Uma proposta pluralista para a inserção de física quântica no ensino médio

## UMA PROPOSTA PLURALISTA PARA A INSERÇÃO DE FÍSICA QUÂNTICA NO ENSINO MÉDIO

Janethe Patrícia Acuña Escalera , Nathália Rozetti Parente , Irene Duarte 1 2 Sophia ,Fabiana Carlos Pinto de Almeida , Maria Beatriz Fagundes 3 4 5

- 1 Universidade Federal do ABC - UFABC, janethe.escalera@ufabc.edu.br
- 2 Universidade Federal do ABC - UFABC, nathalia.parente@ufabc.edu.br
- 3 Universidade Federal do ABC - UFABC, irene.sophia@ufabc.edu.br
- 4 Universidade Federal do ABC - UFABC, fabiana.almeida@ufabc.edu.br
- 5 Universidade Federal do ABC - UFABC, mbeatriz.fagundes@ufabc.edu.br

## Resumo

O trabalho apresenta uma proposta de ensino de Física Moderna desenvolvida no Projeto de Extensão Universitária , 1 realizado na UFABC Universidade Federal do ABC, fundamentada na Aprendizagem Significativa de David Ausubel (1982). Em seguida, traz uma análise inicial desta proposta, que utilizou como instrumento de avaliação os Mapas Conceituais, produzidos pelos alunos do Ensino Médio. 1

Este Projeto de Extensão Universitária foi viabilizado através do Programa de Apoio a Projetos de Extensão, promovido pela Pró-reitoria de Extensão da Universidade Federal do ABC - UFABC. A aplicação das aulas ocorreu na Escola Pública da Rede Estadual de Ensino, na Cidade de Santo André - SP e foi realizada pelo grupo de alunas do Bacharelado em Ciências e Tecnologia da Universidade Federal do ABC, integrantes do referido projeto. O início do projeto ocorreu no mês de setembro do ano de 2009 e as aulas foram aplicadas entre os meses de maio e junho do ano de 2010.

Palavras-chave : ensino de física moderna, dualidade onda-partícula, mapas conceituais, recursos didáticos, ensino médio.

1 Projeto de Extensão sob o título 'DESENVOLVIMENTO DE PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA PARA ALUNOS DO ENSINO MÉDIO DA REDE PÚBLICA COM A UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE EDUCACIONAL DE SIMULAÇÃO 'FÍSICA CON ORDENADOR'. Irene Sophia Duarte, Janethe Patrícia Acuña Escalera, Nathália Rozetti Parente. Coordenação: Fabiana Carlos Pinto de Almeida e Profª Drª. Maria Beatriz Fagundes

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## Introdução

Ao longo dos anos a Física no Ensino Médio tem sido apresentada como um acumulado de conceitos, leis e formalismos matemáticos descontextualizados da realidade dos alunos e dos professores (PCN+, 2009). A fim de modificar esse quadro, várias alternativas para a inserção de Física Moderna no Ensino Médio têm sido propostas (OSTERMANN, F; MOREIRA, M.A., 2001), visando preencher a lacuna entre o saber dos jovens e o saber científico.

Uma tendência presente nas propostas analisadas, diz respeito à ideia de que a Ciência solidifica-se em leis e teorias estáticas. Perceber que existem problemas abertos e dar-se conta de que a ciência está em constante evolução, resulta em um insight, um despertar do lado investigativo do aluno que o faz notar a possibilidade de participação na construção do seu próprio conhecimento científico.

Neste contexto, esta proposta de ensino aborda o tema dualidade ondapartícula, por ser ainda um assunto que explicita um confronto entre a Física Clássica e a Física Moderna. O desenvolvimento desta unidade didática se deu dentro de um projeto de extensão que foi realizado por alunos do curso de graduação em Física da UFABC, cujo objetivo geral visou desenvolver, aplicar e avaliar uma Proposta de Ensino para inserção de tópicos de Física Moderna no Ensino Médio, através da utilização de Software educacional e Mapas Conceituais como ferramenta de avaliação.

## Proposta

A proposta desenvolvida neste projeto de extensão consistiu na elaboração de um curso que teve por objetivo apresentar uma visão geral ao aluno sobre o problema da dualidade onda-partícula, como compreendida no meio científico atualmente.

A teoria da Aprendizagem, desenvolvida por Ausubel (1982), que apresenta como ponto central a aprendizagem significativa, direcionou a fundamentação desta proposta. Os Mapas Conceituais, também caracterizados como importantes ferramentas para auxiliar a efetivação da aprendizagem significativa (MOREIRA, M. A., 1992), uma vez que são utilizadas para representar e organizar os conhecimentos, foram introduzidos nas aulas como ferramentas de avaliação da aprendizagem.

