PROMOVENDO A ARGUMENTAÇÃO NO DISCURSO DE ALUNOS DO ENSINO MÉDIO COM O USO DO INTERFERÔMETRO DE MACH-ZEHNDER EM UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO INVESTIGATIVA.

## PROMOVENDO A ARGUMENTAÇÃO NO DISCURSO DE ALUNOS DO ENSINO MÉDIO COM O USO DO INTERFERÔMETRO DE MACHZEHNDER EM UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO INVESTIGATIVA.

## Nelson Barrelo Junior , Josias Rogério Paiva , Anna Maria Pessoa de 1 2 Carvalho 3

1 USP/Faculdade de Educação/Lape f, nbarrelo@usp.br

2 USP/Faculdade de Educação/Lapef, josiaspaiva@usp.br

## Resumo

Este artigo apresenta parte da pesquisa de BARRELO (2010) sobre como se desenvolve o processo argumentativo dos alunos sobre o conceito de fóton e interpretações da Mecânica Quântica (MQ) para a natureza da luz. Fizemos revisão da literatura sobre a importância da inserção de Física Moderna e Contemporânea (FMC) na escola média, das abordagens da MQ quanto à natureza da luz, e das bases teóricas que alicerçam a análise da argumentação em sala de aula. Transcrevemos falas e gestos de quatro aulas, de turmas do terceiro ano do ensino médio de escola pública, de uma sequência de ensino que objetivava investigar a natureza e o comportamento da luz, utilizando o experimento de Mach-Zehnder. Foram analisadas as aulas que sistematizavam as discussões e os registros escritos finais dos alunos. Os dados possibilitaram verificar a ocorrência de indicadores de alfabetização científica, a estrutura do discurso oral dos alunos e apropriação de conceitos de FMC.

Palavras-chave : Ensino e aprendizagem; Física; Argumentação em sala de aula; Física moderna e contemporânea.

## Introdução

Nossa pesquisa partirá da proposta apresentada por Brockington (2005) - a discussão da dualidade onda-partícula - cujo curso elaborado compõe-se de aproximadamente 52 aulas, divididas em onze temas designados blocos de conteúdo, a serem ministrados ao longo de um ano letivo, iniciando-se na abordagem do uso dos modelos no cotidiano e na física e concluindo com uma análise e discussão da dualidade onda-partícula. O curso tem sido aplicado desde 2004 por professores da rede pública estadual interessados na inclusão de Física Moderna e Contemporânea no Currículo Escolar que participam de um grupo de pesquisa junto ao Laboratório de Pesquisa e Ensino de Física (Lapef) da Faculdade de Educação da USP.

Propusemos uma alteração do décimo bloco desta sequência, com a inclusão da montagem e exploração de um interferômetro de Mach-Zehnder e do uso de uma simulação de computador, em substituição de uma encenação teatral que visa uma analogia pessoa-fóton.

Esta pesquisa objetiva identificar como ocorre a argumentação dos alunos sobre o conceito de fóton durante um conjunto de atividades de laboratório de investigação, com a construção e exploração de um interferômetro e com outras de experimentação de pensamento e, também, verificar se, durante essas atividades, os alunos se apropriam das interpretações da Mecânica Quântica sobre a natureza e

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20 a 25 de janeiro de 2013

o comportamento da luz.s referenciais teóricos que embasam tal pesquisa devem versar sobre Física Moderna e Contemporânea (FMC) no ensino médio, a natureza e o comportamento da luz e, finalmente, a argumentação em sala de aula e o discurso dos estudantes como forma de verificação de aprendizagem.

## Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio

Diversos autores têm apontado para a necessidade de inserção de FMC no currículo de Física da escola média.

Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM) afirmam que ' as novas tecnologias de comunicação e da informação permeiam o cotidiano', enquanto no PCN+ Ensino Médio: Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+), tais ideias são reforçadas e delineiam-se os caminhos a serem seguidos no ensino de Física.

