DO ELETROSCÓPIO AO DETECTOR: UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO-APRENDIZAGEM SOBRE RAIOS CÓSMICOS

## DO ELETROSCÓPIO AO DETECTOR: UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO-APRENDIZAGEM SOBRE RAIOS CÓSMICOS

## FROM THE ELECTROSCOPE TO THE DETECTOR: A TEACHING-LEARNING SEQUENCE ABOUT COSMIC RAYS

João Pedro Ghidini 1 , Marcelo Gameiro Munhoz 2 , Ivã Gurgel 3

- 1 Instituto de Física/Universidade de São Paulo, joao.ghidini.silva@usp.br
- 2 Instituto de Física/Universidade de São Paulo, munhoz@if.usp.br
- 3 Instituto de Física/Universidade de São Paulo, gurgel@usp.br

## Resumo

Apesar das inúmeras contribuições teóricas e empíricas para a atualização do currículo de física, a atenção para a Natureza da Ciência e o uso de tecnologia em sala de aula, eles permanecem ainda hoje como desafios para a educação científica. A Física de Partículas, por sua vez, tem características especiais, havendo uma notória ausência de trabalhos de cunho histórico-epistemológicos e diversos problemas conceituais na prática de ensino, além dos obstáculos didático-epistemológicos e didático-pedagógicos do ensino de Física Moderna e Contemporânea. Considerando essas problemáticas e no interior de um Projeto de Ensino de Física de Partículas através de detectores de raios cósmicos, o presente trabalho fundamenta teoricamente uma Sequência de Ensino-Aprendizagem. Para isso, utilizou-se a metodologia baseada em design denominada Teaching-Learning Sequences . Para a elaboração de atividades e procedimentos para a sala de aula, nosso embasamento principal foi a abordagem do filósofo Ronald Giere no contexto da pesquisa em educação científica, caracterizando o conhecimento científico através da elaboração de modelos, com foco no raciocínio científico. Para fundamentar, também são necessários conhecimentos contingentes, que em boa parte foram explicitados. A didatização buscou evitar os erros de reduzir o ensino de Física de Partículas à uma 'lista de compras' ou à analogias cuja sintática é consensual, porém com problemas semânticos.

Palavras-chave : Raios Cósmicos, Física de Partículas, Modelo, Sequência de Ensino-Aprendizagem, Projetos de Ensino

## Abstract

Despite the numerous theoretical and empirical contributions to updating the physics curriculum, attention to the Nature of Science and the use of technology in the classroom, they still remain challenges for science education today. Particle Physics, in turn, has special characteristics, with a notorious absence of historical-epistemological works and several conceptual problems in teaching practice, in addition to the didactic-epistemological and didactic-pedagogical obstacles of the teaching of Modern and Contemporary Physics. Considering these problems and within a Particle Physics Teaching Project through cosmic ray detectors, the present work theoretically bases a Teaching-Learning Sequence. For

this, we used the design-based methodology called Teaching-Learning Sequences. For the elaboration of activities and procedures for the classroom, our main basis was the approach of philosopher Ronald Giere in the context of research in science education, characterizing scientific knowledge through the elaboration of models, with a focus on scientific reasoning. In order to substantiate, contingent knowledge is also needed, which in large part has been explained. Didacticization sought to avoid the mistakes of reducing the teaching of Particle Physics to a 'laundry list' or to analogies whose syntactics are consensual, but with semantic problems.

Keywords : Cosmic Rays, Particle Physics, Model, Teaching-Learning Sequence, Teaching Project.

## Introdução

Há algumas décadas, a Física de Partículas (FP) tem ganhado destaque entre os tópicos a serem discutidos no ensino médio (GHIDINI et al., 2021) e nesse período inúmeras iniciativas surgiram para enfrentar esse desafio. Recentemente surgiram diversos projetos baseados em detectores de Raios Cósmicos (RC) mundo afora . No Brasil uma colaboração entre pesquisadores em física e pesquisadores 1 em educação científica resultou em um projeto aprovado pelo CNPq 2 , com a ambição de criar uma rede de colaboração entre escolas e universidades através de estudos experimentais de RC. Mas como é de se esperar, projetos desta dimensão sempre acabam contemplando mais de um objetivo.

