O trabalho que se descreve consiste na implementação do programa FullProf para refinamento estrutural. Trata-se de um programa baseado no método Rietveld, disponível na internet. Uma vez adaptado às instalações locais, o programa foi submetido a uma série de ensaios para avaliação de seu comportamento frente a possíveis artefatos experimentais e computacionais, bem como frente à estratégia de refinamento. Constatou-se que o programa é muito sensível à estratégia de refinamento, podendo-se perder em mínimos locais; os parâmetros de rede e as posições atômicas informados inicialmente podem apresentar erro máximo de cerca de 1 % e 20 %, respectivamente, dependendo da amostra; erros na interpretação do refinamento podem resultar de equívocos de apreciação dos fatores de qualidade de ajuste, uma vez que são susceptíveis a alguns tipos de artefatos experimentais e computacionais; a sensibilidade frente à correta definição do grupo espacial é grande e erros nesta definição acarretam em divergência no processo de refinamento; os parâmetros de assimetria são importantes para o ajuste de picos difratados a baixos ângulos; o uso do parâmetro refinável que descreve o deslocamento experimental da origem da escala 2q, é imprescindível. Finalmente o programa foi usado para refinamento estrutural de amostras do tipo FexCo1-xTa2O6; determinação de cristalinidade relativa em polipropilenos isotáticos e identificação de fases em ligas submetidas a tratamentos de superfície. / The work described in the present Dissertation consists of the program FullProf implementation. It is a program for structural refinement, based on the Rietveld method, available in the internet. Once adapted to the local facilities, the program was submitted to a series of evaluation essays of its behaviour against possible experimental and computational artefacts and refinement strategy as well. It was verified that the program is very sensitive to the refinement strategy, occasionally going to be trapped in local minima; the initial cell parameters and atomic positions can present, respectively, maximum deviation of about 1% and 20%, depending on the sample; mistakes on the refinement interpretation can result from equivocated appreciation of the agreement factors, since they are susceptible to some kind of experimental and computational artefacts; the sensibility facing the correct definition of the space group is high and mistakes in this definition usually result in refinement divergence; the asymmetry parameters are important for the fitting of diffracted peaks in low angles; the use of the zero- 2q parameter, related to the experimental shift of the 2q-scale origin, is indispensable. Finally, the program was used for structural refinement of samples of the type FexCo1-xTa2O6; determination of relative crystalline fraction in isotactic polypropylene and phase identification in alloys submitted to surface treatments.

Partículas auto-propelentes são usadas para simular agregados celulares em um modelo onde as forças de adesão entre as células são homogêneas e apenas as diferenças de motilidade celular são usadas como indutores da segregação. Na formulação do modelo também é incluída a tendência das células orientarem sua velocidade na direção do movimento das células vizinhas. Duas variantes do modelo são exploradas e as condições sob as quais diferenças de motilidade celular podem produzir segregação são mapeadas em um diagrama de parâmetros. Nos casos onde há segregação, ajustam-se formas funcionais para os parâmetros que medem o crescimento dos agregados com intuito de estabelecer comparação com os modelos baseados em adesão diferencial. / Self-propelled particles are used to simulated cell aggregates in a model considering homogeneous adhesion forces between cells and using only motility differences as segregation drivers. The tendency of cells to follow their neighbors is also included in the formulation. Two model variants are explored and the conditions on which motility differences may produce segregation are mapped in a parameter diagram. In the cases where segregation happens, the functional form of the parameters measuring cluster growth are determined in order to establish comparison with models based on differential adhesion.

