Física: uma caixa preta?

A ideia por detrás do uso de uma caixa preta em sala de aula é que os alunos, sem a abrirem, tentem descobrir o seu conteúdo - preparado com antecedência pelo professor. Depois de terem determinado experimentalmente o que está dentro da caixa, os estudantes podem abri-la para verificar as suas hipóteses. A seguir descreve-se um exemplo de como usar as caixas pretas para ensinar circuitos eléctricos, adequado a estudantes entre 15-18 anos. No entanto, existem muitos usos possíveis para as caixas pretas na sala de aula, até para os estudantes mais jovens e em outras áreas da física^w1.

Tive boas experiências com este método, tanto em sala de aula como na formação de futuros professores de Física. Muitos professores parecem não estar familiarizados com ele, mas é realmente muito semelhante a problemas que temos que resolver na vida real. Além disso, a experiência estimula a criatividade dos alunos, e as caixas pretas são baratas e fáceis de construir.

Construir uma caixa preta

Materiais

• Um tubo de plástico de comprimidos (por exemplo, de vitamina C efervescente)
• Uma broca
• Duas fichas banana (por exemplo, as fichas dos cabos de ligação do amplificador aos alti-falantes de um sistema hi-fi de som)
• Componentes electrónicos (por exemplo, resistências, condensadores, díodos, etc) que caibam dentro do tubo
• Fios eléctricos flexíveis.

Procedimento

1. Faça um furo em cada extremidade do tubo.
2. Encaixe as fichas banana nos furos.
3. Ligue o(s) componente(s) electrónico(s) às fichas usando os fios (ver Figura 2).
4. Ajuste tudo dentro do tubo e feche-o.

Um tubo com tampa removível e fios flexíveis, facilitam a descoberta dos componentes e do circuito que está dentro da caixa preta. Devemos certificar-nos de que a ligação dos elementos no interior da caixa é simples e fácil de detectar pelos alunos. A aparência exterior da caixa é como quiser, eu costumo embrulhar os tubos numa folha de papel preto.

Podemos criar caixas pretas de complexidade diferente - algumas envolvendo apenas um componente electrónico (resistência, condensador, díodo, bobina, etc.), outras podem envolver vários componentes ligados formando circuitos simples (ver Figura 4).

Experiências com caixas pretas

Depois de aos alunos serem dados os conceitos básicos sobre circuitos eléctricos DC e AC, eles podem começar a fazer experiências com as caixas pretas para aplicar o que aprenderam na resolução de um problema prático. São-lhes dados materiais (listados abaixo), para serem usados para determinar os elementos individuais contidos numa caixa preta. No início são informados de todas as possíveis configurações que podem existir no interior das caixas. Na primeira etapa, cada grupo de alunos recebe cinco caixas, contendo apenas um componente electrónico por caixa. Na fase seguinte (não necessariamente na mesma lição), eles recebem oito caixas pretas com uma configuração simples ou uma mais complexa dentro de cada caixa. A tarefa consiste em descobrir o conteúdo usando a experiência e um algoritmo que eles devem desenvolver para a análise das caixas.

Materiais por grupo

• Cinco caixas pretas numeradas contendo cada uma, um componente electrónico (resistência, bobina, condensador, díodo, isolador)
• Oito caixas numeradas contendo, quer circuitos simples quer complexos (ver Figura 4)
• Fios
• Um amperímetro
• Um voltímetro
• Uma fonte de tensão DC e AC
• Um esquema com todas as possíveis configurações internas.

Procedimento

1. Dividir os estudantes em grupos de 2-3.
2. Distribuir o material.
3. Os estudantes têm 30 minutos para efectuar medições nas cinco caixas simples e determinar o seu conteúdo.
4. Cada grupo dá conta dos seus resultados.
5. Comparar os resultados e verificá-los abrindo as caixas pretas.
6. Se a hipótese estiver errada, determinar a causa do erro. Segundo a minha experiência, os alunos têm uma taxa de sucesso da ordem dos 80%. Em geral têm dificuldade na distinção entre uma bobina e uma resistência, porque ficam satisfeitos por verem que conduz corrente eléctrica mas não prestam atenção ao seu valor.
7. Tentar definir um algoritmo para determinar os componentes na caixa. Algo como:
   1. Montar um circuito eléctrico constituído por uma caixa preta, uma fonte de tensão, um amperímetro e um voltímetro.
   2. Usar uma fonte de tensão contínua (DC), ligar o circuito, medir a corrente e a diferença de potencial (ddp), e anotar os resultados.
   3. Mudar a polaridade da fonte tensão contínua (DC), medir novamente a intensidade da corrente e a diferença de potencial, registar os resultados e compará-los com os anteriores.
   4. Utilizar uma fonte de tensão alterna (AC) medir a intensidade da corrente e a ddp e comparar com os resultados das duas medidas anteriores.
   5. Propor uma hipótese para o circuito da caixa preta.
   6. Verificar a hipótese fazendo medidas adicionais.
   7. Determinar o conteúdo da caixa preta.
8. A seguir, os alunos dispõem de 40 minutos para determinar o conteúdo das oito caixas simples e complexas.
9. Repetir a observação como anteriormente. De acordo com a minha experiência, os alunos acham esta tarefa mais difícil, e nem todos os grupos são capazes de determinar o conteúdo de todas as caixas no tempo dado. A taxa de sucesso baixa para cerca de 70%. O que, mesmo assim, é ainda um bom resultado, e provavelmente não seria atingido, se alunos tentassem individualmente em vez de em grupo.

No segundo teste, os alunos têm problemas não na identificação de componentes simples, mas sim nos circuitos mais complexos e em distinguir entre uma resistência, um termistor ou uma lâmpada. Eles têm de aplicar os conhecimentos teóricos e precisam de compreender que é necessário mudar a ddp e, eventualmente, desenhar um esquema para serem capazes de determinar correctamente os elementos na caixa.

Que vantagens tiram os alunos destas experiências?

Manipular caixas pretas é uma tarefa atractiva para os alunos testarem os seus conhecimentos e entusiasmarem-se com o sucesso. Alguns tentam enquadrar este método noutros temas para aprender física. O mais importante é os alunos aprenderem a usar métodos sistemáticos de investigação. A experiência da caixa preta encoraja os alunos a perguntar e responder às suas próprias questões, formularem previsões, testar as suas hipóteses e comunicar os resultados aos colegas. Um método activo como este, ajuda também a melhor compreender a natureza da ciência. E adicionalmente, é uma boa maneira de resolver problemas da vida real, como por exemplo quando é necessário mexer num aparelho (caixa preta) cujo manual se perdeu.

Um ponto crítico nesta tarefa é a quantidade de informação a dar sobre o possível conteúdo da caixa. O professor tem de se assegurar que os alunos têm conhecimentos prévios suficientes e dar instruções claras de como proceder. Poucas instruções originam pensamento mais criativo, mas se não for dada informação suficiente, os alunos podem sentir-se sobrecarregados com a tarefa e perder o interesse.