Metodologia tríplice em aulas de ótica no ensino médio

## METODOLOGIA TRÍPLICE EM AULAS DE ÓTICA NO ENSINO MÉDIO TRIPLE METHODOLOGY IN OPTICS' CLASSES IN HIGH SCHOOL

## Maykell Júlio de Souza Figueira¹, Eduardo Kojy Takahashi², Geovani R. da Silva 3

1 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física, maykelljsf@gmail.com

2 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física, ektakahashi@ufu.br 3 Escola Estadual Messias Pedreiro, geovani.28@hotmail.com

## Resumo

As atividades didáticas relativas ao ensino de Física concentram-se em torno de três focos estruturadores: a formação conceitual, o aprimoramento da capacidade de solucionar exercícios com o uso de equações e a capacidade de solucionar novos problemas, que demandem raciocínio lógico e criatividade. No entanto, sabese que, em sua grande maioria, o ensino de Física no ensino médio não tem sido praticado baseado nesses três pilares. O excessivo número de exercícios, em detrimento da formação conceitual, tem formado bons 'solucionadores de aritmética', mas fracos pensadores sobre os fenômenos básicos que gerenciam a natureza. Com base nessa necessidade de resgatar e incentivar a formação conceitual dos estudantes de Física, o presente trabalho busca expor uma metodologia tríplice para o ensino de ótica em aulas do ensino médio que conta com três atividades centrais em torno do tema 'céu azul': 1) a aplicação de uma aula tradicional sobre os processos de produção de radiação policromática no Sol, com o uso apenas do quadro-negro e giz; 2) um vídeo didático voltado a esclarecer como a atmosfera espalha a luz solar e 3) uma oficina experimental com atividades simples e facilmente reprodutíveis a respeito da percepção de cores pelo olho humano. As atividades planejadas foram aplicadas na Escola Estadual Messias Pedreiro em Uberlândia (MG) e avaliadas por meio de pré e pós-testes. Tais testes revelaram o panorama cognitivo de duas salas, uma do segundo e outra do terceiro ano, antes e após a aplicação das atividades, permitindo mensurar a quantidade e qualidade dos subsunçores disponíveis na estrutura cognitiva dos alunos a fim de explicar a cor azul do céu. Em cada etapa de aplicação da metodologia, foi possível perceber que valiosas discussões podem ser estimuladas em aulas de ótica, principalmente quando utiliza-se do conhecimento prévio do estudante a fim de apresentar-lhe informações novas.

Palavras-chave : formação conceitual, vídeos didáticos, ótica, espalhamento, céu azul.

## Abstract

The didactic activities concerning to Physics teaching are concentrated in three basic focuses: conceptual formation, the ability of solving exercises using equations and the capability of solving new problems, which demand logical thinking and creativity. However, it is known that, in its majority, the Physics teaching in high school has not been based in these three pillars. The excessive amount of exercises, instead of a good conceptual approach, has formed nice 'arithmetic solvers', but minds with a weak ability to think outside of the box about the basic phenomena which manage nature. Based on this need of promoting the conceptual formation of physics students, this work intends to present a triple methodology devoted to optics classes on high school, which counts with three mean activities around the theme 'blue sky': 1) the application of a traditional class about the processes of production of polychromatic radiation in the Sun, using only blackboard and chalk; 2) a didactic video and a quiz aimed to clarify how the atmosphere scatters the sunlight and 3) an interactive workshop with simple and very reproducible activities concerning to color perception by the human eye. The planned activities have been applied at Escola Estadual Messias Pedreiro, in Uberlândia (MG) and evaluated by pre and post tests. Such tests revealed the cognitive panorama of two classrooms, one of the secondgrade and one of the third-grade, before and after the activities, allowing the measurement of the quantity and quality of the subsumers available in the students' cognitive structure used to explain the blueness of the sky. In each step of application of the methodology, it was possible to see that very rich discussions can be stimulated in optics' classes, specially when one uses the students' previous knowledge in order to introduce them new information.

Keywords : conceptual formation, didactic videos, optics, scattering, blue sky.