A literatura aponta diversas vantagens para o uso de atividades experimentais (AE) e de atividades computacionais (AC) no ensino de Física. Estudos mais recentes têm concluído que a combinação desses dois recursos pode ser ainda mais eficaz do que quando usados isoladamente. No entanto, raros são os professores que exploram tais estratégias didáticas em suas aulas com frequência e de forma adequada. O objetivo geral deste trabalho é investigar as causas que levam os professores da educação básica a desprezarem as AE e as AC e a muitas vezes utilizar esses recursos de forma inadequada. Para isso, buscamos investigar quais são as principais crenças dos professores em relação a essas estratégias e seus possíveis usos combinados, assim como suas atitudes frente à aplicação dessas estratégias no ensino de Física. Resumidamente, procuramos responder às seguintes questões de pesquisa: i) Como professores da educação básica percebem e exploram as AE e as AC no ensino de Física? ii) Que vantagens e limitações são por eles apontadas quanto ao uso de tais recursos e como eles percebem suas possíveis combinações? Para responder a tais questões, adotamos a estratégia de estudos de caso amparando-nos nas orientações metodológicas de Yin e utilizamos, no último dos estudos realizados, a “Teoria do Comportamento Planejado” de Ajzen. Para a investigação, foram realizados três estudos de caso exploratórios que envolveram, respectivamente, 52 alunos de um mestrado profissional, 64 alunos de uma curso de especialização e 53 outros professores de Física em exercício. Os resultados mostraram que os docentes atribuem grande importância ao uso de AE no ensino de Física; já em relação às AC, apesar de considerarem que podem ser muito úteis, não atribuem a mesma importância do que às AE. Pode-se concluir também que, de modo geral, os professores não apresentam um sólido conhecimento sobre o uso de AE e AC, apresentando dificuldades para, principalmente, destacar suas limitações. Poucos deles percebem a necessidade de estratégias didáticas adequadas para que as AE e as AC efetivamente contribuam para a aprendizagem de Física. Em relação ao uso integrado de AE e AC, os resultados mostraram professores mais próximos do uso isolado desses recursos, defendendo que apenas um deles é suficiente para se ensinar Física, do que do uso combinado deles, explorando as vantagens de ambas estratégias didáticas. / The literature points out several advantages to the use of experimental activities (EA) and computational activities (CA) in physics education. Recent studies have concluded that combining these two resources can be even more effective than using just one of them. However, rare are the teachers who explore such didactical strategies in their classes frequently and properly. The aim of this study is to investigate the causes that lead teachers of basic education to despise or use inappropriately EA and CA . For this, we investigated what are the main beliefs of teachers in relation to these strategies and their possible integration, as well as their attitudes to implementing these strategies in physics teaching. In short, we tried to answer the following research questions: i) How the basic education teachers perceive and explore the AE and AC in the teaching of physics? ii) What are the advantages and limitations outlined for them in the use of such resources and how they perceive their combinations? To answer these questions, we adopted the strategy of case studies grounded in the methodological framework of Robert Yin and the "Theory of Planned Behavior" of Icek Ajzen. For this investigation, there was carried out three exploratory case studies that involved, respectively, 52 students of a professional master's degree, 64 students from a specialization course and 53 other physics teachers in service. The results showed that teachers attribute great importance to the use of EA in the physics teaching; however with respect to CA they do not attribute the same importance, although they consider that CA can be very useful. We conclude also that, in a general way, teachers do not have a solid knowledge about the use of CA and EA, presenting difficulties to highlight its limitations. Few of them realize the need for appropriate teaching strategies for the EA and CA that might effectively contribute to the learning of physics. Regarding the integrated use of CA and EA, the results showed teachers closer to the isolated use of these resources, arguing that only one of them is enough to teach physics, instead of explore the advantages of combining both recourses.

Partículas auto-propelentes são usadas para simular agregados celulares em um modelo onde as forças de adesão entre as células são homogêneas e apenas as diferenças de motilidade celular são usadas como indutores da segregação. Na formulação do modelo também é incluída a tendência das células orientarem sua velocidade na direção do movimento das células vizinhas. Duas variantes do modelo são exploradas e as condições sob as quais diferenças de motilidade celular podem produzir segregação são mapeadas em um diagrama de parâmetros. Nos casos onde há segregação, ajustam-se formas funcionais para os parâmetros que medem o crescimento dos agregados com intuito de estabelecer comparação com os modelos baseados em adesão diferencial. / Self-propelled particles are used to simulated cell aggregates in a model considering homogeneous adhesion forces between cells and using only motility differences as segregation drivers. The tendency of cells to follow their neighbors is also included in the formulation. Two model variants are explored and the conditions on which motility differences may produce segregation are mapped in a parameter diagram. In the cases where segregation happens, the functional form of the parameters measuring cluster growth are determined in order to establish comparison with models based on differential adhesion.

