UMA PROPOSTA DO USO DA HISTORIA DA CIENCIA PARA A APRENDIZAGEM DE CONCEITOS FISICOS NAS SÉRIES INICIAIS DO ENSINO FUNDAMENTAL

## UMA PROPOSTA DO USO DA HISTÓRIA DA CIÊNCIA PARA A APRENDIZAGEM DE CONCEITOS FÍSICO NAS SÉRIES INICIAIS DO ENSINO FUNDAMENTAL

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Irinéa de Lourdes Batista Eliane Maria de Oliveira Araman 2

## RESUMO:

Este artigo apresenta uma proposta do uso da História da Ciência nas séries iniciais do Ensino Fundamental, utilizando exemplares históricos para a compreensão do fenômeno do Arco -Íris e sua correlação com os conceitos de composição de luz e cor. Nossa proposta fundamenta -se na Aprendizagem Significativa como meio de propiciar uma Alfabetização Científica desde as séries iniciais, respeitando a fase do desenvolvimento cognitivo do aluno.

Palavras -chave: História da Ciência, Arco-o-Íris, Alfabetização Científica, Aprendizagem Significativa, Séries Iniciais.

## ABABSTRACT:

This paper presents a proposal of the use of the History of the Science in the elementary school, using historical exemplars for understanding of rainbow phenomenon e its conceptual connection with light and color composition. Our proposal is based in the Significative Learning as referential for implementing a Scientific Literacy from the elementary school, respecting the phase of the student's cognitive development.

Keywords: History of Science, Rainbow, Scientific Literacy, Significative Learning, Elementary ry School.

## 1. INTRODUÇÃO:

Nesse artigo, apresentamos uma investigação que visa ampliar a rede de significados que os alunos possuem a respeito do conceito físico da composição da luz branca, recorrendo ao fenômeno natural do Arco-o-Íris como exemplar fenomenológico de interesse, baseando-nos na hipótese que a reconstrução histórica do desenvolvimento desse conceito pode fornecer elementos que proporcionem a inserção dos estudantes na alfabetização científica e, em decorrência, na cultura científica. A escolha do tema seguiu alguns critérios que permitissem a adequação do conceito científico com a faixa etária pretendida, com a presença do conceito na vida cotidiana do aluno, a necessidade de uma adequação na linguagem, com a utilização de atividades experimentais de fácil manuseio e com uma reconstrução histórica que permitisse aliar as condições anteriores.

Segundo Chauvet (1996, p. 123), cor é um conceito que relaciona-se com mais de uma área: análises dos modos nos quais a luz é produzida, a sua interação com os materiais, físicos e biológicos; a formação de imagens na retina, a descrição fisiológica da ação da luz nas células fotoreceptoras dos olhos, o processo de impulsos neurais produzido pelos receptores e a transmissão de sinais ao longo dos nervos até o córtex visual do cérebro, dentre outros. Embora a interface da interdisciplinaridade conceitual possa ser uma boa opção para o estudo do conceito de luz e cor, neste artigo focalizaremos em termos de conteúdo, os aspectos físicos relacionados aos fenômenos de reflexão e refração da luz e a relação entre a posição do observador e do Sol, necessários para a explicação do Arco-o-Íris; e a composição da luz branca pela adição das outras cores do espectro. Essa opção epistemológica é tomada em função da fase cognitiva dos estudantes, uma vez que

consideramos que o grau de dificuldade é muito incrementado se aumentarmos a complexidade da análise do fenômeno.

Com essa fundamentação e recorrendo à Aprendizagem Significativa, investigamos o processo de construção de de uma abordagem que integrasse esses elementos com a reconstrução histórica que desenvolvemos a respeito do assunto em questão. A seguir, iremos apresentar as etapas dessa investigação, bem como os resultados já alcançados.

## 2. BREVE RECONSTRUÇÃO HISTÓRICA PARA A EXPLICAÇÃO DO ARARCO-ÍRIS:

Apresentaremos uma reconstrução histórica dos aspectos mais relevantes do Í desenvolvimento da explicação correta do Arco-o-p Íris que dá suporte histórico e epistemológico para o desenvolvimento seqüencial das atividades que serão propostas.

As primeiras teorias a respeito do Arco-o-Íris descrevem este fenômeno como sendo causado pela reflexão da luz, ou dos raios visuais, em vapores médios. Esta concepção pode ser encontrada no trabalho de Aristóteles Meteorológica, que dominou o pensamento nesse assunto por aproximadamente dois milênios (BOYER, 1956, p. 383). De acordo com a visão Aristotélica, o Sol é refletido pelas gotinhas que compõe uma nuvem côncava, atribuindo a formação do Arco-o-Íris à reflexão de gotinhas discretas na superfície de uma nuvem.

"Quando está no ponto de chover e o ar nas nuvens está no processo de formar pingos de chuva mas a chuva não está efetivamente lá, se o sol é oposto, ou qualquer outro objeto luminoso o bastante para fazer da nuvem um espelho e causar a visão a ser refletida então a reflexão tem que preservar a cor do objeto sem a sua forma. Considerando que cada um dos espelhos pequenos seja invisível e o que nós vemos ali é a sua magnitude contínua, a reflexão necessariamente nos dá uma magnitude contínua feita de uma cor; cada um dos espelhos contribuem com a mesma cor ao conjunto... Está claro, então, que o arco-o-íris é uma reflexão da visão do sol"(ARISTÓTELES apud LINDBERG, 1966, p. 238).

