Neste capítulo, serão apresentados os referenciais teóricos e metodológicos que embasam a pesquisa, além de revisão parcial da literatura.

 

A Teoria da Aprendizagem Significativa

 

Na Teoria da Aprendizagem Significativa (TAS) de Ausubel (2003) o novo material é relacionado com aspectos relevantes pré-existentes na estrutura cognitiva do indivíduo, de modo que a assimilação do novo material seja feita de forma não arbitrária e substantiva, ou seja, com significado para o aprendiz.

O aprendizado significativo é caracterizado por uma interação ativa entre o aluno e o conteúdo a ser aprendido, envolvendo a compreensão e a reorganização das informações. Esse processo é diferente da simples memorização de fatos e conceitos que são desconectados do contexto e da experiência do aluno.

Em outras palavras, a aprendizagem é significativa quando o aprendiz é capaz de construir novos significados e relacionar as novas informações com seu conhecimento anterior. Indica algumas estratégias para essa relação, como: utilizar analogias para conectar conceitos novos e antigos, fornecer exemplos concretos para ilustrar conceitos abstratos e utilizar atividades que incentivem a reflexão e a análise crítica.

Essa teoria se diferencia da simples memorização de fatos e conceitos, pois envolve a compreensão e a reorganização das informações por meio da interação ativa entre o aluno e o conteúdo a ser aprendido. Estratégias como utilizar analogias, exemplos concretos e atividades que incentivem a reflexão e a análise crítica para essa relação.

Para isso são sugeridos os organizadores prévios, que são estratégias pedagógicas utilizadas para facilitar a aprendizagem, preparando os alunos para o novo conteúdo que será apresentado. Eles consistem em informações ou atividades que são apresentadas antes do início da aula ou de uma atividade específica, e que têm como objetivo fornecer aos alunos uma estrutura cognitiva que facilite a compreensão do novo conteúdo (AUSUBEL, 1960).

Moreira (1999) resume os critérios da TAS como: a) o conteúdo deve ser relevante para o aluno; b) o conteúdo deve ser estruturado de forma clara e organizada; c) o conteúdo deve ser conectado aos conhecimentos prévios do aluno. É importante ressaltar que esses critérios não são excludentes e que diferentes autores podem apresentar critérios diferentes ou complementares.

Outra ferramenta valiosa da TAS são os mapas conceituais que ajudam os alunos a organizar e estruturar informações de uma maneira significativa (NOVAK, 1998).

Os mapas conceituais são representações gráficas de conhecimento, que ajudam os alunos a organizar e conectar informações de uma maneira significativa e duradoura (JONASSEN, 2006). Mostram-se muito eficazes para a aprendizagem significativa, pois permitem que os alunos vejam as conexões entre as informações e organizem seu conhecimento de uma maneira clara e coerente. (GONZÁLEZ; GERALDO et al., 2013).

Os princípios da teoria da aprendizagem significativa (Figura 1), como o subsunçor, a diferenciação progressiva e a reconciliação integrativa, foram propostos pelo psicólogo educacional David Ausubel, em sua obra “Psicologia Educacional”, de 1968. O subsunçor é definido por Ausubel como “uma ideia ou conceito já existente na estrutura cognitiva do aluno que serve como ponto de ancoragem para o novo conhecimento” (Ausubel, 1968, p. 41). Em outras palavras, o novo conhecimento é assimilado pelo aluno em relação a um conceito ou ideia que ele já possui, tornando a aprendizagem mais significativa e duradoura. A diferenciação progressiva é descrita por Ausubel como “o processo de discriminar conceitos que diferem em relação às suas características relevantes” (Ausubel, 1968, p. 56). Isso significa que a aprendizagem ocorre quando o aluno é capaz de distinguir as diferenças entre os conceitos ou ideias relacionadas. Por fim, a reconciliação integrativa é definida como “o processo de relacionar novas informações com conceitos ou ideias já existentes na estrutura cognitiva do aluno” (Ausubel, 1968, p. 61). Isso implica em ajudar o aluno a integrar novos conceitos e ideias com conceitos pré-existentes, criando uma compreensão mais completa e profunda do assunto.

 

A Tecnologia e a Teoria do Conectivismo

 

A tecnologia é vista como uma ferramenta que pode facilitar a conexão e a colaboração entre aprendizes e recursos, permitindo que a aprendizagem ocorra de forma mais eficiente e flexível.

Cavalcanti e Cavalcanti (2017) usaram um ambiente virtual de aprendizagem (AVA) para o ensino de Física, a fim de melhorar a compreensão dos alunos sobre os conceitos de Física e promover a conexão entre diferentes fontes de informação. O AVA desenvolvido pelos autores foi baseado na plataforma Moodle, que é um software livre para gerenciamento de cursos online. O ambiente foi estruturado em módulos, que abordavam diferentes temas da Física, como cinemática, dinâmica e energia. Cada módulo era composto por atividades interativas, como vídeos, animações, simulações e questionários. Os alunos podiam acessar o ambiente a partir de qualquer dispositivo com conexão à internet, como computadores, tablets e smartphones.

Eles também tinham acesso a fóruns de discussão, nos quais podiam interagir com os colegas e com o professor. Para avaliar a eficácia do AVA, os autores realizaram um estudo de caso com alunos do Ensino Médio de uma escola pública. Os resultados mostraram que o uso do AVA contribuiu para uma melhor compreensão dos conceitos de Física e para a conexão entre diferentes fontes de informação. Além disso, os alunos relataram maior interesse e motivação para aprender física.

Esse contexto da tecnologia no ensino vem sendo objeto de estudos, os quais resultaram na elaboração da teoria conectivista (SIEMENS,2004). Esta propõe explicações sobre ensino e aprendizagem nessa era tecnológica. Considera que o aprendizado é resultado do processo de conexão entre diferentes fontes de informação, que podem ser encontradas em ambientes digitais e nas redes sociais. Defendem que  as tecnologias e o conectivismo podem ser recursos valiosos para o ensino de conteúdos, permitindo uma conexão mais ampla e profunda entre diferentes fontes de informação e promovendo uma aprendizagem mais significativa e integrada.

