SUCESSOS E DIFICULDADES EM CONECTAR TEORIA E EXPERIMENTAÇÃO EM FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA: RESULTADOS PRELIMINARES

## SUCESSOS E DIFICULDADES EM CONECTAR TEORIA E EXPERIMENTAÇÃO EM FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA: RESULTADOS PRELIMINARES

## SUCCESSES AND DIFFICULTIES IN CONNECTING THEORY AND EXPERIMENTS IN MODERN AND CONTEMPORARY PHYSICS: PRELIMINARY RESULTS

## Eliane Cappelletto , Marco Antonio Moreira 1 2

1 Universidade Federal do Rio Grande - FURG, Instituto de Matemática, Estatística e Física; Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, PPG em Ensino de Física, dfscapp@furg.br

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Instituto de Física, moreira@if.ufrgs.br

## Resumo

Apresentamos os resultados preliminares de uma investigação desenvolvida ao longo de três anos em cursos avançados de física da Universidade Federal do Rio Grande. O objetivo foi colher subsídios e testar metodologias que permitissem minimizar a dicotomia observada entre teoria e laboratório em conteúdos de Física Moderna e Contemporânea. Entre 2009 e 2011, acompanhamos, como pesquisadores participantes, disciplinas teóricas do 3º ano do curso de Física, oferecidas conjuntamente ao Bacharelado e à Licenciatura. Ao mesmo tempo, atuamos como docentes das correspondentes disciplinas experimentais. Nas aulas teóricas, fizemos um amplo estudo etnográfico das situações empregadas para ensinar conceitos, modelos e teorias, e discutir os experimentos exemplares de física moderna, detalhando que elementos históricos e epistemológicos eram utilizados pelo professor. Também nas aulas teóricas avaliaremos as respostas dos estudantes a questões conceituais respondidas em provas e trabalhos, procurando indícios de como se dá sua aprendizagem e das dificuldades inerentes ao processo. A estratégia de ensino nas aulas práticas buscou colocar em evidência as situações relevantes para um melhor aproveitamento dos experimentos, além de fazer conexões explícitas com aquelas discutidas nas aulas teóricas e nos livros didáticos. Alicerçados originalmente na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel, Novak, Gowin e Moreira, na teoria dos campos conceituais de Vergnaud e fundamentados em algumas ideias-chave de epistemólogos e filósofos da ciência contemporâneos, procuramos estimular uma integração entre teoria e experimentação, buscando uma compreensão mais efetiva dos conceitos de física moderna. Na pesquisa, optamos por uma metodologia interpretativa, de imersão. Os registros permitiram mapear a cultura das disciplinas teóricas de física moderna e identificar pontos positivos e dificuldades na aprendizagem dos estudantes, bem como conhecer as situações exemplares para ensinar os conceitos de Física Quântica.

Palavras-chave: Situações no Ensino de Física. Física Moderna e Contemporânea. Integração Teoria-Prática.

## Abstract

We present preliminary results of a research carried out over three years in advanced courses in physics at the Federal University of Rio Grande. The objective was to collect subsidies and test methodologies that allow to minimize the observed dichotomy between theory and laboratory content of Modern and Contemporary Physics. Between 2009 and 2011, we followed, as participating researchers, academic disciplines of the 3rd year physics course, offered jointly by BA and BSc. At the same time, act as teachers of the corresponding laboratory disciplines. In the lectures, we did an extensive ethnographic study of the situations used to teach concepts, models and theories, and discuss examples of modern physics experiments, detailing historical and epistemological elements that were used by the teacher. Also in the lectures will evaluate the students' answers to questions answered on evidence and conceptual work, looking for evidence of how their learning takes place and the difficulties inherent in the process. The strategy of teaching in practical classes sought to highlight relevant situations for a better utilization of the experiments, and make explicit connections with those discussed in lectures and textbooks. Originally grounded in the theory of meaningful learning of Ausubel, Novak, Gowin and Moreira, the theory of conceptual fields of Vergnaud and based on some key ideas of epistemologists and contemporary philosophers of science, we seek to encourage integration between theory and experiment, seeking an understanding most effective of the concepts of modern physics. In research, we opted for an interpretive methodology, immersion. The records allow mapping the culture of the academic disciplines of modern physics and identify strengths and difficulties in student learning and understanding the situations examples to teach the concepts of quantum physics.