Também Gil-Pérez et al. (1988), Gil-Pérez, Senent e Solbes (1987), Barojas (1988), Gil e Solbes (1993) e Cuppari et al. (1997) já apontavam a necessidade de uma atualização curricular que incorporasse o conhecimento de Física Moderna e Contemporânea (FMC).

Diversos outros autores - como Ostermann e Moreira (2000); Borckington (2005); Karam, Cruz e Coimbra (2007); etc. - sinalizam neste sentido e analisam os tópicos de Física Moderna abordados nas aulas e nos livros dedicados à escola de ensino médio. Muitos trabalhos se debruçam sobre a proposição de sequências didáticas de temas de Física Moderna, como o fazem, por exemplo, Valadares e Moreira (1998) que trazem sugestões de como promover a inserção de tópicos de Física Moderna que se relacionem com o cotidiano dos alunos.

## O interferômetro de Mach-Zehnder

Para estudarmos interferência de radiação - seja luz, elétrons ou nêutrons -, podemos utilizar o experimento de dupla fenda. No entanto, este arranjo apresenta desvantagens para um enunciado quantitativo, pois a 'partícula' pode apresentar-se em muitos pontos no plano de observação, tornando complicada a descrição matemática do fenômeno.

O arranjo experimental desenvolvido, em 1896, pelo físico tcheco Ludwig Mach e pelo físico suíço Ludwig Zehnder, de maneira independente, tem sua estrutura bastante simples, como mostram as figuras. São necessários quatro espelhos, dos quais dois refletem toda a luz incidente sobre eles e dois, denominados 'semiespelhos' ou 'semirrefletores', refletem exatamente a metade da luz que incide sobre eles, deixando a outra metade atravessá-los, como mostra a figura 1:

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FIGURA 1 a) Interferômetro real clássico; e b) Representação do MZ, composto por uma fonte, dois semiespelhos e dois espelhos.

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Em nossa pesquisa, utilizamos as quatro interpretações para as observações no interferômetro de Mach-Zehnder, propostas por Montenegro e Pessoa Jr (2003), que podem ser resumidas da seguinte maneira (Quadro 1):

Quadro 1 - Interpretações da Mecânica Quântica na experiência com interferômetro de Mach-Zehnder.

## A argumentação em sala de aula

Os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) apregoam que a escola é um dos poucos lugares em que os alunos têm a possibilidade de contato com o conhecimento físico formal e de compreensão do mundo (BRASIL, 1999). Assim, torna-se mais relevante o aprendizado de conhecimentos científicos pelos alunos de modo que possam expressar suas opiniões e ter uma visão mais crítica e atuante no mundo.

Segundo Sasseron e Carvalho (2008a),

apesar da grande importância da ciência em nossa cultura, e sendo o objetivo da escola básica a formação de cidadãos que possam interagir com o mundo em que vivem, a ciência que é apresentada nas escolas não reflete nenhum dos aspectos da ciência como desenvolvimento humano, muito ao contrário a tradição do ensino científico, quer no curso fundamental, quer no médio, obriga os alunos a memorizar os conhecimentos já comprovados , que não são usados nem nas próprias classes de ciências. Essa dicotomia entre o que é ciência e como ela está sendo ensinada, desde os primeiros anos do ensino fundamental até o final do curso médio, tem levado os pesquisadores em ensino de Ciência, assim como os planejadores de currículo, a uma reflexão do processo de alfabetização, ou enculturação, científica, tecnológica e ambiental, apontada na literatura atual como condição fundamental para que os indivíduos participem de forma crítica e consciente na sociedade contemporânea.

As autoras reiteram essa relevância dada à ciência em nossa sociedade, embora tal importância não se traduza na forma como ela é ensinada.