Na literatura encontram-se inúmeros relatos sobre fatores negativos associados ao ensino de laboratório didático e ao uso do computador em sala de aula. Tendo isso em vista, buscamos integrar atividades computacionais com experimentais, visando a minimização dos fatores negativos de ambas atividades. Para investigar essa integração concebemos, implementamos e avaliamos uma proposta didática baseada nas teorias de aprendizagem de Ausubel e Vigotski e a visão epistemológica de Bunge sobre modelos teóricos. Tal proposta leva em conta que há diferentes maneiras de integrar experiência e recursos computacionais e que a eficácia desses recursos não depende apenas das suas características inerentes, mas, especialmente, das estratégias didáticas. Em um primeiro estudo, realizado a partir de uma metodologia predominantemente quantitativa, avaliou-se o desempenho de alunos que trabalharam com atividades de simulação e modelagem computacionais no estudo de circuitos elétricos, utilizando o software Modellus, comparado com o de alunos que tiveram apenas o sistema tradicional de ensino. Os resultados quantitativos mostram que houve melhorias estatisticamente significativas no desempenho dos alunos do grupo experimental, quando comparado aos alunos do grupo de controle (método tradicional de ensino). Na sequência, desenvolvemos dois estudos, adotando uma metodologia qualitativa do tipo estudo de casos exploratório com o propósito de levantar proposições norteadoras para embasarem um quarto estudo, em que investigamos formas de integração entre atividades computacionais e experimentais de modo a torná-las complementares, auxiliando os alunos a atingirem uma aprendizagem significativa de conceitos de Física e compreenderem algumas ideias sobre modelos científicos. Os resultados, do quarto estudo, mostram que a integração entre esses dois tipos de atividades pode proporcionar aos alunos uma visão epistemológica mais adequada sobre os papéis dos modelos teóricos, do laboratório e do computador, e promover a interatividade e o engajamento dos alunos em seu próprio aprendizado, transformando a sala de aula em um ambiente propício para uma aprendizagem significativa. Supomos que a adaptação e implementação de nossa proposta didática no ensino de Eletromagnetismo em nível de Física Geral possa contribuir para os alunos atingirem uma visão mais adequada sobre a natureza da Ciência e uma melhor aprendizagem conceitual. Apontamos como perspectiva futura a implementação e avaliação em outros conteúdos de Física, com melhorias no que diz respeito a incertezas experimentais e às noções de ordens de grandezas. / In the literature there are numerous reports of negative factors associated with the teaching of laboratory and the use of computers in the classroom. With this in mind, we seeked to integrate experimental activities with computational ones in order to minimize the negative factors of both kinds of activities. To investigate this integration we designed, implemented and evaluated a didactical approach based on Ausubel’s meaningful learning theory, Vigostki’s social-interaction theory and Bunge’s epistemological view about scientific models and science development. This approach took into account that there are different ways to integrate experiments and computational resources, and the effectiveness of these resources does not depend only on their inherent characteristics, but especially on the teaching strategies. In a first study, from a predominantly quantitative research methodology, we evaluated the performance of students that worked with simulation and modeling computational activities in the study of electric circuits, using the software Modellus, compared to students submitted only to the traditional system of education. The quantitative results show that there was a statistically significant improvement in the experimental group students’ performance when compared to the control group, submitted only to the traditional teaching method. Following, we developed two exploratory case studies, adopting a qualitative research methodology to generate guiding propositions for future studies. In a fourth study, we investigated ways to integrate computational and experimental activities to make them complementary, helping students to achieve a meaningful learning of physics concepts and understand some ideas about scientific models. The results show that the integration between these two kinds of activities can provide for the students a more appropriate epistemological perspective of the roles of i) theoretical models in physics and ii) experimental and computational activities in the learning processes. encouraging the interactivity and engagement of the students with their own learning and transforming the classrooms in an environment suitable for a meaningful learning. We assume that the adaptation and implementation of our didactical approach in teaching electromagnetism, at the level of Introductory College Physics, can help students to achieve a more adequate view of the nature of science and a better conceptual learning. We point out as future prospects the implementation and evaluation of this approach to physics teaching in other areas of physics, with improvements in respect to experimental uncertainties and the notions of orders of magnitude.

