O MÉTODO PEER INSTRUCTION: UMA PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## O MÉTODO PEER INSTRUCTION: UMA PROPOSTA DIDÁTICA PARA O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO 1

Leticia Zago , Marina Valentim Barros , Yvonne Primerano Mascarenhas , 1 2 3 Marcelo Alves Barros 4

## Resumo

A sociedade da informação em que vivemos exige mudanças em relação ao currículo das escolas quanto às metodologias de ensino utilizadas. Está é uma tendência atual no Brasil, no campo do ensino de Física, com o desenvolvimento de materiais didáticos na introdução de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino Médio. Nossa proposta didática sobre o efeito fotoelétrico é feita através da utilização de uma metodologia ativa de aprendizagem, denominada Peer Instruction (Instrução pelos Colegas) (Mazur, 1991). As atividades propostas nesse trabalho foram implementadas em sala de aula de escolas públicas por um grupo de 12 alunos do Curso de Licenciatura em Ciências Exatas do Instituto de Física da USP de São Carlos e bolsistas do Projeto de Iniciação à Docência (PIBID/CAPES) no ano de 2013. Os resultados mostraram que após a aplicação do Peer Instruction a maior parte dos estudantes escolheram a resposta correta para os testes conceituais sobre o efeito fotoelétrico e mostraram-se mais engajados com as atividades propostas, sugerindo o Peer Instruction como uma metodologia que pode ser utilizada para o ensino de tópicos de Física Quântica no Ensino Médio e que atenda às demandas atuais de renovação curricular no ensino de Física, tanto do ponto de vista conceitual como metodológico.

Palavras-chave : Peer Instruction, Ensino de Física Quântica, Efeito Fotoelétrico.

## Introdução

A reforma curricular é um movimento que podemos constatar em diversos países, cujo destaque dirige-se das necessidades do conteúdo para as necessidades dos aprendizes, tornando-os ativamente engajados em situações de aprendizagem potencialmente relevantes para eles e que sejam percebidas como úteis e importantes para suas vidas. No campo da Física esta tendência, quanto ao conteúdo, se verifica na introdução de tópicos de Física Moderna e Contemporânea.

Vários pesquisadores têm documentado o nível de compreensão da Física dos estudantes sobre uma variedade de tópicos e concluíram que os conteúdos tradicionalmente ensinados contribuem pouco para o entendimento dos conceitos centrais da Física. Porém o ensino tradicional tem permanecido resistente às novas mudanças.

Concomitantemente, pesquisas que investigaram a aprendizagem nos mais variados níveis estabeleceram que os alunos desenvolvem habilidades de raciocínio complexas de forma mais eficaz quando estão ativamente envolvidos com o material que eles estão estudando, assim como descobriram que atividades cooperativas são uma excelente forma de implicar os alunos ativamente em sua própria aprendizagem. (Adegoke, 2012; Araujo, Veit, e Moreira, 2005; Rosenberg, Lorenzo, & Mazur, 2006; Tucker, 2012)

Nesta perspectiva foi desenvolvido na década de 1990 pelo Prof. Eric Mazur da Universidade de Harvard um método de ensino, denominado Peer Instruction (Instrução pelos Colegas), que visa modificar o formato das aulas tradicionais e incluir questões planejadas para promover o engajamento dos alunos e revelar suas dificuldades com o material instrucional.

- O objetivo do Peer Instruction é transformar o ambiente da sala de aula, envolvendo ativamente os estudantes e focando a atenção sobre os conceitos prévios. Trata-se de um método interativo que, ao contrário da prática comum de fazer perguntas informais durante uma aula tradicional que normalmente envolve apenas alguns alunos altamente motivados, o Peer Instruction incorpora um processo de questionamento mais estruturado que envolve todos os alunos da classe. (Mazur, 1997; Crouch, 1998).