Segundo Scheller et al. (2014), o conectivismo vem sendo apresentado como uma teoria de aprendizagem para a era digital. Esta teoria emergente trabalha com a visão de que as redes de computadores e as tecnologias digitais viabilizam conexões, apoiadas por artefatos tecnológicos simbólicos (produção cultural e científica da humanidade) armazenados em bases de dados (www) em todas as partes do mundo.

Siemens (2004), em sua teoria, sugere a alteração da visão de produção do conhecimento construtivista para a produção centrada num ambiente de rede, em especial de caráter cibernético, na qual o conhecimento encontra-se distribuído numa rede social de ligações ou conexões. Para o autor, o fenômeno das redes interfere nas formas de interação entre pessoas e as informações e, consequentemente, das pessoas com o conhecimento, que agora passa a ser dependente da conexão entre os vários intervenientes.

No Brasil, entre os estudos referentes a teorias de aprendizagem face ao uso de tecnologias nessa perspectiva conectivista, destacam-se: Araújo (2010), Foresti e Teixeira (2012), Argolo, Soares Neto e Lima (2013) e Bastos e Biagiotti (2014), entre outros.

Um autor que se destacou na visão de que a tecnologia poderia contribuir com o ensino na década de 80 foi Papert (1986) com a criação de ambientes ativos de aprendizagem, que permitem aos alunos testarem suas ideias e hipóteses. Ele encontra na informática a possibilidade de realizar seu desejo de criar condições para mudanças significativas no desenvolvimento intelectual dos sujeitos. Para tal, desenvolveu uma linguagem de programação, chamada Logo, de fácil compreensão e manipulação por crianças ou por pessoas leigas em computação e sem domínio da matemática. Ao mesmo tempo, o Logo tem o poder das linguagens de programação profissionais.

A possibilidade de uso da tecnologia na educação não exclui a figura do professor. Silva (2006) aponta que o papel do professor em sala de aula é fundamental, mas é preciso dar espaço para a inserção da tecnologia como ferramenta de ensino e aprendizagem dentro da sala de aula com o objetivo de obter melhores resultados pedagógicos.

É perceptível que o uso de tecnologias móveis tem aumentado consideravelmente no mundo. Portanto, levando em consideração a falta de infraestrutura das escolas em relação a tecnologia e o acesso dos estudantes aos dispositivos móveis, podemos melhorar a inclusão digital no ambiente escolar. E assim, os estudantes podem participar de atividades de aprendizagem sem estarem presos a um lugar, acessando os recursos de aprendizagem em qualquer momento e de qualquer lugar (SILVA, 2014).

 

PLATAFORMAS VIRTUAIS

 

De acordo com Pereira (2019), uma plataforma virtual é um ambiente online que permite a disponibilização e acesso a conteúdos educacionais, recursos e serviços. Essa plataforma pode ser utilizada para diferentes objetivos, como ensino a distância, treinamentos, tutoriais, entre outros, e oferece uma série de ferramentas para a interação entre os usuários, como fóruns de discussão, chats, videoconferências, entre outros. É uma ferramenta importante para democratizar o acesso ao conhecimento, permitindo que pessoas de diferentes locais e realidades possam ter acesso à educação de qualidade.

Do ponto de vista do software, uma plataforma virtual pode ser composta por diferentes componentes, tais como: sistema operacional, servidor web, banco de dados, linguagens de programação, protocolos de comunicação, entre outros. Esses componentes são responsáveis por garantir a interação entre os usuários e os recursos disponibilizados na plataforma.

A relação entre uma plataforma virtual e o conceito de software está na dependência do fato de que a plataforma é, ela mesma, um tipo de software. Assim, para compreender uma plataforma virtual, é necessário entender os conceitos e as tecnologias relacionadas ao desenvolvimento de software, tais como: arquitetura de sistema desenvolvimento web e programação orientada a objetos.

Segundo Adami (2004, p. 11) o conceito Software Livre surgiu a partir de um fato ocorrido com Richard Stallman, que trabalhava no Massachusetts Institute of Tecnology (MIT), quando em um dado momento precisou corrigir o driver de uma impressora que não funcionava devidamente. Stallman entrou em contato com o fabricante e solicitou o código-fonte para fazer as correções necessárias. O fabricante negou-se a liberar o código-fonte alegando tratar-se de um software comercial, e que não poderiam disponibilizá-lo. Foi a partir deste momento que Stallman começou a pensar formas para que o código-fonte fosse disponibilizado junto aos programas, surgindo assim o conceito de software livre.

O PHP é uma das linguagens de programação que atinge mais de 80% dos servidores web, que foi criada ainda no final do século XX e aprimorada no início do século XXI. Adicionando mais e mais recursos, foi se consolidando como uma das linguagens de programação orientada a objetos que mais cresce no mundo (DALL’OGLIO, 2015).

Segundo Klaver (2006), uma das ferramentas atuais mais usadas para o desenvolvimento de programas de comunicação via internet é o PHP (Hypertext Preprocessor), linguagem criada em 1994 por Rasmus Lerdorf, para seu uso pessoal. Permite criar aplicações dinâmicas, possibilitando uma interação com o usuário através de formulários, parâmetros de entrada, entre outras características.

A diferença do PHP em relação a linguagens semelhantes, como o Javascript, é que o código PHP é executado no servidor, sendo enviado para o cliente apenas o código HTML (Hypertext Markup Language ou linguagem de marcação de hipertexto).

Desta maneira, é possível interagir com bancos de dados e aplicações existentes nos servidores. O fato de o código PHP ser executado no servidor, permite que computadores com poucos recursos de processamento executem-no, bastando basicamente um navegador instalado e acesso à internet.

