sob estímulo do docente e podem ser de qualquer natureza (conceituais, procedimentais, aplicadas, epistemológicas, etc…) ou grau de complexidade. Podem ser consideradas como fontes de perguntas instigantes: Listas conceituais do curso; dúvidas em relação ao procedimento de resolução de uma questão ou situação-problema proposta; desafio conceitual proposto em livro texto (ou de qualquer outra fonte); questionamentos em relação à aplicação dos conhecimentos em um contexto real de experimento ou de aplicação ao mundo das engenharias; questionamentos de natureza histórica ou filosófico a respeito de algum conceito e/ou teoria; questionamento sobre implicações éticas do conhecimento científico; etc. Normalmente separa-se uma parte do quadro (à direita) para o registro dessas perguntas em cada encontro letivo. A seguir, um documento que reúne as perguntas instigantes presentes nos relatórios do PI produzidos pelos alunos. Inventário de Questões Instigantes
6	Objetivos de Aprendizagem	São declarações claras e específicas feitas pelo professor que descrevem o que os alunos devem ser capazes de fazer ou entender após a conclusão da atividade. São normalmente, mas não obrigatoriamente, organizados com base nos capítulos da estrutura didática. Eles são fundamentais para orientar o planejamento e a avaliação do ensino, garantindo que tanto educadores quanto alunos tenham uma direção clara a seguir. Ajuda também a definir expectativas, motivar o engajamento, ao mesmo tempo que facilita a avaliação do progresso, permitindo que todos saibam exatamente o que se espera alcançar. Este recurso é construído com uma ferramenta autoral subsidiada pela Taxonomia de Bloom [³²]. A ferramenta de desenvolvimento do recurso sendo aplicado a uma avaliação na disciplina é apresentada como exemplo (Prova de Vetores)
7	Teste de leitura (Sala de Aula invertida adaptada)	Nesta atividade utiliza-se recursos de sala de aula invertida [³³] no qual o aluno recebe previamente o material para preparar-se para a aula, sendo inquirido na forma de um formulário eletrônico sobre aspectos de sua leitura. Exemplo de teste de leitura no. Teste de Leitura
8	Listas conceituais e seus processos de resolução	Recurso caracterizado por listas com questões originais que abordam conceitos-chaves ou estruturantes para a disciplina, abordando desde da concepção intuitiva do conceito até a conceituação matemática rigorosa do mesmo, passando por esmiuçar grandezas físicas, relações de dependência e análise dimensional. Incluem também aspectos que trabalham o ponto de partida do conceito em uma determinada situação-problema, passando por análise de casos limites entre outras possibilidades. Alunos recebem uma lista com questões conceituais com pelo menos 48hs de antecedência ao encontro presencial, respondem e debatem em sala com a mediação do professor. No debate deve-se buscar equidade na participação. Com base neste princípio é produzida em sala de aula uma construção colaborativa das respostas com foco na excelência conceitual apoiada na síntese que o professor consolida no quadro. Como exemplo do recurso, disponibilizamos três listas no link
9	Listas e resoluções dialogadas de exercícios e problemas	A resolução dialogada de exercícios e problemas concebida pelo LIDF é uma abordagem que promove a interação e a troca de ideias entre alunos e professores, preferencialmente na solução de problemas clássicos como aqueles que definem situações estruturantes da disciplina ou módulo, por exemplo no ciclo da dinâmica: problemas envolvendo blocos suspensos por cordas e polias em planos inclinados com diferentes angulações e condições de atrito. Possibilitam aos alunos a mobilização de saberes que estão relacionados aos objetivos de aprendizagem (do módulo) e/ou formativos do curso. O recurso pode ser potencializado com o uso concatenado com outros instrumentos metacognitivos do artefato, tais como O que está em jogo, Aprendizagem Crítica de Rodrigues; Perguntas Instigantes. O material é disponibilizado ao aluno para que de forma autônoma possa lidar com exercícios selecionados, originais e/ou adaptadas livro texto, com diversos graus de dificuldades. link com exemplo
10	Avaliação escrita individual	O recurso é concebido e estruturado levando em consideração os seguintes aspectos: Objetivos de Aprendizagem do módulo; as competências almejadas para o curso, níveis cognitivos de Bloom e a tabela do que está em jogo (item 4 deste quadro). Busca desafiar o aluno com questões abertas ricas em análises conceituais, procedimentais e operacionais. Esse tipo de avaliação vai além da simples memorização de informações, exigindo que os alunos demonstrem um entendimento profundo e apliquem seu conhecimento de maneira crítica, reflexiva e metacognitiva Um exemplo do recurso está disponível no link.
11	Portfólio	Documento individual no qual o aluno apresenta um conjunto de perguntas/questões que são escolhidas por ele próprio por serem consideradas como instigantes e/ou importantes para a sua aprendizagem e formação. A escolha pode ser relacionada à escolha das questões instigantes realizadas ao longo do curso, mas não fica restrita a ela. O aluno deve responder a cada pergunta escolhida e justificar a escolha da mesma para compor o documento. Em cada encontro os alunos são estimulados pelo professor a criarem e registrarem seus próprios questionamentos a respeito do objeto de conhecimento trabalhado. Tal recurso constitui-se como um recurso de dupla finalidade que demanda e promove engajamento cognitivo de alto nível e que, como tal, pode contribuir para uma aprendizagem significativa para os aprendizes. Os alunos contam com a orientação do professor bem como o documento de Orientação a seguir: Orientação Portfólio

