Elaboração de roteiros para vídeos usados como estratégia para introduzir conceitos de Física Aplicada no Ensino médio: Semicondutores

## Elaboração de roteiros para vídeos usados como estratégia para introduzir conceitos de Física Aplicada no Ensino médio: Semicondutores

## Frederico Campos Freitas , Alexandra Bujokas de Siqueira , Adilson Jesus 1 2 Aparecido de Oliveira 3

- 1 Discente do PPGECE - Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, São Carlos-SP e Físico do ICENE - UFTM, frederico@fisica.uftm.edu.br

2 CEAD - Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM), bujokas@uol.com.br

- 3 Departamento de Física Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, São Carlos - SP, adilson@df.ufscar.br

## Resumo

Um dos maiores desafios no processo de ensino e aprendizagem de Física está relacionado com o fato que muitos dos conteúdos apresentados para os estudantes tem pouca ligação com o seu cotidiano, em particular os relacionados com a Física Moderna e Contemporânea. Uma alternativa para introduzir esses conceitos de uma maneira contextualizada é realizar uma abordagem relacionada a compreensão dos fenômenos físicos aplicados aos aparelhos eletrônicos, pois permite introduzir conceitos relacionados a Física Quântica, em particular sobre a natureza da estrutura e do funcionamento dos materiais condutores, semicondutores e isolantes. Os materiais didáticos sobre o tema eletricidade voltados ao Ensino Médio normalmente abordam apenas os materiais condutores e isolantes, mas são muito raras as propostas de ensino focadas nos semicondutores. Uma alternativa é a produção de vídeos que permitem ativar, de maneira simultânea, universos sensoriais, racionais e afetivos sem precisar de grandes conhecimentos ou aparatos técnicos. Neste trabalho apresentamos uma proposta de planejamento, produção e edição de vídeos para abordar os conceitos relacionados a Física dos materiais semicondutores no Ensino Médio.

Palavras-chave : Ensino de Física, Semicondutores, Roteiros, Recursos Audiovisuais, Vídeos.

## Introdução

Nos processos de ensino e aprendizagem de Física surgem dificuldades na abordagem de determinados conceitos, pois muitos destes não estão vinculados ao cotidiano das pessoas, dificultando sua compreensão (MENDES et al. , 2007). Essas dificuldades são observadas tanto em aulas práticas (MARINELI; PACCA, 2006), nas quais se procura aproximar esse conteúdo dos alunos, quanto em aulas teóricas (BARBETA; YAMAMOTO, 2002).

Existem muitas propostas didáticas para se inserir os conceitos de Física Moderna e Contemporânea que são centradas nos fundamentos conceituais. Algumas delas contemplam as aplicações desta em nosso cotidiano (CAVALCANTE; TAVOLARO, 2001; PAULA; ALVES, 2007), mais ainda há necessidade de propostas que atuem nesse sentido. Praticamente toda a nossa atual tecnologia decorre do advento da eletrônica, que teve o seu maior impulso com a descoberta do efeito transistor anunciado por Bardeen, Shockley e Brattain em Junho de 1948 (JENKINS, 2005), que permitiu o desenvolvimento da maioria dos dispositivos eletrônicos atuais. Embora ao nosso redor existam inúmeros aparelhos

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20 a 25 de janeiro de 2013

eletrônicos como televisores, celulares, computadores, entre outros, pouco se discute a respeito dos conceitos fundamentais da Física que neles são aplicados. O número de materiais e propostas que discutam conceitos relacionados à Física Moderna e Contemporânea, como os associados à Física Quântica (PINTO; ZANETIC, 2008), dentro da qual se destacam os materiais semicondutores (OLIVEIRA, 2012) ainda é muito aquém do ideal. Nos livros didáticos, por exemplo, nos poucos casos em que os fenômenos de Física Moderna aparecem, opta-se por uma abordagem muito superficial e que abrange somente fenômenos estudados no começo do século XX (OSTERMANN; MOREIRA, 2000).