- O conceito de 'enculturação científica', apresentado por Driver e Newton (1997), se faz presente somente quando o aluno consegue compreender e utilizar parte da linguagem, dos métodos e das práticas da cultura científica que, com a cultura que já possui, criam novas visões de mundo e ampliam as que já possuíam,

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ou seja, quando ele consegue se apropriar da cultura científica (DRIVER; NEWTON; OSBORNE, 1999; MORTIMER; MACHADO, 1996; CAPECCHI; CARVALHO, 2000; CAPECCHI; CARVALHO; SILVA, 2002; CAPECCHI, 2004; CARMO, 2006).

Mortimer (1994 apud CARMO, 2006) propõe que o ensino de ciências leve o aluno a adquirir novos conhecimentos e cultura sem eliminar os que já possuía e, a partir dessa nova situação, saber utilizar o que for mais adequado de acordo com o contexto.

Lemke (1998a, 1998b) ressalta, como característica do aprendizado de ciências, a apropriação, pelo aluno, do discurso científico. A utilização apropriada da linguagem da ciência, de acordo com o contexto, indica um crescimento em relação a seu discurso anterior em vez da simples substituição.

Para Sasseron e Carvalho (2008a), a linguagem argumentativa é uma das principais características do processo de construção de Ciências. Recorrem a estudos apresentados por Latour e Woolgar (1997) e a Latour (2000), que apontam a presença da linguagem argumentativa tanto em laboratórios quanto durante a apresentação de trabalhos, sejam em congressos ou em artigos publicados. Segundo estes últimos, é através da argumentação que os cientistas convencem os outros sobre a importância de seus trabalhos, a verdade do que dizem e a necessidade de investimentos no financiamento de seus projetos.

Essa capacidade de argumentação segue um padrão estudado por Toulmin (1958/2006), onde descreveu a argumentação na prática. Este autor apresenta a estrutura básica que compõe a argumentação e quais são as relações que existem entre seus componentes, enquanto Rivard e Straw (2000) obtêm conclusões precisas sobre o efeito que a escrita e a fala podem trazer à aprendizagem:

A fala é importante para compartilhar, clarificar e partilhar idéias científicas entre os pares enquanto fazem questões, levantam hipóteses, explicam e formulam idéias; juntos, todos parecem ser importantes mecanismos durante as discussões. O uso da escrita parece ser importante para refinar e consolidar estas novas idéias com os conhecimentos prévios. Estas duas modalidades parecem ser dialéticas: a fala é social, divergente e produtiva, enquanto a escrita é pessoal, convergente e reflexiva. Além disso, a escrita parece aumentar a fixação do conhecimento co-construído ao longo do tempo. (p. 588 apud SASSERON, 2008, p. 49).

Jiménez-Aleixandre e Diaz de Bustamante (2003) afirmam que o discurso dos alunos nas aulas de ciências contribui para uma compreensão mais geral dos processos de aprendizagem das ciências. Nesse trabalho, os pesquisadores apresentam alguns resultados obtidos com a aplicação de um projeto de Ciências chamado RODA (Raciocínio, Discussão e Argumentação), e a ênfase na análise dos dados recai sobre a argumentação.

Os autores analisam os argumentos utilizados em sala de aula, tanto por seu conteúdo quanto por sua estrutura, e, uma vez que muitos dos temas científicos analisados neste trabalho não são inéditos para os alunos, sua atenção recai sobre o modo como se apresentam as justificativas sob o ponto de vista dos estudantes.

O modelo de Toulmin (2006), já citado, tem sido adaptado e vem sendo amplamente utilizado em estudos na área de pesquisa em Educação, apresentandose como um importante e eficiente instrumento de análise na investigação sobre a argumentação dos alunos em aulas e situações de ensino de Ciências.

Driver e Newton (1997), Jiménez-Aleixandre, Reigosa Castro, Álvarez-Pérez (1998), Capecchi e Carvalho (2000), Capecchi, Carvalho e Silva (2002), Villani e

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Nascimento (2003), Capecchi (2004), Carmo (2006) e muitos outros pesquisadores têm se valido desse modelo de Toulmin em seus trabalhos e investigações, de forma a contribuir significativamente para sua consolidação como um importante instrumento de análise adaptado a diversas situações de ensino.