Retrospectivamente, projetos de ensino de ciências tiveram grande destaque na segunda metade do século XX. Dentre os grandes projetos, o primeiro deles foi o Physical Science Study Comittee (PSSC), iniciado em 1956. Já nesse projeto havia interesse em elevar o papel do laboratório na educação, utilizar mídia instrucional inovadora, dar ênfase na investigação centrada em conhecimentos disciplinares e discutir a natureza da ciência (RUDOLPH, 2002, p.4). Apesar de terem recebido um grande número de trabalhos de natureza teórica e empírica, ainda hoje esses elementos continuam como desafios a serem superados nas pesquisas em educação científica

Numa outra perspectiva, como resultado de intervenções que buscaram ensinar Física Moderna e Contemporânea (FMC), Pietrocola e Gurgel (2017) sugerem que os obstáculos encontrados para seu ensino são de natureza didático-epistemológica (relacionados às dificuldades do conhecimento, como a fenomenologia, formalização, estrutura conceitual e a ontologia), e didático-pedagógica , entre os quais destacamos a intuição didática dos professores (problemas fechados são bons para ensinar física, enquanto que certos textos e questões conceituais, não), os tipos de atividades propostas e a avaliação (na física clássica já se sabe como avaliar, mudar traz dificuldades)(GHIDINI et al , 2021). No caso da física de partículas, esses problemas se agravam, uma vez que as propostas por vezes possuem graves equívocos conceituais (PASSON; ZÜGGE; GREBE-ELLIS, 2018), além de uma notória ausência de trabalhos

histórico-epistemológicos para o contexto do ensino (MILNITSKY; GURGEL; MUNHOZ, 2021).

Resgatando os trabalhos de Douglas Roberts sobre as diferentes ênfases curriculares que um conhecimento pode ter, Gurgel (2020) aponta que o papel da história da ciência no ensino - e da historiografia adotada - dependem dos objetivos de aprendizagem. De forma ressonante com o projeto do CNPq e nos termos de Gurgel (2020), as ênfases curriculares deste trabalho são a Epistemológica-conceitual, que 'envolve a compreensão dos fundamentos conceituais de uma ciência, na qual a natureza das explicações científicas e das entidades envolvidas nelas são colocadas em debate' (GURGEL, 2020, p.334), e alguns elementos das ênfases Filosófica-Cultural , como as ' [...] questões sobre a prática científica, isto é, sobre como a ciência produz seu conhecimento [...]' (GURGEL, 2020, p.334) e Habilidades Científicas , como '[...] a formulação de hipóteses, a capacidade de investigação, a interpretação de dados científicos, etc.' (GURGEL, 2020, p.334).

Com essas ênfases, nosso trabalho explora tanto a dimensão conceitual quanto a Natureza da Ciência (NdC) , defendendo um currículo baseado em engajamento (YOUNG, 2010). A concepção de NdC apresentada é embasada na literatura de modelos, mais especificamente na abordagem do filósofo Ronald Giere (GIERE, 1988). Discussões e Justificativas para esse tipo de abordagem (enfoque no conhecimento científico permeado por discussões sobre a NdC através da literatura de modelos) podem ser encontradas tanto em Ghidini et al (2021), que considera o contexto particular da física de partículas, quanto em Duschl, Avraamidou e Azevedo (2021), que além de utilizar boa parte dos mesmos referenciais bibliográficos deste trabalho, consideram os desafios da educação científica no atual contexto da pandemia.

Como mecanismo para realizar a inovação curricular, diferentes metodologias são possíveis. Dentre elas, a Teaching-Learning Sequence (TLS) é comumente caracterizada como uma metodologia baseada em design, que envolve o planejamento (que contempla a escolha dos princípios de design, que são as teorias e conhecimentos basilares, e os objetivos da TLS), o design (que consiste na preparação de materiais para atividades e procedimentos para as aulas), a implementação, a análise dos dados obtidos e o redesign , sendo, portanto, um processo iterativo (PSILLOS; KARIOTOGLOU, 2016). Entretanto, ainda que fixemos um conjunto de princípios de design, diferentes designs são possíveis (SLOANE; GORARD, 2003).

