PARA O ENSINO DE RADIAÇAO DE CORPO NEGRO NO NIVEL MÉDIO

## PAPARA O ENSINO DE RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO NO NÍVEL MÉDIO

Alisson Daniel de Macedo Vitor [adm\_vitor@fisica.ufsj.edu.br] João Antônio Corrêa Filho [jcorrea@ufsj.edu.br]

Departamento de Ciências Naturais – Un iversidade Federal de São João del Rei (UFSJ)

## I. RESUMO

Muito se tem discutido sobre a inserção de c conceitos de física moderna no nível médio de ensino. Mas , , a partir de quais temas deve-se começar tal inserção? Seriam os alunos capazes de aprender sisignificativamente conceitos dessa área de conhecimento? Neste trabalho, apresentamos uma alternativa para o ensino de radiação de corpo negro, o, fruto de uma atividade realizada com alunos de uma escola pública. Foram abordadas as principais leis relacionadas com esse tema e enfatizada a hipótese e da quantização da energia de Planck. k. A fundamentntação teórica da metodologia da atividade e da avaliação da aprendizagem está na teoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel . A construção de mapas conceitua is is e o uso de applets foram utilizados como ferramentas pedadagógicas para a investigação do processo de ensinoaprendizagem e suas contribuições são discutidas.

- II. PALAVRAS -CHAVE: aprendizagem significativa; mapas concnceituais; applets;

radiação o de corpo negro. o.

## III. INTRODUÇÃO

Numa sociedade afetada pelos impactos da ciêncncia e tecnologia, a compreensão pública de fatos científicos e tecnológicos assume uma dimensão crucial. Entretanto, dificicilmente nossas escolas acompanham o desenvolvimento exponencial da ciência e tecnologia e, portanto, pensar em mudanças que possibilitem a formação de um futuro cidadão crítico, capaz de ter consciência do seu papel nessa sociedade é de suma importância (CORRÊA, 2003). Com as mudanças implementadas pela Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional l (LDB/96), o Ensino Médio (EM) passou a ser a etapa final da Educação Básica. Com essa mudança na legislação, as s características do EM foram alteradas: ele deixou de ser uma etapa preparatória para um nível de ensino mais elevado, que era uma das suas principais características, para ser a etapa final de uma formação básica, onde o aluno deve desenvolver uma capacidade de entender o mundo em que vive e continuar a aprender.

Cabe ao ao o ensino de ciêiências no EM, especialmente o ensino de conceitos de Física Moderna e CoContemporânea a (FMC)C), , um papel importante na formação da da cidadania, , pois muito da realidade tecnológica de nossa sociedade é devida à aplicação das descobertas da Física Quântica , cujos trabalhos iniciais remontam ao início do século XX .

Porém, levantammse questões relevantes: Como tratar tais temas de modo que ocorra uma aprendizagem significativa? De onde partir para ensinar os conceitos relacionados com tais temas? s? Seriam os alunos c capazes de aprender significativamente tais conceitos?

Neste trabalho, propomos investigar a apaprendizagem sisignificativa de conceitos dentro do tema de radiação de corpo negro, subsidiando-o-se na teteoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel, e tendo como ferramentas pedagógicas para a investigação do processo de ensino-aprendizagem o uso de applets s e a construção de mapas conceituais por alunos do ensino médio .

## IV. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A teoria de Ausubel possibilita verificar como o aluno compreende, transforma e armazena o conhecimento na sua estrutura cognitiva - definida a como conteúdo total de idéias de certo indivíduo e sua organização; ou conteúdo e organização de suas idéias em uma área a particular de conhecimento. Para Ausubel, novas idéias popodem ser aprendidas e retidas à à medida a que conceitos relevantes e abrangentes funcionem como pontos de ancoragem para novas informações. . Este processo é denominado de aprendizagem significativa e os pontos de ancoragem são chamados de subsunçores. Quando não há subsunçores disponíveis na estrutura cognitiva do aluno, eles podem ser formados e umas das maneiras de fafazê -lo é através dos organizadores prévios, que funcionam como pontes cognitivas entre aquilo que o aprendiz já sabe e aquilo que se espera que ele aprenda. Os organizadores prévios são utilizados como recurso para facilitar a aprendizagem significativa (MOREIRA, 1983). Aquilo que o aluno já sabe é, segundo o Ausubel, o fator isolado que mais influencncia o processo de aprendizagem, o que faz com que a exploração deste fator seja uma característica de sua teoria.