SIGLA	Questionamentos estruturantes desenvolvidos no trabalho
QE.1	Como transmitir aos alunos a responsabilidade em ser protagonista do processo de aprendizagem? Como colocá-los no “jogo” para provocar mudança de atitude por parte deles, ao mesmo tempo em que se destaca os desafios enfrentados pelo engenheiro e a centralidade do papel do estudante?
QE.2	O que os alunos consideram importante para a formação deles? Ou ainda, como eles percebem as principais intencionalidades didáticas e formativas por parte do docente?
QE.3	Quais saberes, habilidades e competências devem ser levados em conta na física básica para a formação de engenheiros?
QE.4	Que vivências se almeja para a formação dos engenheiros? Que práticas de ensino-aprendizagem e avaliativas devem ser proporcionadas aos alunos? Que tipos de desafios e de tarefas devem ser propostas?

SIGLA	Requisitos fundamentais para inovação didática de qualidade efetiva
RF.1	Levar em consideração a curiosidade e a percepção do aprendiz em relação ao que é apreendido por ele próprio;
RF.2	Estimular questionamentos reflexivos visando a promoção de aprendizagem significativa.
RF.3	Conter atividade complexa baseada em projetos (ABPj) que emule a prática usual do engenheiro;
RF.4	Atender a um conjunto de habilidades e competências previamente estabelecidas;
RF.5	Estar alinhado às práticas inovadoras;
RF.6	Conter variados e diversificados recursos de ensino-aprendizagem a fim de atender diversas demandas formativas;
RF.7	Conter atividades experimentais investigativas;
RF.8	Conter ampla variedade de modalidades avaliativas;
RF.9	Ser adequado à carga horária prevista no PPC do curso.

SIGLA	Objetivos fundamentais para inovação didática de qualidade efetiva
OF.1	Analisar e compreender conceitualmente os fenômenos físicos por meio de modelos físicos matemáticos e computacionais verificados e validados por experimentação;
OF.2	Conceber, projetar, analisar e gerenciar sistemas, produtos (bens e serviços), componentes ou processos;
OF.3	Comunicar-se eficazmente na forma escrita, oral e gráfica;
OF.4	Desenvolver/Potencializar a capacidade de trabalho em equipe;
OF.5	Aprender de forma autônoma a lidar com situações e contextos complexos sendo capaz de assumir atitude investigativa e autônoma com vista também a aprender a aprender.

Recurso (ferramenta)	Finalidade no PI
Guia PI – LIDF	–Apresentar o desafio proposto; –Apresentar as etapas previstas para o projeto; –Clarificar os papeis e as ações de todos os participantes (equipe de coordenação e estudantes); –Delinear as competências gerais e transversais a serem desenvolvidas no projeto; –Elaborar o cronograma contendo todos os marcos de entrega previstos no projeto –Descrição das modalidades e dos critérios de avaliação utilizados no projeto (tanto para o relatório quanto para a apresentação da pesquisa); –Referências bibliográficas. –Estrutura de apêndices (Esboço do Modelo Físico; Imagem do Modelo Computacional; Tabela de Conceitos e/ou Mapa Conceitual; Questões Desafiadoras)
Regras do desafio	Orientar os alunos e facilitar a orientação dos alunos em relação ao que é permitido em termos de materiais e de formatos de ponte.
Manual de Diário de Bordo	Orientar o registro dos processos que levam a equipe a cumprir o desafio
Modelo de relatório	–Orientar os alunos na confecção do relatório. –Tornar transparente os requisitos para avaliação do relatório pelo professor. –Explicar o que é cada um dos itens presentes do Relatório de Pesquisa
Rubrica de avaliação	Guiar professores e alunos sobre o modo como estão sendo avaliados, quais são as habilidades, conhecimentos e/ou atitudes que se espera potencializar.
Práticas integrativas	São treinamentos, recursos ou tutoriais destinados a apoiar os alunos no cumprimento do desafio.