O ensino de Física inicia ainda nas séries iniciais do Ensino Fundamental, como parte do conteúdo denominado Ciências. Desta introdução dos primeiros conceitos físicos depende grande parte do ensino de Física subseqüente. Porém, a maioria dos professores das séries iniciais do Ensino Fundamental não tem formação adequada para promover este primeiro contato de estudantes com a Física. Então, foi desenvolvido um programa de qualificação que visa dar instrumentos aos professores para que desempenhem, de uma maneira mais adequada, este princípio de educação em Física. O programa é estruturado em quatro módulos, que contemplam diversos instrumentos e estratégias pedagógicas. Cada módulo começa com aulas de laboratório, seguido de uma interação em sala de aula com textos especialmente produzidos para o projeto. Estes textos abordam história da Ciência, Física do cotidiano e discussão de conceitos físicos. Por fim, cada módulo utiliza recursos multimídia, que vêm sendo produzidos por vários autores para enriquecer o ensino de Física e que estão disponíveis na internet. A aplicação do programa se deu através de um curso de extensão da UFRGS ministrado para um grupo de doze professoras do Colégio São Bento, em Criciúma, SC, e de um minicurso ministrado no II Encontro Estadual de Ensino de Física no Instituto de Física da UFRGS. Os professores do Colégio São Bento aplicaram os conteúdos de Física aos alunos das séries iniciais do Ensino Fundamental através de oficinas intituladas “Física para Crianças” e fizeram adaptações, quando necessárias, para adequar os conteúdos e estratégias aos interesses e características dos estudantes. A avaliação dessa aplicação do projeto foi feita através de entrevistas com os professores e de testes respondidos pelos alunos. / The teaching of physics starts in the initial series of elementary school, as a part of science content. By the introduction of the first physics conceptions will depends a big part of the teaching of subsequent physics. But a lot of teachers of initial series of elementary school don’t have the appropriate knowledge to promote this first contact of the students with the physics. Then was developed a qualification program to focus on instruments to the teachers to perform more adequately this beginning of education in physics. The course is structured in four modules that including several instruments and pedagogic strategies. Each module starts with laboratories class followed by interaction in the class with texts specially produced for the project. These texts approach science history, quotidian physics and discussion of concepts. At the end each module uses multimedia resources which had been produced by various authors to improve the teaching of physics, which are available in the internet. The program occurred with a course of extension at UFRGS and was then ministered by a group of twelve teachers of São Bento School, in Criciúma, SC, and by a minicourse ministered at the II State Meeting of Teaching of Physics in the Physics Institute of UFRGS. The teachers of São Bento School applied the content of physics to the children by workshops entitles “Physics to Children” and made adaptation, when necessary, to adequate the content and strategies to the interests and characteristics of students. The assessment of project application was analyzed by interview with the teachers and by tests applied with students.