Uma das mais destacadas características do PHP é interagir com uma grande quantidade de banco de dados. Com isto, escrever uma aplicação web que interaja com um banco de dados é extremamente simples, sendo que um recurso avançado desta linguagem é permitir conexões persistentes de banco de dados, minimizando assim a necessidade de constantes conexões, operações custosas e que aumentam o tempo de resposta das aplicações (KLAVER, 2006).

O Moodle é uma plataforma de ensino a distância baseada na linguagem de programação PHP. Trata-se de um AVA que utiliza a internet como suporte. É um software voltado para a educação, que permite a comunicação e a interação entre instituição de ensino-professores-tutores-alunos. Por meio desse AVA são realizados processos e atividades de ensino e aprendizagem, pesquisa e gestão (KENDLER, 2015).

Kendler (2015) investigou as perspectivas de professores orientadores de monografias de um curso de especialização à distância, de uma instituição pública por meio do Moodle. O estudo é predominantemente quantitativo e descritivo e os dados foram coletados por meio de questionários online. Os resultados mostram que a modalidade de ensino a distância e a adoção do Moodle apresentam recursos positivos e bem acolhidos pelos docentes. Contudo, o estudo evidenciou a importância de se aprimorar e repensar os processos pedagógicos e as formas de comunicação utilizando-se das novas tecnologias, no contexto contemporâneo, independente da modalidade adotada, presencial ou virtual.

A filosofia educacional sobre a qual se baseia o Moodle é a do Construcionismo, que afirma que o conhecimento é construído na mente do estudante, ao invés de ser transmitido sem mudanças a partir de livros, aulas expositivas ou outros recursos tradicionais de instrução. Deste ponto de vista, os cursos desenvolvidos no Moodle são criados em um ambiente centrado no estudante e não no professor (MOORE; KEARSLEY, 2007).

Guterres et al. (2018) comparou três plataformas didáticas virtuais, sendo elas, Phet, LabVirt e Modellus. Como resultado, obteve-se uma visão que abrange os conteúdos de Física mais explorados e apresentados pelas plataformas, como também as diferenças de cada plataforma, concluindo que uma plataforma é o complemento da outra para o processo do ensino e aprendizagem.

Phet (Physics Education Technology) da Universidade do Colorado nos Estados Unidos é uma plataforma virtual com simulações na área de Física e áreas afins, a qual será utilizada como ferramenta no contexto desta pesquisa.

 

Reflexões sobre LUZ e TECNOLOGIA

 

O QUE É LUZ?

 

A teoria eletromagnética da luz, proposta por James Clerk Maxwell no século XIX, levou à compreensão da luz como uma onda eletromagnética. A descoberta do efeito fotoelétrico levou à teoria quântica da luz e à descrição dos fótons como partículas elementares (SCHAWLOW, 2001).

As equações de Maxwell são:

 

Equação de Gauss para o campo elétrico:

∇ · E = ρ/ε₀

 

Equação de Gauss para o campo magnético:

∇ · B = 0

 

Lei de Faraday para a indução eletromagnética:

∇ × E = –∂B/∂t

 

Lei de Ampère-Maxwell com a adição do termo de deslocamento de Maxwell:

∇ × B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t

 

Nessas equações, E representa o campo elétrico, B representa o campo magnético, ρ é a densidade de carga, ε₀ é a permissividade do vácuo, μ₀ é a permeabilidade do vácuo, J é a densidade de corrente e ∂/∂t indica a derivada em relação ao tempo.

Segundo Fitzpatrick (2019) a natureza da luz, apresenta um panorama histórico desde a teoria de ondas eletromagnéticas de James Clerk Maxwell, até as descobertas da física quântica, que levaram à descrição da luz como partículas elementares (fótons). A interação da luz com a matéria e sua importância em diversos campos da física, incluindo a óptica, a física de materiais, comunicação óptica e a física atômica e molecular permitem evolução na transmissão de dados e desenvolvimento de equipamentos cada vez mais avançados, facilitando assim a humanidade em diversas áreas.

A utilização do conceito de fótons na física e na tecnologia modernas são de extrema importância. Existem relações essenciais entre fótons e outras partículas elementares, como elétrons e quarks. Há muitos exemplos de como os fótons são usados em diversas áreas, como comunicação óptica, energia solar, medicina e detecção remota. a possibilidade de existência de fótons exóticos, que poderiam ter propriedades diferentes das já conhecidas, também é discutido neste trabalho (FIZPATRICK, 2019).

A fotônica está sendo usada para desenvolver novas tecnologias, como a internet de alta velocidade, a energia solar e a medicina (SCHAWLOW, 2001).

Young (1801) realizou um experimento que ficou conhecido como experimento da dupla fenda, que demonstrou claramente o comportamento ondulatório da luz. No experimento, Young observou que a luz se comporta como uma onda ao passar por duas fendas e formar um padrão de interferência.

Maxwell (1864) desenvolveu uma teoria unificada que descreve a natureza das ondas eletromagnéticas, incluindo a luz. Ele propôs que a luz é uma onda eletromagnética que se propaga no espaço a uma velocidade constante, e que suas propriedades são determinadas pelo comprimento de onda e pela frequência.

Einstein (1905) em seu trabalho “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento” é um dos trabalhos mais importantes da história da Física, e nele Einstein apresenta a teoria da relatividade especial. Uma das contribuições deste trabalho foi a afirmação de que a velocidade da luz no vácuo é constante e independe do movimento da fonte e do observador, o que implica em consequências profundas para a nossa compreensão do espaço e do tempo.

Fresnel (1821) desenvolveu uma teoria para descrever a reflexão da luz em superfícies planas. Ele propôs que a luz incidente em um ângulo em relação à superfície reflete de tal maneira que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência.