Por volta de 650 d.c., Al QARÃFI escreve um trabalho científico em óptica conhecido como Kitãb al istibsãr fimã tudrikuhu'l absãr r que pode ser traduzido como "A revelação do que os olhos podem perceber". Segundo Sayili (1940, p. 17), AL QARÃFI preparou este livro escrevendo cinqüenta questões no qual o 36º problema é o que trata do Arco-o-Íris. As questões levantadas por ele são essas: o que causa as cores e a forma circular do Arco-o-Íris; por que o Arco-o-Íris aparece especialmente em certos tempos definidos; e por que às vezes é pequeno e às vezes é grande? Ele primeiro estabelece as condições necessárias para o aparecimento do Arco-o-Íris e dá as posições relativas do Sol, do observador e do arco, afirmando que ele é produzido no ar pela reflexão do Sol nos vapores, mas que a imagem não tem a forma do objeto porque os espepelhos que dão origem à imagem são muito pequenos. Ele também determina que são quatro as cores do Arco-o-Íris: vermelho, amarelo, azul -celeste e a cor pura (luz direta), esta última não seria resultado da mistura da cor dos raios solares com a dos vapores d'água. Essa explicação está baseada nos quatro princípios citados em seu livro, em que ele diz: espelhos coloridos não produzirão fielmente a cor de um objeto; a cor da imagem está entre a cor do objeto e a do espelho. Apesar de AL QARÃFI ter se dedicado à explicação do ArcooÍris, é relevante esclarecer que sua visão de reflexão baseava -se na idéia de que ambos os raios, os que procedem dos olhos e os que procedem da fonte luminosa, obedecem as leis de reflexão.

Até o início do século XIII, a teoria do Arco-o-Íris tinha avançado pouco em relação ao que já se conhecia na época de Aristóteles. Porém a situação ia mudar radicalmente nos próximos cem anos, e neste movimento de mudança, Robert Grosseteste ocupa uma posição fundamental (BOYER, 1954, p. 249). Entre os seus numerosos trabalhos há um com o título De iride seu de iride et speculo, provavelmente escrito antes de 1225, no qual ele esboça as três visões habituais de perspectiva: a visão direta (ótica), a reflexão (catoptrica) e a refração (dioptrica). Para ele, a refração era o mais difícil dos três, porém o mais maravilhoso, pois faz coisas distantes parecerem próximas e pequenas coisas

parecerem grandes. Na sua formulação, encontramos que na reflexão, o ângulo de incidência está em igualdade ao ângulo de reflexão; mas na refração, os fenômenos dependem do ângulo ao qual o objeto é visto, a posição e ordem dos raios e a distância (BOYER, 1954, p. 249).

Neste trabalho Grosseteste faz, possivelmente pela primeira vez, uma associação do Arco -Íris com o importante fenômeno da refração. Entretanto, alguns historiadores da física negligenciaram a sua contribuição, atribuindo ao trabalho de Witelo, escrito em 1269, dezesseis anos após a morte de Grosseteste, o primeiro uso da refração na explicação do Í Arco -Íris. Apresentando sua teoria moderna, esse autor primeiramente refuta a idéia tradicional de que o Arco-o-Íris é devido à reflexão dos raios de Sol na superfície de uma nuvem (entendida como um espelho côncavo ou convexo). Ele afirma que o arco formado é devido à refração dos raios dentro de uma nuvem úmida convexa. Como a umidade da nuvem desce da concavidade, forma uma pirâmide convexa ou cone, em que a porção mais próxima à Terra é mais condensada do que a parte mais alta. Então, há quatro regiões transparentes pelas quais os raios de Sol passam: o ar puro que cerca a nuvem, a própria nuvem, a mais alta e, conseqüentemente mais rarefeita, e a mais baixa e mais densa em umidade no cone piramidal. Já que os raios de Sol são refratados ao passar de um meio para outro, devem ocorrer três refrações ali. Nesta explicação, a refração entra com ênfase na teoria do ArcooÍris, mas, infelizmente Grosseteste parece ter deixado de lado a reflexão, fenômeno também necessário para a explicação. Ele não declara explicitamente que a refração poderia ser usada para explicar as cores. Porém, há uma sugestão de que ele pode ter associado cor e refração, pois ele diz que a variedade de cores é devido à mistura da luz com os meios diáfanos (BOYER, 1954, p. 251). É certo que a explicação do Arco -Íris de Grosseteste é crua e fantástica, mas deve também ser lembrado que esta é a primeira tentativa de se incluir a refração.

