COMO ENSINAR TÉCNICAS EXPERIMENTAIS SEM EXPERIMENTOS?

 

 

 

Cláudio A. Cardoso 1 ;  José M. Póvoa 1

1 Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Física

Rodovia Washington Luiz, km 235

CEP: 13565-905, São Carlos, SP

Cardoso@df.ufscar.br
 

 

 

Resumo: O desenvolvimento de numerosas técnicas experimentais cada vez mais sofisticadas traz novas ferramentas extremamente úteis para a engenharia. Ao mesmo tempo, esta sofisticação e o alto custo dos equipamentos comerciais representam um grande obstáculo para o treinamento, em larga escala, dos alunos de graduação em engenharia nas referidas técnicas. Neste trabalho apresentamos uma proposta para o ensino de técnicas experimentais sofisticadas dentro de uma disciplina de graduação, que vem sendo desenvolvida na graduação em Engenharia Física na Universidade Federal de São Carlos. A metodologia proposta foca na discussão dos princípios básicos de diferentes técnicas experimentais sofisticadas e no treinamento dos alunos na interpretação dos resultados que a técnica fornece sem, contudo, efetivamente realizar a medida  prática em si.

 

Palavras-chave: Engenharia física, Tecnicas experimentais, Caracterização de materiais)

 

 

 

1.    INTRODUÇÃO

 

       O desenvolvimento científico acelerado característico do mundo contemporâneo se reflete em todos os aspectos da nossa vida diária. Dentro do conhecimento técnico, tanto na área científica como nas engenharias, este processo se reflete, por exemplo, na disponibilidade de um volume cada vez maior de técnicas analíticas capazes de fornecer as mais variadas informações sobre os mais diversos tipos de amostras.  Como ilustração deste fato, apenas o livro de BRUNDLE et al. (1992) apresenta 53 técnicas diferentes somente para a caracterização da superfície de materiais, cada uma com suas especificidades, limitações e fornecendo informações diferentes. E este livro não esgota todas as técnicas disponíveis para caracterização de superfícies, nem cobre todas as aplicações possíveis das técnicas discutidas, fora o desenvolvimento significativo que algumas destas técnicas teve da edição do livro até os dias de hoje! Além disso, a sofisticação das técnicas atuais faz com que o conhecimento aprofundado de uma dada técnica experimental exige um longo treinamento e vasto conhecimento não apenas de ciência de materiais, mas também de física, química, eletrônica, etc.  Por outro lado, este mesmo desenvolvimento tecnológico traz novos problemas de engenharia, que os engenheiros em formação hoje devem ser capazes de resolver no futuro. E a resolução de problemas complexos passa muitas vezes pelo emprego de técnicas igualmente sofisticadas.

       O desenvolvimento do ensino de engenharia se faz através do entendimento de conceitos teóricos visando sua utilização para a resolução de problemas práticos. Nos cursos de engenharia, em geral, classificam-se as disciplinas como disciplinas teóricas ou práticas, geralmente realizadas em laboratórios. Nesses laboratórios, algumas experiências são trabalhadas visando desenvolver a capacidade do aluno de aplicar os conhecimentos adquiridos nas aulas teóricas com o intuito de ampliar sua percepção da realidade, sua compreensão dos fenômenos físicos sobre os quais irá atuar ao longo de sua carreira profissional, além de desenvolver as habilidades de trabalhar em equipe para a solução de algum problema, muitas vezes pré-definido pelo professor. Todas as engenharias, e em particular a engenharia física não podem prescindir de laboratórios para a formação de um bom profissional. Mas temos algo a mais, quando falamos de técnicas de caracterização de materiais, por exemplo. Não se trata apenas de ilustrar conceitos e fixar conteúdo. Trata-se de ensinar uma ferramenta importante para a futura atuação profissional do aluno. Uma ferramenta sofisticada, muitas vezes de acesso limitado, e cara.

       Este cenário coloca para as instituições de ensino superior em engenharia uma série de desafios. Que técnicas ensinar aos nossos alunos? Focar algumas técnicas e discutí-las com profundidade ou dar um panorama geral das técnicas existentes, mesmo ao custo de não detalhar nenhuma delas? E, principalmente, como estruturar um curso de graduação para 40 alunos, onde se ensinaria técnicas cujos equipamentos custam centenas de milhares de dólares cada?