Leis da refração de Snell (1621) propôs uma teoria para descrever a refração da luz quando ela passa de um meio para outro com diferentes índices de refração. Ele estabeleceu que o ângulo de refração é determinado pelos índices de refração dos dois meios e pelos ângulos de incidência.

Difração da luz de Fraunhofer (1815) observou que a luz pode se difratar quando passa por uma fenda ou por um obstáculo com tamanho semelhante ao comprimento de onda da luz. Esse fenômeno é usado em muitas técnicas de análise de materiais, como a espectroscopia.

Interferência de Young (1801) também observou que a luz pode interferir consigo mesma quando passa por duas fendas estreitas, produzindo um padrão de interferência que revela informações sobre o comprimento de onda da luz.

 

EFEITO FOTOELÉTRICO

 

Efeito fotoelétrico é um fenômeno baseado na ideia de que a luz é composta de partículas, os fótons (EINSTEIN, 1905). A energia da luz é quantizada, em pacotes discretos chamados quanta (PLANCK, 1900).

Quanto à descrição dos fótons como partículas elementares na teoria quântica da luz, ela é expressa pela equação de energia de um fóton:

 

E = h * f

 

Nessa equação, E representa a energia do fóton, h é a constante de Planck e f é a frequência da luz.

 

A energia dos fótons incidentes em um material deve ser maior do que uma energia mínima, chamada função trabalho, para que os elétrons sejam ejetados. A energia cinética dos elétrons ejetados é proporcional à diferença entre a energia dos fótons incidentes e a função trabalho (EINSTEIN, 1905).

O fenômeno também tem aplicações práticas em várias áreas da tecnologia, incluindo a detecção de luz em câmeras digitais e a espectroscopia de fotoelétrons.

 

DUALIDADE ONDA E PARTÍCULA

 

A dualidade onda-partícula é um conceito importante da física quântica que afirma que partículas subatômicas, como elétrons e fótons, têm propriedades tanto de onda quanto de partícula. A luz apresenta comportamento de interferência, como uma onda, ao passar por duas fendas estreitas, formando um padrão de interferência característico. Esse experimento ajudou a estabelecer a teoria ondulatória da luz (YOUNG, 1801).

As propriedades da luz são essenciais para entender como ela se comporta e interage com a matéria, e têm aplicações em diversas áreas, como a óptica, a física quântica e a tecnologia de comunicações.

A dualidade onda-partícula é um princípio fundamental na física quântica que descreve o comportamento das partículas subatômicas, como elétrons e fótons, que podem exibir características tanto de partículas quanto de ondas. Essa dualidade é expressa por duas equações principais:

 

Relação de De Broglie:

 

A equação de De Broglie relaciona o comprimento de onda (λ) de uma partícula com seu momento linear (p):

λ = h / p

 

Nessa equação, λ representa o comprimento de onda, h é a constante de Planck e p é o momento linear da partícula.

Essa equação mostra que partículas, como elétrons, podem exibir comportamento ondulatório, onde seu comprimento de onda está relacionado ao seu momento linear.

 

Equação de Energia de um Fóton:

 

A energia (E) de um fóton está relacionada à frequência (f) da onda associada a ele:

E = h * f

 

Nessa equação, E representa a energia do fóton, h é a constante de Planck e f é a frequência da onda associada ao fóton.

Essa equação revela que os fótons, que são partículas elementares de luz, exibem um comportamento dual, podendo ser descritos tanto como partículas (devido à sua energia discreta) quanto como ondas (devido à sua frequência).

Essas equações são fundamentais para entender a dualidade onda-partícula e descrevem a natureza complexa das partículas subatômicas, que podem exibir características de ondas e partículas dependendo das circunstâncias experimentais.

A tecnologia também desempenha um papel importante na física, especialmente no desenvolvimento de instrumentos e equipamentos para medir e analisar fenômenos físicos. Por exemplo, telescópios, microscópios, aceleradores de partículas, raios-X, ressonância magnética, luzes em led entre outros, são todos exemplos de tecnologia utilizada em física.

 

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

 Descoberto por Hertz (1885), o espectro eletromagnético, foi analisado com as ondas eletromagnéticas em uma série de experimentos envolvendo correntes elétricas oscilantes. Ele percebeu que essas ondas tinham características semelhantes às ondas sonoras, mas com frequências muito mais altas.

Em propriedades do espectro eletromagnético Planck (1905), formulou a teoria quântica da radiação para explicar as propriedades do espectro eletromagnético. Ele propôs que a energia da radiação eletromagnética era quantizada em pacotes discretos chamados quanta.

Espectroscopia Rydberg (1913) desenvolveu a fórmula de Rydberg para descrever as frequências das linhas espectrais em átomos. Essa fórmula foi usada para desenvolver técnicas de espectroscopia, que permitem estudar a composição química de materiais através da análise da luz que eles emitem ou absorvem.

O espectro eletromagnético tem sido usado desde os anos 40 em comunicações via satélite para transmitir informações em longas distâncias. As frequências de micro-ondas são particularmente úteis para esse fim, porque podem atravessar a atmosfera terrestre sem serem significativamente atenuadas. A compreensão do espectro eletromagnético é fundamental para a física moderna, e tem muitas aplicações práticas em tecnologias como a comunicação, a medicina e a astronomia.

 

FIBRA ÓPTICA

 

Clarke (1945), publicou um artigo, intitulado “Extra-Terrestrial Relays”, que propôs o uso de satélites em órbita para transmitir sinais de rádio em todo o mundo. Desde então, muitos outros cientistas e engenheiros têm trabalhado para tornar essa ideia uma realidade.

A fibra óptica é um meio de transmissão de informações que utiliza a luz para transmitir sinais. Trabalhos científicos nesta área se concentram em melhorar a capacidade, eficiência e confiabilidade dos sistemas de fibra óptica (AGRAWAL, 2010).

Os lasers são dispositivos que emitem luz coerente e têm muitas aplicações em tecnologias como a medicina, a indústria, a pesquisa científica e a comunicação.