Contrariando os avanços introduzidos por Grosseteste, Roger Bacon (c.1214/12201292) rejeitou a consideração da refração na explicação do Arco-o-Íris, reafirmando a teoria da reflexão, segundo a teoria Aristotélica. Roger Bacon viveu uma geração após Grosseteste e teve acesso aos trabalhos dele, pois os cita literalmente. Segundo Lindberg (1966, p. 236), embora Bacon tenha negado o papel da refração, ele avançou na teoria do Arco-o-Íris em dois aspectos primordiais. Primeiramente, ele rejeitou a idéia da refração por perceber a falta de boas razões, atacando alguns aspectos nebulosos da teoria da refração de Grosseteste. Segundo, porque, embora Bacon não corroborasse com a causa da refração, ele desenvolveu e refinou outros componentes essenciais para qualquer explicação satisfatória do ArcooÍris. A refração é essencial, mas também é necessário considerar a reflexão envolvida e que, tanto a refração quanto a reflexão, ocorrem em gotas individuais. Bacon fez uma significativa contribuição quando chamou a atenção à função desenvolvida pelas gotas individuais e a importância da posição do observador em relação ao Arco-o-Íris. Bacon recorreu a seus antecessores, principalmente Aristóteles, para a geometria básica do Arco-oÍris. Segundo Bacon (LINDBERG, 1966, p. 237), o ArcooÍris sempre aparece diretamente oposto ao Sol, existindo uma linha que conecta o seu centro ao centro do Sol e atravessa o olho do observador. Podem então ser imaginados dois cones. O cone do Arco-o-Íris (pyramis iridis) tem seu vértice no Sol e sua base no Arco-o-Íris. Distinto dele está o cone visual (pyramis visualis), com seu vértice no olho do observador e sua base determinando o campo de visão. A melhor visão do ArcooÍris ocorre quando a base do cone visual coincide ou inclui a base do cone do ArcooÍris, situação em que compartilham o mesmo eixo e base. As demais explicações geométricas para o Arco-o-Íris seguem logicamente o comprimento dessas condições. Se o observador está na linha de ligação do centro do Sol e do centro do Arco -Íris, e o cone visual e o cone do ArcooÍris compartilham o mesmo eixo e base, a "proximidade" do Sol com o horizonte aumentará a sua altitude; o o arco alcançará sua visibilidade máxima ao amanhecer e ao pôr-do-sol. Bacon contribuiu para a geometria do Arco -Íris ao afirmar, corretamente, que a elevação média máxima do arco é de 42°. A geometria básica do Arco-o-Íris, como foi esboçada, estava à frente da teoria de Aristóteles. O problema que demandava atenção era a causa das cores do Arco-o-Íris. Bacon declarou,

apoiado em Aristóteles, que as cores eram o resultado de um defeito de visão, o enfraquecimento ou atenuação dos raios visuais ao passarem por meios densos. Em uma nuvem densa aparece o azul, como a densidade da nuvem diminui, a cor atravessa em séries de verde, vermelho, cinzento e rosa, e branco. (LINDBERG, 1966, p. 243).

Outro aspecto considerado por Bacon é que dois observadores separados por r uma pequena distância não podem ver o mesmo Arco-o-Íris. Bacon expressou o argumento,

"Desde que isto é evidente, como nós aprendemos por experiência, que há tantos arco-oíris quanto os observadores. Se duas pessoas estão observando o arco-o-íris ao norte e uma se move para o oeste, o arco-o-íris se moverá paralelo a ele; se o outro observador se mover para o leste, o arco-o-íris se moverá paralelo a ele; e se ele ficar parado, o arco-o-íris permanecerá estacionário. É evidente, então, que há tantos arcooíris quanto os observadores, do que se segue que dois observadores não podem ver o mesmo arco-o-íris, embora uma pessoa inexperiente não compreenda este fato. Como a sombra de cada observador divide o arco do arcooíris ao meio, então, desde que as sombras são sensivelmente paralelas, elas não se encontram ao meio do mesmo arco-o-íris, e cada observador tem que ver seu próprio arco-o-íris" (BACON apud LINDBERG, 1966, p. 242).

Bacon ainda afirma que o Arco-o-Íris é produzido quando os raios de luz solar atravessam pequenas gotas em quantidade infinita que descem de uma nuvem; em cada um destes pingos de chuva ocorre uma reflexão como em um espelho esférico, e desde que eles caem sem intervalo, parecem ser contínuos de longe. Então, a imagem do Sol parece contínua e não multiplicada de acordo com a multidão de gotas.

Uma primeira explicação elementar correta para o Arco-o-Íris foi dada por Teodorico de Freiberg aproximadamente por volta do século quatorze, em que foi demonstrado pela primeira vez que o Arco-o-Íris primário é causado por duas refrações e uma reflexão dos raios de Sol nas gotas de chuva, e o arco secundário é causado por duas refrações e duas reflexões. Antonius de Dominis, arcebispo de Spalatro, acreditava que havia descoberto seus resultados independentemente, e publicou-os num tratado científico, De radiis visus et lucis, de 1611, um pequeno volume de oitenta e sete páginas, que tinha como objetivo Í examinar sua teoria da formação do Arco-o-pgqj Íris e considerar controvérsias que pudessem aparecer acerca dela. Segundo OCKENDEN (1936, p. 45), Dominis estava enganado a respeito de sua explicação para o arco secundário, ele certamente não tinha a idéia de que era causado por duas reflexões e duas refrações dos raios solares. Entretanto, sua explicação para o Arco-o-Íris primário é é incompleta; ele percebeu anteriormente que de fato os raios são refratados quando emergem de uma gota de chuva; entretanto, ele sugere que isto possa acontecer no caso do arco secundário, embora ele não esclareça a razão. É necessário insistir nesses erros fundamentais, uma vez que ainda é creditado a Dominis, na maioria dos trabalhos de referência, a explicação correta do Arco-o-Íris primário e do secundário. O que pode ser reivindicado de maneira justa para Dominis é que ele deu uma explicação bastante melhorada do Arco-o-Íris primário em relação a qualquer outro que publicou antes de 1637, quando Descartes deu a teoria elementar correta de ambos os arcos.

No Discurso VIII, do livro Meteores (Descartes, 1996, p. 325), Descartes se dedica a determinar as causas do Arco -Íris, segundo ele uma maravilha da natureza que merece ser compreendida pelos homens. Descartes utiliza conhecimentos já existentes, como a lei de refração, a explicação mecanicista das cores e experiências já utilizadas, para explicar o fenômeno do ArcooÍris de acordo com leis físicas conhecidas 3 (Battisti, 2002, p. 315). Primeiramente, Descartes determina que o Arco-o-Íris aparece quando os raios de luz incidem sobre gotículas de água presentes no ar e que pode ocorrer naturalmente ou ser produzido de maneira artificial. Descartes conclui que são nas gotas de água que se encontra a problemática na qual o fenômeno tem sua origem (Battisti, 2002, p. 316-317). Assim,

Descartes constrói um recipiente de vidro esférico e transparente, simulando uma "grande gota d'água", para reproduzir e examinar o que ocorre no interior da gota durante o fenômeno do ArcooÍris, e também explicar as razões da aparição de duas regiões coloridas e de intensidades diferentes (Descartes, 1996, p. 325-326). A partir das observavações realizadas, Descartes demonstra geometricamente as refrações e reflexões que ocorrem dentro dessa gota durante a formação do Arco-o-Íris e generaliza suas conclusões, pois é somente na presença de infinitas gotas que podemos percebê-lo.