## Introdução

'Como é possível que alguém tenha a audácia de escrever sobre as cores do céu em pleno ano de 1985? Certamente, tudo que podia ser dito sobre o assunto até agora já foi dito. Talvez sim, mas creio que podemos auxiliar notando que todas as explicações que lemos em livros-texto ou monografias são ou incorretas ou incompletas. Essa é uma afirmação um tanto quanto forte. Faremos nosso melhor para prová-la.' (BOHREN; FRASER, 1985, p.1)

Semelhante à pergunta feita por Bohren e Fraser [1] no texto acima, a seguinte pergunta poderia emergir: Como é possível que alguém tenha a audácia de escrever sobre as cores do céu em pleno ano de 2012? Tudo que podia ser dito sobre o assunto até agora já não foi dito? Não seria isso uma controvérsia, uma contradição? A resposta para essa pergunta se mostra bem clara: sim e não. Tudo que se podia ser dito sobre o assunto até agora já foi dito. Mas foi dito aonde? E para quem? Afinal, se a pergunta parece ser de cunho tão simples e trivial, por que grande parte dos alunos dos ensinos superior, médio e fundamental é pega de surpresa ao perceber que não sabe respondê-la? Ou melhor, haverá em si uma resposta em poucas linhas para essa pergunta? Como enfatiza Pena [2],

'Apesar do grande avanço da pesquisa acadêmica sobre ensino de Física no Brasil, no sentido da compreensão dos problemas relativos ao ensino dessa Ciência, e da existência de um sistema de divulgação (periódicos,

eventos, dissertações, teses, cursos de pós-graduação etc), ainda há pouca aplicação desses resultados em sala de aula.' (PENA, 2004, p.1)

Até cerca de um século atrás, a origem da cor azul do céu era um tópico que chamava a atenção da comunidade científica e despertava os olhares mais curiosos tais como os de Newton, Clausius e Tyndall. Mas foi somente em 1871 que uma explicação satisfatória para o fenômeno começou a surgir pelas ideias de Lorde Rayleigh (então com 29 anos) em seu artigo intitulado Sobre a luz do céu, sua polarização e sua cor.

Apesar de esse já ser um assunto bem compreendido pela comunidade científica nos dias atuais, o tema tem em si infinitas possibilidades quando transposto para a sala de aula. Usando as palavras mais do que sensatas de Ferreira e Tavares [3],

'Sabemos que o ensino nas escolas fundamental e média não tem o objetivo de ministrar um ensino aprofundado e especializado nestas áreas, mas pelo menos o aluno deve adquirir a capacidade de construir 'pontes' entre a sala de aula e as realidades da vida cotidiana. Um dos problemas que o ensino da Ótica oferece é que a falta de um laboratório impede a elaboração por parte do estudante de uma visão mais sólida dos fenômenos físicos. Entretanto os fenômenos ópticos estão ocorrendo ao nosso alcance a todo instante. O professor deve ser capacitado para capturar esses eventos e assim trabalhar os conhecimentos a partir dessas experiências cotidianas.' (FERREIRA, TAVARES, 2005, p.1)

Tais pontes acima mencionadas são relações mentais entre aquilo que já está disponível na estrutura cognitiva do estudante e as novas informações a serem apresentadas pelo professor. A força e permanência dessas relações é proporcional ao grau de interação que as novas informações tem com as informações antigas e relevantes (subsunçores) [4], e isso só pode ser explorado em sua plenitude pelo professor ao utilizar algum instrumento de avaliação que lhe permita saber o que seus estudantes já sabem sobre o assunto que será ensinado.

Dessa forma, este trabalho consiste numa tentativa de elaborar uma metodologia tríplice para o ensino de ótica, com especial atenção para o subtópico céu azul . Para isso, foram planejadas cinco atividades norteadoras, a primeira como sendo um pré-teste com o objetivo de avaliar a quantidade e a disposição hierárquica dos subsunções na estrutura cognitiva dos alunos, a segunda como uma aula/debate a respeito dos processos de produção da radiação policromática no Sol, a terceira como uma seção de vídeo e um quis de perguntas e respostas sobre o espalhamento da luz branca pela atmosfera, a quarta como uma oficina experimental sobre ilusões de ótica e percepção de cores e a quinta como um pósteste, destinado a avaliar a evolução conceitual dos alunos após as atividades realizadas.

## Descrição das atividades aplicadas na escola

As atividades foram realizadas em duas salas do ensino médio da Escola Estadual Messias Pedreiro, onde destas uma é de segundo colegial e outra de terceiro colegial. Tal escolha foi feita a fim de comparar a aplicação da metodologia entre uma turma que supostamente já havia passado pelo conteúdo de ótica e outra que ainda não havia tido contato formal com esse conteúdo. A expectativa era de que os alunos do segundo colegial que ainda não haviam estudado ótica

formalmente tivessem disponíveis uma menor quantidades de conceitos e relações para explicar a cor azul do céu em comparação com os alunos do terceiro colegial que já haviam passado pela disciplina de ótica.