Keywords : Situations in Physics Teaching. Modern and Contemporary Physics. Theory-Practice Integration.

## Introdução

A ciência e a tecnologia tem papel de destaque na vida contemporânea. Vivemos rodeados de produtos tecnológicos, como celulares, tablets, cartões com chip, tecidos inteligentes, veículos com orientação por GPS, televisores de plasma e de LCD. Embora utilizem esses e outros produtos e processos, a maioria das pessoas tem uma compreensão muito limitada dos conceitos e das teorias científicas que os tornaram possíveis. A ciência ensinada na escola básica não tem tido muito sucesso em auxiliar os cidadãos a entender esses aspectos do mundo contemporâneo.

Atualmente é um consenso entre professores e pesquisadores que a Física Moderna e Contemporânea (FMC) deveria ser introduzida no nível médio. Contudo, ao orientar licenciandos, percebemos que poucos têm coragem de explorar assuntos de FMC em seus estágios supervisionados. Explicam que não se sentem seguros no conteúdo, apesar de sua formação inicial incluir disciplinas específicas sobre tais temas. A mesma postura foi constatada em entrevistas realizadas com docentes da cidade do Rio Grande, RS, sobre o tema relatividade (Madruga & Cappelletto, 2011).

Rezende Jr. (2001) e Pietrocola (1999) também apontam que as principais dificuldades quanto à introdução de temas de FMC no ensino médio ainda são a falta de formação dos educadores e o pouco material disponível nos livros didáticos sobre tais temas. Recentemente, começa-se a perceber um esforço dos autores dos livros didáticos nesse aspecto. Por outro lado, a formação de FMC recebida durante o curso de graduação ainda é alvo de poucas pesquisas.

Pereira e Ostermann (2009) apresentam uma revisão sobre o ensino de FMC, com 102 artigos publicados no período de 2001 a 2006. Os autores constataram que, embora haja um número considerável de estudos envolvendo propostas didáticas inovadoras, poucos investigam os mecanismos envolvidos no processo de construção de conhecimentos em sala de aula.

Krey & Moreira (2009) apresentam os resultados de uma investigação sobre o ensino de conceitos de física de partículas em uma disciplina de Estrutura da Matéria em um curso de formação inicial para professores de Física para o ensino médio. O referencial teórico da pesquisa foi construído a partir das teorias dos campos conceituais de Vergnaud e da aprendizagem significativa de Ausubel. A metodologia utilizada consistiu de uma intervenção didática baseada em situações elaboradas para dar sentido aos conceitos. Os resultados sugerem que esta metodologia facilitou a aprendizagem significativa de alguns conceitos da física de partículas e estimulou os futuros professores a trabalhar esses conceitos com alunos do ensino médio.

Rezende Jr & Cruz (2009) investigam as perspectivas de licenciandos em Física quanto à introdução de tópicos e temas de FMC no ensino médio, contrapondo a formação inicial desses licenciandos e a realidade escolar vivida por eles enquanto estagiários e/ou docentes. Os resultados obtidos sugerem a ampliação da discussão sobre a inserção de FMC no ensino médio, sobretudo no âmbito da formação inicial no que tange à transposição de conteúdos e metodologias do ensino superior para a escola básica.

Segundo as Diretrizes Curriculares para os Cursos se Física, o aprendizado de qualquer conteúdo requer uma série de vivências que devem tornar o processo educacional mais integrado. Nesse sentido, o aprendizado de FMC requer que o futuro físico/professor de Física também tenha tido vivências experimentais que promovam uma aprendizagem significativa sobre os temas de FMC.

Embora seja um consenso entre professores de Física que a experimentação deveria ser um componente indispensável no ensino desta disciplina, muitos docentes não são capazes de especificar claramente o que se espera das atividades experimentais e acabam por fazer pouco uso delas em suas aulas (Dorneles et al. , 2012).