Descartes considera uma dificuldade esclarecer por que, dos muitos raios que incidem no globo d'água que sofrem as refrações e reflexões necessárias, apenas aqueles que atingem os olhos do observador nos ângulos descritos é que produzem as cores. Descartes recorre a um prisma de cristal, pois nele aparecem as mesmas cores do Arco-Íris, no qual observa que, se os raios incidirem com ângulos retos em uma face do prisma com a outra face coberta por um corpo opaco com um orifício que permita a passagem desses raios, as cores do Arco-o-Íris aparecerão em um anteparo branco, na mesma ordem. Esse experimento permite a Descartes concluir que o que é necessário, portanto, é pelo menos uma refração e a existência da delimitação da luz pelo corpo escuro; se o orifício for aumentado, a zona colorida não aumenta, o que aparece é uma mancha branca no centro do anteparo (Battisti, 2002, p. 323-324).

Em 1672, Newton enviou para Royal Society y o artigo "Nova Teoria da Luz e das Cores", no qual demonstrou que as diferentes refrações da luz produzem cores diferentes. Ele esclareceu que conseguiu um prisma de vidro triangular para realizar o fenômeno das cores em que a luz do Sol atravessa o prisma de vidro e produz as cores do espectro. Newton prosseguiu tentando compreender qual é o motivo da didiferença na incidência dos raios vindos do Sol que formavam a figura alongada do espectro colorido. Por meio de várias medições realizadas com o prisma na posição do desvio mínimo, ele chegou ao valor de 44° 56' para o desvio sofrido pelos raios incidentes. Como a posição do Sol varia sempre ao longo do ano, Silva & Martins (Newton, 1996, nota 18, p. 316) esclarecem que esses fatores naturais interferem na realização do experimento descrito por Newton e que essas dificuldades não foram discutidas por ele.

A análise das várias possibilidades de caminhos para os raios de luz levou Newton a realizar um outro experimento que ele próprio denominou de Experimentum Crucis. Nesse experimento, a luz solar passa através de um primeiro prisma e atinge um anteparo com um pequeno furo, de modo que uma única cor passe através dele, atingindo um segundo prisma. Newton observou que o segundo prisma não alterava a cor desse feixe secundário, notando também que cores diferentes sofriam deflexões diferentes no segundo prisma, ou seja, a luz vermelha sofria novamente o menor desvio e a cor violeta novamente sofria o maior desvio. Sua conclusão foi que "a luz branca consiste em uma mistura de todas as cores que aparecem no espectro, cada cor sendo separada das outras - - - mas não cririadas - pelo prisma, devido suas diferentes refrangibilidades" (Newton apud Silva & Martins, 2003, p. 59). Newton (1996, p. 320) prosseguiu informando a causa da origem das cores e, para isso, escreveu treze proposições expondo todos os aspectos considerados por ele na formação das cores. Ele considerou que as cores não são qualificações da luz oriundas da refração ou da reflexão, mas propriedades originais dos raios de luz. Para o mesmo grau de refrangibilidade haverá sempre a mesma cor. Os raios menos refrangíveis apresentam uma cor vermelha, os raios mais refrangíveis exibem uma cor violeta e assim acontece com as cores intermediárias. Newton (1996, p. 321) argumentou que a cor e seu grau de refrangibilidade não são mutáveis por meio da refração ou da reflexão, embora tenha feito várias tentativas para verificar se ocorria alguma mudança. No entanto, podem ser feitas misturas de diversos tipos de raios, constituindo uma cor intermediária resultante da combinação de uma cor com outra. Mas, quando esses raios forem novamente separados, voltarão a exibir as mesmas cores de antes, existindo dois tipos de cores:

"um original e simples, o outro composto dessas. As cores Originais ou primárias são Vermelho, Amarelo, Verde, Azul e um Púrpura-violeta, junto com Laranja, Índigo e uma variedade indefinida de gradações Intermediárias"(Newton, 1996, p. 322).

Ele acrescentou que as cores definidas por ele como primárias também podem ser obtidas por composição, como por exemplo, a mistura de amarelo com azul resulta no verde, a mistura de vermelho e amarelo resultando no laranja. As cores que estão situadas muito distantes uma da outra na formação do espectro não formam outra cor primária, como no caso do laranja e do índigo que não produzem o verde intermediário. Mas o que causou uma perplexidade em Newton foi a composição da luz branca pelas cores primárias:

"Mas a composição mais surpreendente e maravilhosa foi aquela da Brancura. Não há nenhum tipo de Raio que sozinho possa exibi-la. Ela é sempre composta, e para sua composição são necessárias todas as Cores primárias citadas anteriormente misturadas numa proporção devida" (Newton, 1996, p. 322).

Quanto à formação do Arco-o-Íris, Newton (2002, p. 139 -145) explicou que o efeito é o resultado da refração da luz do Sol nas gotas de chuva e que isso já havia sido compreendido e demonstrado por pensadores anteriores a ele, como Antonius de Dominis e Descartes.