- O tema céu azul foi dividido em três focos de importância, como se fosse possível acompanhar a radiação e ver o que acontece com ela em cada parte do trajeto: 1) a produção da radiação policromática no Sol; 2) o espalhamento da radiação policromática na atmosfera e 3) a captação da radiação espalhada pela retina humana. Em uma pesquisa bibliográfica recente, foi possível perceber que a grande maioria dos sítios eletrônicos que oferecem uma explicação ao fenômeno da cor azul do céu focam sua abordagem apenas no espalhamento da luz branca do Sol pelas moléculas da atmosfera. Com o uso desta metodologia, é possível incluir tópicos que deixam o assunto mais completo e interdisciplinar, favorecendo a aquisição de um conhecimento mais significativo. À seguir, é feita a descrição detalhada de cada uma das atividades aplicadas.

## 1) A produção de radiação policromática no Sol

O assunto foi abordado por meio de uma aula com o uso de materiais tradicionais (quadro negro e giz), porém cujo tema, intrigante e desafiador, proporcionou aos alunos cinquenta minutos de discussões que levaram-lhes a pensar sobre: a produção de energia no Sol; a constituição plasmática solar; as principais cadeias de fusão nuclear que transformam matéria em energia radiante; a desmistificação do Sol como uma bola uniforme e a apresentação dessa estrela como sendo composta por várias camadas, cada uma responsável por uma função específica; a produção de radiação gama no núcleo ultraquente; a propagação dos fótons gama do núcleo do Sol até sua superfície, perdendo gradualmente parte da energia e transformando-se em fótons menos energéticos como ultravioleta, microondas, luz visível; a produção de raios-x em uma das regiões mais externas do Sol chamada C orona , dentre outros. A reflexão e o questionamento levaram a conclusões interessantes por parte dos alunos, sendo estas registradas em vídeo para análise posterior.

## 2) O espalhamento da radiação policromática pela atmosfera terrestre

Nessa aula, duas atividades tomaram lugar nos cinquenta minutos de exposição: um vídeo escrito e produzido pelo autor deste artigo e um quis de perguntas e respostas, montado como apresentação de slides . O conteúdo do vídeo trata do espalhamento da luz solar pela atmosfera, da composição policromática da luz do Sol e da suposta coloração azulada atribuída ao mar. Tal material audiovisual possui duração de doze minutos e trinta e cinco segundos. Já com relação ao quis, as salas, cuja média de alunos esteve por volta dos quarenta, foi dividida em oito grupos de cinco pessoas, sendo que a cada grupo foi atribuída uma pergunta a respeito do vídeo, podendo a resposta estar ou não contida neste. As perguntas usadas no quis são mostradas abaixo:

Quadro 01 - Perguntas utilizadas no quis sobre o céu azul

Durante a aplicação do quis, os alunos envolveram-se completamente com a atividade, discutindo em grupo a possível resposta para a pergunta que lhes foi atribuída.

## 3) A captação da radiação espalhada pela retina humana

Nessa oficina, foram montados três experimentos facilmente reprodutíveis e que tratam da formação de imagens na retina humana. Os experimentos foram montados em uma sequência de apresentação, o que não impedia que os alunos interagissem com os mesmos aleatoriamente. Abaixo é feita uma descrição sucinta de cada um deles.

1 Cuba com água e leite : nesse experimento, o espalhamento da luz branca pela atmosfera pode ser visualizado de forma muito interessante. Tudo que se precisa é

uma vasilha de plástico ou vidro transparente, água, leite desnatado e uma lanterna de luz branca e bem intensa. A lanterna é posicionada em uma das extremidades da vasilha e então algumas gotas de leite desnatado são adicionadas à água, misturando, em seguida, com uma colher. Ao observar a vasilha pela lateral, é possível ver uma luminosidade azulada. Já ao observá-la de contra a lanterna, vê-se um foco avermelhado, idêntico ao por do Sol. As moléculas do leite suspensas na água fazem papel idêntico às moléculas de nitrogênio suspensas na atmosfera, espalhando para as laterais as componentes azuis da luz solar.

Figura 01 - Cuba de água e leite utilizada na segunda atividade da metodologia. Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=Eo1WoKfJfkA (Acesso em 10/06/2012)

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2 Sombras coloridas : Nessa atividade, três refletores, um de iluminação azul, um de iluminação verde e um de iluminação vermelha são alinhados de frente à um anteparo branco. Um objeto opaco é colocado em frente aos refletores que podem ser ligados um de cada vez, aos pares ou todos juntos. Ao ligar um de cada vez, sombras pretas são vistas no anteparo. Porém, ao ligar os refletores aos pares ou todos juntos as sombras não são mais pretas, e sim coloridas. A explicação para esse resultado reside na propagação retilínea da luz em meios homogêneos e isotrópicos. Além disso, o experimento permite analisar como os dispositivos com sistema de cores RGB (Red, Blue and Green) produzem todas as cores das televisões, celulares e monitores de computadores a partir de apenas três cores primárias, azul, vermelho e verde.

