SOBRE AS PESQUISAS RELACIONADAS AO ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## SOBRE AS PESQUISAS RELACIONADAS AO ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## ON RESEARCH RELATED TO THE TEACHING OF THE PHOTOELECTRIC EFFECT

## Ronivan Sousa da Silva¹, Nádia Cristina Guimarães Errobidart²

1 - Instituto Federal do Mato Grosso do Sul - Campus Aquidauana, ronivan.silva@ifms.edu.br

2 - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul - Campo Grande - MS/ Instituto de Física, nadia.guimaraes@ufms.br

## Resumo

Este artigo apresenta o resultado de uma pesquisa bibliográfica relacionada ao Efeito Fotoelétrico realizada em periódicos das áreas de Ensino, Educação e Interdisciplinar no período de 2004 a 2013. Identificamos 14 artigos e os classificamos em três grandes categorias: (a) Apresentação de propostas, sem resultados de aprendizagem; (b) Propostas testadas em sala de aula, com apresentação dos resultados de aprendizagem; (c) Propostas testadas em cursos de formação continuada de professores ou pós-graduação. Tal como nas revisões anteriores identificamos uma escassez de trabalhos que investigam concepções dos alunos relativas a temas contemporâneos. Evidenciamos que apenas cinco dos quatorze trabalhos encontrados se propuseram a investigar os resultados relacionados a potencialidade de suas propostas em relação ao processo de aprendizagem. Os resultados indicam que recentemente houve um crescimento de sugestões de novas atividades experimentais, porém poucos pesquisadores têm investigado o processo de construção do conceito de fóton e compreensão do modelo corpuscular para a luz.

Palavras-chave: física moderna e contemporânea, dualidade onda-partícula, revisão de literatura.

## Abstract

This paper presents the results of a literature search related to Photoelectric Effect periodicals held in the areas of Education, Education and Interdisciplinary for the period 2004-2013. We identified 14 articles and classified them into three broad categories: The analysis made it possible to classify them into three broad categories: (a) Submission of proposals without learning outcomes, (b) Proposals tested in the classroom with presentation of learning outcomes, (c) Proposals tested in continuing education courses teacher or graduate. As in previous reviews identified a paucity of studies investigating students' conceptions regarding contemporary issues. We showed that only five of the fourteen studies found proposed to investigate the potential outcomes related to their proposals in relation to the learning process.The results indicate that there has recently been a growth of suggestions for further experimental activities, but few researchers have investigated the process of building the photon concept and understanding of the corpuscular model of light.

Key-words: modern and contemporary physics, wave-particle duality, literature review.

## Introdução

As últimas revisões bibliográficas sobre trabalhos envolvendo o ensino de Física Moderna e Contemporânea (FMC) evidenciaram um notável aumento no número de publicações desta linha de pesquisa nos últimos anos (OSTERMANN e MOREIRA, 2000; GRECA e MOREIRA, 2001; e OSTERMANN e PEREIRA, 2009). As reflexões relacionadas às justificativas para a inserção de FMC no ambiente escolar, exploradas principalmente nos primeiros trabalhos, atualmente possibilitam aos pesquisadores direcionar suas investigações para outros aspectos, tais como: construção de aparatos experimentais, elaboração de materiais didáticos e tecnologias da informação e comunicação, discussões sobre como inserir História e Filosofia da Ciência (HFC) ou questões de Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA), entre outros.

Segundo Ostermann e Pereira (2009), a maioria dos temas de pesquisa que abordam o ensino de FMC concentra-se em conceitos ligados à Mecânica Quântica (MQ), em seguida, têm-se os trabalhos envolvendo conceitos da Teoria da Relatividade Restrita e, por fim, algumas pesquisas envolvendo tópicos como radiação,supercondutividade, física nuclear, física das partículas, entre outros.