## 3. CONSTRUÇÃO DE UMA ABABORDAGEM HISTÓRICA PARA O ENSINO DE CIÊNCIAS NO ENSINO FUNDAMENTAL

Um estudo que contemple a aprendizagem de um conceito físico nas séries iniciais do Ensino Fundamental necessita de um aporte teórico-o-metodológico que atenda as especificidades dessa faixa etária. Sendo assim, nesta etapa do trabalho investigamos o processo de integração de referenciais para construção de atividades que contribuam para uma Aprendizagem Significativa de um conceito físico a partir de uma abordagem histórica.

Para Piaget, "todo conhecimento, incluindo a capacidade de raciocinar logicamente, é construído pelo indivíduo na medida em que ele age sobre objetos e pessoas e tenta compreender sua experiência" (KAMII & DEVRIES, 1985, p. 32). Dessa forma, a fonte de conhecimento físico está principalmente no objeto e na forma como este objeto proporciona oportunidades de observação ão à criança. Na experiência física, a criança obtém informações do objeto por abstração empírica. Entretanto, a experiência física não ocorre sozinha, ocorre junto com a experiência lógico-o-matemática. Na experiência lógico-o-matemática, o conhecimento é derivado da ação do sujeito em relação com o objeto, na forma como o sujeito organiza a realidade. O conhecimento lógico-o-matemático é construído pela abstração reflexiva, que é diferente da abstração empírica, pois se dá por meio da ação do indivíduo em introduzir relações entre e nos objetos. Assim, não pode haver conhecimento físico sem uma estrutura lógico-o-matemática. O termo ação, segundo a terminologia piagetiana, pode ser compreendido de duas formas: a primeira como ação manipulativa sobre objetos e a segunda, que é mais difícil de entender, é a ação mental que a criança faz sobre o objeto sem mesmo tocá -lo. A ação mental é necessária para a construção tanto do conhecimento físico como do conhecimento lógico-o-matemático, mas a manipulação física é indispensável para que a ação mental se torne possível (KAMII & DEVRIES, 1985, p. 32).

As atividades de conhecimento físico, baseadas no construtivismo piagetiano, estabelecem que a criança construa seu conhecimento físico e lógico-o-matemático por meio de suas ações sobre os objetos e, quanto mais variadas e estimulantes forem essas ações, o funcionamento da inteligência será estimulado. Nesse sentido, o papel do professor é proporcionar situações variadas que estimulem os alunos nesse processo, criando condições para seu desenvolvimento. Piaget faz uma distinção entre conhecimento em um sentido amplo e conhecimento em um sentido restrito. Conhecimento no sentido restrito são "porções específicas de conhecimento que só podem ser entendidas por assimilação dentro da totalidade de conhecimento no sentido amplo" (KAMII & DEVRIES, 1985, p. 44). A construção do conhecimento no sentido amplo depende de uma vasta rede de relações, não sendo, portanto, uma coleção de fatos específicos, mas uma rede de idéias organizadas. As

atividades de conhecimento físico auxiliam na coerência entre as porções específicas de informação contribuindo para a aprendizagem no sentido amplo do termo, pois permitem que a criança estabeleça relações bem estruturadas em que cada idéia é apoiada por uma rede total de outras idéias, enriquecendo as porções de conhecimento anteriores. Desse modo, argumentamos que as relações entre as idéias que vão sendo aprimoradas pelas atividades de conhecimento físico podem contribuir para uma Aprendizagem Significativa de um conceito físico.

Na teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel, "aprendizagem significa organização e integração do material na estrutura cognitiva" (Moreira & Masini, 1982, p. 4). Esta organização e estruturação se dá a partir da relação com outras idéias que o sujeito já possui. Ausubel considera que a aprendizagem significativa é o processo cognitivo natural do indivíduo, ou seja, o "mecanismo humano por excelência de aquisição e armazenamento de uma vasta quantidade de idéias e informações representadas por algum campo do conhecimento" (Ausubel, Novak & Hanesian, 1980, p. 33). As novas idéias e informações são aprendidas na medida em que novos conceitos estejam realmente claros na estrutura cognitiva do sujeito, funcionando como pontos de apoio para a ancoragem de novas idéias. Porém, a experiência cognitiva exige também modificações significativas na estrutura cognitiva por meio da interação com o novo material, de forma que os conceitos mais relevantes e inclusivos funcionem como ancoradouro para o novo material, mas também se modifiquem em função dessa ancoragem (Moreira & Masini, 1982, p. 4).

Os significados iniciais são ancorados por conceitos específicos inerentes a cada indivíduo de forma que uma nova aprendizagem se dará por meio da interação entre esses significados e os conceitos anteriormente adquiridos pelo indivíduo, permitindo a obtenção de novas relações de significados. Neste processo a nova informação ancora-se em conceitos relevantes existentes que Ausubel define como conceitos subsunçores, presentes na estrutura cognitiva do aprendiz (Moreira & Masini, 1982, p. 7), sendo esta última concebida como "uma estrutura organizada de conceitos que são abstrações da experiência do indivíduo" (Moreira & Masini, 1982, p. 8). De acordo com Ausubel, para que ocorra a Aprendizagem significativa são necessários:

- "1. Materiais de aprendizagem significativos. 4
- 2. Uma disposição por parte da pessoa que aprende em relacionar cada conceito do novo material com conceitos que já tem.
- 3. Uma estrutura cognitiva relevante ou apropriada no aluno, quer dizer, que alguns conceitos dela mesma possam ser relacionados, de maneira não arbitrária, com os novos conceitos"(GONZÁLES GARCIA, 1992, p.149).