Saraiva-Neves et al. (2006) avaliaram situações promotoras de aprendizagem em Trabalhos Experimentais de Física em escolas portuguesas. Constataram que as situações mais comuns em que os alunos se limitam a seguir instruções ou a observar a experiência realizada pelo professor são as que menos contribuem para a aprendizagem. Concluem que é pequena a utilização, nas escolas, de estratégias, metodologias e instrumentos metacognitivos para promover a aprendizagem significativa em trabalhos experimentais.

Para Aufschnaiter & Aufschnaiter (2007), um dos objetivos do ensino laboratório de Física é ajudar os alunos a conectar a teoria à prática, o que, muitas

vezes, faz com que as experiências sejam escolhidas em certa ordem para 'demonstrar' conceitos específicos. Espera-se também que os alunos abordem os fenômenos de uma forma científica, isto é, que eles desenvolvam uma hipótese e planejem seus experimentos para testá-la, o que exige que os estudantes recorram a algum conhecimento conceitual antes de iniciar os experimentos, pois de outro modo não seriam capazes de ligar a teoria à prática ou mesmo desenvolver uma hipótese. Evidências empíricas com estudantes universitários indicam, contudo, que durante o trabalho prático os alunos raramente expressam seu conhecimento conceitual explicitamente. Em vez disso, os experimentos parecem ser o meio pelo qual os estudantes descobrem e 'estabilizam' a aprendizagem conceitual enquanto aprendem física. Além disso, alunos são muito mais propensos a desenvolver conceitos que se referem a eventos similares (conceitos baseados em fenômenos) do que conceitos que surgem a partir de 'teorias' (conceitos baseados em modelos) para explicarem suas observações. Os autores discutem ainda implicações para o planejamento das atividades laboratoriais a partir destas constatações.

Conclui-se que analisar a formação inicial de graduação dos futuros físicos sobre temas de FMC, nas disciplinas teóricas e nas correspondentes disciplinas experimentais, configura-se um tema relevante de pesquisa que permitirá responder algumas questões-chave sobre as dificuldades de aprendizagem dos estudantes sobre esses temas e, possivelmente, explicitar quais são os desafios com que eles se deparam quando vão ensinar esses tópicos no ensino médio ou superior.

## Fundamentação Teórica e Metodológica

Relatamos os resultados preliminares de uma investigação desenvolvida ao longo de três anos em cursos avançados de Física da Universidade Federal do Rio Grande. O objetivo foi colher subsídios que permitissem minimizar a dicotomia observada entre teoria e laboratório em conteúdos de Física Moderna e Contemporânea. No período de 2009 a 2011, acompanhamos, como pesquisadores participantes, disciplinas teóricas do 3º ano do curso de Física, oferecidas conjuntamente ao Bacharelado e à Licenciatura. Ao mesmo tempo, atuamos como docentes das correspondentes disciplinas experimentais.

Nas disciplinas Introdução à Física Quântica e Estrutura da Matéria , fizemos um amplo estudo etnográfico das situações empregadas para ensinar conceitos, modelos e teorias e, em especial, para discutir os experimentos exemplares de física moderna, detalhando que elementos históricos e epistemológicos foram utilizados pelo professor. Também nas aulas teóricas avaliamos as respostas dos estudantes a questões conceituais respondidas em provas e trabalhos, procurando indícios de como se dá sua aprendizagem e das dificuldades inerentes ao processo.

A estratégia de ensino nas aulas experimentais de Laboratório de Física I e Laboratório de Física II buscou colocar em evidência as situações relevantes para um melhor aproveitamento dos experimentos, além de fazer conexões explícitas com aquelas discutidas nas aulas teóricas e nos livros didáticos. Durante a investigação, realizamos modificações nas aulas práticas, testando algumas metodologias e estratégias em sala de aula.

A pesquisa foi alicerçada inicialmente na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel, Novak, Gowin e Moreira e na teoria dos campos conceituais

de Vergnaud e fundamentada em algumas ideias-chave de epistemólogos e filósofos da ciência contemporâneos.

A Teoria da Aprendizagem Significativa propõe que a aprendizagem efetiva, significativa, acontece quando há o armazenamento eficaz de informações no cérebro humano, em uma estrutura hierárquica de conceitos e proposições, constituindo as representações do indivíduo, de modo que as novas informações podem ser aprendidas significativamente somente se puderem interagir com aspectos relevantes já existentes na estrutura cognitiva (MOREIRA, 1999, p.151180).