Com essas condições para a inovação curricular propiciadas pelo projeto, surge o seguinte problema de pesquisa: Como fundamentar o design de uma possível Teaching-Learning Sequence sobre Raios Cósmicos, centralizada em um detector de múons, objetivando trabalhar essas ênfases curriculares e enfrentar os problemas já conhecidos? A sequência foi implementada presencialmente entre novembro e dezembro de 2021 em uma escola estadual na periferia de Diadema, São Paulo. Entretanto, esse aspecto será omitido no presente trabalho, onde iremos discutir apenas o planejamento e o design.

## Metodologia: Planejamento e Design

Há diferentes formas de realizar as etapas de uma TLS . Em nosso trabalho, 3 como etapa intermediária entre os princípios de design e o design , criamos uma ferramenta de design denominada Estratégias de Design , que consiste em um documento cujo objetivo é explicitar e articular as contribuições mais diretas do conhecimento necessário (originados a partir dos princípios de design) e do conhecimento contingente (originados a partir de insights , manifestados durante o design, a partir de pesquisadores e professores da escola básica e universitários) para o design (KELLY, 2004). Em uma segunda etapa, estabelecemos as contribuições dessa articulação para as ações concretas , que são ações realizadas durante o design , sendo elas: (1) Escolha e justificativa dos objetivos de aprendizagem, (2) Escolha e justificativa de temas específicos, (3) Elaboração de Atividades Didáticas Principais e (4) Construção da explicação. Embora inicialmente já existam os objetivos do projeto e as ênfases curriculares a serem trabalhadas, os objetivos da TLS só ganham especificidade dentro de um quadro teórico. Essa ferramenta foi necessária a partir da constatação de diferentes autores, sintetizada por Psillos e Kariotoglou (2016), de que há uma dificuldade em conectar as 'grandes teorias' (presentes nos princípios de design) com a etapa de design.

Dentre os nossos princípios de design , o principal conhecimento necessário é a discussão filosófica dos modelos científicos elaborada por Ronald Giere (1988), situada na discussão de NdC. Adotando uma abordagem implícita , nosso foco na NdC está nas características, na justificativa e na elaboração do conhecimento científico que, nessa abordagem, não estão dissociados, bem como no processo de didatização. Assim, damos enfoque para a caracterização de como a ciência elabora o conhecimento através de modelos , com destaque para o raciocínio científico , principalmente quanto ao conhecimento epistêmico, em que os estudantes devem, a partir do conhecimento científico específico, elaborar e avaliar modelos científicos, aprendendo o conhecimento da ciência e sobre a ciência (OSBORNE, 2013). Também como conhecimento necessário, há as 'condições de contorno', que são os obstáculos do ensino de FMC citados anteriormente (PIETROCOLA, 2017), os problemas da concepção herdada do ensino de física de partículas (GHIDINI et al , 2021; PASSON; ZÜGGE; GREBE-ELLIS, 2019) e as ênfases curriculares, considerando as prescrições do currículo paulista (SÃO PAULO, 2020).

O Design da sequência foi realizado ao longo de 2021. Nesta etapa, os autores deste trabalho elaboraram uma versão inicial do documento de apresentação de cada aula (com breves justificativas, os objetivos de aprendizagem e os momentos da aula) bem como o material didático para professores e estudantes. A partir disso, eles foram apresentados, discutidos e modificados em reuniões remotas periódicas (em média, 8 pessoas compareciam) com professores universitários e de escola básica, que são membros do projeto, sendo este o momento em que mais surgiu o conhecimento contingente . Além da apresentação, o pesquisador pensava em possíveis problemas nos documentos apresentados, colocando-os em discussão.