Dois is princípios fundamentais da teoria da aprendndizagem significativa são o de Diferenciação PrProgressiva e o de Reconciliação Integrativa. O primeiro é o princípio pelo qual o conteúdo a ser ensinado de ve ser organizado de tal forma que as idéias gerais e abrangentes são o apresentadas antes e devem ser prprogressivamente diferenciadas. O segundo princípio diz respeito à programação do conteúdo a ser ensinado; esta deve ser feita de modo a explor ar as relações entre as idéias, apontando similaridades e diferenças significativas.

A estrutura articulada e hiererarquicamente organizada de conceitos, constituindo um verdadeiro sistema de informações, é um ponto de vista defendido por Ausubel a respeito de qualquer disciplina e é chamado por ele de Hierarquia Conceitual. Assim, no processo de ensino -aprendizagem, m, tal hierarquia de conceitos pode ser identificada e ensinada ao aluno.

Baseado na teoria ausubeliana, a técnica dos mapas conceituais foi desenvolvida por Joseph Novak e colaboradores, em meados da década de 70, na Universidade de Carnell, EUA. Mapas conceituais podem ser entendidos como diagramas de conceitos que apresentam relações entre si. Apresentam uma organização o hierárquica de conceitos de

forma que os mais gerais e abrangentes são o apresentados primeiros e os menos inclusivos constituem a a sua base. Os conceitos podem ser ligados entre si através de linhas. E sobre essas linhas, palavras-chave podem ser utilizadas para explicar a natureza dessa ligação. Apesar dessa estrutura, mapas conceituais não são auto-explicativos. Eles apresentam uma relação pe ssoal de cononceitos, por isso, devem ser explicados por seu autor, único capaz de justificar as relações que estabeleceu entre os conceitos. Tal atitude induz o autor a externalizar e discutir significados de conceitos, podendo o gerar uma a negociação de signifificados, fato que ilustra um grande benefício dessa técnica (MOREIRA & SOUSA, 2003).

Como o os mapas conceituais representam o estado da estrutura cognitiva do aluno sobre conceitos inerentes a um conteúdo, , eles s são dinâmicos, , como também o o é essa estrutura. A capacidade de desenvolver novas relações para entender um conceito aumenta gradativamente, à medida que novos subsunçores são formados e vão interagindo entre si.

Mapas conceituais podem ser utilizados em várias etapas do processo de ensinoaprendizagegem; como instrumentos de ensino, de análise curricular e de avaliação. Quanto à sua utilização na avaliação da aprendizagem, essa é essencialmente qualitativa, dando subsídios ao professor de interpretar as informações fornecidas pelo aluno, ou seja, como o aluno hierarquiza, diferencia, relaciona, discrimina e integra conceitos rela cionados com a matéria estudada.

Figura 1 - Mapa conceitual, segundo a teoria de Ausubel (extraído de BARBOSA, 2005).

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## V. DESCRIÇÃO DO TRABALHO DESENVOLVIDO

Foi preparado um curso de doze horas sobre radiação de corpo negro ministrado para um m grupo voluntário de alunos da segunda série do EM da Escola Estadual Dr. Garcia de Lima, da cidade de São João dedel Rei, MG. O Objetivo do curso foi i trabalhar as leis da radiação de corpo negro, enfocando a hipótese de Planck sobre a quantização da energia e os caminhos abertos , , como seus trabalhos , , para o nascimento de uma nova física . Por serem alunos da segunda série do EM, esperava-se que os alunos apresentassem m algum conhecimento prévio de conceitos de termodinâmica a que funcionasse como subsunç ores

para o tema trabalhado o no curso. o. Este conhecimento prévio, no entanto, não pôde ser assegurado pelo fato de os alunos serem voluntátários. O curso aconteceu no período de 22 a 25 de maio de 2006, no no Departamento de Ciências Naturais (DCNAT) da UFSJ. A escolha do local para a realização do curso foi devida à necessidade do uso de microcomputadores conectados à Internet, uma vez que se propôs trabalhar com applets, programas de simulação computacional, como uma ferramenta de auxílio para o processo de ensinoaprenendizagem m (VIANA &amp; CORRÊA FILHO , 2005) . Foram utilizados dois applets: um sobre radiação o térmica 1 e o outro sobre e o espectro eletromagnético2 o2 .

Estes applets serviram de base para a preparação de um exercício de cinco etapas, organizado para averiguar a aprendizagem significativa de conceitos relacionados com a lei de deslocamento de Wien . A averiguação de conceititos sobre a quantização da energia foi obtida pela construção e análise de mapas conceituais.

## VI. METODOLOGIA

Inicialmente, para o planejamento do curso, três textos sobre radiação de corpo Negro foram estudados (STUDART, 2000), (GUIMARÃES, 1999) e (GÁRCIA, 2002) e os conceitos principais do tema f foram condensados num mapa conceitual, conforme mostrado na figura 2 , que serviu de base para a organização do curso.