Analisando essas condições, ressaltamos alguns pontos:

- · A sugestão das atividades que iremos apresentar procura atender tanto as condições expostas acima quanto à necessidade da ação sobre o objeto defendida por Piaget.
- · As atividades são propostas em experimentos que obedecem a uma graduação de dificuldade que permitam que os novos conceitos possam ser ancorados por outros préestabelecidos.
- · A estrutura cognitiva do aluno é respeitada, uma vez que as atividades sugeridas são experimentais, com materiais de manuseio acessível pelo aluno.
- · O aluno participa de todo o processo de aprendizagem, construindo seu próprio conhecimento.
- · A seqüência das atividades que apresentaremos a seguir está relacionada à seqüência do desenvolvimento histórico dos conceitos estudados, demonstrando uma

preocupação com o paralelo existente entre a História da Ciência e a psicologia do aprendizado, ou seja, utilizando a hipótese de que o processo do desenvolvimento conceitual histórico pode contribuir para o desenvolvimento cognitivo individual 5 , notadamente em crianças.

Com o objetivo de avaliar a construção de todo o processo de aprendizagem dos conceitos abordados, respeitando os pressupostos referenciados para a construção da proposta, utilizaremos os mapas conceituais, pois são instrumentos válidos para averiguar as concepções prévias dos alunos e sua evolução durante o processo de aprendizagem, como também relacionar essas concepções com conceitos mais inclusivos sobre o conteúdo estudado, criando uma rede progressiva de significados (Guruceaga & González García, 2004, p. 117); como instrumentos de avaliação de aprendizagem (Moreira & Buchweitz, 1987, p. 45), bem como instrumento de avaliação do processo de construção de uma abordagem pedagógica que ora está sendo investigada (GONZÀLES CARCÍA, 1992, p. 151). Portanto, esses referenciais teórico-metodológicos conduzem nosso processo de construção das atividades no sentido de que o nível de desenvolvimento cognitivo da criança seja respeitado, segundo as pesquisas de Piaget, Kamii e Devries, e que as atividades obedeçam a uma seqüência progressiva de dificuldades, permitindo a avaliação do aluno por meio da construção de mapas conceituais.

Além disso, fundamentamos nossa investigação nas pesquisas realizadas por Carvalho et al (1998), que extrapolam as pesquisas de Kamii e Devries (1985) para as séries iniciais do Ensino Fundamental, focalizando na construção de atividades para conhecimento da Física. Na visão desses autores, o trabalho prático é muito importante para a Ciência e deve ter papel central em seu ensino, porém, do ponto de vista construtivista, os experimentos devem ultrapassar a simples manipulação de materiais, encaminhando os alunos para a reflexão e a busca por explicações. Nesse sentido,

"Uma atividade de Ciências fundamentaase na ação dos alunos. Essa ação, como já dissemos, não deve se limitar à simples manipulação e observação. A resolução de um problema pela experimentação deve envolver também reflexão, relatos, discussões, ponderações e explicações - características de uma investigação científica" (CARVALHO et al, 1998, p. 21).

Essas ações podem ser alcançadas de acordo com quatro níveis propostos por Kamii & Devries (1985, p. 63-65) e interpretadas segundo Carvalho et al (1998, p. 21-24):

- 1.Agir sobre os objetos e ver como eles reagem: : ao agir sobre os objetos para ver como eles funcionam, as crianças começam a construir novas hipóteses, relacionando as suas várias ações com as reações apresentadas pelo objeto.
- 2. Agir sobre o objeto para obter o efeito desejado: neste nível, a criança continua a sua ação sobre o objeto, mas agora deliberadamente, buscando o efeito ou resultado que deseja obter para a solução do problema.
- 3. Ter consciência de como produziu o efeito desejado: a atividade não acaba com a solução do problema, a criança agora precisa compreender, ou seja, refletir como conseguiu resolver determinado problema e o porquê dele ter dado certo. Ao refletir a respeito de como conseguiu resolver tal problema, a criança toma consciência de suas próprias ações e, ao procurar o porquê, começará a dar explicações causais para a compreensão dos fenômenos físicos.
- 4. Explicação das causas: Ao contar como resolveram o problema, os alunos começam a perceber a coordenação dos eventos, iniciando a conceituação.

"Pensando no que fez, para contar para o professor e para classe, o aluno vai fazendo ligações lógicas, estabelecendo conexões entre suas ações e reações dos

objetos. As relações gradualmente vão sendo desvinculadas das ações da própria criança para as relações entre modificações dos atributos físicos dos objetos e respectivos resultados"(CARVALHO, et al, 1998, p. 22).

Considerando a importância da capacidade de expressão dos alunos, não só verbalmente, mas também por meio da escrita, os pesquisadores Carvalho et al (1998, p. 24 -25) sugerem também como atividade, solicitar aos alunos que desenhem e/ou escrevam a respeito do que fizeram na sala de aula. A análise desses relatos pode ser uma fonte rica para o professor e para o investigador.

## 4. ENUNCIADO E JUSTIFICATIVA DAS ATATIVIDADES PROPOSTAS

Após termos realizado a investigação na literatura sobre os referenciais expostos, ou seja, a psicogênese e a cognição em Piaget, a Aprendizagem Significativa e a aplicação da História da Física no seu ensino, constatamos que a articulação e sistematização desses referenciais para o nínível de ensino almejado é possível, pois os aspectos focalizados em cada um não provoca um conflito teórico-o-metodológico e, aspecto de relevância, é uma perspectiva que indica uma inovação, uma vez que não encontramos esse mesmo enfoque na literatura. Sendo assim, com resultado da etapa atual de nosso programa de pesquisas, buscamos investigar algumas atividades a serem desenvolvidas com alunos que contemplassem os resultados teóricos já apresentados anteriormente.