Diante da ampla diversidade de tópicos de FMC estudados por esta linha de pesquisa, buscamos descrever e categorizar os diferentes trabalhos publicados de 2004 a 2013, em revistas nacionais das áreas de Ensino, Educação e Interdisciplinar que abordaram unicamente o ensino do Efeito do Fotoelétrico. Nosso interesse por esse tema em particular está associado ao desenvolvimento de um projeto de pesquisa mais amplo no qual procuramos investigar as contribuições e limitações de uma sequência didática composta por elementos de História e Filosofia da Ciência, relações Ciência-Tecnologia-Sociedade e uso de simulação computacional para aprendizagem significativa do conceito de fóton pelos alunos.

## Metodologia

Nosso recorte adotou como referência o trabalho publicado por Ostermann e Pereira (2009). Em relação ao Efeito Fotoelétrico, entre 2001 a 2006, os autores identificaram estudos que abordam as justificativas para sua inserção no ensino médio; análise de livros didáticos; divulgação de aparatos experimentais para físicos profissionais; textos abordando aspectos teóricos e conceituais do fenômeno e trabalhos voltados para ensino médio. A partir dos resultados evidenciados pelos autores decidimos buscar por artigos publicados no período de 2004 a 2013, isto é, nos últimos dez anos. No entanto, considerando as orientações desse evento sobre o número de páginas e a quantidade de informações obtidas em nossa pesquisa, apresentaremos apenas os resultados diretamente associados ao ensino médio.

Seguimos os procedimentos de pesquisas bibliográficas sugeridos por Rosa (2013) como norteadores de nossa metodologia: i) definição de dez a 20 palavraschave; ii) definição do escopo; iii) seleção do corpus e iv) análise. Deste modo, foram definidas as seguintes palavras-chave: Efeito Fotoelétrico, fóton, natureza da luz, dualidade onda-partícula, física moderna e contemporânea, radiação, Einstein, simulações computacionais de FMC, atividade experimentais de FMC, ensino de FMC, ensino de Física Quântica (FQ), ensino de Mecânica Quântica (MQ).

Em seguida, adotando como critério de escolha um mínimo de índice qualis da Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal de Nível Superior (CAPES) igual a (A) ou (B), foram selecionados oito periódicos para consulta: Caderno Brasileiro de Ensino de Física (B1), Ensaio: Pesquisa em Educação em Ciências (A2), Experiências em Ensino de Ciências (B1), Investigações em Ensino de Ciências (A2), Revista Brasileira de Ensino de Ciências e Tecnologia (B1), Revista Brasileira de Ensino de Física (A1), Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências (A2) e A Física na Escola (B2).

Ressaltamos que na revista Investigações em Ensino de Ciências foram encontrados três artigos relacionados diretamente com o tema e de grande importância para o nosso trabalho, mesmo não sendo propostas associadas ao Efeito Fotoelétrico no ensino médio. Entretanto, são as três revisões mais citadas na literatura envolvendo a linha de pesquisa FMC (OSTERMANN e MOREIRA, 2000; GRECA e MOREIRA, 2001 e OSTERMANN e PEREIRA, 2009). Esclarecemos, também, que não fez parte dos objetivos desta revisão analisar criticamente os artigos aqui apresentados.

Para a sistematização das informações buscamos pela ocorrência de pelo menos uma das 12 palavras-chaves nos artigos científicos como um todo. Após uma leitura superficial dos artigos, foi possível identificar 14 artigos que versavam sobre o Efeito Fotoelétrico, os quais foram submetidos a uma análise mais detalhada.

As categorias utilizadas na análise dos resultados foram elaboradas com base nas classificações propostas por Ostermann e Moreira (2000) e por Ostermann e Pereira (2009). Utilizamos três grandes categorias: (a) Apresentação de propostas, sem resultados de aprendizagem; (b) Propostas testadas em sala de aula, com apresentação de resultados de aprendizagem; (c) Propostas testadas em cursos de formação continuada de professores ou pós-graduação.

## Análise e Resultados

Destacamos que, apesar de nossa busca inicial contemplar oito periódicos, os artigos selecionados provêm de apenas quatro, listados no quadro 1.

Quadro 1 Indicativo dos periódicos, quantidade de artigos por periódico e os artigos selecionados.