O trabalho que se descreve consiste na implementação do programa FullProf para refinamento estrutural. Trata-se de um programa baseado no método Rietveld, disponível na internet. Uma vez adaptado às instalações locais, o programa foi submetido a uma série de ensaios para avaliação de seu comportamento frente a possíveis artefatos experimentais e computacionais, bem como frente à estratégia de refinamento. Constatou-se que o programa é muito sensível à estratégia de refinamento, podendo-se perder em mínimos locais; os parâmetros de rede e as posições atômicas informados inicialmente podem apresentar erro máximo de cerca de 1 % e 20 %, respectivamente, dependendo da amostra; erros na interpretação do refinamento podem resultar de equívocos de apreciação dos fatores de qualidade de ajuste, uma vez que são susceptíveis a alguns tipos de artefatos experimentais e computacionais; a sensibilidade frente à correta definição do grupo espacial é grande e erros nesta definição acarretam em divergência no processo de refinamento; os parâmetros de assimetria são importantes para o ajuste de picos difratados a baixos ângulos; o uso do parâmetro refinável que descreve o deslocamento experimental da origem da escala 2q, é imprescindível. Finalmente o programa foi usado para refinamento estrutural de amostras do tipo FexCo1-xTa2O6; determinação de cristalinidade relativa em polipropilenos isotáticos e identificação de fases em ligas submetidas a tratamentos de superfície. / The work described in the present Dissertation consists of the program FullProf implementation. It is a program for structural refinement, based on the Rietveld method, available in the internet. Once adapted to the local facilities, the program was submitted to a series of evaluation essays of its behaviour against possible experimental and computational artefacts and refinement strategy as well. It was verified that the program is very sensitive to the refinement strategy, occasionally going to be trapped in local minima; the initial cell parameters and atomic positions can present, respectively, maximum deviation of about 1% and 20%, depending on the sample; mistakes on the refinement interpretation can result from equivocated appreciation of the agreement factors, since they are susceptible to some kind of experimental and computational artefacts; the sensibility facing the correct definition of the space group is high and mistakes in this definition usually result in refinement divergence; the asymmetry parameters are important for the fitting of diffracted peaks in low angles; the use of the zero- 2q parameter, related to the experimental shift of the 2q-scale origin, is indispensable. Finally, the program was used for structural refinement of samples of the type FexCo1-xTa2O6; determination of relative crystalline fraction in isotactic polypropylene and phase identification in alloys submitted to surface treatments.

Neste trabalho elaboramos cinco atividades experimentais que envolvem o uso do microcomputador como instrumento de medida no laboratório didático de Física. As atividades são do tipo aberto, de modo que os alunos tenham a oportunidade de explorar, testar e discutir soluções para todo o processo de medida, desde o uso de sensores nos sistemas de detecção, à conversão analógica/digital, passando pelos softwares. Somente depois de medidas manuais, o aluno passa à aquisição automática. Há guias impressos para alunos, com questões, desafios e sugestões de tarefas a serem executadas, e um texto de apoio para professores, contendo embasamento teórico e técnico indispensáveis para a compreensão do processo de aquisição automática. Os tópicos tratados são: sensores, medidas de tempo, e ondas mecânicas transversais (em cordas) e longitudinais (sonoras). O embasamento teórico para o desenvolvimento da proposta está apoiado na teoria sócio-interacionista de Vigotsky, na qual o desenvolvimento cognitivo não pode ser entendido sem referência ao contexto social, seus signos e instrumentos. Todas atividades foram testadas em condições de sala de aula em turmas de ensino médio e tecnológico da Unidade de Ensino do CEFET/RS, em 2003, e no curso de extensão Física para o Ensino Médio II, do Instituto de Física da UFRGS, em 2004. O produto educacional deste trabalho consiste em um texto de apoio para professores do ensino médio sobre o uso do microcomputador como um instrumento de medida, guias para alunos das cinco atividades experimentais envolvendo aquisição automática de dados e um hipertexto, disponível na web, baseado em animações do tipo Java Applet (Physlet).