- A simples inserção desses tópicos em aulas tradicionais tende a ser pouco profícua, tornando clara a necessidade da criação de recursos para a abordagem desse tema. Nesse sentido, planejou-se a produção de vídeos curtos para ensinar conceitos relacionados aos materiais semicondutores no Ensino Médio. A relevância do assunto se deve ao fato de que a maioria dos aparelhos eletrônicos atuais estão baseados em dispositivos semicondutores. Aliado a isso, o uso de vídeos pode ser interessante porque eles são um exemplo de recurso didático acessível, que atinge diversos universos sensoriais de maneira simultânea e cujo uso não requer um conhecimento técnico muito grande por parte dos professores.
- O planejamento necessário para a produção de vídeos consiste de várias etapas, das quais se destaca a produção do roteiro, sendo este um dos elementos mais importantes, pois é na sua produção que a ideia toma forma e nela são previstas todas as informações visuais e auditivas, verbais e não verbais que se materializam no produto final.

## Fundamentação

Da Lei de Diretrizes e Bases da Educação do Brasil, a LDB, é possível ler que (BRASIL, 1996):

A educação (…) tem por finalidade (…), a preparação do ser humano para o exercício pleno da cidadania e sua qualificação para o trabalho.

Para que a educação tenha êxito em sua finalidade, o cidadão precisa ter acesso a uma formação básica que o possibilite conhecer e interagir criticamente com todos os elementos que o rodeiam. Em uma sociedade, como a nossa, em evolução contínua e cada vez mais veloz, essa formação deve, necessariamente, abranger aspectos humanísticos, matemáticos, científicos e tecnológicos. Tais aspectos precisam ser introduzidos de modo racional e progressivo (ROSADO; CARMONA, 2005), sendo a educação formal o espaço criado com esse propósito.

A presença cada vez maior dos dispositivos eletrônicos no dia a dia torna o papel da tecnologia cada vez mais importante (CARMONA, 2008). Uma interação mais eficaz com essas tecnologias está paulatinamente se tornando mais determinante em nossa sociedade, fazendo com que isso se reflita no ambiente escolar. A cada dia o educador precisa estar mais preocupado em atuar de forma a melhorar, de diversas maneiras, a interação dos estudantes com essas novas tecnologias.

Essa preocupação precisa permear todas as disciplinas, dos mais variados níveis escolares. Em Física, especificamente, vários conceitos fitam a área tecnológica, permitindo ao professor uma atuação decisiva. Os professores de Física que atuam no Ensino Médio tem uma responsabilidade ainda maior, tendo em vista

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que esse estágio normalmente representa o último contato do estudante com essa disciplina (TERRAZZAN, 1992). Isso porque boa parte dos estudantes terá no Ensino Médio seu estágio final de estudo e, além disso, um grande número dos mais privilegiados, que cursarão nível superior, não terão mais contato com essa área do conhecimento.

Uma formação básica na área tecnológica carece, necessariamente, de conhecimentos de eletrônica e eletricidade. De acordo com (ROSADO; CARMONA, 2005; CARMONA, 2008), uma formação básica nessa área começa, epistemologicamente, pelo estudo dos seus principais componentes científicos: os aspectos básicos sobre a estrutura e o funcionamento dos materiais condutores, semicondutores e isolantes. Os relógios digitais, computadores, celulares, calculadoras, televisores, tocadores de música, entre outros, só tem o design, a portabilidade e as funcionalidades conhecidas graças ao desenvolvimento da Física do Estado Sólido (OLIVEIRA, 2012).

A preocupação com o ensino de Física Moderna e Contemporânea aparece também, explicitamente, nos parâmetros curriculares nacionais (MEC, 2002). Nesse documento há, por exemplo, menções específicas à abordagem de conceitos relacionados aos condutores, isolantes e semicondutores.

Tópicos relacionados à estrutura e ao funcionamento dos condutores e isolantes estão presentes na maioria dos livros didáticos de Física voltados para o Ensino Médio. Todavia, os conceitos básicos dos semicondutores tem presença quase nula nesses materiais didáticos (OSTERMANN; MOREIRA, 2000), sugerindo que a abordagem desse tema ocorre com baixa frequência. Vários trabalhos também dão indicações nesse sentido. Em (PINTO; ZANETIC, 2008) atenta-se para o fato de que apesar de vivemos no século XXI e a Física desenvolvida no século XX ainda está longe das salas de aula. Em uma recente revisão de toda produção acadêmica sobre o ensino de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio (PEREIRA; OSTERMANN, 2009), verificou-se a escassez de propostas concretas sobre a inserção da temática dos materiais semicondutores.