Em sua implementação os estudantes têm a primeira exposição de conteúdo previamente a aula. As aulas são intercaladas com questões conceituais destinadas a expor dificuldades conceituais na compreensão do conteúdo. Os alunos primeiro respondem através de algum sistema de votação, como exemplo, os clickers (uma espécie de controle remoto individual que se comunica com radiofrequência com o computador do professor), flashcards (Cartões de respostas). As respostas são individuais, em seguida, eles passam dois ou três minutos a discutir as suas respostas em grupos de três a quatro membros na tentativa de chegar a um consenso sobre a resposta correta. O ciclo termina com uma resolução final para esclarecer quaisquer respostas incorretas através de discussões em classe. Um esquema da aplicação do peer instruction apresentado por Larsy, Mazur e Watkins (2008) é apresentado a seguir (fig.01).

De acordo com essa figura, após a primeira votação, a proposta de discussão entre pares é feita de acordo com as repostas sobre os testes conceituais, uma vez que o número de acertos esteja entre 30 % e 70 % das respostas dos alunos. Caso a frequência de acertos seja superior a 70 %, o professor deve partir direto para a explanação ou para outro teste. Caso seja menor de 30 % das respostas corretas a recomendação é apresentar novamente o conceito e realizar um novo teste conceitual. Já que o teste pode ser ambíguo ou muito poucos os alunos possam compreender os conceitos relevantes para ter um debate de ganho significativo na aprendizagem.

Há enormes vantagens na implementação do Peer Instruction em sala de aula, como alunos envolvidos ativamente no processo de aprendizagem que devem transmitir o seu entendimento sobre os conceitos relevantes para os seus pares, bem como examinar a interpretação e raciocínio deles. Além disso, o professor pode ter um feedback instantâneo sobre o quanto a classe entende o conteúdo ensinado e gastar o tempo de aula provocando, enfrentando e resolvendo equívocos e dificuldades dos alunos.

Figura 01: Diagrama do processo de implementação do método Peer Instruction. Adaptado de Lasry, Mazur e Watkins (2008).

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- O método Peer Instruction foi adotado com sucesso por centenas de professores de outras instituições em todo o mundo nos mais variados níveis de ensino. Os resultados indicam que uma das razões para esta adoção generalizada é a facilidade de se adaptar o Peer Instruction ao contexto local. (Fagen, Crouch e Mazur, 2002).

## Metodologia de Pesquisa e Coleta de Dados

A pesquisa apresentada aqui foi desenvolvida com um grupo de doze futuros professores do curso de Licenciatura em Ciências Exatas do Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo/Brasil, que participaram do Programa Institucional de Iniciação à Docência (PIBID) patrocinada pela CAPES, entre agosto de 2012 a dezembro de 2013.

Neste período os licenciandos participaram, em um primeiro estágio, de reuniões semanais de estudos e leituras sobre tópicos de Física Quântica, com o objetivo de fornecer as ferramentas conceituais para prepará-los para trabalhar com o tema proposto. Em um segundo momento, os futuros professores tiveram a tarefa de analisar o conteúdo estudado de tal forma a adaptá-lo e organizá-lo em um módulo de ensino.

As atividades foram realizadas com 28 alunos de escolas públicas (EE Sebastião de Oliveira Rocha e EE André Donatoni). Foram 8 horas de minicurso que abordaram três tópicos principais: experimento da dupla fenda, efeito fotoelétrico e Interferômetro de Mach Zehnder. Nesse trabalho vamos explorar apenas as atividades do efeito fotoelétrico. Uma breve estrutura da sequência e o software (PhET) utilizado com os alunos encontra-se nas figuras 02 e 03 abaixo.

Figura 02: Estrutura do minicurso do tema efeito fotoelétrico.

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Figura 03: Software PhET sobre o efeito fotoelétrico

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## Análise dos resultados

A análise dos resultados foi realizada a partir dos testes conceituais (Pereira, Cavalcanti e Ostermann, 2009) sobre o efeito fotoelétrico, apresentados aos alunos durante as aulas. Pode-se comparar o percentual das respostas antes e depois da discussão entre colegas.

## Questão 1

Suponha que a intensidade do feixe de radiação ultravioleta seja aumentada.

Pode-se afirmar que a energia dos elétrons emitidos da placa

- (A) Permanecerá inalterada.
- (B) Aumentará imediatamente.
- (C) Permanecerá inicialmente inalterado e, em seguida, aumentará gradualmente.
- (D) Diminuirá imediatamente.
- (E) Irá imediatamente à zero.