       O presente trabalho busca apresentar uma proposta de resposta a estas questões. Nele reportamos nossa experiência atual na implementação de duas disciplinas de graduação, Métodos de Caracterização 1 e 2, da grade da Engenharia Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Nossa proposta foca na discussão “teórica” das técnicas, juntamente com os resultados obtidos do uso da técnica em estudo, assim como as possíveis aplicações da técnica. As dificuldades associadas a esta estratégia, assim como suas virtudes serão apresentados e discutidos.

 

 

2.        O PERFIL DO CURSO E DO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA FÍSICA

 

Antes de discutirmos o problema específico do ensino de técnicas experimentais, é importante fazermos uma breve digressão sobre nossa motivação para ensinar tais técnicas aos alunos de graduação em Engenharia Física. Isso, e as condições da nossa instituição, vão definir as condições de contorno a serem satisfeitas na implementação das disciplinas em questão.

A proposta da Engenharia Física é formar um profissional “multiespecialista”, com forte base em ciências básicas (física, química, matemática), assim como uma formação generalista em diferentes áreas de contato entre a física e as engenharias como, para citar poucos exemplos, os campos da ótica e da acústica. O profissional assim formado deve ser versátil, ágil na aquisição de novos conhecimentos e com facilidade de trânsito em diferentes áreas. O curso é estruturado com uma grande quantidade de disciplinas optativas/eletivas, de tal forma que o aluno tenha a opção de estruturar parte da sua formação de acordo com seus interesses e sua visão do mercado de trabalho.

Dentre as áreas de concentração disponíveis aos nossos alunos, uma das principais é na área de ciências de materiais e, assim, as disciplinas de Métodos de Caracterização de Materiais são de grande importância na formação dos nossos alunos. O caráter generalista do Engenheiro Físico demanda um conhecimento abrangente das técnicas experimentais de caracterização de materiais. Os profissionais que formamos trabalham em empresas das mais diversas áreas, de tal forma que é muito difícil definir quais técnicas seriam mais úteis.

Outra característica específica do perfil do engenheiro que pretendemos formar é que ele pode ser não apenas um usuário da técnica, mas seria um bom candidato a ser desenvolvedor de novas técnicas. Assim, apenas conhecer a técnica e saber interpretar os resultados por ela fornecidos é apenas parte do conhecimento desejado. Conhecer como funciona a técnica também é importante, inclusive para entender melhor suas potencialidades e limitações. Aqui entra um outro aspecto interessante da discussão destas técnicas experimentais: elas constituem em excelente playground para ilustrar e integrar conceitos básicos aprendidos em diferentes disciplinas teóricas da física. Este curso abre a possibilidade de mostrar ao alluno aplicações práticas e reais de diversos fenômenos que vão da mecânica quântica, à mecânica estatística, ao eletromagnetismo, eletrônica, conceitos de química, ciência de materiais, física do estado sólido, etc.

Mais ainda, é importante incutir no aluno a idéia de que resolver um problema começa por fazer as perguntas corretas e, para cada pergunta, há uma técnica mais apropriada. Os problemas reais não são enunciados da mesma forma que os exemplos acadêmicos são apresentados. Usando uma discussão apresentada por DIAMOND (2005) para ilustrar este ponto, as questões do mundo real podem vir da forma “com quem os nativos de Fiji mantinham rotas de comércio em 3000 AC?”, enquanto o problema acadêmico seria “Dado um certo mineral, determine sua composição química”. A ligação entre ambas as perguntas está em saber que, a partir da composição de uma rocha é possível dizer de que pedreira ela foi extraída e, assim, estabelecer a rota comercial do lugar onde uma dada ferramenta de pedra foi fabricada até o ponto onde ela foi descoberta. Portanto, conhecer uma técnica transcende o simples conhecimento técnico da interpretação básica dos resultados por ela fornecidos, mas passa por saber também exemplos de como as informações por ela fornecidos podem ser utilizados na prática, nos mais diversos casos. Este é, na verdade, o elemento mais difícil de ser estruturado em uma disciplina. O “dilema dos métodos de caracterização”, tal como exposto acima, foi expressa com muita propriedade, em outro contexto, por um autor anônimo, citado por BERNSTEIN em seu livro Against the Gods:

 

A informação que se tem não é a informação que se quer.

 

A informação que se quer não é a informação que se precisa.