A modelagem de processos em física e engenharia frequentemente resulta em problemas inversos. Em geral, esses problemas apresentam difícil resolução, pois são classificados como mal-postos. Resolvê-los, tratando-os como problemas de otimização, requer a minimização de uma função objetivo, que mede a discrepância entre os dados experimentais e os obtidos pelo modelo teórico, somada a uma função de regularização. Na maioria dos problemas práticos, essa função objetivo é não-convexa e requer o uso de métodos de otimização estocásticos. Dentre eles, tem-se o algoritmo de recozimento simulado (Simulated Annealing), que é baseado em três pilares: i) distribuição de visitação no espaço de soluções; ii) critério de aceitação; e iii) controle da estocasticidade do processo. Aqui, propomos uma nova generalização do algoritmo de recozimento simulado e da função de regularização. No algoritmo de otimização, generalizamos o cronograma de resfriamento, que usualmente são considerados algébricos ou logarítmicos, e o critério de Metropolis. Com relação à função de regularização, unificamos as versões mais utilizadas, em uma única fórmula. O parâmetro de controle dessa generalização permite transitar continuamente entre as regularizações de Tikhonov e entrópica. Por meio de experimentos numéricos, aplicamos nosso algoritmo na resolução de dois importantes problemas inversos na área de Física Médica: a determinação do espectro de um feixe de raios X, a partir de sua curva de atenuação, e a reconstrução da imagem na tomografia de impedância elétrica. Os resultados mostram que o algoritmo de otimização proposto é eficiente e apresenta um regime ótimo de parâmetros, relacionados à divergência do segundo momento da distribuição de visitação. / Modeling of processes in Physics and Engineering frequently yields inverse problems. These problems are normally difficult to be solved since they are classified as ill-posed. Solving them as optimization problems require the minimization of an objective function which measures the difference between experimental and theoretical data, added to a regularization function. For most of practical inverse problems, this objective function is non-convex and needs a stochastic optimization method. Among them, we have Simulated Annealing algorithm, which is based on three fundamentals: i) visitation distribution in the search space; ii) acceptance criterium; and iii) control of process stochasticity. Here, we propose a new generalization of simulated annealing algorithm and of the regularization function. On the optimization algorithm, we have generalized both the cooling schedule, which usually is algebric or logarithmic, and the Metropolis acceptance criterium. Regarding to regularization function, we have unified the most used versions in an unique equation. The generalization control parameter allows exchange continuously between the Tikhonov and entropic regularization. Through numerical experiments, we applied our algorithm to solve two important inverse problems in Medical Physics: determination of a beam X-rays spectrum from its attenuation curve and the image reconstruction of electrical impedance tomography. Results show that the proposed algorithm is efficient and presents an optimal arrangement of parameters, associated to the divergence of the visitation distribution.

Cada vez mais, questionam-se os métodos formais de ensino e pergunta-se como o aprendiz poderia obter conhecimento de forma mais eficaz, eficiente e agradável, desenvolvendo certa autonomia para aplicar conhecimentos teóricos em soluções de problemas. Outro aspecto a ser observado é a utilização de recursos presentes na Internet, que pode favorecer a Educação formal, colaborando para ocorrer uma boa aprendizagem. Isto vem ao encontro dos sistemas de tutoria inteligente apoiados por Web Semântica. No entanto, a maioria desses sistemas não possui uma arquitetura formal englobando todos os seus módulos, o uso de Ontologia é focado na descrição de objetos de aprendizagem, a interoperabilidade entre os componentes do sistema é um tanto obscura e, em geral, não existe um modelo pedagógico que gerencie o processo de aprendizagem no sistema. Dessa forma, foram investigadas as mais recentes inovações tecnológicas para representar um sistema tutor inteligente apoiado por fundamentos de Web Semântica. O uso dessa abordagem pode fornecer uma clara separação de interesses de cada módulo do sistema, uma vez que cada componente pode ser representado por uma ontologia própria. A partir do momento em que cada componente do sistema tutor inteligente tem suas funções claramente definidas, abre-se o caminho para que a interoperabilidade entre esses componentes seja mostrada de forma explícita. A Aprendizagem Baseada em Problema foi considerada como modelo pedagógico, que é alvo de grande interesse dos educadores. Nesse trabalho, ainda, o real ganho de aprendizagem com a utilização de um sistema como esse foi vislumbrado, através de experimentos, junto a grupos de aprendizes.