Podemos destacar como propostas sobre metodologias para abordar o ensino da física dos materiais semicondutores o trabalho de Paula et al . (PAULA; ALVES, 2007), no qual se discute a aplicação de uma sequência didática cujo objetivo principal foi a discussão do funcionamento de um diodo emissor de luz, o LED (Light Emitting Diode). Essa sequência contava com atividades teóricas e experimentais, que abordavam desde a natureza da luz emitida por um LED até o estudo dos conceitos de semicondutores, presentes na última atividade. Nela foram utilizadas simulações computacionais e a leitura de textos de apoio, que abordavam os níveis de energia dos átomos e o processo de emissão da luz, explicando o funcionamento dos LEDs dentro desse panorama. Todas as atividades estavam inseridas em uma proposta mais completa, que inclui também o estudo de outros tópicos de eletricidade e magnetismo.

O livro escrito por Carmona (2008) é um dos trabalhos mais completos sobre ensino de semicondutores. Nele há uma compilação das pesquisas realizadas por um grupo de educadores que atua em escolas espanholas, do qual o autor faz parte. A preocupação desse grupo era a integração entre o conhecimento científico e o contexto da aula. Um dos focos foi a adaptação da linguagem científica para o contexto dos estudantes, que trabalhavam as questões problematizadas pelo professor, em grupos de 3 ou 4 alunos. O livro também problematiza questões

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relativas ao currículo (das escolas espanholas), ao entorno da sala de aula e outros aspectos que dificultam a abordagem dos conceitos de semicondutores no ensino secundário. Foi utilizado um marco teórico construtivista, integrando as disciplinas de Química e Física.

Para fazer essa integração de forma suave, os tópicos sobre a estrutura e as propriedades físicas e químicas dos semicondutores foram trabalhados a partir de assuntos que são comuns no ensino secundário espanhol. Por exemplo: abordou-se a condução elétrica nos semicondutores através do modelo do gás de elétrons livres, do modelo de Rutherford para a estrutura atômica, dos conceitos de carga elétrica, diferença de potencial, lei de Ohm, resistividade e sua variação com a temperatura. A avaliação das atividades foi feita de forma sistemática e criteriosa, composta por questionários, entrevistas e autoavaliações (dos estudantes), através da qual se observou o sucesso da iniciativa. Poucos problemas foram apresentados e, dentre eles, o que merece maior destaque foi a dificuldade que alguns estudantes apresentaram para diferenciar o conceito de dopagem de um semicondutor do seu estado de eletrização. Para eles um semicondutor dopado tipo P também está, necessariamente, carregado com carga positiva.

Dentro desse contexto observa-se a necessidade de criação de novas propostas que trabalhem os conceitos relacionados aos materiais semicondutores no Ensino Médio. Para evitar os problemas e dificuldades observados em outros trabalhos, a abordagem poderia ser feita através da teoria das bandas de energia. Apesar de ser usualmente empregado por vários autores que tratam do assunto no nível superior (KITTEL, 1978; FALICOV, 1968; LEITE; CASTRO, 1978), esse conceito não figura de forma decisiva nas propostas voltadas ao ensino médio ou ao ensino secundário.

A inserção de uma proposta desse tipo em aula tradicional teria chances reduzidas de sucesso. Em parte, porque esse assunto praticamente não é abordado nos materiais didáticos (OSTERMANN; MOREIRA, 2000) e, além disso, a aprendizagem desses conceitos demandam muita atenção e motivação por parte dos estudantes, algo difícil de ser conseguido em aulas tradicionais. Uma alternativa nesse sentido poderia ser o uso de vídeos para ensinar conceitos de Física.

De acordo com (ROSA, 2008), desde a criação do Cinema, do rádio e, posteriormente, da TV, além de outros recursos como gravadores e fitas de vídeo, alguns educadores vêm tentando inserir o uso de recursos audiovisuais na escola. Esses meios de comunicação, assim como os vídeos vistos pela internet, desempenham um papel educacional importante, mesmo quando não há essa pretensão. Eles defendem e apresentam conceitos ao veicular continuamente informações interpretadas, apresentam modelos de comportamento, ensinam linguagens coloquiais e multimídias, privilegiando alguns valores e visões em detrimento de outros (ARROIO; GIORDAN, 2006). Sua atratividade está no fato de que eles são capazes de estimular, de maneira simultânea, universos sensoriais, éticos e afetivos das pessoas. Isso imprimiu à linguagem televisiva um grande sucesso na sociedade moderna (ALVES; MESSEDER, 2006).