 

A informação que se precisa não é a informação que se pode obter.

 

A informação que se pode obter custa mais do que se quer pagar.”

 

 

3.        A  PROPOSTA PARA A DISCIPLINA DE MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS

 

Do que foi exposto até aqui, concluímos que, pensando no perfil do profissional que queremos formar, as disciplinas de Métodos de Caracterização de Materiais para os alunos da Engenharia Física da UFSCar devem satisfazer as seguintes condições:

 

1.      Apresentar de uma forma abrangente as diversas técnicas experimentais existentes e que podem fornecer informações importantes sobre diversas classes de materiais.

2.      Discutir com alguma profundidade os princípios básicos de funcionamento das técnicas, assim como a instrumentação associada.

3.      Analisar os resultados fornecidos pela técnica, saber interpretá-los corretamente e conhecer os principais tipos de artefatos e limitações associados aos resultados em questão.

4.      Ilustrar a utilização da técnica em problemas concretos e, na medida do possível, escolhendo exemplos onde a conclusão final extraída dos resultados não se limite a uma leitura direta dos resultados obtidos pela técnica.

 

       Observem que não estão indicados acima o conhecimento da operação dos equipamentos atualmente disponíveis e a realização dos experimentos em si. A razão disso pode ser sumarizada em alguns pontos. O primeiro é que saber operar um dado modelo de equipamento não necessariamente o capacita para operar todos os modelos de equipamentos de uma dada técnica, ainda que os princípios fundamentais sejam os mesmos. O segundo  ponto é que muitos desses equipamentos são muito sofisticados e sua operação é complexa e exige razoável treinamento; optar por treinar o aluno para fazer com propriedade uma dada medida implicaria necessariamente em deixar de lado discussões mais amplas sobre um maior número de técnicas. Finalmente, exatamente pela sofisticação das técnicas, esses equipamentos são em geral operados por técnicos e assim saber detalhes da operação do equipamento acaba por se revelar pouco útil no sentido que provavelmente haverá um técnico que vai efetivamente fazer a medida para você caso você precise utilizar esta técnica em algum momento. É importante saber como escolher a técnica apropriada e ter conhecimento suficiente para instruir o técnico sobre a medida desejada. De fato, laboratórios especializados em algumas dessas técnicas avançadas tem surgido, no mundo e também no Brasil, como prestadoras de serviço às empresas. O engenheiro então precisa conhecer minimamente as técnicas existentes que possam resolver seu problema antes de contratar um ensaio ou uma consultoria de um laboratório especializado, e também ter conhecimento suficiente para avaliar criticamente o resultado fornecido por este laboratório. Novamente, saber operar os equipamentos não é um requisito indispensável.

       Isso nos leva a questão da conveniência ou não de se ter práticas experimentais nessas disciplinas. Não há dúvidas de que a realização concreta de qualquer atividade colabora muito para a fixação dos conceitos e a verificação empírica daquilo que foi estudado em sala. Entretanto, vejamos, por exemplo, o caso de medidas de difração de raios-X em nossa instituição: suponhamos que ao aluno é dado um certo material na forma de pó e pede-se que ele identifique o composto. O aluno vai então até o técnico que coloca o pó num porta-amostras específico, insere o porta-amostra no difratômetro, executa no computador uma rotina automática pré-programada que fornece a medida desejada. Esse arquivo então é comparado, ainda no computador do técnico, com um banco de dados cristalográficos e o composto é identificado. Vejam que o aluno, na verdade, pouco fez de prático. Os equipamentos atuais são essencialmente automatizados, e o pouco que o operador precisa fazer é, em geral, realizado por um técnico. Não poderíamos, por exemplo, substituir este “experimento”, por um filme apresentado em sala de aula? Há uma grande quantidade de material deste tipo disponível gratuitamente, seja nos sites dos fabricantes de equipamentos, ou em material de divulgação e treinamento destas mesmas empresas, seja no YouTube, sites de universidades, etc. Isso evita a necessidade de se ter o equipamento, que é caro; disponibilizá-lo para que, digamos, 10 grupos de 3 alunos cada façam suas experiências e análises, o que implica em gastos com a operação do equipamento, tempo do técnico, material de consumo, etc. Desta forma, mesmo centros emergentes, instituições com pouca tradição em pesquisa científica ou faculdades isoladas poderiam fornecer um curso sobre técnicas sofisticadas.