Classificamos na categoria (a) apresentação de propostas, sem resultados de aprendizagem os trabalhos que apresentam novas estratégias para o ensino do Efeito Fotoelétrico, porém não há comentários sobre sua testagem em sala de aula. Após uma primeira leitura, foi possível identificar aspectos que permitiram elaborar duas subcategorias: (a.1) propostas mediadas somente por simulação computacional e (a.2) propostas mediadas somente por atividades experimentais.

Na primeira subcategoria temos dois artigos. Heckler et al (2007) relatam o desenvolvimento e a aplicação de um CD-ROM de óptica para o ensino médio. O material contém textos didáticos escritos em linguagem html, animações, simulações (Java Applets) e imagens disponíveis na internet. A proposta foi aplicada em duas turmas de alunos do 3° ano do ensino médio. O Efeito Fotoelétrico e o Efeito Compton foram abordados no começo do curso, dentro do tópico 'natureza da luz'.

Neto et al (2010) apresentam a construção de uma página na Internet, como produto educacional resultante do projeto 'A física Moderna no processo de formação de técnicos na área de radiologia médica'. Esta página foi utilizada durante um semestre letivo como material de apoio para a disciplina de Proteção Radiológica. Durante o ensino do Efeito Fotoelétrico, os autores destacaram a abordagem interdisciplinar com a física do radiodiagnóstico na utilização de telas intensificadoras (écrans).

Na segunda subcategoria enquadramos seis artigos. Cavalcante et al (2005) apresentam diferentes propostas experimentais que permitem estudar espectros de emissão e absorção e ainda uma proposta de baixo custo para a observação de espectro de absorção. Atenção especial foi dedicada aos semicondutores - mostramos que LEDs comerciais podem substituir tanto as fontes como os sensores de luz na incansável e importante tarefa de verificar a validade de modelos através da determinação de constantes físicas: o modelo do quantum de luz e a constante de Planck.

Filho et al (2006) relatam o desenvolvimento e a caracterização de uma célula fotovoltaica e um sistema de excitação e de medição adequados para uso didático em aulas de Física. A célula é semelhante às primeiras desenvolvidas no século XIX, e o sistema de medição envolve transistores, uma bateria e um multímetro, e permite estimar a corrente fotoelétrica produzida na célula.

Paranhos et al (2008) realizaram um projeto para o ensino de FMC em um curso de licenciatura em Física. Este projeto consistiu no desenho, construção e utilização de um experimento utilizando lâmpada de vapor de mercúrio para atividades práticas e demonstrações didáticas. Os autores propuseram utilizar o experimento para trabalhar os seguintes tópicos: o Efeito Fotoelétrico, a análise do espectro de emissão do mercúrio e suas particularidades relacionadas às regras de seleção e suas evidências de correções relativísticas.

Alves e Silva (2008) Abordam os detalhes do funcionamento das células fotovoltaicas e sugere uma atividade experimental de demonstração que possibilita o professor mostrar a transformação de energia solar em energia elétrica na sala de aula. As discussões sobre o funcionamento das células fotovoltaicas é feita basicamente sobre a física dos materiais semicondutores, por exemplo, o silício.

Silva e Assis (2012) relatam a utilização de uma atividade experimental qualitativa de demonstração construída com materiais de baixo custo para o ensino

do Efeito Fotoelétrico, denominada 'Ouça seu controle remoto'. Busca-se nesta atividade contextualizar o ensino com algumas aplicações tecnológicas vivenciadas pelos alunos no seu cotidiano a fim de permitir o desencadeamento e a sustentação das interações sociais no ambiente de sala de aula.

Cavalcante et al (2013) elaboraram uma sequência didática com o objetivo de explorar o funcionamento de controles remoto a partir da utilização do microcontrolador Arduino. Como pano de fundo para o trabalho, os autores utilizam o ensino do Efeito Fotoelétrico. Neste artigo os autores apresentam características mais gerais e mostram como se pode tornar perceptível a radiação infravermelha, quer transformando-a em radiação visível através dos fotosensores presentes em câmeras digitais, quer transformando-a em sinais elétricos que podem ser visualizados através do software de som Audacity disponível livremente na web.