A partir do tema dualidade, foi elaborado um curso que, devido à grande quantidade de conceitos envolvidos na sua abordagem, compõe-se de sete unidades didáticas. O objetivo específico, esperado pela proposta, era que, ao final das aulas, os alunos conseguissem compreender uma das limitações da Física Clássica: explicar de forma satisfatória o comportamento dual da radiação.

O público alvo foi alunos dos segundo e terceiro anos do Ensino Médio da Rede Pública do Estado. O curso ocorreu fora do horário de aula e foi aplicado pelas alunas integrantes do projeto. O grupo, inicialmente, foi composto por dezesseis alunos, divididos em quatro grupos de quatro alunos. Logo no início do curso um aluno, que não estava inscrito, apresentou interesse em participar do projeto e foi alocado aleatoriamente em um dos grupos. No seu decorrer houve quatro desistências, gerando um déficit para os grupos em questão. A estratégia para

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contornar este imprevisto, foi manter apenas três grupos: Bohr com cinco integrantes, Einstein com quatro integrantes e Planck com quatro integrantes.

Para a elaboração das aulas, partiu-se do pressuposto que os alunos participantes não estavam familiarizados com os temas a serem abordados no curso. Com a finalidade de mostrar aos alunos o comportamento quântico da luz, optou-se por trabalhar inicialmente os conceitos clássicos de 'partícula' e 'onda', relacionando-os com os fenômenos de reflexão e interferência e com a ideia de trajetória.

A partir desses conceitos foi elaborado um Mapa Conceitual que passou a ser o Mapa Padrão (figura 01) estruturador das atividades que foram desenvolvidas.

Figura 01 : Mapa Conceitual Padrão

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## Unidades Didáticas

Durante as aulas foram realizados experimentos de simulação computacional e experimentos reais. Optou-se por simulações computacionais nos casos em que a realização de experimentos era inviável nas condições de sala de aula. Após os experimentos, os alunos eram incentivados a buscar explicações para os fenômenos observados e a construir o conhecimento científico a partir de suas concepções.

## Descrição das Aulas

A Tabela 01 apresenta o resumo do curso, com o tema abordado e os recursos utilizados nas atividades desenvolvidas em sala para cada aula:

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Tabela 01 : Resumo do Curso

## Aula 1

Na primeira aula foi feita a apresentação da proposta através de uma explicação sucinta do objetivo a ser alcançado e de quais seriam os recursos utilizados para tal.

Para levantar quais eram as expectativas dos alunos a respeito do curso foi pedido que eles respondessem um questionário com seguintes perguntas:

- i. O que é física moderna?
- ii. O que você espera deste curso?
- iii. Qual(is) disciplinas mais gosta? Por quê?
- iv. Qual(is) disciplinas menos gosta? Por quê?

Em seguida, foi dada uma aula expositiva sobre mapas conceituais a fim de explicar o que são, como são feitos e para que servem. Nesse momento, também foi destacada a sua importância como indicadores do progresso dos alunos no seu processo de aprendizagem.

Após a explicação, os alunos elaboraram um primeiro mapa a partir do conceito central 'luz' e de dez outros conceitos previamente dados. Eles deveriam escolher pelo menos cinco entre os listados e, se achassem relevantes, poderiam inserir outros conceitos. Com isso, procurou-se, além de iniciá-los a confecção dos mapas, saber quais conceitos eles relacionavam à questão 'o que é luz?'

Para construção dos mapas os alunos trabalharam em grupos de cinco componentes. Os grupos foram identificados por nomes de cientistas, sendo eles: Einstein, Bohr, Planck e Newton.

## Aula 2

No início da segunda aula, foi apresentado um texto com as duas teorias antagônicas a respeito da natureza da luz. Após a discussão, iniciou-se o

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experimento que abordou a reflexão do ponto de vista corpuscular. Para facilitar a assimilação dessa ideia foi proposta uma atividade prática: os alunos deveriam desenhar, em uma folha quadriculada, a trajetória percorrida por uma bolinha de ping-pong quando jogada e refletida em diversos ângulos de incidência sobre uma mesa.Traçando uma analogia entre o comportamento da bolinha de ping-pong e um feixe luminoso, procurou-se mostrar que, tanto a luz quanto as partículas, sofrem reflexão. As principais relações trabalhadas nesta aula estão representadas na figura abaixo:

Figura 02: Relação A e B

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## Aula 3

Na terceira aula buscou-se mostrar uma característica tipicamente corpuscular: descrever trajetória definida. O recurso usado para a visualização da trajetória foi o simulador Doppelspalt, no qual era possível modificar alguns parâmetros relevantes tais como: a quantidade de fendas (uma ou duas fendas), a distância entre elas e o tipo de partícula (spray e bolinhas). O programa mostra a figura que se forma em um anteparo posto atrás das fendas após as bolinhas passarem por elas. A relação trabalhada nesta aula foi:

Figura 03: Relação C

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## Aula 4

Na quarta aula abordou-se a reflexão de ondas. Para a visualização do fenômeno optou-se por uma atividade prática. A cada grupo foi dada uma mola, com a qual foi possível produzir dois tipos de onda (transversal e longitudinal) e visualizar, em ambas, o fenômeno da reflexão. A observação do fenômeno instigou os alunos a buscarem explicações, bem como criar hipóteses, e procurar meios na própria atividade experimental para validá-las. Foi enfatizado que ondas não descrevem trajetória. A relação trabalhada foi:

Figura 04: Relação D

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Aula 5

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O objetivo da quinta aula foi introduzir o conceito de interferência como comportamento típico ondulatório. Para compreender esse fenômeno foi utilizado o simulador Wave Interference. Nele é possível verificar o comportamento de uma onda ao atravessar duas fendas e visualizar a figura de interferência projetada no anteparo. Nesta aula, em especial, os alunos realizaram desenhos ilustrando o que eles esperavam observar na simulação antes de observá-la. Como complemento da atividade foi apresentado o vídeo editado do 'Dr. Quantum em Português'. O vídeo completo possui quatro minutos e cinqüenta e seis segundos, porém foram utilizados apenas 103 segundos do vídeo. As relações trabalhadas nesta aula foram:

Figura 05: Relação E e F

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## Aula 6

A sexta aula iniciou-se com uma introdução histórica a respeito da quantização da energia, citando os estudos de Planck e a interpretação de pacotes de energia dada por Einstein, bem como sua comprovação com o efeito fotoelétrico. A ideia fundamental da aula girou em torno da compreensão do que são esses pacotes de energia, atualmente conhecidos como fótons, e da observação do seu comportamento no experimento da dupla fenda. Novamente, foi utilizado o simulador Doppelspalt, modificando-se apenas o tipo da partícula para fótons. A relação trabalhada nesta aula foi:

Figura 06: Relação G

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## Aula 7

Na sétima aula foi realizada uma re-união dos conceitos partícula e onda, abordados nas aulas anteriores, a fim de possibilitar uma análise geral do conhecimento adquirido, assim como das relações que embasam a problemática da dualidade onda-partícula. Para sistematizar seus conhecimentos, os alunos construíram em grupo um Mapa Conceitual (figuras 07, 08 e 09).

Para finalizar, foi apresentado o Mapa Conceitual padrão (figura 1) representando o comportamento dual do fóton, de acordo com a seqüência da proposta desenvolvida.

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Figura 07 Mapa Conceitual do grupo Planck fundido com o grupo Newton

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Figura 08 Mapa Conceitual do grupo Bohr

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Figura 09: M apa Conceitual do grupo Einstein

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## Conclusão

proposta de trabalhar um tema da Física Moderna no Ensino Médio, apesar de desafiadora -considerando o público alvo, suas dificuldades em conhecimentos básicos, nosso sistema educacional deficitário e, por fim, o s m A desinteresse dos alunos pela Física - mostrou-se promissora, pois foram utilizada linguagens, recursos e métodos de ensino que contemplam uma abordage pluralista.

A utilização de recursos variados, aliada a metodologia desenvolvida para conduzir as aulas, fundamentada na experimentação investigativa e no diálogo entre professor-aluno e aluno-aluno, é uma alternativa interessante para o processo de ensino-aprendizagem da Física Moderna, pois, além motivar os alunos, possibilita ao professor potencializar sua prática didática.

A participação ativa no processo de ensino, em oposição à passividade, á-la tendo, principalmente na experimentação, a chance de levantar uestões, criar hipóteses e testá-las, entendendo o fazer científico como construção umana. aproxima a ciência dos alunos, pois a eles é apresentada a possibilidade de vivenci q h

icam que a proposta esenvolvida no âmbito desse projeto atingiu seu principal objetivo: apresentar a As relações de A a G (Figuras 2 a 6) apresentadas nos mapas conceituais elaborados pelos alunos, no final da seqüência de aulas, ind d problemática que envolve o comportamento quântico da luz.

## Referência Bibliográfica

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