Este teste relaciona a intensidade de um feixe de radiação incidente na placa e a energia dos elétrons emitidos no caso do efeito fotoelétrico. Diferentemente do mundo clássico a intensidade do feixe não possui um caráter contínuo, ou seja, aumentando a intensidade do feixe incidente a energia dos elétrons emitidos aumentaria proporcionalmente. De acordo com a Física Quântica, a intensidade do feixe de radiação ultravioleta é definida como o número de fótons por segundo,

aumentar a intensidade desse feixe significa aumentar a quantidade de fótons por segundo. Os fótons incidentes na placa arrancariam os elétrons (já que possuem energia suficiente para isso) e os elétrons sairiam da placa com a mesma energia cinética (que é o saldo entre a energia incidente e a energia gasta para arrancar o elétron). Com o aumento da intensidade do feixe somente um maior número de elétrons é arrancado, porém com a mesma energia. Os gráficos 1 e 2 a seguir registram as respostas dos estudantes antes e após a discussão entre colegas

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Porcentagem de respostas dos alunos para alternativas incorretas

Porcentagem de respostas dos alunos para alternativas corretas

Gráfico 1 e 2: Porcentagem de respostas dos alunos à Questão 1 antes da instrução pelos colegas (Gráfico 1) e após a instrução pelos colegas (Gráfico 2).

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Comparando as respostas dos alunos antes e após a discussão verificamos há um aumento de mais de oito vezes o número de alunos que marcaram a opção correta da letra A. A opção da letra B em que a energia dos elétrons aumenta imediatamente ao aumentar a intensidade também apresentou um aumento percentual (de 25 % para 38 % após a discussão) indicando que alguns alunos ainda relacionam o conceito de intensidade da radiação com a energia dos elétrons emitidos, pensando de maneira clássica.

## Questão 2

Suponha que a intensidade do feixe de radiação ultravioleta seja reduzida. Pode-se afirmar que o número de elétrons emitidos da placa

- (A) Permanecerá inalterado.
- (B) Aumentará imediatamente.
- (C) Diminuirá imediatamente.
- (D) Permanecerá inicialmente inalterado e, em seguida diminuirá gradualmente.
- (E) Irá imediatamente à zero.

Esta questão relaciona o conceito de intensidade, número de fótons por segundo, do feixe incidente na placa com o número de elétrons emitidos. Se a intensidade do feixe incidente na placa for levemente reduzida, ou seja, havendo uma pequena redução no número de fótons incidentes na placa. Implica que o número de elétrons arrancados será menor. Os gráficos 3 e 4 apresentam as respostas dos estudantes, antes e após a discussão entre colegas.

Gráfico 3 e 4: Porcentagem de respostas dos alunos à Questão 2 antes da instrução pelos colegas (Gráfico 3) e após a instrução pelos colegas (Gráfico 4).

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Antes da discussão entre colegas os alunos tinham dúvidas se o número de elétrons permaneceria inalterado (29 % das respostas), aumentaria imediatamente (21 % das respostas) ou se diminuiria imediatamente (36 % das respostas). A resposta correta letra C (antes da discussão) predomina entre os estudantes e talvez seja esse o motivo do sucesso da escolha da alternativa correta por 86 % dos estudantes após a discussão com os colegas, já que eles foram capazes de convencer e explicar para os outros colegas os motivos do número de elétrons diminuírem quando há a diminuição da intensidade do feixe.

## Questão 3

Suponha que a frequência do feixe de radiação ultravioleta seja levemente reduzida. Nesse caso o número de elétrons emitidos da placa pode

- (A) Permanecer inalterado.
- (B) Aumentar imediatamente.
- (C) Diminuir imediatamente.
- (D) Permanecer inicialmente inalterado e, em seguida, diminuir gradualmente.
- (E) Permanecer inicialmente inalterado e, em seguida, aumentar gradualmente.

O teste indica que a frequência do feixe de radiação ultravioleta foi levemente reduzida, ou seja, continua com frequências próximas ao ultravioleta, porém com energias menores por fótons, já que a energia de um fóton é dada por E= h.f. Sendo assim, o número de elétrons que serão emitidos pela placa que dependem de uma determinada frequência de corte não sofrerá nenhuma mudança permanecendo inalterado. Nos gráficos 5 e 6 abaixo temos as respostas dos estudantes antes das discussões entre colegas e após a discussão entre colegas.