       Portanto, nossa proposta é a criação de disciplinas que discutam “teoricamente” um vasto leque de técnicas de caracterização de materiais, focando nos seus princípios básicos de funcionamento, instrumentação e análise de dados reais obtidos previamente. Além disso, busca-se ilustrar a aplicação da técnica em problemas práticos os mais diversos, para estimular o aluno a usar a técnica de uma forma criativa, sem rotulá-la como específica de uma dada área. Por exemplo, ao discutir Espectroscopia Atômica, pode-se ilustrar a aula com aplicações tão distintas quanto em componentes eletrônicos, área biomédica, agricultura, alimentos, forense, geologia, alimentos, farmacêutica, etc.

 

 

4.        IMPLEMENTAÇÃO DAS DISCIPLINAS DE MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS NA UFSCar

 

No curso de Engenharia Física da UFSCar, temos implementado a proposta discutida acima em duas disciplinas: Métodos de Caracterização 1 e 2 (que chamaremos de agora em diante de MC1 e MC2, respectivamente). A escolha das técnicas a serem discutidas em cada disciplina é um tanto arbitrária e mantemos a emenda do curso bastante flexível. Isso é importante para adequar a disciplinas às demandas que possam surgir ao longo do tempo em termos da formação dos nossos alunos, quanto a possíveis limitações do professor, por exemplo. Em linhas gerais, concentramos na MC1 técnicas baseadas em difração, complementadas por microscopias diversas e análises térmicas. Assim, a proposta atual da disciplina contempla as técnicas:

 

·        Difração de Raios-X

·        Difração de nêutrons

·        Microscopia ótica

·        Microscopia eletrônica de varredura

·        Microscopia eletrônica de transmissão

·        Microscopias por sonda (AFM, STM, MFM, etc)

·        Análises térmicas (dilatometria, calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise térmica diferencial (DTA), análise termogravimétrica (TGA))

 

Já a disciplina MC2, explora técnicas espectroscópicas na sua maioria. Como exemplo, são usualmente abordadas as técnicas:

 

·      Espectroscopias atômicas no visível/UV

·      Espectroscopias moleculares no visível/UV

·      Espectroscopia no Infravermelho

·      Espectroscopia Raman

·      Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

·      Espectroscopias de raios-X (EDX, WDX, EXAFS, XANES)

·      Espectroscopia de fotoelétron (XPS)

·      Espectroscopia Auger

·      Espectroscopia de massa

 

Como já foi discutido anteriormente, a abrangência dessas disciplinas só é possível com uma criteriosa escolha do que discutir sobre cada técnica. É inegável que cada uma dessas técnicas mereceria um semestre inteiro de estudo e ainda assim não seria esgotada. Mas nosso objetivo não é formar especialistas em nenhuma dessas técnicas. Nem teríamos em nosso corpo docente professores especialistas em todas estas técnicas para apresentá-las em profundidade, nem teríamos todos estes equipamentos disponíveis para a realização de práticas. Entretanto, é sim possível apresentar os aspectos fundamentais dessas técnicas em duas disciplinas semestrais, com os recursos disponíveis em nossa instituição.

Os critérios de avaliação dessas disciplinas também não podem seguir os procedimentos usuais em geral. Muitas vezes uma discussão mais “profissional” dos resultados da técnica envolvem bancos de dados ou softwares especializados nem sempre disponíveis aos alunos. Os problemas mais interessantes, além disso, envolvem conhecimentos que transcendem o escopo destas disciplinas. Portanto, temos adotado uma avaliação por projetos nestas disciplinas, em geral acompanhados de seminários. Em geral pede-se que os alunos busquem um aprofundamento maior em algum ponto importante de uma das técnicas apresentadas e que não pôde ser apresentado em sala de aula por limitações de tempo, ou que discutam novos exemplos de aplicações da técnica, etc. Também buscamos sempre que possível confrontar os alunos com dados reais fornecidos pelas técnicas estudadas, solicitando que eles interpretem estes resultados, e entreguem um relatório desta investigação. Finalmente, também solicitamos listas de exercícios e/ou seminários de alguns aspectos teóricos relacionados às técnicas, como aspectos fundamentais de cristalografia ou da teoria da formação de imagem de Abbé, por exemplo.

