Transformando questões de física de exames de admissão à universidade em kits de experimentos.
Um novo projeto para reinventar as aulas de física no ensino médio.
As questões de física para ingresso na universidade frequentemente partem do pressuposto de um “mundo idealizado” abstrato — por exemplo, um piso sem atrito ou resistência do ar desprezível — que existe apenas como um experimento mental. Qualquer pessoa que tenha estudado física provavelmente já se deparou com tais pressupostos pelo menos uma vez.
Membros do projeto Physics Exam Lab: Physics Exam Lab Series™. Da esquerda para a direita: Ueno, Iwata, Kawasaki e Matsumoto, da Shimadzu Rika Corporation.
Shimadzu Rika Corporation, responsável pela área de educação em física e química do Grupo Shimadzu, lançou uma iniciativa em colaboração com a Associação Comemorativa da Olimpíada Internacional de Física de 2023 para transformar questões de física de provas anteriores de vestibulares em kits de experimentos. Conversamos com membros da Shimadzu Rika sobre o Physics Exam Lab: Physics Exam Lab Series™, um projeto criado para levar a paixão pela física aos estudantes.
Dando vida aos experimentos mentais na sala de aula
“Responder a questões de vestibulares e realizar experimentos se tornaram duas coisas completamente distintas em sala de aula.” Essa é uma preocupação frequente entre professores do ensino médio. Ao mesmo tempo, o Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM) e os vestibulares para as melhores universidades incluem cada vez mais questões baseadas em experimentos ou observações”, afirma Takashi Matsumoto, gerente da Seção de Equipamentos de Laboratório Científico da Shimadzu Rika Corporation e líder do projeto.
A equipe de Matsumoto foi responsável pela produção de 450 kits de experimentos para a Olimpíada Internacional de Física de 2023. Para alcançar esse objetivo, eles superaram diversos desafios — incluindo restrições orçamentárias, a garantia de qualidade consistente por meio da produção em massa e a manutenção da confidencialidade das questões da prova — e entregaram os kits com sucesso. Os participantes estrangeiros elogiaram os kits, destacando sua qualidade excepcional.
Isso resultou em um convite para participar do Physics Exam Lab, um novo projeto lançado principalmente por professores que organizaram a Olimpíada Internacional de Física de 2023 no Japão. Esse convite marcou o início do desenvolvimento da série Physics Exam Lab, que transforma questões de provas de admissão em kits de experimentos.
A equipe está atualmente desenvolvendo kits de experimentos com base nas três questões do exame de admissão a seguir.
- “Trem de ímãs passando pela bobina” (Questão 3 da prova de Física do Common Test de 2022)
- “Velocidade terminal de um copo de alumínio” (Prova Comum de Física de 2023, Questão 2)
- “Acoplamento de pêndulo em carrinho” (Prova de Física do Exame de Admissão da Universidade de Tóquio, 1ª Fase, 2018)
1. Trem de ímãs passando pela bobina: ímãs em movimento geram eletricidade
Ueno, o líder da equipe de desenvolvimento
Ueno, líder da equipe responsável pelo desenvolvimento, disse: “Desenvolvemos um kit no qual um ímã — representando um trem — passa por um tubo condutor, permitindo que os alunos observem tanto as mudanças no movimento quanto a indução eletromagnética. A indução eletromagnética, onde uma voltagem é gerada quando um ímã passa por uma bobina, aumenta com a velocidade com que o ímã se move pela bobina. Mudar a orientação do ímã inverte a polaridade da voltagem. Os alunos também podem observar como a voltagem muda conforme o número de espiras na bobina varia.”
Fotos de telas de computador mostrando alterações de voltagem devido à indução eletromagnética.
Para o experimento, eles adotaram a bobina proprietária da Shimadzu Rika Corporation. Essas bobinas completaram recentemente 10 anos no mercado. Uma característica fundamental é a estabilidade do enrolamento, garantindo a aquisição confiável de dados. Além disso, uma única bobina permite alternar entre 600 e 300 espiras para os experimentos, possibilitando aos alunos comparar as alterações na forma de onda sob diferentes condições.