Em suma, evidenciamos nos trabalhos classificados na categoria (a) uma tendência de concentração de propostas voltadas para atividades experimentais. Essas propostas basicamente relatam a construção de células fotovoltaicas ou experiência que utilizam o aparelho de controle remoto. Nesta categoria encontramse aproximadamente 57% dos artigos encontrados.

Os trabalhos classificados na Categoria (b) Propostas testadas em sala de aula, com apresentação dos resultados de aprendizagem apresentam propostas didáticas para o ensino do Efeito Fotoelétrico que foram testadas em sala de aula. São relatos de atividades desenvolvidas no ensino médio ou no ensino superior, com descrição de indícios de aprendizagem dos alunos.

A leitura inicial possibilitou identificar quatro subcategorias: (b.1) Propostas mediadas somente por simulação computacional; (b.2) Propostas mediadas por simulação computacional e atividades experimentais; (b.3) Propostas mediadas por HFC ou CTSA e (b4) Propostas mediadas por outras ferramentas didáticas .

Dois trabalhos foram enquadrados na primeira subcategoria. Sales et al (2008) desenvolveram e aplicaram uma atividade de modelagem exploratória aplicada ao ensino do Efeito Fotoelétrico com a utilização do objeto de aprendizagem (OA), chamado Pato Quântico. O foco principal da aplicação de OA foi o cálculo da constante de Planck pelos alunos. Os resultados indicam que a interação dos estudantes com software resultou numa aprendizagem significativa do fenômeno.

Cardozo e Dickmann (2011) elaboraram e aplicaram uma sequência didática baseada no uso de simulação computacional para o ensino do Efeito Fotoelétrico para alunos do terceiro ano do ensino médio. Toda sequência didática foi fundamentada na Teoria da Aprendizagem Significativa (TAS) de David Ausubel para aquisição do conhecimento. Nas atividades propostas, foi utilizada a simulação do Efeito Fotoelétrico desenvolvida por McKagan et al (2009). Os resultados da pesquisa indicam que para a maioria das questões os alunos tiveram um índice de acerto acima de 67%.

Apenas o trabalho de Silva et al (2012) foi classificado na segunda subcategoria. Os autores ministraram um curso no qual abordaram conteúdos de FMC de maneira conceitual para duas turmas de 3º ano do ensino médio, uma de escola pública e outra de escola privada. No ensino do Efeito Fotoelétrico foi utilizado um experimento que evidenciava o comportamento dualístico da luz, vídeos e simulações ( software PhET Simulations ) com auxilio de notebook e data-show. Ao

final, os autores constataram que, mesmo com os alunos do ensino privado inicialmente tendo uma base conceitual melhor do que os alunos do ensino público, as turmas tiveram desempenho satisfatório e próximo.

Na terceira subcategoria foi classificado somente o trabalho de Silva e Martins (2009). Nele os autores propõem e relatam a experiência de um júri simulado no ensino de ótica, especificamente, abordando o tema 'natureza da luz', fundamentado pela HFC. Segundo os autores, o papel do professor nesta estratégia é o coordenador da atividade, porém, antes do dia do júri, este deve prover atividades que fundamentem conceitualmente os alunos sobre o tema. Entre as várias contribuições da estratégia, os autores destacam: favorecimento do trabalho em grupo e o diálogo entre os estudantes; socialização das concepções apresentadas pelos estudantes; incentivo à capacidade de argumentação e elaboração de hipóteses; desenvolvimento da comunicação oral e, por fim, aprendizagem dos conceitos e temas científicos.

Na quarta subcategoria também enquadramos um único trabalho. Coelho e Borges (2010) relatam um estudo sobre o desenvolvimento do pensamento dos estudantes no campo da óptica e física moderna (natureza da luz) em um ambiente curricular no qual os conteúdos são organizados de forma recursiva e em espiral. Os autores investigaram: (i) a mudança no entendimento dos estudantes sobre a natureza da luz, ao longo da terceira série do Ensino Médio e (ii) o patamar de entendimento dos estudantes sobre essa temática, ao final da terceira série. Os resultados indicam que ao final do ensino médio a maioria dos alunos mobiliza os modelos eletromagnético, corpuscular ou dual para a luz, mas com alguns estudantes apresentando inconsistências em suas explicações.