Finalmente, Sasseron (2008) sugere em sua pesquisa a existência de convergência entre as diversas classificações propostas pelos autores mencionados. Agrupa as habilidades listadas por eles em três blocos e os denomina de Eixos Estruturantes da Alfabetização Científica .

Nesta pesquisa, na identificação da argumentação dos alunos , consideraremos os indicadores apresentados por Sasseron (2008).

## A sequência didática

A sequência de ensino tem como base aquela proposta por Brockington (2005) em sua dissertação de mestrado. São promovidas alterações surgidas das discussões no grupo de professores, em 2006, e foi desenvolvida em parceria com a Dra. Maria Beatriz Fagundes, que, na época, desenvolvia um projeto de pesquisa de pós-doutorado na FEUSP.

A sequência, descrita em Barrelo (2010), permite ao professor optar pela realização completa, ou não, de todos os episódios temáticos, a fim de ajustar seu cronograma de aulas ao calendário escolar, iniciando-se com a leitura e a discussão do texto que confronta a teoria ondulatória e a corpuscular da luz. A atividade 2 apresenta de forma expositiva (apresentação em multimídia) o interferômetro de Mach-Zehnder (MZ), retoma a analogia da aula anterior e a relaciona com o MZ. Mostra as interpretações para um só fóton, bem como as limitações de cada uma delas para explicar os resultados experimentais. A atividade 3 parte da leitura e discussão do texto sobre dualidade onda-partícula, e, em seguida, pede-se aos alunos que respondam às questões. Espera-se que os alunos percebam que não existe uma resposta certa, mas que é necessária uma argumentação que justifique sua escolha. As aulas 5 e 6 da sequência didática são dedicadas à manipulação do interferômetro e ao uso da simulação de computador.

## As argumentações dos alunos

Foram feitas as transcrições de todas as aulas gravadas das duas turmas. Os registros escritos dos alunos estão catalogados. A pesquisa completa encontrase em Barrelo (2010). Neste artigo, evidenciaremos alguns aspectos relevantes dos registros orais e escritos dos alunos. Procuraremos mostrar como os alunos estruturam seus argumentos, retomando, para isso, os referenciais teóricos citados anteriormente. Enfatizaremos a forma como os argumentos são explicitados (TOULMIN, 2006; LAWSON, 2000, 2002). Também verificaremos as operações epistemológicas envolvidas para a apresentação dos argumentos, como proposto por Jiménez-Aleixandre, Bugallo Rodrigues e Duschl (2000), e a ocorrência dos indicadores de alfabetização científica sugeridos por Sasseron (2008) e Sasseron e Carvalho (2008c).

Entre os turnos 055 e 066 os alunos são inquiridos a comparar duas imagens distintas. Na primeira, forma-se a figura padrão de interferência, e, na segunda, tem-se uma mancha circular formada por pontinhos. O professor solicita a

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uma aluna que faça a comparação entre as duas imagens apresentadas e se há relação entre elas.

Destacamos as falas do aluno Lucas, nos turnos 064 e 066:

Suas afirmações também indicam uma explicação - na primeira imagem, os dois raios (de luz) se encontram e formam a figura padrão de interferência, enquanto na segunda não se forma porque o fóton tem apenas um caminho para passar.

Sua argumentação é de nível 3, pois são afirmações apoiadas por justificativas:

- '[Se] tem dois caminhos , [então] os raios se encontram e, [portanto] , formam a figura padrão .'

'[Se] um detector impede a passagem do fóton, [então] apenas um caminho é fornecido, [portanto] não forma a figura .'