Figura 2 - - Mapa conceitual utilizado para o e ensino de radiação de corpo negro para alunos do Ensino Médio.

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Os conceitos sobre superfícies de corpos e e ondas eletromagnéticas, s, apresentados na forma de seminários, foram utilizados os como organizadores prévios para a formação de subsunçores para a aprendizagem significativa dos conceitos de corpo negro, radiação e espectro eletromagnético. Estes, por sua vez, visavam atingir o mesmo processo para os conceitos contidos nas leis da radiação de Stefan-n-Boltzmann, de deslocamento de Wien, n, de Rayleigh-h-Jeans e a de Planck.

Os conceitos sobre as leis da radiação o foram trabalhados pela leitura e discussão de um texto elaborado por nós sobre "O Inícício da Física Quântica", no qual l procuramos destacar a inconsistêtência das leis clássicas da radiação - a lei de Wien e de Rayleigh-Jeans - para se ajustarem à à curva experimental de de um corpo negro aquecido a diferentes tempeperaturas, em contrapartida à ajustada pela lelei de Planck. A hipótese da quantização da energia feita por Planck para explicar o ajuste fornecido pela sua equaçãção foi descrita no texto de forma qualitativa.

Para verificar a aprendizagem significativa de conceitos sobre uma das leis trabalhadas no curso (a lei de deslocamento de Wien) , foi preparado um exercício de cinco etapas interligadas entre si, de forma que o aluno deveria apresentar domínio dos conceitos de uma etapa para avançar para a próxima a (MOREIRA, 1983) . A avaliação da aprendizagem significativa de conceitos sobre a quantização da energia foi feita através da construção de mapas conceituais pelos alunos. Esta construção aconteceu em dois momentos do curso: o primeiro após a apresentação dos conceitos sobre as leis de radiação; o; e o segundo após a realização do exercício proposto com os applets . Ao final de cada uma das construções , , cada aluno -autor explicou o seu mapa conceitual para o grupo , possibilitando verificar a maneira como cada um m relacionava e diferenciava os conceitos envolvidos , , e ainda permitindo uma discussão professor-aluno e aluno-aluno , sobre os significados pessoais dados aos conceitos apresentados em cada mapa.

Tabela I - - Programação do curso sobre raradiação de corpo negro, ministrado para alunos do Ensino Médio.

## VII. RESULTADOS E DIDISCUSSÃO

Nas figuras 3 e 4, apresentamos mapas conceitua is construídos por dois alunos que participaram integralmente do curso .

Figura 3 - - mapas conceituais construídos pelo aluno I; (a) antes e ( (b) d depois da resolução do exercício proposto baseado nos applets. s.

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Figura 4 - - mapas conceituais construídos pelo aluno II(a) antes e ( (b) d depois da resolução do exercício proposto baseado nos applets. s.

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Os mapas aprpresentam a maneira como a estrutura cognitiva de cada aluno o organizou e relacionou os conceitos entendidos de maneira pessoal. Devido a esta característica, não se pode afirmar r que o mapa de um aluno seja mais correto que o do outro. No entanto, podemos perceber caracteristicas da estrutura cognitiva de cada aluno que os mapas nos trazem. Essas serão discutidas a seguir.

- O mapa conceitual (a) do aluno I I apresenta um número maior de conceitos, sendo que vários são repetidos. Para esse aluno, nem todas as relações entre conceitos fororam estabelecidas pelo traçado de setas, mas colocando conceitos relacionados próximos à outros, como os conceitos de radiação, energia e ondas eletromagnéticas . É possivel analisar também a relação que o aluno I I apresentou para os conceitos das leis de Planck, Rayleigh-J-Jeans e Wien. Ele apresentou a lei de Planck como mais geral que as outras, além de relacionar a ela o conceito de pacotes de energia . No mapa conceitual (b) do mesmo aluno, construido após a discussão citada na metodologia e a resolução da atividade proposta, percebe -se, nitidamente uma condensação de conceitos em outros mais gerais, permanecendo, porém , , a questão da repetição de conceitos.

O mapa conceitual (a) do o aluno II apresenta uma característica mais sesemelhante a um diagrama de fluxo, com as setas indicando direcionalidade para a leitura do mapa conceitual. O mapa (b) desse aluno e a explicação dada por ele, entretanto, deixam transparecer que os conceitos mais claramente entendidos foram: : a caracteristica de um corpo negro o de absorver completamente a energia incidente e, no equilibrio térmico, o, emitir esta mesma energia; e a caracterização da radiação térmica como emissão de energia na forma de ondas eletromagnéticas. É valido destacar ainda que, a associação da radiação como emissão de ondas de energia contínua , apresentada no mapa (a) , , é reformulada no mapa (b)b) . Esse aluno cita o conceito da lei de deslocamento de Wien, não fazendo nenhuma alusão aos conceitos sobre a quantização da energia e a lei de Planck, , o que pode ser devido ao uso doapplet t que aborda apenas aquela lei.