A Teoria dos Campos Conceituais de Gérard Vergnaud (1990; Moreira, 2002) supõe que o núcleo do desenvolvimento cognitivo é a conceitualização do real, isto é, os conceitos são considerados a pedra angular da cognição. O conhecimento está organizado em campos conceituais, cujo domínio, de parte do aprendiz, ocorre ao longo de um largo período de tempo, através de experiência, maturidade e aprendizagem. Campo conceitual é definido também como sendo, em primeiro lugar, um conjunto de situações cujo domínio requer, por sua vez, o domínio de vários conceitos, procedimentos e representações de naturezas distintas. Nesse sentido, são as situações que dão sentido aos conceitos, de modo que um campo conceitual pode ser definido como um conjunto de situações.

A pesquisa se caracteriza como qualitativa. Procuramos observar, participativamente, anotando cuidadosamente tudo o que acontecia no ambiente de sala de aula, fazendo registro detalhados de todas as aulas, copiando trabalhos e provas dos estudantes, transcrevendo quaisquer comentários verbais relevantes. A metodologia de pesquisa é, portanto, interpretativa, de imersão, e pretende traçar uma ampla descrição compreensiva e contextualizada do que ocorre nas disciplinas envolvidas. Além dos referenciais teóricos iniciais, outros autores estão sendo utilizados à medida que analisamos com minúcia os dados obtidos na investigação, uma vez que pretendemos gerar teoria fundamentada a partir dos dados coletados. Apresentamos aqui uma narrativa inicial dos fatos, descrevendo o que foi feito. Utilizaremos uma retórica persuasiva, descritiva, detalhada e alguns relatos pormenorizados que procuram evidenciar a validade e a fidedignidade dos estudos.

Acreditamos que ao final os registros permitirão mapear a cultura das disciplinas teóricas de física moderna e identificar pontos positivos e dificuldades na aprendizagem dos estudantes, bem como conhecer as situações exemplares. Além disso, foi possível acompanhar um licenciando que realizou estágio sobre temas de física moderna no ensino médio, com vistas a analisar de perto o processo de transformação do saber aprendido no saber a ser ensinado.

Sabemos que muitas concepções são ensinadas de forma implícita nas aulas de Física, especialmente aquelas sobre a ciência, o cientista e o modo como se dá a construção do conhecimento. Procuramos também avaliar algumas dessas ideias e sua possível interferência na aprendizagem de conceitos inovadores como os de Física Quântica.

## Discussão

Em anos anteriores a esta pesquisa constatamos que as aulas experimentais de FMC costumam ser de difícil execução e ter pouco

aproveitamento. Percebemos que, em geral os alunos têm, antes das práticas, aulas teóricas sobre os temas, mas muitas vezes não aprenderam significativamente os conceitos, modelos e teorias a eles associados. Constatamos, em várias oportunidades, uma nítida cisão entre teoria e experimento nas falas e nos relatórios escritos dos estudantes.

Buscando estratégias que pudessem promover uma integração entre teoria e laboratório em física moderna, realizamos esta investigação, mergulhando no universo da disciplina teórica, a fim de buscar subsídios que pudessem auxiliar a construir as pontes necessárias entre as duas disciplinas.

No estudo exploratório de 2009, acompanhamos o Prof. M, que enfatizou, em suas aulas, uma abordagem histórica explícita do conteúdo de FMC. Sobre a constituição da matéria, por exemplo, o professor explorou em aula diversos modelos atômicos elaborados pelos físicos, inclusive alguns que depois foram descartados ou reformulados. O Prof. M procura, portanto, mostrar a física como uma ciência em permanente construção e reconstrução, em que modelos, teorias e dados experimentais competem, inter-relacionam-se e evoluem.

Apesar de seu perfil teórico, o Prof. M, em suas aulas, faz várias referências a experimentos, mencionando detalhes técnicos e particularidades de montagens e resultados, muitos deles aprendidos, segundo ele, com os renomados professores com formação experimental de quem foi aluno em seus cursos de graduação e pósgraduação em São Paulo.