## A Sequência de Ensino-Aprendizagem

Como antecipado, organizou-se cada aula em momentos. Estipulou-se a duração de 50 minutos para cada aula, destinadas a estudantes do ensino médio. Para organização da discussão, designaremos os algarismos indo-arábicos para as aulas e os algarismos romanos para os momentos das aulas. Dessa forma, o primeiro momento da aula 1 é representado como (1-I) e assim por diante. Algumas aulas foram planejadas para serem lecionadas imediatamente em sequência , como por exemplo a 2 e 3. Desse modo, o quarto momento da aula 2 e 3 será indicado por (2e3-IV) . Dada a finitude do trabalho, nem todas as justificativas serão manifestadas aqui, especialmente aquelas associadas às condições de contorno.

O momento (1-I) consiste na leitura de uma notícia de jornal eletrônico, que aborda o risco da radiação espacial para passageiros de avião. Através dos impactos da radiação na realidade imediata, realiza-se uma série de problematizações, dando enfoque nesse momento para 'quem produz esse conhecimento?'. Segue-se para o momento (1-II) , dando uma primeira dimensão sobre como surge esse conhecimento. Apresenta-se a pesquisa em raios cósmicos ilustrada pelo observatório Pierre Auger e os aceleradores de partículas exemplificados pelo LHC, realiza-se breves comentários sobre a dimensão teórica e a dimensão experimental, citando os físicos Murray Gell-Mann e Cesar Lattes, respectivamente. No momento (1-III) , busca-se explicitar as distinções e semelhanças das pesquisas com raios cósmicos e aceleradores. No momento (1-IV), finaliza-se apontando que será aprofundada a forma de pesquisar através dos raios cósmicos.

A escolha do momento (1-I) se deu em virtude das recomendações do Currículo Paulista, que em ressonância com um volume significativo da literatura em ensino, recomenda que o início das atividades de ensino seja a partir da realidade comum. As problematizações levantadas buscam engajar os estudantes com o que está por vir nesta e nas aulas seguintes. Os momentos (1-II) e (1-III) buscam dar uma dimensão sobre as diferentes formas que a FP produz conhecimento, realizando uma primeira demarcação para suas especificidades.

No momento (2e3-I), retoma-se duas problematizações que surgiram com a notícia do momento (1-I) : 'como é possível saber que as partículas estão vindo do céu e não de outro lugar?' e 'como observar essas partículas invisíveis?'. No momento (2e3-II) , relembra-se alguns conceitos sobre as partículas que se supõe que os estudantes já conheçam - a repulsão e atração devido a carga elétrica e os constituintes mais comumente conhecidos de um átomo (elétron, próton e nêutron). A partir disso, explica-se o funcionamento de um eletroscópio. Apresenta-se um problema do início do século XX: o descarregamento indefinido do eletroscópio em taxas bem variáveis.

No momento (2e3-III), os alunos realizam uma atividade organizados em duplas. A atividade foi elaborada com base em fontes secundárias sobre o surgimento da pesquisa em raios cósmicos. Tendo como embasamento principal uma apropriação do trabalho de Giere (1988) para o ensino de ciências, a didatização desse episódio foi realizada reduzindo à duas possíveis formas de justificar o descarregamento indefinido do eletroscópio, já tendo como premissa que

- é causado por agentes ionizantes e desconsiderando a umidade do ar. Nesta atividade, sete cartões com descrições de observações experimentais, fatos e hipóteses são entregues aos estudantes. Cada dupla recebe três folhas onde, a partir da leitura dos cartões, escrevem quais são as contribuições dos cartões para defesa de que a radiação ionizante seja terrestre ou extraterrestre, comparando no final os dois modelos. No momento (2e3-IV), realiza-se uma discussão entre professor e estudantes, questionando-se o que os alunos concluíram e quais critérios foram utilizados. Finaliza-se a aula com a leitura de um trecho do discurso do Nobel que Viktor Hess recebeu, consolidando que os raios cósmicos são extraterrestres, sendo que o experimento dele esteve presente em um dos cartões.
- O primeiro problema do momento (2e3-I) serve para motivar a atividade que estava por vir, enquanto que o segundo problema é fundamental e recorrente dentro da FP, ilustrando como a ciência produz conhecimento através de instrumentos que estendem os nossos sentidos (GIERE, 1988). O momento (2e3-II) é fundamental para a compreensão da atividade, ainda mais considerando que a prática científica demanda o conhecimento do funcionamento dos instrumentos (GIERE, 1988).
- O momento (2e3-III) está centralizado no raciocínio científico. Esse tipo de atividade utilizando lápis e papel permite que os estudantes explicitem seu raciocínio sobre o que constitui o modelo e como confrontá-los, trabalhando o raciocínio crítico imerso na prática científica, que também é importante para o aprendizado dos estudantes (OSBORNE, 2013). O momento (2e3-IV) é fundamental, pois mais do que saber que o certo está certo, é importante que os estudantes entendam porque o errado está errado (OSBORNE, 2013).