Evidentemente , , os mapas poderiam ser aperfeiçoados, pois, como foi dito, são processos dinâmicos, o que pode ser percebido pela transição do mapa (a) para o (b) dos dois alunos . Esses mapas também não apresentam conceitos relacionados apenas à realização do exercicio proposto, mas conceieitos trabalhados em todo curso, sugerindo que atividades com applets podem funcionar como auxilio no processo o de ensinoaprendizagem, mas não como componenentes principais deste processo, em detrimento da intervenção do professor e discussão dos temas estudados. Quanto a este último fator, ele apresentou-se como um recurso fundamental para permitir um rearranjo de significados pessoais is de conceitos como revelado nas consnstruções dos mapas (a) e e (b) dos dois alunos.

De modo geral, a resolução do exercício proposto teve bom desempenho nas questões que exigiam descrição qualitativa de conceitos. Nas questões que exigiam raciocínio quantitativo, como nos cálculos envolvendo ordens de grandezas e algarismos significativos, os alunos apresentaram dificuladades para resolvê-las .

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(a)

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(b)

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Figura 5 - - Quatro momentos s do curso: exposição do tema radiação de corpo negro (a) e (b); atividade envolvendo um applet ( (c); e discussão dos mapas conceituais (d).

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## VIII. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir dos resultados de nosso estudo, podemos constatar que é possível aos alunos aprendederem m significativamente conceitos de física moderna. A Apesar de t trababalharmos com o conceito de quantização de energia, um dos primeiros que deram origem a esta área, os resultados obtidos deixam margem para constatarmos que outros temas, como teoria atômica, partículas elementares e novos estados da matéria podem ser aprendndidos de maneira significativa. Verificamos ainda que as as s dificuldades nas operações matemáticas , apresentadas pelos alunos , , nãnão representaram uma barreira considerável para a aprendizazagem significativa dos conceitos trabalhados, o que nãnão significa a que essas dificuldades não devam ser trabalhadas pelo professor de física em conjunto com outros professores, como os de matemática, por exemplo.

Nem todos os alunos assimilam os mesmos conceitos trabalhados em um conteúdo, e nem dão o mesmo significado a eles . IsIsso pode ser revelado pelo uso da técnica da construção de mapas conceituais, permitindo ao professor refletir e reestruturar sua prática pedagógica a seja pelo uso de novos materiais instrucionais, seja por uma nova discussão de conceitos com os alunos .

## IX. AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de agradecer à Escola Estadual Dr. Garcia de Lima, pela colaboração na realização deste trabalho, e à Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG), pelo suporte financeiro. o.

## X. REFERÊNCIAS

BARBOSA, M.L et al . , Mapas conceituais na avaliação da Aprendizagem Significativa. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 16, Curitiba, 2005. CD -ROM

CORRÊA, A.L.L. 2003.A prática de leitura e escrita de alunos do Ensino Médio sobre física moderna e contemporânea. Dissertação de mestrado, Faculdade de Educação da Universidade Federal de Minas Gerais.

GARCÍA, A. F.2002. La Radiación Del cuerpo negro. Disponível em: &lt; http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm&gt;m&gt;. Acesso em: 10 abr. 2006.

GUIMARÃES, P. S.1999. A Radiação de Corpo Negro. o. Revista Brasileira de Ensino de Física. V.21, n.2, junho, p. 291-297.

MOREIRA, M.A. 1983. Ensino e aprendizagem - - Enfoques teóricos. s. 3ª edição. São Paulo: Moraes.

MOREIRA, M. A, SOUSA, C.M.S.G de. 2003. Mapas conceituais e aprendidizagem significativa no ensino de Física. In: Simpósio Nacional l de Ensino de Física, 15. Curitiba. 36 pp. Apostila.

STUDART, N.2000 A Invenção do Conceito de Quantum de Energia segundo Planck. k. Revista Brasileira de Ensino de Física. V.22, nº nº .4, dezembro,p. 523-535.

VIANA, D. R; CORRÊA FILHO, J.A. 2005. Uma análise de applets de simulações de experimentos de Física Moderna para o Ensino Médio. In: Congresso de Produção Científica da UFSJ, 4. São João del Rei.CD-ROM.