Procura, ainda, passar uma visão atual da interação entre pesquisa teórica e experimental, do vaivém entre modelos, teorias e dados, mencionando explicitamente casos em que os fatos experimentais corroboram certo modelo e outros resultados que o refutam. Informa que há momentos em que dados experimentais estão disponíveis previamente, mas não tem explicação satisfatória nos modelos da época, enquanto em outros, a teoria indica medições que são posteriormente levadas a cabo para testá-la. Menciona que o trabalho experimental é árduo e aponta dificuldades para se construir equipamentos e refinar técnicas, bem como a necessidade de se lidar com um número grande de dados e interpretálos.

Em síntese, observamos que o Prof. M faz um esforço grande para integrar teoria e experimentos em suas aulas teóricas, inclusive tecendo comentários a respeito da construção da ciência, o que evidencia que possui conhecimento sobre visões epistemológicas contemporâneas, de modo que não haveria motivos para os alunos dissociarem esses conteúdos, como mostraram as observações prévias das aulas experimentais e dos relatórios escritos dos estudantes.

Se o professor da disciplina teórica já se esforça para integrar teoria e prática no ensino de FMC, como minimizar essa separação identificada entre teoria e experimentação? Os resultados preliminares indicam que o problema é mais difícil do que se imagina e, possivelmente, requer várias estratégias combinadas para promover uma integração eficaz.

Um aspecto importante é a dificuldade conceitual dos estudantes frente aos conteúdos ensinados. Tais dificuldades dos estudantes podem ser avaliadas a partir de suas respostas a algumas questões de prova sobre radiação de corpo negro e ondas de matéria.

Embora as respostas dos estudantes permitam concluir que a maioria compreendeu corretamente como os dados experimentais, existentes na época, para a radiação emitida por um corpo negro, eram parcialmente explicados pelos modelos de Rayleigh-Jeans e de Wien, dois alunos mostram suas dificuldades em compreender aspectos essenciais sobre tema.

A questão 4, da prova 1, solicitava: 'Fale sobre as previsões clássicas para explicar a radiação de corpo negro.'

Aluno CK: 'Corpos negros são corpos que ao serem atingidos por uma radiação absorvem quase toda ela e seu poder de emissão de radiação é muito baixo.'

Aluno VI: [...] 'Os resultados previstos pela física clássica eram completamente diferentes daqueles medidos em laboratório.'

A questão 5, da Prova 2, pergunta: a) Quais são as bases que levaram De Broglie a postular as ondas de matéria? b) Enuncie o postulado de De Broglie. c) Como se pode comprovar experimentalmente a existência de ondas de matéria? d) Discutir as semelhanças e diferenças entre uma onda de matéria e uma onda eletromagnética.

Várias respostas dos alunos são exemplos de interpretações incorretas do postulado de De Broglie:

Aluno GR: 'Ao perceber através de alguns experimentos que os elétrons tinham comportamentos diferentes em experimentos diferentes, devido à forma com que se é observado, Broglie [sic] acreditou que toda a partícula teria uma onda que a acompanhava.'

Aluno CE: 'c) Analisando e vendo que certas ondas não se propagam em todos os meios, por exemplo uma corda, ela precisa de um meio para se propagar, portanto é uma onda de matéria.'

Aluno CE: 'd) A diferença é que uma onda de matéria se propaga em um meio material, isso quer dizer que ela tem um meio específico para se propagar. Já as ondas eletromagnéticas se propagam em qualquer meio. Uma semelhança é que as duas têm características ondulatórias.'

Aluno LB: 'c) Através do experimento da fenda dupla de Yong [sic] que mostra que o elétron se comporta tanto como onda como matéria.' [Prof. M: Errado, este é um experimento mental.]

Portanto, não é incomum que muitos conceitos ou relações entre conceitos sejam entendidos de forma errônea. Há, de fato, um longo caminho entre o primeiro contato com determinadas concepções científicas até que elas sejam aprendidas correta e significativamente.

