UMA PROPOSTA DE FORMAÇÃO DE PROFESSORES DO ENSINO MÉDIO EM ELETRODINÂMICA CLÁSSICA POR MEIO DE CONCEITOS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS DE SUPERCONDUTIVIDADE

## UMA PROPOSTA DE FORMAÇÃO DE PROFESSORES DO ENSINO MÉDIO EM ELETRODINÂMICA CLÁSSICA POR MEIO DE CONCEITOS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS DE SUPERCONDUTIVIDADE

Simone Aparecida da Silva , Gelson Biscaia de Souza , Luiz Antônio Bastos 1 2 Bernardes 3 . Luiz Américo Alves Pereira 4

1 Instituto de Educação Professor Cesar Prieto Martinez, silmone307@gmail.com

- 2 Universidade Estadual de Ponta Grossa, gelsonbs@uepg.br
- 3 Universidade Estadual de Ponta Grossa, bernardes@uepg.br
- 4 Universidade Estadual de Ponta Grossa, laapereira@uepg.br

## Resumo

Os conceitos de Física Clássica ainda são predominantes nos currículos do Ensino Médio. Atualmente, a escola repassa os conceitos e as teorias elaborados até o século XIX . É importante ressaltar que tal crítica não se refere à presença de temas clássicos no currículo da Educação Básica e sim à predominância destes. No entanto, esses conceitos tornaramse insuficientes para explicar fenômenos ligados à tecnologia, sendo necessário inserir conceitos de Física Moderna. Este trabalho descreve o resultado de um processo de capacitação destinado a professores estatutários, denominado Plano de Desenvolvimento Educacional (PDE), ofertado pela Secretaria da Educação do Paraná, cuja implementação resultou na produção de um material didático e na realização de um curso presencial e à distância, com conteúdos de Física Moderna, destinado a professores de Física, Química e Matemática da cidade de Ponta Grossa-PR. Na implementação, que foi auxiliada pelo material didático produzido (teórico e experimental), realizou-se o estudo dos conceitos clássicos de Eletromagnetismo utilizando-se um tema de Física Moderna e Contemporânea, o fenômeno da Supercondutividade, empregado como objeto de um mapa conceitual para desenvolver este trabalho. A partir das duas propriedades fundamentais do estado supercondutor - a resistividade nula e o efeito Meissner - foram desenvolvidos os conceitos de eletricidade e de magnetismo. Concomitante ao estudo dos conceitos teóricos, foi realizada a parte experimental do tema em questão, em que ocorreu o processamento e a caracterização de amostras supercondutoras de YBa2Cu3O7-x., no Laboratório de Supercondutividade da UEPG. Verificou-se que o fenômeno da Supercondutividade pode ser utilizado no desenvolvimento de conceitos clássicos de Eletromagnetismo, bem como que é uma forma para introduzir a Física Moderna e Contemporânea na grade curricular no Ensino Médio. E ainda, verificou-se a necessidade da oferta de outros cursos de capacitação nessa área, que também incluam a parte experimental, processo fundamental na formação de professores.

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Palavras-chaves: Supercondutividade, Física Moderna, Eletromagnetismo, Mapa Conceitual, Formação de professores.

## 1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento científico e tecnológico ocorrido no século XX e no início desse século, com a informatização dominando os setores de produção e de consumo, conduzem a um questionamento de certo modo incômodo, mas prioritário para a sociedade contemporânea: qual é o papel da escola nesse processo?

Ao tentar responder a essa questão, deparamo-nos com a inércia de uma escola que por conveniência continua no século XIX, principalmente no que se refere aos conteúdos curriculares.

Na disciplina de Física não é diferente. Os conteúdos curriculares do Ensino Médio se limitam a contemplar a Física Clássica, ou seja, os conceitos e teorias elaborados até o século XIX (OSTERMANN; RICCI, 2002). É importante ressaltar que tal crítica se refere à predominância de temas clássicos, e não à sua presença no currículo, pois eles são também importantes e dão suporte a diversos fenômenos físicos do cotidiano.

No entanto, com o desenvolvimento científico e tecnológico, a Física Clássica se tornou insuficiente para explicar os conceitos físicos utilizados na produção e no funcionamento de diversos aparelhos. Pode-se citar como exemplo o funcionamento do aparelho GPS, que utiliza conceitos da Física Relativística, elaborada por Albert Einstein no início do século XX (TIPLER, 2000). A mecânica quântica teve suas bases estabelecidas nas primeiras três décadas do século XX, graças ao esforço conjunto de diversos pesquisadores, como Max Planck e Erwin Schroedinger, para se compreender fenômenos até então inexplicáveis pelos conceitos clássicos (EISBERG, 1988). O computador eletrônico e a rede mundial de computadores, que em seu atual estágio de desenvolvimento possibilitaram avanços e mudanças profundas na indústria, comércio, ciência e relações sociais, são consequências diretas da evolução da física no século XX, especialmente da tecnologia de semicondutores e do laser (BINDLOSS, 2013). Outro exemplo notável que advém da mecânica quântica são os Supercondutores, utilizados na fabricação dos trens Maglev ( Magnetic Levitation - Levitação Magnética) e na obtenção de imagens médicas por ressonância magnética nuclear (OSTERMANN, 2005).