 

 

5.        CONSIDERAÇÕES FINAIS

 

                Neste trabalho buscamos apresentar uma alternativa para o ensino de técnicas experimentais sofisticadas que pode ser, a princípio, adotada por qualquer instituição, em qualquer curso de graduação em ciências ou engenharia. O sucesso da estratégia passa, entretanto, por uma análise cuidadosa do perfil do profissional a ser formado e dos recursos materiais e  de pessoal próprios de cada instituição. A escolha das técnicas a serem discutidas, dos exemplos a serem empregados e das atividades sugeridas aos estudantes passa necessariamente por esta análise. Na nossa opinião, é importante também manter estas escolhas com uma certa flexibilidade, para que possam ser revistas e adequadas com o feedback obtido da oferta destas disciplinas e/ou as demandas específicas da área de formação/atuação dos estudantes/futuros profissionais. Mas não temos dúvidas que tal estratégia pode ser adaptada a outras instituições e/ou cursos de engenharia, desde que as especificidades locais sejam devidamente equacionadas. Também é possível aplicar esta estratégia para outras disciplinas experimentais.

Entretanto, é importante enfatizar que o trabalho prático é fundamental na formação do profissional e na fixação dos conteúdos estudados. Sempre que for possível estabelecer uma prática laboratorial, é interessante que ao aluno seja oferecida a possibilidade de fazer seus próprios experimentos e tirar suas próprias conclusões. Nossa proposta deve ser vista no sentido a equacionar o problema de práticas experimentais demasiadamente complexas ou inacessíveis, de tal forma que o aluno não tem realmente a possibilidade de trabalhar por conta própria.

            Nossa experiência já de dois anos desde a oferta inicial destas disciplinas indica que a estratégia defendida neste artigo tem se mostrado bem sucedida até aqui. O número de alunos inscritos na disciplina MC2, que é optativa na nossa grade curricular, tem aumentado a cada vez que a disciplina é oferecida. Aos alunos tem sido perguntado ao final dos cursos sobre a opinião e sugestões deles sobre a disciplina. Em resumo, os alunos aprovam a disciplina, consideram as discussões apresentadas interessantes, inclusive por fazer correlações com vários assuntos para os quais eles não tinham nenhuma idéia de aplicação prática. Muitos efeitos importantes da física são bem conhecidos, mas permanece isolado, solto na cabeça do aluno, no máximo como uma ilustração de uma certa teoria. Mostrar que tal efeito pode ser usado para desenvolver um transdutor, por exemplo, é algo que fascina os alunos. Há, entretanto, algumas queixas. A principal delas é a falta de trabalhos práticos. Alguns alunos consideram certas partes do curso muito abstratas e vagas, e nem sempre o aluno tem confiança que é capaz de interpretar corretamente os dados da técnica estudada. A avaliação geral, ainda assim, é francamente positiva. A solução para estas críticas pode passar por uma maior ênfase na análise de resultados práticos, de preferência na forma de estudos de caso.

            Em conclusão, é possível e, em alguns casos até desejável, desenvolver um tratamento teórico de técnicas experimentais. Esta proposta é particularmente interessante quando as técnicas experimentais em questão são muito sofisticadas para que os alunos as operem de forma autônoma, ou cujos preços de aquisição e manutenção sejam proibitivamente altos para a instituição.

 

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

BRUNDLE, C. R.; EVANS, JR, C. A.; WILSON, S.  Encyclopedia of Materials Characterization. Stoncham, EUA, 1992.

 

DIAMOND, J.,  Colapso: Como as sociedades escolhem o fracasso ou o sucesso. São Paulo, 2005.

 

BERNSTEIN, P.L, Against the Gods, John Willey & Sons Ind.

 

how teach experimental technics without experiments ?

 

 

 

Abstract: The development of numerous experimental techniques increasingly sophisticated brings new tools very useful for engineering. At the same time, this sophistication and the high cost of commercial equipments represent a major obstacle for training on a large scale of the students of the under graduation engineering. This paper presents a proposal for teaching sophisticated experimental techniques in a under graduation discipline of Engineering Physics at Universidade Federal de São Carlos. The proposed methodology focuses on discussion of the basic principles of different and sophisticated experimental techniques and in the training of students in the interpretation of the results that the technique provides, without, however, effectively carries out the practical step in itself.

 

Key-words: engineering physics, experimental techniques, characterization materials