Conceptualization of higher education students on the concept of electric field in Potentially Meaningful Teaching Units on electrostatics

Pantoja, Glauco Cohen; Moreira, Marco Antonio

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Revista Brasileira de Ensino de Física

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Sumário

Pesquisa em Ensino de Física • Rev. Bras. Ensino Fís. 42 • 2020 • https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0288 copy

Conceptualization of higher education students on the concept of electric field in Potentially Meaningful Teaching Units on electrostatics

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Abstract

The results of the implementation of a Potentially Meaningful Teaching Unit (PMTU) for approaching the concept of electric field in electromagnetism subjects at undergraduate level are presented for two groups. One of the groups studied at a southern Brazilian university (18 students), while the second one studied at a northern Brazilian University (11 students). The philosophical and sequential aspects of the PMTU were applied for constructing two PMTUs with 11 classes of 100 minutes each. As theoretical framework for data analysis it was used the theory of conceptual fields. As methodology for data analysis the method of content analysis was used and as inferred variables, the conceptualization forms were considered, that is, the manner by which students used operatory invariants for solving problems. As a main result, it is noticeable the progressivity in conceptualization and occurrence of meaningful learning processes, once new modes of conceptualization nearer from the scientific ones appeared at most times in students’ conceptualizations in the classes of situations presented. As a main conclusion we argue on the evidence of the use of UEPS can provide conditions for occurrence of meaningful learning processes of the concept of electric field in the operatory form of knowledge.

Keywords:
PMTU; Meaningful Learning; Electric Field

AULA	DESCRIÇÃO	PASSO
-	Escolha do conceito de campo elétrico no contexto da eletrostática – neste caso os campos elétricos não variam no tempo, são conservativos e irrotacionais, pois são produzidos por distribuições de carga elétrica estáticas (i.e. estacionárias ao longo do tempo).	1
1	RT – apresentação de uma atividade com 12 questões de múltipla escolha com resposta justificada.	2
1	AE – apresentação de uma visão histórica sobre a evolução da eletricidade e de problemas envolvendo o conceito de campo elétrico como, por exemplo, a desfibrilação cardíaca e a reprodução do DNA, com vistas à introdução do conteúdo.	3
2	AE: introdução do conceito de fluxo elétrico, a partir das relações entre carga elétrica e campo elétrico, e da lei de Gauss e do princípio da superposição.	4
2	RT: três problemas envolvendo análise e cálculo de fluxo de campo elétrico.	4
3	AE: cálculo de campos elétricos usando a lei de Gauss; discussão da relação entre fluxo elétrico e campo elétrico nos problemas da esfera, do fio muito longo e das placas paralelas.
3	RT: problemas de livro-texto requerendo o uso da lei de Gauss para cálculos de campos elétricos.
4	AE: introdução conceito de potencial elétrico através da lei de circulação elétrica; relação entre os conceitos de potencial elétrico e diferença de potencial elétrico; comparação entre as leis de fluxo (Gauss) e de circulação do campo elétrico.
4	RT: duas questões relacionando os conceitos de diferença de potencial e o de potencial elétrico.
5	AE: estabelecimento de semelhanças e diferenças entre campo elétrico, potencial elétrico, fluxo elétrico e circulação elétrica através do problema da desfibrilação cardíaca; apresentação do conceito de força elétrica e relacionamento deste com os demais conceitos.	5
5	RT: duas questões envolvendo os conceitos supracitados (uma fechada e uma aberta).	5
6	AE: formalização do conceito de força elétrica usando o termo de campo elétrico da força de Lorentz, a partir da situação da reprodução do DNA; abordagem nas perspectivas de energia e de força [6][6] M. Nousiainen e I. Koponen, European Journal of Science and Mathematics Education 5, 74 (2017)..
6	RT – duas questões versando sobre a relação entre força elétrica e campo elétrico.
7	AE: introdução da lei de Coulomb, diferenciando os casos de distribuição discreta e contínua e relacionando ao princípio da superposição; relação com a lei de Gauss e com a lei de circulação do campo elétrico; comparação entre a lei de Coulomb e a força de Lorentz; cálculo do campo elétrico do disco.	6
7	RT – não houve.	6
8	AE: discussão e aplicação dos conceitos supracitados no contexto dos materiais condutores.
8	RT: três questões, duas envolvendo blindagem eletrostática, além de uma envolvendo condições estáticas e dinâmicas de campos elétricos.
9	AE: discussão e aplicação dos conceitos supracitados no contexto dos materiais dielétricos; introdução dos conceitos de deslocamento elétrico e de polarização.
9	RT: duas questões envolvendo materiais dielétricos.
10	RT: avaliação somativa individual envolvendo tarefas sobre todo o conteúdo trabalhado. Algumas mais abertas, outras mais fechadas.	7
-	avaliação das UEPS através da análise dos modos de conceitualização dos estudantes.	8