Vídeo de montagem do experimento "Trem de Ímãs Passando pela Bobina" (do canal do YouTube Physics Exam Lab), em japonês.
2. Grade de análise de vídeo para velocidade terminal de uma xícara de alumínio
Kawasaki, que desenvolveu a Tela de Análise de Vídeo com Grade, disse: “Este kit é baseado na Questão 2 da Prova Comum de Física de 2023. Esta questão foca na velocidade terminal — o ponto em que a aceleração do copo de alumínio em queda livre se torna zero. Ao realizar experimentos, gravamos vídeos e os analisamos usando um aplicativo, mas desenvolvi uma tela para auxiliar nesse processo. As linhas da grade impressas na tela facilitam a análise e tornam mais fácil observar as mudanças na distância percorrida no vídeo. O material utilizado é lona que não enrola, escolhida por não amassar facilmente. Além disso, um aplicativo de análise gratuito que pode ser usado em um navegador será desenvolvido por um professor do Laboratório de Exames de Física.”
Kawasaki explica como usar a tela que ela desenvolveu.
Vídeo instrutivo para o kit de experimento de queda do copo de alumínio (do canal do YouTube Physics Exam Lab), em japonês.
3. Dispositivo de pêndulo sobre carrinho oscilando em piso sem atrito
Iwata, que projetou o acessório de pêndulo para carrinho, disse: “Este kit corresponde à Questão 1, de física, do exame de admissão da primeira fase de 2018 da Universidade de Tóquio. Esta questão explora o movimento geral de um pêndulo suspenso por um pilar em um carrinho colocado em um piso horizontal, assumindo que não há atrito entre o piso e o carrinho. Ao montar a unidade em nossa plataforma Smart Cart, aproximamos as condições de um piso sem atrito. Criamos o kit para que os alunos possam refletir sobre as questões e verificar os resultados por si mesmos. Priorizamos a usabilidade em sala de aula, incorporando recursos como comprimentos de corda ajustáveis e escalas de ângulo para garantir que o kit seja fácil de manusear durante as aulas.”
Ela também explicou que "os alunos podem confirmar visualmente o ponto estacionário que se forma na corda do pêndulo como resultado do movimento combinado do carrinho e do pêndulo, exatamente como previsto pela teoria".
Kits de experimentos desenvolvidos por meio de colaboração em equipe
No desenvolvimento dos kits, cada membro assume a responsabilidade por um dispositivo específico, enquanto toda a equipe realiza as revisões de projeto. A equipe também consulta professores do Laboratório de Exames de Física e testa protótipos com estudantes universitários e do ensino médio, incorporando o feedback deles para aprimorar o projeto.
Comentário do responsável da Shimadzu Rika Corporation
Quando os professores da Olimpíada de Física nos procuraram para discutir a possibilidade de adaptar as questões do exame de admissão diretamente para os kits de experimentos, eu pensei: "Este é exatamente o tipo de trabalho que Shimadzu Rika deveria estar fazendo."
Nosso objetivo era recriar, da forma mais fiel possível, os "dispositivos impossíveis" mostrados nos diagramas da prova, combinando equipamentos existentes com novas abordagens inovadoras. Quando os alunos releem a questão da prova com a intuição adquirida no experimento, o significado das fórmulas naturalmente começa a fazer sentido. Os alunos que realizam o experimento antes de responder às questões da prova provavelmente obterão uma compreensão mais profunda e uma impressão mais positiva da física do que aqueles que estudam apenas pelo livro didático.
Até então, era comum que, mesmo após a realização de experimentos e o tempo gasto na análise dos resultados, não houvesse tempo suficiente para verificar as descobertas cruciais. Hoje, sensores de alta precisão podem capturar resultados experimentais e convertê-los em dados, permitindo-nos fornecer materiais didáticos que ajudam os alunos a analisar os resultados com mais eficiência e a aprender com mais eficácia.
Ficaríamos muito felizes se nossos kits pudessem servir como uma solução essencial para professores que têm dificuldade em encontrar tempo para experimentos. Acima de tudo, esperamos que esses kits inspirem os alunos a descobrir o quão fascinante a física pode ser.
Título da página e URL copiados.