No momento (4e5-I), retoma-se o problema sobre como observar os raios cósmicos e aponta-se que toda detecção pressupõe uma interação. Questiona-se se seria possível observá-los visualmente. No momento (4e5-II), apresenta-se dois vídeos sobre a câmara de nuvens, explicando brevemente seu funcionamento. Explicita-se que apesar do efeito visual, não se ganha informação quantitativa. Em contrapartida, o detector do projeto é apresentado, sendo que, apesar de não ter informação visual, ele proporciona informação quantitativa. No momento (4e5-III), explica-se o funcionamento do detector de RC do projeto, que em essência detecta múons a partir do princípio da cintilação. Para isso, realiza-se uma demonstração experimental utilizando água sanitária, água tônica e luz negra. Em resumo, a água tônica é uma substância fluorescente que emite luz quando iluminada pela luz negra. Entretanto, ela deixa de emitir luz ao ser misturada com a água sanitária. Esse fenômeno é utilizado como analogia para entender o funcionamento do detector. Em termos simples, o detector possui um cintilador de plástico que emite luz na passagem dos múons, sendo que essa luz é convertida em sinal elétrico pelo foto-sensor. No momento (4e5-IV), explicita-se a analogia e então através de imagens se explica alguns componentes do detector (cintilador, foto-sensor e GPS), dando enfoque para a função que realizam.

Nos momentos (4e5-I) e (4e5-II), busca-se elaborar uma ponte entre o início da pesquisa em raios cósmicos com o detector utilizado pelo projeto. Com isso, espera-se que os estudantes percebam que toda detecção pressupõe uma interação, onde há diferentes ganhos e perdas dependendo da forma de observar. A câmara de nuvens foi contribuição de um professor durante a etapa de design , em que a partir de suas experiências em sala de aula, apontou o seu sucesso como

recurso didático. O momento (4e5-III) foi fruto de um insight de um dos professores participantes da etapa de design . Essa forma de explicar a interação sem utilizar conceitos mais sofisticados como o de troca de partícula também é uma característica da prática científica, que utiliza um modelo adequado para cada explicação necessária. O momento (4e5-IV) é importante para que os estudantes compreendam o funcionamento do instrumento que irão utilizar futuramente.

No momento (6e7-I) , retoma-se um dos cartões do momento (2e3-III) , relembrando os experimentos de Domenico Pacini, buscando sensibilizar os alunos para a relação entre a previsão teórica e os dados experimentais coletados. Aponta-se que é fundamental conseguir extrair informações dos dados coletados e, para isso, por vezes utiliza-se gráficos. No momento (6e7-II), realiza-se uma atividade com a turma que consiste em cada estudante falar a idade de 5 pessoas que conhecem. Os estudantes, separados em duplas, devem então montar um histograma utilizando folha quadriculada, propiciando a reflexão sobre a dificuldade de montar um histograma bem como sua facilidade em extrair determinadas informações. No momento (6e7-III), mostra-se uma tabela com dados coletados pelo detector, retomando as reflexões do momento (6e7-II) para este caso. No momento (6e7-IV), realiza-se em dupla uma atividade envolvendo os dados coletados pelo detector de raios cósmicos, com auxílio da plataforma Jupyter. Com base em um Notebook 4 pré-elaborado e um roteiro, os estudantes seguem os passos de forma que consigam elaborar histogramas usando o computador. Realiza-se uma comparação entre as formas de elaborar o histograma, ressaltando o papel da tecnologia. Com os histogramas em mãos, no momento (6e7-V), os estudantes devem responder algumas questões que demandam interpretação dos gráficos.