Nosso primeiro passo foi realizar atividades de ensino com alunos da faixa etária entre 9 e 11 anos, que cursam a 4ª. Série de Ensino Fundamental de escolas públicas municipais, em Londrina/PR, nas quais apresentamos a definição de mapas conceituais, trabalhamos com os alunos a construção de mapas a respeito dos assuntos: Estatuto da Criança e do Adolescente, Sistema Respiratório, Sistema Reprodutor, Números Decimais, Televisão, Nutrição e Reciclagem de Lixo, e finalmente, em uma aula separada, solicitamos que tais alunos elaborassem um mapa conceitual sobre o fenômeno Arco-o-Íris. Com esses mapas em mão, conjunto I, passamos a planejar as atividades, conforme apresentaremos a seguir, respeitando a seqüência histórica do conhecimento físico.

## Atividades:

## 1º: Observação de um Arco-o-Íris produzido pelos alunos:

Esta é uma atividade experimental simples e do conhecimento cotidiano dos alunos. O problema proposto é que os alunos, em um local aberto que receba a luz do Sol, consigam produzir um Arco-oÍris. Os primeiros pensadores, após muitas observações, concluíram que há uma relação entre as posições do Sol e do observador para observação do Arco-o-Íris (Aristóteles), ou seja, o Sol deve estar oposto ao Arco-o-Íris com o observador entre eles. Essa questão é relevante porque esclarece uma das condições necessárias para a sua observação.

Nos mapas conceituais [conjunto I], os alunos revelaram a idéia de que o Arco-o-Íris se forma sempre quando aparece o Sol depois da chuva. Por meio do experimento da formação de um Arco-o-Íris o aluno pode perceber que não é em qualquer posição que ele se forma. Observar, então, qual é a posição em que o Sol deve estar e em que posição devemos esguichar a água da mangueira, é o objetivo principal dessa atividade. Esperamos que consigam identificar que o Sol deve estar atrás do observador. Um outro objetivo é a observação das cores que compõem o espectro.

Antigamente, os pensadores acreditavam, por meio da observação, que eram 4 ou 5 as cores do Arco -Íris ( Aristóteles e Al Qarãfi). Hoje, nossos alunos foram ensinados desde cedo que são sete as cores do ArcooÍris. Embora os mapas conceituais demonstrem que eles acreditam que sejam sete as cores do ArcooÍris, normalmente eles não citam essas cores, e, quando o fazem, não citam corretamente as cores. Será que realmente eles identificam essas as sete cores observando um Arco-oÍris produzido experimentalmente? Entretanto, não se espera que o aluno obtenha essa constatação na primeira atividade. Ele poderá atingir essa conclusão no decorrer de outras atividades.

## 2ª Produzir e observar um ArcooÍris (as cores do espectro) produzido por um copo ou outro recipiente de vidro cheio d'água sob uma fonte de luz (solar ou artificial).

Embora essa atividade seja semelhante à primeira, ela tem a função de permitir uma melhor visualização do espectro para observrvação das cores e a ordem em que aparecem (sempre a mesma ordem). Além disso, é importante observar que outros meios produzem as cores do espectro, como

por exemplo, o vidro e a fonte artificial de luz. O aluno, observando que obtemos o espectro luminoso de várias outras formas, deve ter seu pensamento conduzido para uma outra questão muito importante: De onde vêm as cores do Arco-o-Íris (e do espectro)? Deve ocorrer alguma coisa na passagem da luz que permita a visualização das cores. Essa atividade não pretende que o aluno consiga obter a resposta, mas que conduza suas próximas observações no sentido de obter a resolução para esta questão.

Os mapas conceituais não revelaram algum conceito a respeito da reflexão da luz, ou seja, não demonstraram nenhuma associação do fenômeno da reflexão da luz para a formação do Arco-o-Íris. Este dado pode ser observado na fala dos alunos durante a execução das atividades. Entretanto, é provável que em algum momento apareça a idéia do reflexo da luz na água. Desde a época de Aristóteles, o fenômeno do Arco-o-Íris era atribuído à reflexão da luz nos vapores d'água presentes nas nuvens. Esta é uma resposta que esperamos encontrar na explicação das causas pelo aluno.

## 3ª: Classificar materiais que tenham a propriedade de impedir ou pe 6rmitir a passagem da luz 6 :

De posse de uma variedade de materiais como espelhos, lentes e vidros, e uma fonte de luz, o objetivo é observar e classificar quais materiais permitem que a luz passe e quais "devolvem" a luz. Essa atividade é muito importante, pois neste momento estarão em contato os conceitos de refração e reflexão da luz, necessários à compreensão do Arco-o-Íris e da formação das cores. A idéia de refração como elemento necessário á formação do Arco-o-Íris foi introduzida por Robert Grosseteste. Neste ponto, é necessário reafirmar a idéia de reflexão da luz nos alunos (este conceito pode ser mais fácil para eles, pois é um fenômeno mais evidente em suas vidas cotidianas) e introduzir o conceito de refração da luz que, provavelmente, eles não conheçam ainda. Atividades com prismas podem ser interessantes, pois os alunos podem observar o caminho que a luz faz ao atravessar o prisma e perceber que "a luz branca" atravessou o prisma, foi refletida por uma das faces do prisma, uma parte dela saiu do prisma em uma direção e outra parte dela saiu por outro caminho, deixando de ser "uma luz branca", e tornando-se um espectro colorido com as mesmas cores do Arco-o-Íris.