Nesse panorama observa-se que o uso de vídeos para o ensino pode ter grandes vantagens, como a motivação gerada pela quebra da rotina de sala de aula, causando grandes mudanças na organização do processo educativo (SILVA et al., 2005; ARROIO; GIORDAN, 2006). Outra vantagem importante é a possibilidade de se usar um canal de comunicação atrativo para mostrar imagens, gráficos ou sons

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que não poderiam ser utilizados em situações tradicionais de ensino (ROSA, 2008). Do ponto de vista operacional, o uso de vídeos tende a ser bastante simplificado por não demandar grandes aparatos e/ou conhecimentos técnicos.

Ao entrevistar estudantes de uma escola pública do interior fluminense, Silva et al . (2005) viu que eles têm acesso a vídeos da internet e de outras fontes e os utilizam para se informar, independente do seu nível social. E apesar das escolas públicas da região contarem com recursos técnicos suficientes para usar vídeos e outros recursos multimídias, viu-se que poucos professores, dentre os entrevistados, fazem uso dessas novas tecnologias em suas aulas.

Mesmo requerendo poucos aparatos técnicos, a utilização de recursos audiovisuais carece de alguns cuidados. É necessário ter em mente que um estudante não compreende um vídeo sobre ciência da mesma forma que compreende um filme de comédia, mesmo que eles tenham formatos e atores parecidos (ROSA, 2008). A compreensão de um vídeo não ocorre somente de maneira racional, mas também sensitiva. O estudante/espectador reage diante de estímulos, e não apenas diante de argumentações. Mesmo inspirando cuidados, isso pode tornar o aprendizado, que normalmente é uma mera transmissão de conhecimentos, em um meio de aquisição de experiências (ARROIO; GIORDAN, 2006). Por esse motivo o uso de um vídeo didático deve ser um processo guiado pelo professor, tomando-se o cuidado para que a linguagem, o formato e o nível das ideias apresentadas na obra sejam satisfatórios para o objetivo pretendido.

Diante dessas perspectivas, ficam claros os motivos que nortearam a opção dos autores deste trabalho pela produção de vídeos curtos para ensinar semicondutores no Ensino Médio. Das diversas etapas necessárias para essa produção, em (WATTS, 1990) orienta-se que uma das primeiras consista na elaboração de um roteiro, que deve guiar todo processo. Nele precisam constar todas as orientações sobre os elementos visuais e auditivos necessários à produção dos vídeos.

## Desenvolvimento

Antes da criação do roteiro foi definido que o gênero utilizado seria de programa educativo e os vídeos teriam o formato didático. Escolheu-se usar somente um personagem e um narrador, para simplificar a produção e gravação dos vídeos. O passo seguinte contou com a definição do conteúdo que seria abordado, assim como se definiram quais conceitos seriam privilegiados. Os roteiros foram escritos em um editor de texto comum, tomando-se o cuidado de se separar as informações relativas ao áudio e ao vídeo em colunas diferentes, como orientado em (WATTS, 1990).

Para não limitar o uso dos vídeos ao ambiente escolar, houve a preocupação de abordar os conceitos da forma mais simples possível e, com isso, permitir que os mais diversos públicos possam aproveitá-los. Os roteiros foram escritos de forma a admitir que os vídeos sejam utilizados em sequência ou de maneira independente, se assim o educador ou o espectador escolher. Os vídeos foram planejados para ter duração de 5 a 7 minutos, já que vídeos curtos são mais atrativos e conseguem manter a atenção dos estudantes durante toda sua exibição.

A locução foi planejada para ter uma linguagem informal, mas com o cuidado de se evitar incorreções ou imprecisões. Algumas analogias e metáforas foram

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usadas, mas sempre acompanhadas de ressalvas acerca da sua limitação em relação à teoria aceita.