No momento (6e7-I), trabalhamos novamente alguns aspectos do raciocínio científico, motivando os alunos também para as futuras atividades. Nos momentos (6e7-II) e (6e7-III) , apresentamos os histogramas para os estudantes, sensibilizando-os para a importância do desenvolvimento tecnológico para a produção do conhecimento científico. No momento (6e7-IV) , apresenta-se uma forma de atividade científica, sendo a programação fundamental para a ciência contemporânea. Finalizamos com o momento (6-7-V) , em que os estudantes novamente trabalham o raciocínio científico.

## Considerações Finais

Buscando evitar os erros de reduzir o ensino de FP à uma 'lista de compras' ou à analogias cuja sintática é consensual, porém com problemas semânticos (GHIDINI et al., 2021), o presente trabalho buscou apresentar um possível caminho de superação dos problemas do ensino da FMC, fundamentando o 1º design de uma TLS baseada em atividades em torno de um detetor de raios cósmicos cujos objetivos pedagógicos estão associados à dimensão conceitual e à NdC, com foco no raciocínio científico. Notamos que numa curta sequência de aulas, fundamentar os numerosos momentos exigiu um trânsito entre o necessário e o contingente . No nosso caso, o primeiro aparece principalmente em atividades que buscam atingir os objetivos pedagógicos que surgem no interior de um quadro teórico, como a NdC.

Por sua vez, o contingente surge na intuição didática para encadear e desenvolver explicações de conceitos, tendo como base as experiências anteriores com relação ao engajamento dos estudantes, inferido a partir de suas expressões. Embora uma dimensão teórica bem fundamentada não seja suficiente para uma TLS, ela é necessária para uma autêntica educação científica.

## Referências

DUSCHL, R; AVRAAMIDOU, L; AZEVEDO, N. H. Data-Texts in the Sciences: The Evidence-Explanation Continuum. Science & Education , v. 30, p. 1159-1181, 2021.

GHIDINI, J. P. et al . O ensino de Física e a prática da ciência: aproximando-os com filosofia de modelos científicos no caso da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Ciências e Matemática , v. 4, p. 1179-1201, 2021

GIERE, R. Explaining Science: A cognitive approach . The University of Chicago Press, Chicago. 1988.

GURGEL, I. Reflexões Político-Curriculares sobre a Importância da História das Ciências no Contexto da Crise da Modernidade. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 37, n. 2, p. 333-350, ago. 2020.

KELLY, A. Design Research in Education: Yes, but is it Methodological? The Journal of the Learning Sciences 13(1), 115-128. 2004

MILNITSKY, R; GURGEL, I; MUNHOZ, M. G. O quark como objeto de análise histórica e epistemológica: a Física de Partículas Elementares em uma perspectiva bachelardiana. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 38, n. 2, p. 1309-1338, ago. 2021.

PASSON, O; ZÜGGE, T; GREBE-ELLIS, J. Pitfalls in the teaching of elementary particle physics. Physics Education . v. 54, p. 1-17. nov. 2018.

PIETROCOLA, M; GURGEL, I (Eds). Crossing the Border of the Traditional Science Curriculum: Innovative Teaching and Learning in Basic Science Education. Sense Publishers, Netherlands. 2017.

PSILLOS, D. KARIOTOGLOU, P. Theoretical Issues Related to Designing and Developing Teaching-Learning Sequences In PSILLOS, D. KARIOTOGLOU, P. (Eds). Iterative Design of Teaching-Learning Sequences : Introducing the Science of Materials in European Schools. Springer. Dordrecht Heidelberg New York London, 2016.

RUDOLPH, J. L. Scientists in the classroom: the cold war reconstruction of American Science Education. Palgrave, New York. 2002

SÃO PAULO (Estado), Secretaria da Educação . Currículo Paulista: etapa ensino médio. São Paulo, 2020.

SLOANE, F. C.; GORARD, S. Exploring modeling aspects of design experiments. Educational Researcher , 32(1), 29-31. 2003

YOUNG, M. F. D. The future of education in a knowledge society: The radical case for a subject-based curriculum. Journal of the Pacific Circle Consortium for Education , v. 22, n. 1. dez. 2010.