Figura 02 - Representação do aparato de sombras coloridas utilizado na segunda atividade da metodologia. Fonte: http://www.learner.org/teacherslab/science/light/color/shadows/index.html (Acesso em 10/06/2012)

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3 Ilusões de ótica : duas imagens muito curiosas foram selecionadas a fim de demonstrar aos estudantes de que forma o cérebro humano processa as informações de cor e luminosidade de um objeto. Para projetá-las, foi utilizado um

data-show . A primeira apresenta dois quadrados, A e B, com a mesma cor, porém colocados em regiões de diferentes vizinhanças numa mesma figura, isto é, rodeados por objetos mais claros ou mais escuros. Dependendo dos objetos que rodeiam cada um dos quadrados, o cérebro tem a impressão de que um deles (no caso, B) é mais claro que o outro, quando, na verdade, não é. A outra imagem consiste na bandeira do Brasil com cores invertidas. Ao fixar os olhos no ponto preto da figura por cerca de trinta segundos, as áreas coloridas estimulam excessivamente alguns cones da retina, deixando outros em atividade mais baixa. De repente, a bandeira dá lugar a uma tela em branco e, nesse momento, os cones que foram excessivamente estimulados não respondem tão bem como os que estavam inativos, fazendo com que vejamos na tela branca a bandeira do Brasil com as cores originais. Trata-se apenas de uma projeção imaginária, mas que de tão intensa pode misturar-se com a realidade visual.

Figura 03 - Ilusões de ótica utilizadas na terceira atividade da metodologia

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A primeira atividade experimental explora de maneira adequada a relação da intensidade da radiação espalhada com o comprimento de onda da radiação incidente, presente nas observações de Lord Rayleigh em seu artigo de 1871. O uso do leite desnatado ao invés do leite integral é preferível, visto que as macromoléculas de gordura presentes no leite integral dificultam a observação do espalhamento Rayleigh, dando ênfase ao espalhamento Mie, cujo tamanho das partículas dispersas deve ser maior. [5]. Já com relação às outras duas atividades, ambas possuem um caráter não apenas conceitual, mas também histórico, uma vez que a definição de cor de um objeto passou por muitas modificações ao longo da história, e o próprio estudo das cores com base em dados científicos graças a Edwin H. Land [6] deu origem ao que temos hoje de mais moderno em matéria de coloração computacional.

## Conclusões

O ensino de ótica no ensino médio é algo que motiva tanto professores quanto alunos se bem conduzido, uma vez que existem inúmeras demonstrações simples porém muito elucidativas dos fenômenos explicados em sala. Além disso, a ótica abre margem para o estudo dos primeiros fenômenos quânticos, tais como a difração de raios-x em cristais pela família Bragg e o espalhamento de raios-x em materiais poliméricos por Compton. Por isso, o desenvolvimento de novas metodologias para o ensino de ótica, misturando a visão clássica e abrindo discussões e debates sobre as primeiras visões quânticas, podem gerar aulas mais

produtivas e estudantes mais interessados. A aplicação de tais atividades na escola mostraram-se muito produtivas e podem ser adaptadas à realidade de cada escola, já que os materiais utilizados são todos de baixo custo e podem ser encontrados com facilidade. A eficácia da metodologia pode ser avaliada pelo uso de pré e pós testes, a exemplo do que foi feito neste caso. A análise preliminar desses testes revela que estudantes que antes tinham dificuldade de relacionar o conteúdo da sala de aula com sua realidade cotidiana começaram a usar exemplos muito interessantes advindos de sua experiência pessoal, acoplados à termos técnicos abordados em sala, evidência direta da reconciliação integrativa proposta por Ausubel.

## Referências

- [1] BOHREN, C.F.; FRASER, A.B., Colors of the sky, The Physics Teacher, 1985.
- [2] PENA, F.L.A., Por que, apesar do grande avanço da pesquisa acadêmica sobre ensino de Física no Brasil, ainda há pouca aplicação dos resultados em sala de aula?, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 26, n. 4, p. 293 - 295, 2004.
- [3] DA SILVA, M.A.F.M.; TAVARES JR., A.D, A importância do ensino de ótica para o desenvolvimento das tecnologias modernas , XVI Simposío Nacional de Ensino de Física, 2005.
- [4] PELIZZARI, A. et.al; Teoria da aprendizagem significativa segundo Ausubel, Revista Programa de Educação Corporativa, Curitiba, v.2, n.1, p.37-42, jul. 2001-jul. 2002.
- [5] ROCHA, M.N. et al; O azul do céu e o vermelho do pôr-do-Sol , Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 32, n. 3, 3501, (2010).
- [6] LAND, E.H; The retinex theory of color vision ; Scientific American, 1977, vol. 237 nº 6, p108-128.