Em resumo, evidenciamos que nesta categoria encontram-se aproximadamente 36% dos artigos encontrados. A maioria das testagem de propostas didáticas contempla em seu planejamento a utilização de simulações computacionais, porém estes trabalhos correspondem a um percentual de 20% em relação ao total de artigos encontrados (b.1 e b.2).

- O único trabalho classificado na categoria (c) propostas testadas em cursos de formação continuada de professores ou pós-graduação apresenta uma proposta didática para o ensino do Efeito Fotoelétrico direcionada aos professores de Física. Santos et al (2011) relatam uma experiência da difusão de oito tópicos de FMC para professores e alunos das escolas públicas de ensino médio do Estado do Paraná. Especificamente, em relação ao tópico Efeito Fotoelétrico, foi elaborado um experimento denominado 'Lâmpada Mágica', no qual um circuito contendo um sensor LDR ( Light Dependent Resistor ) que, quando iluminado acende uma lâmpada. Ao final, os autores ressaltam que a importância do projeto deve-se à necessidade de complementação teórica dos professores, visto que quase todos que ministram aulas de Física na região são formados em outras áreas.

Os gráficos 1 e 2 ilustram a distribuição do número de trabalhos encontrados entre as três grandes categorias e entre as subcategorias a e b.

Gráfico 1 - distribuição do número de trabalhos por categoria.

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Gráfico 2- distribuição do número de trabalhos por subcategoria.

O gráfico 1 nos permite observar que o número de sugestões de propostas didáticas é razoavelmente maior do o número de propostas testadas em uma situação real de ensino. Já o gráfico 2 mostra uma concentração inversa entre as subcategorias (a.2) e (b.2). Enquanto a subcategoria (a.2) representa a maior parte das sugestões de propostas didáticas, a subcategoria (b.2) mostra que apenas uma das propostas didáticas testadas envolve diretamente atividades experimentais. Podemos notar também que o número de propostas sugeridas mediadas somente por simulação computacional (a.1) é igual ao número de propostas testadas em sala de aula que utilizaram somente essa ferramenta didática (b.1).

## Considerações Finais

No presente trabalho, fizemos um levantamento de 14 artigos científicos sobre o ensino do Efeito Fotoelétrico publicados em revistas nacionais no período de 2004 a 2013 e os classificamos em três grandes categorias (a), (b) e (c). A subdivisão das categorias (a) e (b) possibilitou observar que a maioria dos trabalhos relata a construção de novas atividades experimentais para a demonstração do fenômeno e que apenas 03 (três) trabalhos referentes à testagem de propostas didáticas. Além disso, observamos que em todas as propostas didáticas testadas estava envolvida, principalmente, a utilização de simulações computacionais.

Ostermann e Moreira (2000), juntamente com Greca e Moreira (2001), apontaram que a grande maioria das publicações sobre FMC, no início do século XXI, era em forma de divulgação ou como bibliografia de consulta para professores. Nossa pesquisa permite evidenciar que nos últimos dez anos houve uma notável redução de artigos científicos com esse enfoque, pelo menos no que diz respeito ao conteúdo do Efeito Fotoelétrico.

Ainda com relação às revisões anteriores, os autores também apontaram para uma escassez de trabalhos que investigam concepções dos alunos relativas a temas contemporâneos. Nossa pesquisa mostrou que cerca de 36 % (cinco de quatorze) dos trabalhos encontrados se propuseram a investigar os resultados de aprendizagem de suas propostas didáticas. No entanto, pela leitura destes trabalhos, podemos afirmar que dados referentes ao processo de construção de conceitos ainda permanecessem escassos, pois os trabalhos relatam basicamente a aceitação da proposta pelos alunos e as notas obtidas no teste de conhecimento.

## Referências

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