Kaminow et al. (2013) Define que comunicações ópticas são uma tecnologia que utiliza a luz para transmitir informações em velocidades extremamente altas. Existem diversos trabalhos que já analisaram a contribuição das comunicações ópticas em áreas distintas, estudando como os avanços tecnológicos atuaram na melhoria e eficácia de equipamentos. Dakin e Culshaw (2007) em Fiber Optic Sensors: Current Status and Future Possibilities revisa a tecnologia de sensores ópticos baseados em fibra óptica, abordando princípios de funcionamento, aplicações em diferentes áreas (como estruturas, medicina e meio ambiente) e desafios atuais e futuros para essa tecnologia. 

Agrawal (2010) apresenta uma visão geral completa da tecnologia de comunicações ópticas baseadas em fibra óptica, desde os princípios básicos da propagação da luz em fibras ópticas até os sistemas de comunicação de alta capacidade e aplicações em redes de telecomunicações e data centers. Optical Fiber Communications de Li e Kaminow (2008) é uma referência clássica na tecnologia de comunicações ópticas baseadas em fibra óptica, abordando desde os princípios básicos da propagação da luz em fibras ópticas até os sistemas de comunicação de alta velocidade e aplicações em redes de telecomunicações.

 

ILUMINAÇÃO TECNOLÓGICA E WI-FI

 

Cangeloso (2012) descreve os princípios básicos da eletricidade e da física da luz necessários para entender a tecnologia LED. Em seguida, apresenta uma introdução aos diferentes tipos de LED, suas características e aplicações, além de discutir as principais diferenças entre a iluminação LED e as tecnologias de iluminação tradicionais, como incandescentes e fluorescentes. Hoje existem dispositivos que permitem o controle da iluminação através de smartphones e dispositivos Wi-Fi com integração entre aplicativos e estes dispositivos como interruptores smart.

Também aborda questões como eficiência energética, sustentabilidade e controle de iluminação, bem como as tendências atuais e futuras da iluminação LED, incluindo a integração de LED em dispositivos inteligentes e sistemas de automação residencial.

Enfim, a luz e a tecnologia são dois aspectos fundamentais da física que estão intimamente ligados e são essenciais para o avanço da compreensão científica dos fenômenos físicos.

 

STEAM e o uso de tecnologia no ensino de física

 

O STEAM é um acrônimo que se refere à integração de ciência, tecnologia, engenharia, artes e matemática no ensino e aprendizagem e se difundido pelo mundo, sendo uma tendência educacional internacional (PUGLIESE, 2020). O objetivo é fornecer uma abordagem interdisciplinar e holística da educação, permitindo que os alunos explorem e resolvam problemas complexos do mundo real.

Para Pugliese (2020) o movimento STEAM na educação brasileira pode ser percebido através de programas educacionais nas escolas públicas. De acordo com Lopes et al. (2022) no Brasil, tem-se visto a utilização através do Programa Nacional do Livro Didático e do Material Didático 2021, no novo Ensino Médio, e de forma sutil na Base Nacional Comum Curricular (BRASIL, 2017).

No ensino de física, a tecnologia tem desempenhado um papel cada vez mais importante, tanto na forma como a matéria é apresentada aos alunos, quanto na forma como eles são avaliados. Pode ser usada para criar simulações interativas, laboratórios virtuais e jogos educacionais que ajudam os alunos a visualizar e entender conceitos físicos complexos.

Com o objetivo de investigar a eficácia de um aplicativo para smartphone no ensino de óptica geométrica para alunos do ensino médio Teodoro et al. (2019), desenvolveu um aplicativo com base nos princípios da aprendizagem significativa e foi projetado para permitir aos alunos aprender sobre as propriedades da luz de forma interativa e atraente.

Para realizar o estudo, os pesquisadores selecionaram uma amostra de 42 alunos do ensino médio e os dividiram em dois grupos: um grupo experimental, que utilizou o aplicativo para aprender sobre o tema da óptica geométrica, e um grupo de controle, que participou de uma aula expositiva tradicional sobre o mesmo tema.

Os resultados mostraram que os alunos do grupo experimental apresentaram um desempenho significativamente melhor na avaliação de conhecimentos sobre o tema da óptica geométrica, em comparação com os alunos do grupo de controle. Além disso, os alunos do grupo experimental também demonstraram maior motivação e interesse em aprender sobre o assunto.

Há indícios, pelos resultados, que a utilização de aplicativos para smartphones pode ser uma estratégia eficaz para promover a aprendizagem significativa e engajar os alunos no processo de ensino-aprendizagem. A atividade também foi bem avaliada pelos alunos, que consideraram o aplicativo muito interessante e motivador.

De acordo com os autores, esses resultados destacam a importância de se utilizar recursos tecnológicos na educação, especialmente para engajar os alunos e tornar o processo de aprendizagem mais interativo e atraente. O estudo fornece evidências importantes sobre o potencial dos aplicativos para smartphones como ferramenta de ensino na área de óptica geométrica.

Um estudo de Moreira et al. (2021) teve como objetivo investigar a eficácia de um jogo digital no ensino de óptica para alunos do ensino médio. O jogo foi desenvolvido com base nos princípios da aprendizagem significativa e foi projetado para permitir aos alunos aprender sobre as propriedades da luz de forma lúdica e interativa.

Para realizar o estudo, os pesquisadores selecionaram uma amostra de 80 alunos do ensino médio e os dividiram em dois grupos: um grupo experimental, que participou da atividade com o jogo digital, e um grupo de controle, que participou de uma aula expositiva tradicional sobre o mesmo tema. Os resultados mostraram que os alunos do grupo experimental apresentaram um desempenho significativamente melhor na avaliação de conhecimentos sobre o tema da óptica, em comparação com os alunos do grupo de controle.