## 4º: Os fenômenos de reflexão e refração ocorrem individualmente em cada gota na formação do A Arco-Íris.

A idéia de que os vapores das nuvens funcionavam como um espelho que refletiam a luz do Sol prevaleceu por quase dois mil anos. Será que essa idéia está presente em nossos alunos? Roger Bacon, embora afirmasse que o fenômeno do Arco-o-Íris se dava por meio da reflexão da luz quando a idéia da refração já havia se instalado, trouxe uma grande contribuição para a explicação da teoria do Arco -Íris, introduzindo a idéia de que o fenômeno da reflexão ocorria individualmente em cada gota d'água, e não na nuvem como um todo.

## 5º: Explicação correta da formação do Arco-o-Íris:

Theodorico de Freiberg, que provavelmente conhecia os estudos de Grosseteste e de Roger Bacon, explicou corretamente a formação do Arco-o-Íris primário e secundário recorrendo a um experimento em que utilizava uma esfera de vidro cheia de água simulando uma gota de chuva, na qual incidiam os raios solares. Ao refazer este experimento com os alunos, será que é possível observar o caminho que a luz percorre? Será necessário apresentar o Arco-o-Íris secundário?

## 6º: Luz branca como composição das luzes de outras cores:

A idéia de Isaac Newton é fundamental para a compreensão de que a luz branca é composta pelas demais. Entretanto, os experimentos de Newton são mais complexos e utilizam outros recursos, como lentes e a posição do prisma, para a sua realização. Propomos utilizar experimentos mais simples com o prisma, mas que sejam suficientes para observar a formação do espectro e concluir que as cores aparecem sempre na mesma ordem. Cada cor possui um comprimento de onda e, quando a luz branca é decomposta, cada cor ocupa a região conforme o seu comprimento permite. Não importa qual meio foi utilizado para a decomposição, uma vez decomposta, cada cor se apresentará sempre com o mesmo comprimento, cocomo no Arco-o-Íris, no CD, no prisma, etc. Também é interessante realizar experimentos em que as luzes coloridas somadas resultam na luz branca e em que as luzes coloridas primárias não sofrem dispersão, pois são experimentos muito simples e que proporcionam um resultado impressionante para as crianças.

## 7º: Brincando com filtros de luz:

Pode -se fazer brincadeiras com uma caixa escura em que as luzes coloridas são fixadas e acesas conforme a situação desejada. No interior da caixa são dispostos papéis de várias cores que vão refletir ou absorver a luz que estiver ligada. A criança será orientada a pegar os papéis de uma determinada cor. Ela cometerá vários enganos até perceber que existe uma relação entre a cor que o papel fica e a luz que está acesa no momento. Provavelmente ela conseguirá pegar os papéis da cor solicitada após descobrir a relação existente. Quando as luzes forem acesas simultaneamente, formará a luz branca e as cores dos papéis ficarão evidentes.

## 8º: Mapa Conceitual (conjunto II):

Ao final da seqüência das atividades, serão elaborados pelos alunos novos mapas conceituais para avaliação do processo de aprendizagem. Nesses mapas, observaremos a evolução que o aluno apresentou na compreensão dos conceitos estudados e as relações que ele consegue estabelecer entre os mesmos.

## 5. A FÍSICA DO ARARCO -ÍRIS NO ENSINO FUNDAMENTAL: A ALGUMAS CONCLUSÕES

A criação dessa seqüência de atividades empíricas e reflexivas para a compreensão da física envolvida no fenômeno do ArcooÍris mostrou -se bastante fértil, pois envolveu vários aspectos teórico-metodológicos e de conteúdo da Física. O desafio de seguir os pressupostos que identificamos como os alicerces para uma aplicação adequada de uma abordagem histórica nesse nível de ensino, mostraram-se frutíferos, bem como a histórica da Física nos forneceu ricos exemplares nos quais pudemos recolher elementos epistemológicos a serem utilizados na construção de nossas atividades.

Consideramos que essa etapa do programa atingiu os resultados necessários de articulação, integração e adequação dos exemplares históricos com os referencias de psico-oaprendizagem. Em uma próxima etapa desse programa, realizaremos a aplicação dessa seqüência de atividades criada e a obtenção de dados empíricos, via mapas conceituais e entrevistas de alunos, a respeito do processo de aprendizagem de conteúdos científicos que tal seqüência pode propiciar. É relevante ainda considerar a importância da Alfabetização Científica desde as séries iniciais do Ensino Fundamental. Com uma efetiva Alfabetização Científica, alunos podem ter uma visão de que a Ciência é parte do seu mundo, e que o conhecimento científico é de fundamental importância para interagir pessoal e socialmente, melhorando sua vida e a sua sociedade. Desse modo, compreendemos que a Alfabetização Científica é importante para o desenvolvimento do cidadão, portanto deve ser desenvolvida desde as séries iniciais do Ensino Fundamental "constituindo -se um meio para o indivíduo ampliar seu universo de conhecimento, a sua cultura, como cidadão inserido na sociedade" (Delizoicov & Lorenzetti, 2001, p.43).

A Alfabetização Científica nas séries iniciais do Ensino Fundamental preocupa-se em abordar conhecimentos científicos que permitam ao aluno ler e compreender o universo em que vive, associar esses conhecimentos com situações reais de sua vida e desenvolver uma atitude crítica e reflexiva frente às constantes mudanças da nossa sociedade. Em função Í disso, o exemplar histórico do Arco-o-çç Íris foi escolhido por ser um fenômeno observável no cotidiano do aluno. Embora ele seja predominantemente físico, o estudo do Arco-o-Íris apresenta outras potencialidades de ligação interdisciplinar, como por exemplo, com a Biologia e as Artes, de forma que essa seqüência pode ser aproveitada para outros conceitos, não sendo particular desse fenômeno.

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