Para os alunos Vitor e Beatriz, conforme os turnos 140, 142, 144, 146 e 147, a explicação para a interpretação da Complementaridade sobre a natureza da luz ' depende de como se olha para ela ' (turno 144).

A aluna Bruna discorda e afirma no turno 150:

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Ela mostra entendimento dos conceitos até então estudados e apresenta uma explicação para não concordar com os colegas.

Pelo padrão de Toulmin, a fala da aluna pode ser assim estruturada:

Figura 3: Padrão de Toulmin para a fala da aluna Bruna

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E Bruna reforça sua explicação no turno 152:

Foram coletados também diversos registros escritos dos alunos ao longo do

curso.

Segundo Pessoa Junior (2003), 'o que caracteriza a Teoria Quântica de maneira essencial é que ela é a teoria que atribui, para qualquer partícula individual, aspectos ondulatórios, e para qualquer forma de radiação, aspectos corpusculares. Esta é uma versão 'geral' da dualidade onda-partícula', que, procuramos evidenciar se os alunos concebem essa percepção da dualidade.

Na aula 11 aplicamos um questionário aos alunos e procedemos à análise de cada uma das questões. Posteriormente, comparamos os registros escritos com as falas dos alunos que participaram ativamente das discussões orais.

Ao analisamos as falas dos alunos na aula 10,verificamos a participação efetiva de oito alunos da turma nas discussões orais.

## Considerações finais

Nesta pesquisa, procuramos identificar como ocorre a argumentação dos alunos sobre o conceito de fóton durante a aplicação de um conjunto de atividades experimentais investigativas, envolvendo a montagem e exploração de um interferômetro, e o uso de uma simulação de computador. Este trabalho objetivou também verificar se os alunos se apropriaram das interpretações da Mecânica Quântica sobre a natureza e o comportamento da luz.

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- A substituição de uma analogia pela montagem e manipulação do experimento de Mach-Zehnder e a posterior utilização de uma simulação de computador possibilitaram aos alunos a compreensão das dificuldades em se enquadrar a luz segundo os modelos clássicos de onda e partícula.
- A sequência das aulas, com laboratório de investigação, análise e discussão das observações, criou condições para enculturação científica, como apontam as análises dos discursos dos estudantes.
- A análise demonstra que as interações discursivas entre os alunos, e sua mediação pelo professor, possibilitam que os mesmos tornem-se mais críticos, participativos e aproximem-se das discussões da ciência moderna.

Apesar de os tópicos apresentados serem habitualmente pensados para estudantes de graduação em Física, nossa pesquisa revela um alto índice de compreensão dos estudantes. Para as questões relativas às interpretações da Mecânica Quântica sobre a natureza da luz, cerca de 80% da classe apresenta respostas corretas ou parcialmente corretas.

Fazendo a verificação entre os registros escritos e as falas daqueles que mais discorrem em sala de aula, podemos afirmar que a participação nas discussões é fator contribuinte para o aprendizado e o entendimento dos conceitos. Todos os alunos que participaram efetivamente dos debates em sala apresentaram registros escritos com percentual elevado de acertos das questões. Não se pode afirmar que a não participação efetiva nas discussões impossibilite ou dificulte tal juízo. Mesmos os alunos que pouco, ou nada, disseram nas aulas analisadas, em sua maioria, obtiveram resultados bastante satisfatórios.

A análise das aulas e dos registros escritos nos permite afirmar que a proposta de ensino foi validada e contribui sobremaneira para a inserção de tópicos de FMC no ensino médio, tornando a Física mais atraente para os jovens estudantes e os aproxima do conhecimento científico por trás das inovações tecnológicas.

Ressaltamos que a sequência de ensino embute uma visão de que não existe apenas uma verdade científica. A discussão das quatro interpretações sobre a natureza e o comportamento da luz e a indagação aos alunos sobre o porquê de tantas teorias (questão 2 do registro escrito) visam levar o aluno a compreender que são possíveis várias interpretações para um mesmo fenômeno.

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