Observando todos esses preceitos, no primeiro vídeo os principais assuntos abordados foram: energia elétrica, intensidade de corrente elétrica, conservação da carga elétrica, diferença de potencial, campo elétrico, diferença entre condutores e isolantes, resistência elétrica e resistividade elétrica. Foi usado um tom revisional, evocando elementos comuns à maior parte dos cursos de eletricidade voltados ao Ensino Médio e técnico.

- No segundo vídeo são apresentados e definidos os materiais semicondutores. Nele a composição atômica da matéria, o modelo atômico de Rutherford e de Bohr, os níveis de energia e o conceito de bandas de energia foram utilizados para explicar o comportamento dos condutores, isolantes e dos semicondutores. O conceito de 'buraco' e como eles podem atuar na condução elétrica também foi abordado.
- O foco do terceiro vídeo foi o uso dos semicondutores em dispositivos simples, como os diodos de junção. Para isso abordou-se diferença entre os semicondutores intrínsecos e extrínsecos (dopados), o conceito de dopagem de um semicondutor, de junção PN e seu comportamento. Além disso foram apresentadas aplicações simples do uso de diodos, os conceitos básicos de transistores e suas principais aplicações.
- O quarto vídeo trata dos princípios básicos de funcionamento dos microprocessadores, seu uso e importância na computação atual, além de contar com um apanhado geral do que foi dito nos outros vídeos anteriores. A ideia foi dar um panorama básico das áreas nas quais os semicondutores são fundamentais hoje em dia, e como esse conhecimento se relaciona com as mais variadas tecnologias que conhecemos. A produção dos roteiros foi seguida por uma pesquisa iconográfica, na qual foram catalogadas e arquivadas as imagens que deverão ilustrar os vídeos, seguindo o que foi previsto nos roteiros. Quando os vídeos forem utilizados em sala de aula, a avaliação desse uso será feita através de um questionário semi-estruturado, no qual constarão afirmativas qualitativas e questões quantitativas que deverão ser respondidas pelos estudantes.

## Conclusão

Os processos de ensino e aprendizagem apresentam diversas dificuldades, em particular no caso da Física, devido à falta de relação entre seus conteúdos e o cotidiano dos estudantes, dificultando sua compreensão. É inegável a importância dos aparelhos eletrônicos na sociedade atual, e o ensino de tópicos relacionados a eles poderia amenizar as dificuldades apresentadas, além de formar cidadãos mais conscientes e preparados para o trabalho. Apesar das recomendações acadêmicas e oficiais, os conhecimentos físicos ligados à eletrônica não são devidamente abordados no Ensino Médio, mesmo sendo esse o último contato formal entre a Física e a maior parte dos estudantes brasileiros.

Para compreender melhor o funcionamento dos aparelhos eletrônicos, vários conhecimentos são necessários, entre os quais se destacam os tópicos relacionados aos materiais semicondutores. Por isso planejou-se a produção de quatro de vídeos curtos, cujo foco está no ensino de conceitos relacionados a esses materiais. Entre os primeiros passos necessários estava a fundamentação desse projeto e a

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elaboração dos roteiros para os vídeos. Etapas estas que foram apresentadas e discutidas neste trabalho. Na fundamentação algumas propostas sobre o ensino de conceitos de semicondutores no Ensino Médio foram analisadas, com foco nas dificuldades apresentadas. A partir dos trabalhos que defendem o uso de vídeos para o ensino, viu-se que eles podem ser interessantes por se tratarem de um recurso com poucas demandas técnicas, de linguagem acessível, e que atinge aspectos sensoriais e racionais simultaneamente, permitindo ainda a quebra da rotina da sala de aula.

Na elaboração dos roteiros foram colocados os principais elementos visuais e auditivos que devem estar presentes nos vídeos. A relação entre os condutores, isolantes e semicondutores é trabalhada com base na teoria de bandas de energia, uma visão que é amplamente trabalhada no ensino superior, mas que é negligenciada em outras propostas voltadas ao Ensino Médio. Entre os próximos passos deste trabalho está a produção dos vídeos, baseada nos roteiros que foram criados, e a disponibilização dos vídeos para uso geral. Espera-se com isso que haja uma contribuição no sentido de diminuir as dificuldades dos estudantes na aprendizagem de Física, formando cidadãos mais conscientes e atuantes na sociedade.

## Referências

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