Além disso, os alunos do grupo experimental também demonstraram maior motivação e interesse em aprender sobre o assunto. De acordo com os autores, esses resultados indicam que a utilização de jogos digitais pode ser uma estratégia eficaz para promover a aprendizagem significativa e engajar os alunos no processo de ensino-aprendizagem. O estudo destaca a importância de se utilizar métodos pedagógicos inovadores e baseados na tecnologia para tornar o aprendizado mais atraente e motivador para os estudantes.

O STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts and Mathematics) foi utilizado para ensinar conceitos de física para alunos do ensino médio (GÜLSEÇEN; JARRETT, 2017). Para isso, os pesquisadores desenvolveram uma atividade que consistia na construção de dispositivos eletrônicos utilizando a plataforma Arduino.

A plataforma Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código aberto, que permite a construção de dispositivos eletrônicos de maneira simples e acessível.

A atividade consistia na construção de dispositivos eletrônicos que aplicassem conceitos de física em soluções criativas e inovadoras, como sensores de movimento, sistemas de controle de temperatura e robôs.

Com um grupo de 20 alunos do ensino médio, que foram divididos em grupos de trabalho. Os alunos receberam instruções sobre a plataforma Arduino e sobre os conceitos de física que deveriam aplicar em seus dispositivos. Eles foram então orientados a projetar e construir seus próprios dispositivos eletrônicos, utilizando materiais como sensores, motores e luzes LED.

Os resultados mostraram que a atividade foi eficaz para promover a aprendizagem significativa dos alunos sobre os conceitos de física, além de desenvolver habilidades em eletrônica, programação e solução de problemas. Além disso, a atividade foi bem avaliada pelos alunos, que consideraram a experiência muito interessante e desafiadora.

Uma abordagem de ensino de física baseada em projetos que integra STEAM e tecnologia, foi desenvolvida, a fim de despertar habilidades em ciências, tecnologia, engenharia, artes e matemática, além de promover a aprendizagem significativa dos alunos (ANNETTA, LAMB e CHENG, 2018).

Para isso, os pesquisadores propuseram que os alunos desenvolvessem projetos que aplicassem conceitos de física em soluções criativas e inovadoras, utilizando tecnologias como impressoras 3D e sensores.

Os alunos foram desafiados a escolher um problema do mundo real que poderia ser solucionado com o uso da física, e a desenvolver uma solução utilizando as tecnologias disponíveis. A atividade foi realizada com um grupo de 30 alunos do ensino médio, que foram divididos em grupos de trabalho. As instruções foram passadas sobre a plataforma Arduino e sobre os conceitos de física que deveriam aplicar em seus projetos.

Alunos foram então orientados a projetar e construir seus próprios projetos, utilizando materiais como sensores, motores e luzes LED.

Os resultados mostraram que a atividade foi eficaz para promover a aprendizagem significativa dos alunos sobre os conceitos de física, além de desenvolver habilidades em eletrônica, programação e solução de problemas. Além disso, a atividade foi bem avaliada pelos alunos, que consideraram a experiência muito interessante e desafiadora.

Todos esses estudos citados acima mostram que a tecnologia pode ser uma ferramenta útil para o ensino de Física, permitindo uma abordagem mais interessante e interativa para o estudo da luz e suas propriedades.

O ensino STEAM pode ajudar a criar um ambiente de aprendizado mais criativo e colaborativo, preparando melhor os alunos para enfrentar os desafios do mundo moderno.

 

Metodologia Sala de Aula Invertida

 

A metodologia da sala de aula invertida (SAI) é uma abordagem pedagógica em que os alunos estudam os conteúdos em casa, através de vídeos, textos ou outros materiais, e depois participam de atividades mais interativas e aplicadas em sala de aula (Figura 2).

Tem ganhado destaque em todo o mundo por ser uma forma de promover uma aprendizagem mais significativa e engajadora. A sala de aula invertida permite que os alunos sejam mais autônomos no processo de aprendizagem, ao mesmo tempo em que permite que o professor se concentre mais em atividades interativas e na aplicação do conhecimento (BERGMANN; SAMS, 2012).

 A sala de aula invertida, também conhecida como flipped classroom em inglês, é uma abordagem pedagógica que inverte o papel do aluno e do professor na sala de aula. Na abordagem tradicional, o professor apresenta o conteúdo em sala de aula e os alunos realizam atividades e exercícios em casa.

Na sala de aula invertida, a apresentação do conteúdo é realizada fora da sala de aula, geralmente por meio de vídeos, leituras ou outros recursos online.

Em seguida, na sala de aula, os alunos se envolvem em atividades mais interativas, como discussões em grupo, trabalhos em equipe e resolução de problemas, enquanto o professor atua como facilitador do processo.

A ideia por trás da sala de aula invertida é que os alunos possam ter mais controle sobre o próprio processo de aprendizagem e possam se engajar em atividades mais ativas e significativas em sala de aula, em vez de apenas absorver informações passivamente.

Além disso, essa abordagem também permite que o professor tenha mais tempo para se concentrar nas necessidades individuais dos alunos, fornecendo feedback e orientação mais personalizados.

A sala de aula invertida tem sido aplicada em diferentes níveis de ensino, desde o ensino fundamental até a graduação, e em diferentes áreas do conhecimento.

Embora a abordagem possa exigir mais trabalho prévio por parte do professor na preparação de materiais e recursos para os alunos, muitos educadores relatam resultados positivos em termos de engajamento dos alunos, melhoria da aprendizagem e maior satisfação dos alunos com o processo de ensino e aprendizagem.

 

Integração entre SAI e STEAM

 

A integração entre a abordagem de Sala de Aula Invertida (SAI) e a abordagem STEAM pode ajudar a tornar a aprendizagem dos alunos mais personalizada e autônoma, permitindo que eles explorem conceitos STEAM de maneira mais profunda e significativa.