	A	B	C	D	E	F	G	H
$γ_{1}$	$a_{1}$	$b_{1}$	$c_{1}$	$d_{1}$	$e_{1}$	$f_{1}$	-	-
$γ_{2}$	$a_{1}$	$b_{1}$	$c_{2}$	$d_{2}$	$e_{2}$	$f_{2}$	$g_{1}$	$h_{1}$
$γ_{3}$	$a_{1}$	$b_{1}$	$c_{2}$	$d_{2}$	$e_{1}, e_{3}$	$f_{3}$	$g_{2}$	$h_{2}$
$γ_{4}$	$a_{1}$	$b_{1}$	$c_{2}$	$d_{2}$	$e_{1}, e_{3}$	$f_{3}$	$g_{3}$	$h_{3}$
$γ_{5}$	$a_{1}$	$b_{1}$	$c_{2}$	$d_{2}$	$e_{1}, e_{3}$	$f_{4}$	$g_{4}$	$h_{4}$

	A	J	K	L	M
$β_{1}$	$a_{1}$	-	-	-	-
$β_{2}$	$a_{1}$	$j_{1}$	$k_{1}$	$l_{1}$	$m_{1}$
$β_{3}$	$a_{1}$	$j_{2}$	$k_{2}$	$l_{2}$	$m_{2}$
$β_{4}$	$a_{1}$	$j_{3}$	$k_{3}$	$l_{3}$	$m_{3}$
$β_{5}$	$a_{1}$	$j_{2}, j_{3}$	$k_{2}, k_{3}$	$l_{2}, l_{3}$	$m_{2}, m_{3}$

T	$S_{P}$	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J	K	L	M	N	O	P	Q	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J	K
	0	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	1	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$
D	2	$γ_{2}$	$γ_{4}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$	-	$γ_{2}$	$γ_{2}$	$γ_{2}$
	3	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$
	4	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	-	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$
	1	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{3}$	-	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{3}$
2	2	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	-	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{3}$	-	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{3}$
	3	-	$β_{5}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	$β_{2}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	-	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	-	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$
4	1	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$
5	1	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	$γ_{5}$	-
	2	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	$γ_{5}$	-
6	1	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-
	2	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-
	1	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	$γ_{5}$	-
8	2	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	$γ_{5}$	-
	3	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	-	-	-	$γ_{5}$	-
9	1	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$
	2	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$
	1	$γ_{3}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{2}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	-	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{2}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	-	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$
	2	-	$γ_{1}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	-	$γ_{5}$	$γ_{5}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{5}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{2}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$	-	$γ_{1}$	$γ_{4}$	$γ_{1}$
S	1	$β_{2}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{2}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{5}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{1}$	$β_{1}$	$β_{1}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{3}$	$β_{5}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{3}$	$β_{4}$	$β_{5}$	$β_{4}$
	3	$β_{2}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{5}$	$β_{2}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{1}$	$β_{5}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	-	$β_{4}$	-	-	-	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{1}$	$β_{1}$	$β_{1}$	$β_{4}$	$β_{4}$	$β_{1}$	$β_{1}$

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[1] ^*Endereço de correspondência: glaucopantoja@hotmail.com.