Competência	Sim/Não	Argumento
I	Sim	As competências associadas ao item I do Artigo 4o. da DCN dizem respeito à “formular e conceber soluções desejáveis de engenharia”. O desafio proposto na atividade PI é caracterizado justamente por conter algo análogo à prática do engenheiro. A escolha de projeto de ponte por parte de cada equipe não era aleatória, pois deveria levar em conta a capacidade de modelagem computacional do projeto. Os registros, incluindo a memória de cálculo do projeto, deveriam ser registrados no relatório de pesquisa, o que justifica a escolha das competências da linha superior.
II	Sim	As competências dos itens II (voltada para a análise de fenômenos físicos) e III (relativa aos componentes estruturais de projetos de engenharia: sistemas; produtos, componentes e processos) dizem respeito ao cerne do PI: analisar, compreender, modelar, conceber, aplicar, prever, verificar e validar modelos físicos e computacionais.
III		Em relação à parte de fenômenos físicos foi analisada a parte de estabilidade mecânica (resultantes de forças com cálculo de nós em treliças e de torques) mediante esforço mecânico e ruptura por via de ensaio destrutivo. Em relação aos requisitos de engenharia, o artefato foi modelado computacionalmente com finalidade de prever resistência dele ao ensaio destrutivo. Os alunos foram inquiridos também a explicar as diferenças entre o modelo físico e o modelo computacional. A atividade PI foi concebida com todas essas intencionalidades formativas que satisfazem, portanto, aos itens II e III descritos no Artigo 4o. da DCN. De uma forma geral, os alunos tiveram pleno êxito no desenvolvimento das competências listadas acima.
IV	Não	Os termos “implantar, supervisionar e controlar as soluções de Engenharia” referentes à competência IV da norma dizem respeito às experiências com projetos reais de engenharia e que, portanto, estão além das vivências proporcionadas por um curso de física básica.
V	Sim	A competência V diz respeito ao domínio das formas de comunicação (oral, escrita e gráfica). Sendo a atividade de mais alta complexidade do artefato, as demandas em relação às formas de comunicação do PI acompanham também os mais altos níveis de exigência. O projeto integrador exige a produção de relatório de pesquisa com vários subitens, bem como produção de material audiovisual para servir como base para a apresentação oral que é acompanhada por arguição por parte de banca examinadora, pela qual as equipes recebiam feedback das principais etapas da pesquisa (relatório e apresentação). Várias equipes apresentaram resultados excelentes (parte escrita e oral), sendo que muitos alunos destacaram que nunca tinham experimentado tais cobranças ao longo do seu curso de graduação. O uso de TDICs se deu por meio da mediação das entregas via AVA e de grupo de aplicativo de mensagens.
VI	Sim	As competências relativas ao item VI referem-se ao trabalho em grupo. O trabalho em equipe é parte essencial de uma atividade baseada em projeto (ABPj). Sendo um projeto desafiador, o gerenciamento de tarefas e de pessoas faz parte integrante do desafio proposto. Saber ceder, cobrar e compreender o próximo foi citado como aprendizado por vários integrantes de equipes, e alguns, inclusive, relataram como sendo a parte mais difícil e desafiadora do projeto. Deve-se destacar que os estudantes foram expostos ao desenvolvimento de um projeto análogo a um projeto de engenharia, entretanto, didático. Portanto, o desenvolvimento de tais competências se deu em nível básico, adaptado ao estágio atual dos estudantes no curso de graduação.
VII	Não	O texto dessa competência explicita que a prática da ética, da legislação e dos atos normativos refere-se ao exercício da profissão de engenheiro, o que a torna pouco acessível ao escopo de uma disciplina do ciclo básico.
VIII	Sim	Aprender de forma autônoma; ser capaz de assumir atitude investigativa; lidar com situações e contextos complexos (adaptados ao estágio atual de desenvolvimento dos alunos) e proporcionar aos alunos oportunidades de aprender a aprender estão inteiramente dentro do escopo formativo almejado para o projeto integrador. Pelo conjunto da produção discente (nível dos relatórios e das apresentações) foi possível extrair vários indícios de desenvolvimento dessas competências (em nível básico).

Grau do indicador	Grau 5	Grau 4	Grau 3	Grau 2	Grau 1
Grau do descritor	Grau excepcional	Grau autônomo	Grau básico	Grau Inicial	insuficiente
Indicador observado	Apresenta criatividade e inovação.	Apresenta entregas qualificadas sem auxílio da equipe LIDF.	Atende em nível básico as demandas necessitando do auxílio da equipe LIDF.	Só consegue atender as demandas com o auxílio da equipe LIDF.	Não entregou mesmo tendo a disposição auxílio da equipe LIDF.

	Modelo	Modelo			N° de
	Físico	Comp.	Relatório	Apresentação	alunos
Equipe A	4	3	3	4	4
Equipe B	3	3	3	4	4
Equipe D	4	4	4	4	4
Equipe G	4	4	4	4	4
Equipe H	4	4	3	3	4
Equipe J	3	3	3	3	4
Grupo I	4	4	4	4	4

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