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Gráfico 5 e 6: Porcentagem de respostas dos alunos a Questão 3 antes da instrução pelos colegas (Gráfico 5) e após a instrução pelos colegas (Gráfico 6).

De acordo com os resultados dos gráficos 5 e 6 houve um aumento significativo na escolha da resposta correta (letra A) após a discussão entre colegas, mostrando que o diálogo mediado pelo professor possibilitou que mais de duas vezes o número de alunos escolhessem que a energia dos fótons não se modificou, portanto não arrancou mais elétrons da placa. A resposta da letra C manteve o quase mesmo número de estudantes (43 %) um número bastante significativo, o que se deve ao fato dos estudantes pensarem na redução da frequência como uma redução grande da energia, o que impossibilitaria a arrancada de elétrons da placa já que para serem arrancados eles precisam de uma energia mínima.

## Questão 4

Suponha que a frequência do feixe de radiação ultravioleta seja levemente aumentada. Pode se afirmar que a velocidade dos elétrons emitidos da placa

- (A) Permanecerá inalterada.
- (B) Aumentará imediatamente.
- (C) Permanecerá inicialmente inalterado e, em seguida, aumentará gradualmente.
- (D) Diminuirá imediatamente.
- (E) Permanecerá inicialmente inalterado e, em seguida, diminuirá gradualmente.

Com a frequência levemente aumentada aumenta a energia por fóton e após a retirada de elétrons da placa a energia restante será maior, ou seja, os elétrons terão maior energia cinética ao abandonar a placa (aumentarão a velocidade imediatamente). Os gráficos 7 e 8 representam as respostas dos estudantes antes e após a instrução pelos colegas.

Gráfico 7 e 8: Porcentagem de respostas dos alunos a Questão 4 antes da instrução pelos colegas (Gráfico 7) e após a instrução pelos colegas (Gráfico 8).

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O aumento do número de estudantes que escolheu a resposta correta é muito grande e apenas a resposta da letra C ainda apresenta 14 % de estudantes que escolheram essa reposta. A letra C também aponta também um aumento do número de elétrons arrancados da placa como na alternativa correta, porém com um aumento de caráter contínuo, gradual, apresentando características de um pensamento clássico.

## Conclusões

O trabalho apresenta uma proposta didática como resposta sobre a maneira de inserir conteúdos de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio em um formato inovador e com uma metodologia que possibilita uma mudança no papel do professor de mero transmissor de conhecimento para facilitador da aprendizagem dos alunos. Além disso, com a introdução do método Peer Instruction os alunos passaram a ter um engajamento mais ativo e colaborativo em sala de aula. Os resultados da análise de dados apontam que as discussões realizadas entre colegas aumentaram significativamente o número de respostas corretas dos estudantes para os testes sobre o efeito fotoelétrico, sugerindo o Peer Instruction como uma metodologia ativa de aprendizagem que pode ser empregada durante a implementação de tópicos de Física Quântica no Ensino Médio.

## Referências

ARAUJO, I., MAZUR, E.. Instrução pelos colegas e ensino sob medida: uma proposta para o engajamento dos alunos no processo de ensino-aprendizagem de Física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v.30, n.2, p.362-384, ago.2013. Disponível em:https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/26150. Acesso em: 09 Jan. 2014.

ROSEMBERG, J. L., LORENZO, M., MAZUR, E. (2006). Peer InstructionGLYPH&lt;31&gt;: Making Science Engaging. In J. Leonard, J. Mintzes, &amp; H. Willian (Eds.), Handbook of College Science Teaching (pp. 77-85). Arlington: NSTA Press.

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PEREIRA, A. P., CAVALCANTI, C. J. H., OSTERMANN, F., Concepções relativas à dualidade onda-partícula: uma investigação na formação de professores de Física. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, v.8, n.1, p. 72-92, (2009). Disponível em: http://reec.uvigo.es/volumenes/volumen8/ART5\_Vol8\_N1.pdf. Acesso em: 09 Jan. 2014.

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