Ao inverter a sala de aula, os alunos podem se preparar e se familiarizar com o conteúdo antes da aula, o que permite que o tempo em sala de aula seja usado para atividades mais práticas e colaborativas relacionadas a STEAM. A metodologia de Sala de Aula Invertida pode ser uma maneira eficaz de introduzir conceitos STEAM para os alunos, permitindo que eles tenham mais tempo em sala de aula para aplicar esses conceitos em atividades práticas e criativas (JOHNSON et al., 2018).

A SAI permite que os alunos trabalhem em projetos STEAM de forma mais autônoma e colaborativa, o que pode ajudá-los a desenvolver habilidades importantes, como resolução de problemas e pensamento crítico (LEE et al., 2019).

A combinação de SAI e STEAM pode ajudar os alunos a se tornarem mais engajados em sua própria aprendizagem, permitindo que eles explorem conceitos STEAM de maneira mais profunda e significativa (HINOJOSA et al., 2020).

A integração entre a sala de aula invertida e STEAM (Ciência, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática) pode criar uma abordagem poderosa para a aprendizagem dos alunos.

 A sala de aula invertida envolve a inversão do modelo tradicional de sala de aula, em que os alunos aprendem o conteúdo em casa e usam o tempo de aula para atividades práticas e colaborativas. STEAM, por sua vez, é uma abordagem pedagógica que integra as disciplinas de ciência, tecnologia, engenharia, artes e matemática para promover a aprendizagem interdisciplinar e prática. A integração dessas duas abordagens pode ser feita de várias maneiras.

Por exemplo, os alunos podem ser convidados a assistir a vídeos ou realizar leituras em casa sobre conceitos STEAM, e depois aplicar esses conceitos em projetos práticos em sala de aula.

Os projetos STEAM podem envolver o uso de tecnologias como impressoras 3D, sensores ou plataformas de programação para criar soluções criativas e inovadoras para problemas do mundo real. A sala de aula invertida também pode ser usada para fornecer aos alunos um ambiente mais orientado a projetos, que se concentra na resolução de problemas e na aplicação prática de conceitos STEAM. Os alunos podem trabalhar em grupos, com o professor servindo como facilitador e mentor, em vez de um transmissor de conhecimento.

Isso pode ajudar a desenvolver habilidades como pensamento crítico, resolução de problemas e colaboração, que são essenciais para o sucesso em STEAM e em muitas outras áreas da vida.

A integração entre sala de aula invertida e STEAM também pode fornecer uma experiência de aprendizagem mais personalizada para os alunos. Como o modelo de sala de aula invertida permite que os alunos trabalhem no seu próprio ritmo, os alunos podem ser desafiados em níveis apropriados para eles.

A tecnologia pode ser usada para apoiar a personalização da aprendizagem, fornecendo feedback imediato e adaptando o conteúdo e as atividades de aprendizagem com base nas necessidades e preferências individuais do aluno. Em resumo, a integração entre sala de aula invertida e STEAM pode criar uma abordagem poderosa para a aprendizagem dos alunos, ajudando a desenvolver habilidades práticas e relevantes para o mundo real.

 

Revisão de literatura

 

Foi realizada uma revisão preliminar da literatura (Quadro 1) relacionada à temática deste projeto  na plataforma Google Acadêmico respondendo à questão: Como a abordagem STEAM integrada com a sala de aula invertida poderia ajudar na melhoria do aprendizado no ensino de física em nível médio?

As palavras strings utilizadas foram: “STEAM”, “TDIC”; “Plataformas Virtuais”; “Ensino de Física”; “Sala de Aula Invertida”; “Aprendizagem Significativa”.

Para uma pesquisa sobre aprendizagem e tecnologia na educação, os cinco artigos selecionados (Quadro 1), podem fornecer informações valiosas. O primeiro artigo, “Aprendizagem significativa de conceitos de circuitos elétricos utilizando um AVA de ensino por alunos da educação de jovens e adultos”, pode ser relevante para a compreensão da aplicação de Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVA) em diferentes públicos e conteúdos específicos, como os circuitos elétricos.

O segundo artigo, “Tecnologias Digitais como instrumentos mediadores da aprendizagem dos nativos digitais”, pode trazer informações sobre a utilização de tecnologias digitais como ferramentas para mediar a aprendizagem dos chamados “nativos digitais”, ou seja, alunos que cresceram em um ambiente onde a tecnologia está presente em sua rotina.

Já o terceiro artigo, “A Aprendizagem no contexto das tecnologias: Uma reflexão para os dias atuais”, pode trazer reflexões mais amplas sobre o uso de tecnologia na educação e sua influência na aprendizagem.

O quarto artigo, “Conectivismo: Uma Teoria de aprendizagem para a Idade Digital”, pode fornecer uma abordagem teórica para a aprendizagem na era digital, abordando a importância das conexões entre pessoas e recursos para a construção do conhecimento.

Por fim, o quinto artigo, “O uso de metodologias ativas para promoção da aprendizagem STEAM: um estudo de caso em escolas públicas”, pode trazer informações sobre o uso de metodologias ativas para a promoção da aprendizagem STEAM (Ciência, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática) em escolas públicas, um tema de grande relevância para a educação atual. Em resumo, ao utilizar esses trabalhos para pesquisa, pode-se obter uma compreensão mais ampla e aprofundada sobre o uso de tecnologia na educação e suas implicações na aprendizagem, pois abordam a também problemática a qual está sendo também questionada neste trabalho no período de 2004 a 2019.

Foram consultadas revistas científicas, como a Revista Investigações em Ensino de Ciências (2014), Revista Quadrimestral da Associação Brasileira de Psicologia Escolar e Educacional (2015), Revista Ibero-Americana de Estudos em Educação (2019), dentre outras.

O foco da pesquisa bibliográfica foi TDIC, o uso de Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVA), Conectivismo e STEAM.