Nesse contexto, a escola não deve ficar alheia ao que acontece no mundo, tendo em vista que ela é a grande responsável pela transformação da sociedade (BARBOSA, 1997).

Portanto, torna-se necessário fornecer as condições instrumentais adequadas para que o professor de Física possa também abordar conceitos e aplicações da Física Moderna e Contemporânea (FMC), tendo em vista que a literatura sobre este assunto destinada a Ensino Médio ainda é escassa. Dessa forma, este trabalho abordou uma forma para que efetivamente a FMC seja introduzida no Ensino Médio, utilizando-se o tema Supercondutividade. Esse tema foi utilizado como tema gerador para ensinar aos professores do Ensino Médio os conceitos clássicos de eletromagnetismo, os quais foram organizados e desenvolvidos por meio de um mapa conceitual.

## 2. DESCRIÇÃO DO TRABALHO DESENVOLVIDO

A fim de que os professores do Ensino Médio aprendessem os conceitos de eletromagnetismo clássicos, usando como tema gerador a Supercondutividade,

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tivemos que iniciar o curso com os fundamentos teóricos de Supercondutividade, adotando uma apresentação sucinta, a qual está descrita abaixo

## 2.1. APRESENTAÇÃO DOS CONCEITOS TEÓRICOS E ATIVIDADES EXPERIMENTAIS

Para fazer uso do fenômeno da Supercondutividade é necessário compreender seus fundamentos. Nesse contexto, foi utilizado como uma introdução ao curso, o artigo 'Tópico de Física Contemporânea no Ensino Médio: um Texto para Professores sobre Supercondutividade' (OSTERMANN et a l, 1998), que inclui um resgate histórico referente à Supercondutividade.

Para mostrar como esses conceitos foram ministrados aos professores do Ensino Médio, a seguir, apresentam-se os conceitos básicos deste interessante fenômeno físico.

A supercondutividade foi observada pela primeira vez em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Ao estudar a variação da resistência elétrica em uma amostra de mercúrio, K. Onnes verificou que, ao se atingir a temperatura de 4,2 K, a resistência do mercúrio caía abruptamente a zero, conforme mostra a figura 1 (PUREUR, 2004). Este estado de resistência elétrica nula foi denominado estado supercondutor e, a temperatura na qual este fenômeno ocorre foi chamada de temperatura de transição ou temperatura crítica (TC).

Figura 1 - Resistência Elétrica do mercúrio em função da temperatura.

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Outra característica do estado supercondutor foi descoberta em 1933 por Walther Meissner e Robert Ochsenfeld. Esses cientistas, durante o estudo do comportamento de amostras de estanho em função da temperatura e na presença de um campo magnético, observaram outra importante característica do estado supercondutor. Em temperaturas maiores que a temperatura crítica (T &gt; TC), e na presença de um campo magnético externo, de pequena intensidade, o fluxo magnético penetra normalmente no interior de uma amostra supercondutora. Resfriando-se este material, na presença do campo magnético externo, de forma que este atinja o estado supercondutor (T &lt; Tc), eles observaram a expulsão abrupta do fluxo magnético do interior do material em T = TC. Este fenômeno, representado na figura 2, ficou conhecido como Efeito Meissner (PUREUR, 2004).

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Figura 2 - O efeito Meissner em um supercondutor. Abaixo da Tc as linhas de indução são expulsas do interior do material.

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A introdução teórica sobre supercondutividade descrita acima, foi realizada ao longo de duas manhãs. As discussões teóricas, realizadas em aulas presenciais e também na Plataforma de Educação à Distância da UEPG (AVA - Ambiente Virtual de Aprendizagem), foram combinadas com atividades experimentais e, totalizaram 52 h, sendo 32 h presenciais e 20 h realizadas no ambiente virtual (AVA). A seguir, são descritas de maneira resumida as etapas realizadas.

Inicialmente, realizou-se o processamento e a caracterização de uma amostra supercondutora de YBa2Cu3O7-x. Primeiramente foi calculada a estequiometria utilizada dos óxidos precursores: Y2O3 (óxido de ítrio), BaCO3 (carbonato de Bário) e CuO (óxido de cobre). