a introdução às ciências naturais e o ensino de física e matemática

A “INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS NATURAIS” E O
ENSINO DE FÍSICA E MATEMÁTICA PARA AS
ENGENHARIAS
Mordka Szajnberg 1 e Abraham Zakon2
O ensino de segundo grau da Física tende a despertar medo e pânico,
intensificados nas faculdades. A base de Matemática e Física adquirida nos colégios tem
sido insuficiente para que os alunos enfrentem os cursos de Engenharia, sendo agravada
pela influência do sistema de questões de múltipla escolha adotado nos concursos
vestibulares. Os 30 anos de sistema de créditos e requisitos produziram evasões e
retenções escolares, cujos dados estatísticos específicos são dispersos. Uma disciplina
de “Introdução às Ciências Naturais” seguida de três disciplinas semestrais de Física
Clássica e duas de Física Moderna são delineadas, deixando-se os trabalhos
experimentais para cada instituição ou curso planejar dentro de suas possibilidades. O
ensino no ciclo básico é mais importante do que o profissional em termos de
interdisciplinariedade e multidisciplinariedade. A presente proposta visa estruturar e
consolidar conceitos para os alunos, motivá- los e evitar evasões e repetições escolares.
Palavras-chave: Ciências naturais, física, matemática, engenharia, ensino de graduação.
THE ENGINEERING UNDERGRADUATE TEACHING OF
“INTRODUCTION TO NATURAL SCIENCES”, PHYSICS
AND MATHEMATICS
Physics learning at high schools tends to create fear and panic, intensified in
the graduate courses. Mathematics and Physics basis acquired before admission is
unsatisfactory to Engineering students, and are corroded by the influence of multiple
choice questions of brazilian universities entrance examinations. The statistical data
about evasions and retaining of undergraduate students after 30 years experience on
graduation credits system adopted are dipersed. An “Introduction to Natural Sciences”
discipline is proposed, followed by three semesters of Classical Physics and two of
Modern Physics, taking in consideration that experimental classes and works shoul be
planned by each institution according their needs and possibilities. Considering the
approaches of inderdisciplinarity and multidisciplinarity, the teaching at basic stage is
more important than at professional stage. The introductory discipline proposition
intends to give to students structured and consolidated concepts, motivation, and to
avoid evasion and undergraduate extended times.
Keywords: Natural sciences, physics, mathematics, engineering, undergraduate teaching
1 - Prof. Aposentado
Instituto de Física e Faculdade de Engenharia, Universidade do Est ado do Rio de Janeiro
Tel.: 2568-2914 E-mail: [email protected]
2 - Prof. Adjunto
Departamento de Processos Inorgânicos, Escola de Química, Centro de Tecnologia,
Universidade Federal do Rio de Janeiro Ilha da Cidade Universitária, 21949-900
Tel.: 21-2562-7643 – Fax: 21-2590-3192 Email: [email protected]
1
AS FUNÇÕES DOS CIENTISTAS E
DOS ENGENHEIROS .
A função do cientista é conhecer,
enquanto que a do engenheiro é fazer. Assim
ocorre na área da Física. O físico adiciona
dados e informações ao conhecimento
verificado e sistematizado do mundo físico; e
o engenheiro torna útil esse conhecimento na
solução de problemas práticos, que envolvem
o projeto e construção de artefatos,
equipamentos, instrumentos, instalações e
também a concepção de sistemas e processos,
via de regra, envolvendo os elementos
anteriores de modo a serem operados de
forma econômica. O ensino da Física para
físicos e engenheiros nem sempre é
coincidente e tal diferença gera algumas
dificuldades de comunicação e de emprego
dos recursos teóricos nas questões práticas.
Por vezes, em alguns cursos de Engenharia
são os físicos que ministram as aulas de
Física, e em outras ocasiões, ou instituições,
são os engenheiros que se encarregam desta
nobre tarefa. Situação similar ocorre, por
exemplo, na área da Matemática no caso do
ensino de Métodos Numéricos para a
Engenharia (Química) e mesmo em
Computação.
A EXPANSÃO DAS CIÊNCIAS
NATURAIS E ENGENHARIAS
Durante
o
recente
Congresso
Brasileiro de Ensino de Engenharia –
COBENGE.2001, ocorrido em Porto Alegre,
Zakon, Szajnberg e Nascimento consideraram
a Engenharia como uma ou o conjunto de
especialidades resultantes da conjunção da
Física, Matemática, Geologia, Química e
Biologia, hoje reconfigurada como uma
atividade humana criadora de metodologias,
engenhos e tecnologias, presente ou latente
em qualquer área do conhecimento. O
desenvolvimento da Física, a mais
fundamental
das
Ciências
Naturais,
impulsionou a expansão das demais. A Física
Clássica (lecionada em dois anos) sustentou
os ramos consagrados da Engenharia (Civil,
Mecânica, Elétrica, Química, Metalúrgica e
Minas), porém, o elenco de habilitações na
área da Engenharia cresce sem parar. A Física
Moderna catalisou a geração de novos
materiais, especialidades e habilitações
avançadas, p. ex., Engenharia e Arquitetura
Molecular. A Física Moderna também
forneceu meios para identificar fenômenos e
substâncias, por exemplo, nas Ciências
Aeroespaciais
e
Geociências,
que
possibilitaram compreender, monitorar e
preservar o meio ambiente em qualquer
planeta. A Biologia, as Geociências e as
Ciências da Gestão emergiram como novas
matérias fundamentais para formar todos os
engenheiros, e, particularmente os que
optaram pela recém criada Engenharia
Ambiental. Concluiu- se que é necessário
redimensionar o ensino da Física para todos
os Cursos de Engenharia, expandindo-se a
duração dos seus ciclos básicos de graduação
de dois para três anos. Sugeriu-se a adoção do
ensino da Física Clássica em dois anos e da
Física Moderna em mais um ano.
DEPOIMENTOS PRECEDENTES
No ítem “A grade curricular” de seu
artigo “Ensino e aprendizagem – real/virtual e
mudança/permanência”
Angotti
(1999)
revelou: “Precisamente há dez anos, em
estudos preparatórios de doutorado, elaborei
uma pesquisa do tipo "survey". junto a
departamentos de Física de IES do pais,
centrada no ensino das disciplinas básicas
nos cursos de engenharia: seu caráter, traços
marcantes de disciplinas teóricas e
experimentais, conteúdos mais privilegiados e
mais descartáveis... obtendo um índice
surpreendentemente bom de respostas, cujos
resultados
mostraram
claramente
a
prioridade do conhecimento clássico em
detrimento do moderno e contemporâneo em
Física.
Ainda:
a
distribuição
dos
conhecimentos
clássicos
priorizavam
nitidamente a grandeza "massa-energia
concentrada" ex plicitamente em Mecânica e
Termodinâmica,
implicitamente
na
Eletricidade (junto à carga) em prejuízo das
ondas - energia distribuída, palidamente
presente no capítulo genérico de ondulatória
– mecânica e eletromagnetismo e específico
da óptica. ...Decorridos dez anos, ao
2
observar a distribuição destas disciplinas de
Física Geral nas grades balizadas pelos
textos didáticos mais adotados, os mesmos da
minha geração nos anos 70, com mudança
mais de aparência do que essência, posso
afirmar sem refazer a investigação que os
dados daquele "survey" são bastante atuais.
Posso também afirmar, baseado nos livros
texto de áreas afins como a Matemática e
química, que pouco mudou desde 1970”.
Prata (1999) no item " Ensino da
Engenharia" no texto " Comentários sobre a
atuação do engenheiro professor" comenta
que "o ensino sistematizado da Engenharia
tem cerca de duzentos anos, e durante a
maior parte deste período, esta tem sido
ensinada com grande enfoque na técnica.
Recentemente os engenheiros professores tem
percebido que a tecnologia muda e torna-se
obsoleta com grande rapidez; e a Engenharia
tem passado então a ser ensinada com grande
enfoque nos aspectos fenomenológicos. É
preciso que se diga, no entanto, que mesmo
sendo esse enfoque aceito pela maioria dos
engenheiros professores, ainda, em algumas
disciplinas,
existem
docentes
que
equivocadamente priorizam a técnica em
detrimento do fundamento". Os mesmos
comentários podem ser aplicados aos
currículos dos cursos de graduação.
Bermudez (1999) no ítem "O ensino
tecnológico
como
componente
do
desenvolvimento tecnológico, pág. 68"
apresenta (dentre várias outras) as seguintes
reflexões: 1a- “As universidades têm
entabulado uma louca corrida atrás da
tecnologia, procurando tornar seus cursos
mais atuais. A solução mais comum tem sido
a de aumentar os currículos para incluir
tecnologias mais recentes. Isso tem
contribuído para a geração de currículos com
excesso de horas de aula. Complementar os
currículos existentes (deste modo) não
resolverá o problema. ...A política de
educação tecnológica deve levar a formação
de profissionais capazes de gerar mudanças
tecnológicas e não apenas para acompanhalas. ...O estudo tecnológico têm uma
característica necessariamente seriada. O
embasamento
matemático
requer
a
maturação de certos conceitos para aquisição
de novos conhecimentos. ...A interação entre
os sistemas de ensino superior e fundamental
(1o e 2o graus) é praticamente inexistente na
área tecnológica”. Em seguida, o mesmo
autor, na pág. 70, apresenta argumentos para
nossa defesa da ampliação do ensino básico
da Física (e da Matemática...) para 3 anos: “A
sociedade não vê uma formação sólida em
ciências básicas, física e matemática, como
uma necessidade para evolução tecnológica.
A população não associa essa formação
básica aos produtos da evolução tecnológica
que usa nos seus afazeres diários. Mesmo
estudantes universitários que escolheram
cursos de natureza tecnológica não percebem
a importância de uma formação básica sólida
em ciências físicas e matemáticas para uma
carreira tecnológica. Daí a grande
necessidade de motivação dos estudantes
durante o ciclo básico dos cursos de
engenharia". Na pág. 73, Bermudez (1999)
acrescenta: “a Universidade deve desenvolver
no profissional a capacidade de autoaprendizado. Isso só pode ser conseguido
dando-se ênfase ao ensino das conceitos
básicos, e não das tecnologias de ponta. O
conhecimento aprofundado dos conceitos
básicos possibilitará ao futuro engenheiro a
atuação em áreas tecnológicas que nem
sequer existiam durante sua formação
universitária . As tecnologias de ponta devem
ser estudadas, mas apresentadas como
aplicações dos princípios básicos e não como
a finalidade do aprendizado. E ainda na pág.
75: "No curto prazo, devemos estabelecer um
programa de interação com o ensino
fundamental, visando uma maior capacitação
para o raciocínio lógico, uma maior
informação sobre as carreiras tecnológicas e
a avaliação das técnicas pedagógicas
empregadas nas primeiras séries. O papel
dos conceitos fundamentais nas evoluções
tecnológicas deve ser enfatizado. O sistema
de avaliação deve ser reformado para que
exija do estudante o exercício do raciocínio
crítico". Aquele autor conclui que "a
formação dos novos engenheiros será
decisiva no processo de competição
tecnológica internacional".
O depoimento de Bermudez (1999)
encontra
ressonância
na
experiência
profissional de um dos autores da presente
contribuição, pois durante sua atuação na
3
industria eletrônica, treinando estagiários de
Engenharia. ele observou nitidamente que os
alunos com maiores conhecimentos de Física
e Matemática - adquiridos nos ciclos básicos
das respectivas universidades - adaptaram-se
com facilidade a aos processos da resolução
de problemas surgidos nos projetos
tecnológicos da empresa. Seu desempenho era
superior aos daqueles que somente viam o
ciclo básico como uma etapa às vezes até
desagradável, mas necessária, para obter o
diploma no final do curso. Como orientador
de alunos do Convênio UERJ–TELERJ
(1993-94) em atividades do projeto de fim do
curso de Engenharia Eletrônica, notou
também que os alunos com boa base de
Física,
Matemática
e
Informática
apresentaram desempenho exemplar na
aprendizagem e no entendimento de
tecnologias novas ainda não estudadas na
época no curso da universidade – como por
exemplo, estações digitais telefônicas.
O Eng. Mecânico e Diretor-Presidente
Executivo da WEG, Décio da Silva (1999),
em seu texto "O engenheiro que as empresas
querem hoje" declarou na pág. 81:
"Comparativamente aos engenheiros da
década de 90, os da década de 80 tinham uma
formação mais sólida nas ciências básicas de
sua profissão: Física e Matemática. Eram
mais hábeis em resolver problemas, tinham
uma visão mais sistêmica da realidade e
melhor raciocínio lógico. Por outro lado,
eram menos hábeis no uso de ferramentas
computacionais e raramente dominavam um
segundo idioma. De maneira oposta, a
prática profissional dos engenheiros da
década de 90 privilegia o uso do computador,
com o qual a facilidade e a rapidez de
simulações do tipo "tentativa e erro" reduzem
a análise crítica baseada em princípios
físicos sobre um determinado problema. Por
outro lado, estão mais aptos à dinâmica da
vida atual, usam a informática e os meios de
comunicação de forma mais produtiva e, se
ainda não chegam às empresas dominando
um segundo idioma - naturalmente o inglês -,
pelo menos estão sensibilizados quanto à
necessidade de fazê-lo”.
Cabe uma pergunta: será que a
habilidade adquirida atualmente pelos futuros
engenheiros na área de informática permite ao
um enfraquecimento da qualidade do ensino
cientifico básico?
Sobre o fato dos
engenheiros dos anos 80 que raramente
dominavam um segundo idioma, sabe-se que
a língua inglesa há muito tempo se tornou o
idioma universal da tecnologia mundial, e é
lastimável que o ensino universitário não a
inclua em seus currículos...
Na pág. 86, Silva (1999) sustenta: “Há
que se considerar que o conhecimento
tecnológico específico de cada área é
sustentado por um sólido embasamento físico
e matemático e este continuará a ser o núcleo
central do preparo intelectual dos
profissionais de Engenharia, os quais agora
trabalham em um ambiente complexo,
mutável com grande rapidez, no qual suas
realizações são às vezes limitadas mais por
considerações sociais do que pela capacidade
técnica. O que os cursos de Engenharia
podem fazer: em primeiro lugar - fornecer
sólida base conceitual. A prática virá com o
exercício da profissão. A instituição deve
fornecer conhecimento, não treinamento (que
é responsabilidade da empresa e do próprio
engenheiro).”
OS VESTIBULARES
CONDICIONAM O ENSINO DE
SEGUNDO GRAU
O ensino de Física no segundo grau
constitui um pré-requisito para seu ensino
posterior nas faculdades e institutos de ensino
de ciências exatas (em disciplinas e cursos de
física, química, matemática e todas as
engenharias) das universidades. Sabe-se que
esse ensino é falho na maioria de colégios
estaduais, federais e particulares (exceto em
alguns colégios públicos e particulares). A
causa principal desta situação foi e em parte
continua sendo a forma das provas adotadas
em concursos vestibulares: de múltipla
escolha. O argumento de defesas dos
organizadores dos vestibulares é expresso da
seguinte forma: num universo de dezenas de
milhares (talvez centenas de milhares) de
candidatos: é a forma mais prática e menos
trabalhosa de se realizar um vestibular.
As provas de múltipla escolha dos
vestibulares condicionaram o ensino do
segundo grau, e também os "livros-texto"
4
adotados pelos colégios para as ciências
exatas. Basta examinar qualquer livro de
Física do 2o grau. Um dos autores vivenciou
uma experiência desagradável quando
lecionou Física durante um semestre no
primeiro e terceiro ano num colégio carioca,
tentando ministrar problemas discursivos e
adotar livros-texto diferentes. Resultaram
discussões sérias com a Diretoria do Colé gio,
os pais dos alunos, e os próprios alunos.
Todos exigiam que se devia somente treinar
os alunos pelo método de “adivinhar”
múltiplas escolhas. Ou seja, ao invés de
ensinar a Física, o principal objetivo é
preparar os alunos para passar no vestibular.
Essa experiência possibilitou entender ou
vislumbrar que todo estudo conduzido no
ensino secundáro depende principalmente da
metodologia do vestibular.
Entendemos que o tipo de avaliação
por múltipla escolha não pode ser totalmente
abandonado. O universo dos vestibulandos é
muito grande e não tem como abandonar a
múltipla escolha na primeira triagem.
Entretanto, para múltipla escolha devem ser
incluídas somente questões conceituais (de
qualquer Ciência Natural). A segunda fase
deve der constituída somente de provas com
problemas discursivos e numéricos (como
ocorreu no vestibular do CICE em 1966 no
Rio de Janeiro). Esta será a fase principal do
concurso e como tal influenciará o ensino do
segundo grau.
O concurso vestibular constitui a
bússola orientadora da qualidade do ensino do
segundo grau e, por isso, a metodologia
adotada na elaboração de suas questões tem
uma importância fundamental para as
habilidades intelectuais que serão adquiridas
pelos alunos. A qualidade do ensino do
segundo grau no Brasil só poderá melhorar se
houver um refinamento da metodologia de
avaliação das provas dos exames vestibulares.
O MEDO DA FÍSICA E
MATEMÁTICA
Não é função da faculdade corrigir
falhas do ensino secundário, entretanto, esta
afirmação fica só nas palavras. A triste
verdade é que somos obrigados a corrigir
certas distorções do ensino do segundo grau,
o que nós, professores universitários,
queiramos ou não, estamos fazendo, em
menor ou maior escala. A Física adquire no
ensino secundário e no vestibular os
contornos de uma "ciência mágica", ou de
uma "matéria que mais reprova", ou que
representa "notas mais baixas no vestibular".
É o chamado “patinho feio” das ciências
exatas, é a síndrome do medo que os alunos
possuem da matéria Física. Este medo às
vezes se transforma em ódio, criando uma
barreira mental contra a Física. Este problema
uma vez iniciado no Segundo Grau é
plenamente
confirmado
nos
exames
vestibulares. As notas das provas de Física,
quando comparadas com as das outras
matérias são de longe as mais baixas, sendo
que o fenômeno se propaga para o ciclo
básico das universidades. Verifica-se em
diversos depoimentos, inclusive em anais de
eventos, que o índice de reprovação em Física
no ciclo básico é muito elevado. Às vezes, as
reprovações numa disciplina de Física
provocam evasão em massa de cursos de
Engenharia.
Qualquer docente de Física ou de
Engenharia pode constatar que os alunos dos
cursos de Engenharia recebem ensinamentos
com conteúdos e qualidade diferenciados
daqueles oferecidos aos do curso de
bacharelado de Física. As causas são bem
conhecidas, apesar de pouco discutidas. Mas
as razões apresentadas são sempre as mesmas:
“um físico deve conhecer a Física de um
modo mais profundo, e a matéria da Física
ensinada para os futuros engenheiros deve ser
simplificada”. E ainda: “os livros-texto para
os alunos de Engenharia não podem ser os
mesmos que os ministrados para alunos dos
cursos de Física e assim por diante”.
Quanto
ao
exposto,
Einstein
manifestou-se assim: “A vulgarização da
ciência é de grande importância se proceder
de uma boa fonte. Ao procurar-se simplificar
as coisas não se deve deformá-las. A
vulgarização tem de ser fiel ao pensamento
inicial. A ciência não pode, é evidente,
significar o mesmo para toda a gente”.
Portanto, o ensino da Física para não- físicos
pode ser simplificado em alguns aspectos,
mas não pode perder a qualidade da outra.
5
Como já foi dito, o medo da Física
continua sendo propagado no ciclo básico do
ensino superior (de qualquer curso onde tal
matéria seja obrigatória). Os alunos “futuros
engenheiros“ tem medo das matérias de
Física. Os estagiários de Engenharia têm
dificuldades da resolver problemas práticos de
Física que durante suas atividades industriais
ou pré-profissionais. A vivência de um dos
autores na empresa Microlab S.A. em
atividades de Engenharia de Projeto,
permitiu- lhe ser convocado para resolver
problemas banais na qualidade de “físico”,
que normalmente um engenheiro ou mesmo
um estagiário do ciclo profissional deveria
saber resolver. Entretanto, essa ocorrência não
pode ser generalizada (embora seja um
indicador aleatório das dificuldades que os
alunos sentem). Outro fato marcante ocorreu
na UERJ: dois professores ministraram a
matéria “Eletricidade e Magnetismo” para
duas turmas de Engenharia (cerca de 50
alunos em cada turma). Um dos professores
resolveu ministrar o curso no mesmo nível
dirigido para os alunos do bacharelado de
Física. O que aconteceu? No final do curso,
ele ficou lecionando para 12 alunos, pois os
outros migraram para a outra turma que
acumulou 88 alunos. O que se percebeu é que
para um universo grande e variado de alunos
de Engenharia tal constatação se repete,
sendo, infelizmente, verdadeira.
RELAÇÕES ENTRE O ENSINO
SUPERIOR DE MATEMÁTICA E
FÍSICA
A Matemática Superior envolve-se
com todo o ensino superior das ciências
exatas, pois é a linguagem universal das
ciências, e constitui a sua ferramenta
principal. A Matemática em si é o modo mais
fácil de representar modelos físicos, e o
exemplo mais notável foi o de Newton que
inventou o Cálc ulo Diferencial e Integral para
desenvolver suas pesquisas.
A Física é ensinada, geralmente, em
paralelo com a Matemática Superior (Cálculo
Diferencial e Integral I). A matéria "Cálculo
I" talvez seja a campeã em reprovações no
primeiro ano do ciclo básico nas faculdades
de ciências exatas (rivaliza com a Física I) . A
culpa dessa ocorrência é geralmente atribuída
ao "ensino deficiente que os alunos receberam
no segundo grau" (como veremos esta
afirmação
é
somente
parcialmente
verdadeira).
Analisando-se a metodologia do
ensino das disciplinas de "Cálculo I",
chegamos a conclusão que é muito formal e
abstrata. Faltam exemplos práticos da Física,
principalmente da Cinemática. Falta até a
própria razão da invenção do “Cálculo”. As
Matemáticas são freqüentemente lecionadas
por docentes que acham que o formalismo
abstrato em nível elevado é indispensável
para a compreensão do Cálculo Superior. Não
queremos negar em absoluto esta concepção,
mas achamos que certos conceitos abstratos
poderiam ser dados nos cursos de matemática
dos semestres seguintes, pois alunos
amadurecidos favoreceriam essa abordagem.
As outras matérias de Matemática
ministradas no primeiro semestre como
Geometria Analítica, Álgebra Linear e
Cálculo Vetorial são geralmente bem
absorvidas. Todas as Matemáticas devem
servir como pré-requisitos obrigatórios para a
matéria de Física I.
Provavelmente, adotadas as sugestões
apresentadas acima, poderá ocorrer nas
universidades a extinção parcial do problema
do “patinho feio”.
A sugestão da criação e incorporação
de uma disciplina "Introdução às Ciências
Naturais" visa complementar os esforços para
diminuir a evasão escolar e a retenção de
alunos de cursos de Engenharia e outros,
admitindo-se que uma parcela mínima sempre
poderá empregar o primeiro período para
"descobrir sua verdadeira vocação" e mudar
de curso.
O ENSINO ATUAL DE FÍSICA
NAS ENGENHARIAS.
Prata (pág. 177, 1999) observou que
nos séculos XIX a XXI caracterizam-se por
algumas especialidades da Engenharia, a
saber:
Século XIX - Engenharia das Máquinas
Século XX - Engenharia Eletrônica
Engenharia dos Materiais
Século XXI - Engenharia da Vida.
6
A Física é a ciência da matéria,
energia, e das forças fundamentais da
Natureza (Neutron, 2000). Atualmente a
Física é ensinada em dois anos (quatro
semestres) no ciclo básico. A Física Clássica
é compactada em três semestres: Mecânica,
Termodinâmica e Eletricidade-Magnetismo.
Os assuntos da Acústica, Física dos Meios
Contínuos, Óptica e Ondas são espremidos
dentro desses três semestres. No quarto
semestre é ensinada (parcialmente) a Física
Moderna, onde o aluno deve aprender a
Mecânica Quântica antiga (Semi-Clássica),
noções sobre a Mecânica Quântica Moderna,
Estrutura da Matéria, Física Nuclear, Óptica
eletrônica, Fibras Ópticas, Cristalografia,
Estado Sólido, Relatividade e Cosmologia,
Física de Altas Energias e ainda tem “aulas de
laboratório..” Reduz-se a matéria citada a
noções, mas mesmo assim este ensino se
constitui em uma tarefa humanamente
impossível para docentes e alunos. Os
conformados podem argumentar:- “um aluno
de Engenharia aprende no ciclo básico a
Mecânica de Newton com a Matemática do
nível médio (desconhecimento do Cálculo
Diferencial e Integral no primeiro semestre), a
Eletricidade de Faraday, as leis de Ohm e de
Kirchoff,
as
leis
fundamentais
da
Termodinâmica
Macroscópica,
Óptica
Geométrica, a propagação do som e assim por
diante...” Enfim, lhe é ensinada a Física do
Segundo Grau revestida com um pouco de
Matemática Superior. A formação principal
em Física é reservada para o ciclo
profissional. Sem dúvida, é uma solução.
Entretanto, essa linha de raciocino apresenta
falhas. A principal função do ciclo básico é a
de preparar o aluno para o profissional. Sem
receber um conhecimento mais profundo da
Física, o aluno não terá a preparação
adequada para aprender a profissão, talvez
nem saberá escolher uma especialidade ou
manter-se no estudo da própria profissão.
Surge então a pergunta: para que
ensinar Física Moderna? Resposta: para
compatiblizar várias ramos da Engenharia
com os no vos materiais, tecnologias
avançadas e para que se possa dotar as áreas
de Eng. Química, Eng. Ambiental e Eng.
Civil com elementos imprescindíveis para o
trato dos resíduos sólidos perigosos
radioativos.
As lacunas deixadas no ensino do
ciclo básico refletem-se negativamente no
ciclo profissional e dificilmente podem ser
compensadas durante este período. Os três
anos seguintes, embora constituam um tempo
relativamente longo, tornam-se insuficientes
para formar engenheiros com domínio dos
conhecimentos de Física e suas aplicações.
Provavelmente, as notas baixas tiradas no
“Provão” do MEC sejam resultantes do
despreparo do ensino atual da matéria no ciclo
básico. Einstein também dizia: "Não basta
ensinar ao homem uma especialidade, porque
se tornará, deste modo, uma máquina
utilizável e não uma personalidade. É
necessário que adquira um sentimento, um
senso prático daquilo que vale a pena ser
empreendido, daquilo que é belo, do que é
moralmente correto" . Assim, conclue-se
preliminarmente que: o ciclo básico deveria
ensinar os fundamentos e ciclo profissional
deveria
ministrar
as
características
tecnológicas
de
cada
especialidade,
incorporando o sentimento e o senso prático
daquilo que vale a pena ser empreendido.
Porém, existem áreas da Engenharia por exemplo, Eng. Química, Eng. Alimentos,
Eng. Bioquímica, Eng. Biomédica, Eng.
Saneamento, Eng. Ambiental, Eng. Minas,
Eng. Metalúrgica, Eng. Cerâmica, Eng.
Polímeros e Eng. Materiais - que não
dependem apenas da Física, mas também das
demais que compõem as Ciências Naturais: a
Química, a Biologia e a Geologia. Todas as
Ciências Naturais estão ligadas às origens da
civilização e às noções e sentimentos de
beleza e praticidade, e à necessidade de
sobrevivência da espécie humana. Defendeuse no COBENGE.2001 a necessidade dos
docentes pensarem mais o mundo ao seu
redor
para
transmitir
uma
interdisciplinariedade e uma interatividade
com outras áreas da nossa existência real. Isto
vale, principalmente, para a Física.
7
PROPOSTA PARA O ENSINO DE
FÍSICA NOS CURSOS DE
ENGENHARIA
A
proposta
apresentada
no
COBENGE. 2001 e aqui expostas com alguns
detalhes, visa aumentar o ensino da Física no
ciclo básico de dois para três anos (ou seis
semestres). A meta visada é: cada curso
planejará seus trabalhos experimentais. Os
objetivos
visam
incorporar
a
interdisciplinariedade e multidisciplinariedade
no ensino da Engenharia. Uma exposição
sobre o conteúdo de cada disciplina semestral
é apresentada a seguir:
Tabela 1 - Proposta de ensino da física para engenharia
COBENGE 2001
1o ano – Física Clássica
VII EEE e ASIBEI
1O semestre: Introdução às Ciências Naturais
2O semestre: Mecânica Clássica
2o ano – Física Clássica
3o semestre: Termodinâmica e Meios Contínuos
4O semestre: Eletricidade, Magnetismo e Ondas
3o ano – Física Moderna
5O semestre:Base experimental da Física Quântica
e Teoria da Relatividade Restrita
6O semestre: Elementos da Física Avançada
1o SEMESTRE: INTRODUÇÃO ÀS
CIÊNCIAS NATURAIS:
Os alunos não possuem, geralmente,
condições de absorver os ensinamentos de
uma Física Teórica. Isto acontece por que o
Cálculo Diferencial e Integral ainda não foi
lecionado. É importante apresentar o
desenvolvimento histórico e filosófico das
Ciências Naturais, desde mundo antigo até o
verdadeiro
nascimento
da
ciência
experimental do Galileu, que desembocou na
Física Clássica e na Física moderna. É
imprescindível expor como a Física e a
Matemática se entrelaçaram durante os
séculos, e como estimularam os avanços das
Ciências da Vida, das Geociências e do
desenvolvimento de tecnologias moderna. É
necessário expor o impacto das Teorias da
Relatividade Restrita e Geral e da Mecânica
Quântica, bem como as pontes que ligam a
Física Clássica com a Física Moderna, na
mudança de hábitos e costumes das
civilizações e das espécies animais. Verificase que nas turmas de Química Industrial e
Engenharia Química, que incluem nos seus
ciclos
profissionais
disciplinas
de
Microbiologia Industrial, Engenharia de
Alimentos, Engenharia Bioquímica e diversas
de Tecnologias Químicas Orgânicas e
Inorgânicas, e mesmo algumas compósitas –
suas disciplinas de Física I são meramente
mecanicistas,
faltando
componentes
“alquímicos” – históricos e conceituais – que
permitam aos alunos integrar e diferenciar a
Física com as demais Ciências Naturais, suas
formas peculiares de investigação e seu
tratamento científico. Por exemplo, uma
pedra na Física (Mecanicista) é um sólido
particulado, porém na Química e na
Mineralogia possue significados e abordagens
que necessitam de uma visão integradora da
8
Cristaloquímica e da sua Geogênese. Da
mesma forma, um osso ou uma cana-deaçúcar são vistos na Física Mecanicista como
sólidos particulados, ao passo que na Biologia
ou nas Tecnologias Químicas suas aplicações
podem ser variadas e a contemplação dessas
abordagens no contexto de uma disciplina
“Introdução às Ciências Naturais” no contexto
de “sistemas biológicos” pode enriquecer a
visão do mundo acadêmico que os aguarda
nos semestres vindouros. Um aspecto
complementar à proposta de tal disciplina, e
também importante, é o de abordar os
impactos sociais, institucionais, culturais,
tecnológicos e políticos das sociedades
científicas européias ao longo do segundo
milênio, para reforçar a noção de contexto e
pertinência dos estudos universitários.
Assim, uma primeira proposta de
ementa para a disciplina "Introdução às
Ciências Naturais" seria: Ciência. O
surgimento da Física e das Filosofias. O
desenvolvimento do Método Científico. O
advento da Revolução Industrial. O
desenvolvimento da (Bio)Química e da
Microbiologia Industrial. O desenvolvimento
de reatores, usinas, materiais e armas
nucleares O advento da Microscopia
Eletrônica, da Análise Instrumental, da
Ciência dos Materiais e das Engenharias
Molecular e Genética
Por conseqüência, um programa
poderia incluir: Ciência - Conceitos, leis,
princípios, modelos, teorias e empregos. Os
cientistas, engenheiros, tecnólogos, técnicos e
artesãos. A Física como elemento de ligação
entre áreas científicas. Metodologia e
objetivos da Fís ica e demais ramos
científicos. A importância da Matemática na
Física e nas demais ciências. O surgimento
da Física e das Filosofias - A Alquimia e as
formas rudimentares de Engenharia. A Física
de Aristóteles até a Idade Média. O
desenvolvimento do Método Científico Física de Galileu. Lei da gravitação de
Newton. O Mecanicismo e as Sociedades
Científicas. Teoria eletromagnética de
Maxwell. Microscopia, Mineralogia e
Biologia. Química. O advento da Revolução
Industrial: Termodinâmica e Máquinas a
Vapor. Máquinas e Veículos de Transporte
Terrestres, Aéreos e Marítimos. Teoria de
Relatividade de Einstein. Mecânica Quântica.
Modelos quânticos de unificação (Modelo
Padrão).
O
desenvolvimento
da
(Bio)Química e Microbiologia Industrial. O
desenvolvimento de reatores, usinas,
materiais e armas nucleares - Teoria de
Relatividade Geral de Einstein e modelos
cosmológicos. Problema principal da Física
(de Einstein, não resolvido: Unificar todas as
forças da natureza em uma só). O advento da
Microscopia Eletrônica, da Análise
Instrumental, da Ciência dos Materiais e
das Engenharias Molecular e Genética.
Fundamentos e Ramos da Física, Biologia,
Geociências e Química. Conceitos e
relações aplicadas em Biofísica, Geofísica,
Bioquímica, Geoquímica, Geomedicina,
Análise Instrumental, Meteorologia e
Ecologia.
SEMESTRES SEGUINTES
As áreas da Física Clássica incluem:
Mecânica, Acústica, Óptica, Termodinâmica e
Eletromagnetismo. Propõe-se empregar três
semestres seguintes para o ensino da Física
Clássica e utilizar mais dois semestres para a
Física Moderna. Entretanto, as matérias,
ministradas em Física Clássica sempre devem
conter o germe da Física Moderna. A seguir
são descritas as matérias da Física em termos
de conteúdo máximo, visando apenas prover
uma base para a construção de disciplinas
específicas para os diversos cursos de
graduação da Engenharia: 2o semestre :
Mecânica Clássica - Entes Fundamentais.
Mecânica Newtoniana. Ondas Mecânicas.
Gravitação. 3o sem.: Termodinâmica e
Meios Contínuos - Mecânica das Fluidos.
Transferência de Calor. Física Estatística
Clássica. 4o sem.: Eletricidade, Magnetismo
e Ondas - Eletrostática. Eletrodinâmica,
Ondas. Óptica física e geométrica. 5o sem.:
Base Experimental da Física Quântica e e
Relatividade Restrita - Quantização da
Energia. Raios x. Estrutura atômica. Teoria
Ondulatória da Matéria. Relatividade Restrita.
Física Estatística Quântica. 6o Sem.:
Elementos Da Física Avançada - Mecânica
Quântica. Estado Sólido. Física Nuclear.
Física Das Altas Energias. Óptica Quântica.
9
OS PROGRAMAS DAS FÍSICAS
Os respectivos programas para os
semestres de Física do ciclo básico poderiam
ser: 2o Semestre - Mecânica Clássica - Entes
Fundamentais: Sistemas de referência.
Transformações de Galileu. Espaço e tempo.
Mecânica Newtoniana : Cinemática de uma
partícula. Leis de Newton. Sistemas inerciais.
Forças conservativas. Dinâmica de uma
partícula. Sistemas acelerados. Trabalho e
energia. Energia mecânica: potencial e
cinética. Conservação da energia, momento
linear e momento angular. Sistemas com
muitas partículas. Centro de massa. Dinâmica
de corpos rígidos. Velocidades relativas e
acelerações. Colisões. Rotação. Ondas
mecânicas: Movimento harmônico simples.
Ondas transversais e longitudinais. Reflexão e
transmissão. Ondas estacionárias. Velocidade
de fase e velocidade do grupo. Fenômeno de
ressonância. Acústica. Gravitação.
3o Sem. - Sistemas, energia e propriedades
das partículas - Termodinâmica: Sistemas,
volumes de controle, propriedades e
processos. Leis fundamentais. Sistemas
abertos e fechados. Estados da matéria.
Energia e entalpia. Fluidos puros, soluções e
misturas. Gases ideais e reais. Sistema
líquido- vapor. Principio de Carnot. Processos
de compressão, expansão, refrigeração e
liquefação. Escalas de Temperatura. Entropia.
Mecânica dos Fluidos: Meios contínuos.
Propriedades de fluidos. Hidrostática.
Hidrodinâmica.
Ondas
de
choque.
Transferência de Calor e Massa: Condução,
convecção e radiação térmica. Condensação e
evaporação. Corpos negro e radiante. Física
Estatística: Introdução a probabilidade.
Variáveis aleatórias (randômicas). Densidades
probabilísticas. Distribuição de Maxwell.
Função de partição. Gás ideal de partículas
idênticas. Estatística de Boltzman. Equilíbrio
químico.
4o semestre - Eletricidade e magnetismo Eletrostática: Carga elétrica e lei de
Coulomb. Estrutura elétrica da matéria.
Campo elétrico. Lei de Gauss. Potencial
elétrico. Condutores e dielétricos. Energia
Eletrostática. Eletrodinâmica: Campos de
uma carga em movimento. Campo magnético.
Indução eletromagnética. Lei de Ohm.
Corrente elétrica. Circuitos elétricos básicos.
Lei de Ampére. Lei de Faraday para corrente
alternada. Equações de Maxwell. Ondas:
Ondas eletromagnéticas (no vácuo). Energia e
momento linear de ondas eletromagnéticas.
Espectro da radiação. Óptica física.
Dispersão, reflexão e refração. Interferência e
difração. Polarização. Óptica geométrica.
5o sem. - Física Moderna 1 (1900 a 1925) Base Experimental da Física Quântica e
Relatividade Restrita - Quantização da
Energia: Radiação do Corpo Negro e Lei de
Planck. Efeito Fotoelétrico. Dualidade Ondas
– Partículas (Fótons). Experiência FranckHerz . Espalhamento de Compton. Fótons.
Raios-X: Previsões De Maxwell sobre a
Existência. Descoberta de Roentgen. Teoria
da Difração Cristalina de Von Laue. Lei de
Bragg. Estrutura Atômica: Espectros
Atômicos. Espalhamento De Rutherford.
Átomo De Bohr. Teoria Ondulatória da
Matéria: Difração de Elétrons. Ondas De
Broglie. Dualidade Onda – Matéria
(Elétrons). Experiência de Davisson-Germer.
Relatividade Restrita: Relatividade da
Velocidade da Luz. Experiência de
Michelson-Morley. Postulados de Einstein.
Transformações de Lorentz. Partículas com
Massa
Zero.
Mecânica
Relativista.
Deslocamento Relativístico no Efeito
Doppler. Relação Massa-Energia (Equação de
Einstein). Física Estatística Quântica:
Formulação Clássica: (Maxwell-Boltzman) e
as formulações quânticas: (Bose-Einstein e
Fermi-Dirac). Bósons e Férmions.
6o Sem. - Física Moderna 2 (Após 1925) Elementos da Física Avançada - Mecânica
Quantica: Função de onda e a equação de
Schrodinger. Aproximação probabilística.
Principio de Incerteza de Heisenberg.
Quantização do momento angular. Spin e
experiência Stern-Gerlach. Princípio de
Exclusão de Pauli. Soluções da equação de
Schrödinger para uma partícula livre. Teoria
energética do poço unidimensional. Oscilador
harmônico. Efeito túnel através da barreira
potencial. Efeito de degeneração. Aplicação
da teoria quântica ao átomo de hidrogênio.
Átomos com muitos elétrons e a tabela
periódica. Formalismo geral da Mecânica
quântica: estados, operadores, álgebra
comutativa, autovalores, autovetores e
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autoestados. Estado sólido: Estrutura de
sólidos. Modelo de elétrons livres. Estrutura
de bandas eletrônicas. Condutores. Isolantes.
Semicondutores. Física nuclear: Estrutura
nuclear. Forças nucleares e a energia de
ligação. Estabilidade nuclear e decaimento
radioativo. Radiação alfa, beta e gamma.
Interação da radiação com a matéria. Reações
nucleares. Fissão e Fusão. Física de altas
energias (subnuclear, relativista): Equação
de Dirac. Partículas fundamentais. Partículas
e anti-Partículas. Leis de conservação.
Classificação de partículas. Modelo padrão.
Aceleradores de partículas. Óptica quântica:
Fibras ópticas e suas aplicações. Sistemas
Laser e suas aplicações.
Uma ressalva: no contexto dos
módulos incorporados aos semestres para o
ensino de Física não foram apresentados os
quesitos ou experiências de laboratórios, que
são indispensáveis. Sem laboratórios a Física
se torna uma matéria inexistente ou “morta”
(assim como as demais Ciências Naturais e os
segmentos tecnológicos químicos e afins).
Entretanto, devido à conhecida insuficiência
de recursos materiais para a realização de
trabalhos laboratoriais nas universidades,
deve-se deixar o seu planejamento ou
elaboração para os respectivos Institutos de
Física e Escolas de Engenharias. Os
laboratórios devem estritamente acompanhar
os textos dos cursos teóricos.
ADEQUAÇÃO DA
HETEROGENEIDADE NO
ENSINO DA FÍSICA
CONCLUSÕES:
Os cursos de Física do ciclo básico,
ministrados para cursos de Engenharia não
podem ser e não devem ser uniformizados.
No item acima foram aprestados currículos
máximos. Entretanto, os diversos ramos da
Engenharia requerem preparações diversas da
matéria de Física, e por isso nem sempre
necessitam de currículos plenos. Por exemplo,
os engenheiros civis devem receber uma
carga maior de mecânica do que os
engenheiros elétricos (ou eletrônicos), assim
como os engenheiros eletro-eletrônico devem
receber uma carga maior de Mecânica
Quântica e Física Estatística Quântica que os
engenheiros civis. Cada Instituto de Física,
em
conjunto
com
os
respectivos
Departamentos de Engenharia deve preparar
uma quantidade maior possível de cursos de
Física diversos para ciclo básico. Os módulos
serão retirados do conteúdo geral (conforme
exposto acima), sendo que o critério adotado
deve obedecer às necessidades de cada
engenharia com um grau de sofisticação
correspondente. Essa solução permite
compatibilizar diversas capacidades de
aprendizado oriundas das diferenças de ensino
que ocorrem nos colégios e cursos
vestibulares e evitar medos, repulsa e evasão
dos cursos superiores com a conseqüente
perda dos investimentos e recursos
orçamentários envo lvidos (que para o Brasil
são significativos).
1a - Uma disciplina de “Introdução às
Ciências Naturais” foi proposta, seguida de
três disciplinas semestrais de Física Clássica e
duas de Física Moderna, cujos conteúdos
também foram delineados. Deixou-se o
planejamento dos trabalhos experimentais
para cada instituição ou curso dentro de suas
possib ilidades.