Quadro 1 – Revisão Bibliográfica

Revista	Título	Autor ano	Objetivo
Investigações em Ensino de Ciências	Aprendizagem significativa de conceitos de circuitos elétricos utilizando um AVA de ensino por alunos da educação de jovens e adultos	Gonzales (2014)	Elaboração, aplicação e avaliação de uma sequência didática que trabalhou os conceitos fundamentais de eletricidade, como a intensidade da corrente elétrica, a resistência elétrica e a associação de resistores na Educação de Jovens e Adultos (EJA).
Revista Associação Brasileira de Psicologia Escolar e Educacional	Tecnologias Digitais como instrumentos mediadores da aprendizagem dos nativos digitais	Costa (2015)	Discutir a utilização das TDIC como instrumentos mediadores da aprendizagem dos nativos digitais, levando-se em consideração as mudanças nas interações sociais na sociedade contemporânea.
CINTED- Novas Tecnologias na Educação	A Aprendizagem no contexto das tecnologias: Uma reflexão para os dias atuais	Scheller (2014)	Análise reflexiva de três teorias que podem ser utilizadas no contexto de ensino e de aprendizagem na era digital.
International Journal of Instructional Technology and Distance Learning	Conectivismo: Uma Teoria de aprendizagem para a Idade Digital	Siemens (2004)	Análise do conectivismo como um modelo de aprendizagem que reconhece as mudanças tectônicas na sociedade, onde a aprendizagem não é mais uma atividade interna, individualista.
Revista Ibero-Americana de Estudos em Educação	O uso de metodologias ativas para promoção da aprendizagem STEAM: um estudo de caso em escolas públicas.	Silva (2019)	Investigar a aplicação de metodologias ativas no ensino STEAM em escolas públicas, a fim de promover a aprendizagem integrada e prática das disciplinas de Ciências, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática.

 

Em análise dos objetivos de cada trabalho selecionado, observou-se que Gonzales (2014), teve como objetivo analisar o processo de aprendizagem de conceitos de circuitos elétricos por meio de um Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), por alunos da Educação de Jovens e Adultos (EJA). Para isso, foi realizada uma pesquisa qualitativa de caráter exploratório, com a participação de 14 alunos da EJA em uma escola pública de São Paulo.

Os participantes utilizaram o AVA durante um semestre letivo, tendo acesso a diversos recursos e atividades voltados para a aprendizagem de conceitos de circuitos elétricos. Os resultados indicaram que o uso do AVA contribuiu para a aprendizagem significativa dos conceitos de circuitos elétricos pelos alunos, promovendo a compreensão dos conteúdos de forma mais dinâmica e interativa.

 O segundo trabalho selecionado, Costa (2015), teve como objetivo analisar o uso das tecnologias digitais como instrumentos mediadores da aprendizagem dos chamados “nativos digitais”, ou seja, os jovens que cresceram imersos na cultura digital. Para isso, realizou uma revisão de literatura sobre o tema, abordando conceitos como nativos digitais, tecnologias digitais, mediação pedagógica e aprendizagem. A partir dessa revisão, foram identificados alguns desafios para a utilização das tecnologias digitais como instrumentos mediadores da aprendizagem, como a necessidade de repensar a prática pedagógica, a falta de formação dos professores para o uso dessas tecnologias e a falta de infraestrutura adequada nas escolas.

O autor destacou que as tecnologias digitais podem ser utilizadas de forma eficaz na mediação da aprendizagem dos nativos digitais, desde que sejam integradas de forma significativa ao processo educacional e utilizadas de forma crítica e reflexiva. Foram propostas algumas estratégias para a utilização das tecnologias digitais como instrumentos mediadores da aprendizagem, como a utilização de jogos educativos, a produção de conteúdo multimídia pelos alunos e a utilização de plataformas virtuais de aprendizagem. O trabalho mostrou que as tecnologias digitais podem ser utilizadas de forma eficaz na mediação da aprendizagem dos nativos digitais, desde que sejam integradas de forma significativa ao processo educacional e utilizadas de forma crítica e reflexiva.

Scheller (2014) apresentou uma análise reflexiva de três teorias que podem ser utilizadas no contexto de ensino e de aprendizagem na era digital. De posse das concepções de aprendizagem de David Ausubel, Seymour Papert e George Siemens, traçou-se um paralelo entre as teorias na busca de semelhanças e diferenças entre elas, explicitando uma reflexão para a aprendizagem no contexto educacional na era digital.

A análise permitiu verificar que em uma reflexão conjunta, a aprendizagem deve ocorrer formal e informalmente por meio de conexões estabelecidas nas redes em que o estudante motivado, constantemente estabelece relações com o que é potencialmente significativo. Trata-se de um processo contínuo, frequentemente atualizado, ocorrendo em um contexto de interação e de forma colaborativa, sendo o sujeito ativo em sua aprendizagem.   

Siemens (2004) buscou apresentar uma análise do conectivismo como um modelo de aprendizagem que reconhece as mudanças tectônicas na sociedade, onde a aprendizagem não é mais uma atividade interna, individualista.

Destaca-se finalmente o trabalho que Silva (2019) realizou em duas escolas públicas do Estado de São Paulo, com a participação de 68 alunos do 5º ano do Ensino Fundamental. As metodologias ativas de ensino utilizadas incluíram a resolução de problemas, a aprendizagem baseada em projetos e o trabalho em equipe.

O estudo indicou que o uso de metodologias ativas de ensino teve um impacto positivo na aprendizagem STEAM dos alunos, contribuindo para o desenvolvimento de competências como pensamento crítico, criatividade, trabalho em equipe e resolução de problemas.

Os autores destacaram a importância do papel do professor como mediador do processo de aprendizagem, apoiando e orientando os alunos em suas atividades. Isto mostrou que o uso de metodologias ativas de ensino pode ser uma estratégia eficaz para promover a aprendizagem STEAM em escolas públicas, contribuindo para o desenvolvimento de competências essenciais para o século XXI.