## Resultados

Uma breve síntese das observações preliminares da cultura das aulas teóricas: 1) São aulas teóricas expositivas bastante tradicionais; 2) Há abertura para perguntas e algum diálogo com os alunos; 3) Ênfase em aspectos formais e matemáticos; 4) Ênfase histórica em boa parte do curso; 5) Ênfase em modelos, explorando suas potencialidades e limitações; 6) Descrição detalhada de experimentos exemplares e dos resultados obtidos; 7) Menção frequente de dados e gráficos experimentais na aula teórica; 8) Alunos têm dificuldades com determinados conceitos (concepções alternativas); 9) Importância da empatia e do entrosamento

entre professor e alunos; 10) Reação positiva dos alunos à disponibilidade, dedicação e atenção do professor; 11) Conexões entre teoria e prática dependentes do empenho do professor; 12) Ausência de tarefas para os estudantes realizarem em aula (postura passiva).

Uma breve síntese das observações preliminares das aulas de laboratório: 1) Em geral são aulas trabalhosas e desafiadoras; 2) Dificuldades com a preparação do material, necessidade de laboratorista; 3) Necessidade de refletir sobre expectativas e objetivos das aulas práticas; 4) Pouca aprendizagem significativa no laboratório; 5) Práticas sem nenhum espaço para reflexão, criatividade e investigação científica; 6) Roteiros experimentais diretivos, com procedimentos demasiado detalhados e às vezes veiculando concepções empiristas-indutivistas; 7) Necessidade de reescrever os roteiros total ou parcialmente; 8) Pouco empenho e comprometimento dos estudantes, que realizam mecanicamente os experimentos ou permanecem apáticos; 9) Provas experimentais indicando pouca aprendizagem de conhecimentos práticos; 10) Pouca aprendizagem relacionada a relatórios, textos enfadonhos; 11) Alunos têm dificuldades em organizar pressupostos teóricos e avaliar fontes de erro; 12) Relatórios áridos, incompletos ou copiados, tornando a correção cansativa; 13) Quando são professores diferentes na teoria e na prática, a conexão entre elas é um desafio; 14) É necessário ser firme e exigente nas aulas práticas; 15) Os alunos podem se empenhar e participar ativamente, como demonstraram em algumas aulas.

Percebemos que é sempre difícil aprender conceitos novos. Mas por que é tão difícil aprender? Ausubel e Vergnaud podem nos auxiliar a compreender essa dificuldade. Aprender significativamente envolve processos mentais, requer ancorar conceitos novos nos subsunçores existentes, entender e dominar várias situações, apropriar-se de conceitos-em-ação e teorias-em-ação, invariantes operatórios que constituem o campo conceitual a ser aprendido. E isso leva tempo, requer esforço, trabalho individual e coletivo, interação entre estudantes, professor e material didático, exercitar em várias fases e retomadas.

Por outro lado, se não fomentar a aprendizagem conceitual, o laboratório perde sua atratividade e sua razão de ser. Despido de função e sentido, passa de recurso a problema. Existe uma gama de diferentes opções para a utilização de experimentos, mas como qualquer metodologia de ensino, deve estar a serviço dos objetivos do professor e não ser um fim em si mesmo.

A função periférica das atividades práticas precisa ser substituída por uma função mais central e orgânica, inserida em uma concepção de mediação da aprendizagem, tornada mais real e efetiva na sala de aula, com os professores explorando um leque de situações potencialmente significativas, epistemologicamente embasadas e coerentes com o que se sabe do fazer ciência e do aprender ciências.

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A orientação de vários estágios, e em especial o do Prof. K, nos faz concordar plenamente com Krey (2009), quando afirma que há uma estreita relação entre a formação inicial e a prática docente nos seguintes pontos: 1)os conceitos aprendidos significativamente (Ausubel, 1980) pelo futuro professor em sua formação inicial exercem influência na escolha dos conteúdos que irá trabalhar em sua prática profissional; 2) as experiências didáticas vivenciadas através de situações potencialmente significativas (Vergnaud, 1990) na formação inicial influenciam na metodologia utilizada na prática docente do professor.

Em síntese, integrar teoria e laboratório requer estratégias e metodologias específicas, de modo a selecionar experimentos e situações, isto é, apresentar elementos teóricos nas aulas práticas e questões experimentais nas aulas teóricas.

## Referências

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