2a - O ciclo básico é o mais importante para
criar e firmar uma base científica, tecnológica
e holística – devidamente atualizada - para os
futuros engenheiros. A proposta de ampliação
atende a recomendações de vários outros
autores e visa mesclar a interdisciplinariedade
e a multidisciplinariedade nos cursos de
Engenharia.
3a – O medo, a repulsa e o desinteresse pela
Matemática e pela Física podem ser
sobrepujados se houver uma iniciativa das
faculdades em modificar a forma e o conteúdo
das questões dos exames vestibulares e
implementar a disciplina introdutória em tela.
4a - A Física Moderna é necessária para
compatibilizar várias ramos da Engenharia
com os novos materiais, sistemas e
tecnologias avançadas e para que se possa
dotar as áreas de Eng. Química, Eng.
Ambiental e Eng. Civil com elementos
imprescindíveis para abordar o tratamento e a
destinação dos resíduos sólidos perigosos
radioativos.
11
REFERÊNCIAS:
www.neutron.anl.gov/hyper-physics/physics.html
(23 de outubro de 2000)
ZAKON., A.; SZAJNBERG, M. E ,
NASCIMENTO, J. L. – A expansão das ciências
naturais e das engenhrias em 2001 - Anais do
XXIX Congresso Brasileiro de Ensino de
Engenharia, COBENGE.2001, Porto Alegre, RS,
2001.
SZAJNBERG, M. E ZAKON., A. – A ampliação
e a readequação do ensino da Física para a
Engenharia do Terceiro Milênio - Anais do VII
Encontro de Educação em Engenharia, Escola
de Engenharia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro e Faculdade de Engenharia da
Universidade Federal de Juiz de Fora, Petrópolis,
RJ, 07 a 13 de novembro de 2001.
ANGOTTI, J. A. P. - Ensino e aprendizagem –
real/virtual e mudança/permanência - pág. 144;
PRATA, A. T. - Comentários sobre a atuação do
engenheiro professor - pág. 170, ;
BERMUDEZ, J.C.M. - A educação
tecnológica precisa de uma política - pág. 68;
SILVA, D. - "O engenheiro que as empresas
querem hoje" pág. 77, in: LINSINGEN, I. v.;
PEREIRA, L.T.V.; CABRAL, C.G.e BAZZO, W.
A. - Formação do Engenheiro, Desafios da
atuação docente, tendências curriculares e
questões contemporâneas da educação
tecnológica - Editora da UFSC, Florianópolis,
SC, 1999.
DADOS DOS AUTORES
Abraham Zakon
1 - Engo Químico (1971) e M.Sc. (1980) pela EQUFRJ e Doutor em Eng. Química (1991) na EP -USP.
2 - Docente de graduação: Convênio Petrobrás-EQUFRJ (1975 a 1979), Engenharia Química (Depto Eng.
Química (1977 a 1981) e Depto Processos Inorgânicos
(desde 1982)) e Química Industrial (desde 1998)
3 – Docente do Curso de Pós-Graduação em
Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos da
EQ-UFRJ (desde 1993), e colaborador do Mestrado em
Engenharia Civil da Universidade Federal Fluminense
(1995 a 1997).
4 – Engenheiro de Planejamento e Custos na Foster
Wheeler Ltda (1972), e Chefe de Controle Químico na
Abbott Laboratórios do Brasil Ltda. (1973).
5 - Coordenou a Biblioteca Setorial da EQ-UFRJ (1980
até 1983), Responsável pelo Laboratório do DPI-EQUFRJ, (1983 até 1984) e do Laboratório de Compostos
Cerâmicos (desde 1993), Chefe Substituto do Depto de
Processos Inorgânicos da EQ da UFRJ (1999).
6 - Representante da Escola de Química da UFRJ
perante o Conselho Técnico-Consultivo da Escola
Técnica Federal de Química - RJ (1982 a 1988).
7 - Consultor "Ad-hoc" da FAPERGS (1994), do
PADCT-III da FINEP, CNPq e CAPES (1997 e 1998),
da FAPEMIG (1999), da UERJ / SR2 / DEPESQ
(2000).
8- Medalha Nilo Peçanha, concedida pelo MEC (1989)
e Homenagem da Turma Leopoldo A. Miguez de
Mello, de formandos de Engenharia Química da EQUFRJ (em 08 de agosto de 1992).
9 – Atualmente, escreve um livro sobre “As profissões
da Química no Terceiro Milênio” referente à Reforma
Curricular dos currículos de graduação da EQ -UFRJ.
Mordka Szajnberg
1 -Bacharel em Física (1978) e Licenciado em Física
(1993) pela UERJ.
2 - Pós-graduação em Física de Altas Energias - CBPF
1990-1992. Escola Internacional de Instrumentação de
Física de Altas Energias - ICFCA-CBPF 1992.
3 - “Colaboração no projeto eletrônico do Detetor
DZERO do Acelerador de partículas de Altas Energias
FERMILAB - Experiência E740-D0”, Convênio
CBPF/UERJ/FERMILAB.
4 - Estágio de pesquisa no FERMILAB, Ilinois USA bolsista CNPq - 1992
5 - Professor da UERJ (1979– 1995), Depto de Física
Aplicada do Instituto de Física e Depto de Engenharia
Eletrônica da Faculdade de Engenharia (regime
estatutário) (1979 a 1995).
6 - Orientador do projeto de Engenharia Eletrônica:
“Automatização dos Testes das Placas Terminais da
Central Trópico-R.”- Convênio UERJ/TELERJ.
7 - Aposentado (na compulsória) em 20/04/95.
8 - Experiência Profissional de Engenharia:
8.1 - Analista de Projetos Sênior no Depto Eng.
Eletrônica da MICROLAB S.A. 1974-1990.
8.2 - Consultor da área técnica –1990 - 1994
9 - Publicações e Patentes:
9.1 -Livro “Eletrônica Digital” Editora LTC 1988, 412
pag. 1a edição 1988 ( 3000 exempl.) Reimpressão em
1991 (2000 exemplares).
9.2 - “Kit de Eletrônica Digital -Uma proposta para
ensino”. VII simpósio Nacional de Ensino de Física
USP - São Paulo- 1987.
9.3 - “Repetidor de Freqüências de Voz - RFV” Patente Brasileira 8401869.
9.4 - “Teste de Interferências Eletromagnéticas em
Equipamentos Eletrônicos” - 32 Reunião Anual da
SBPC - 1980.
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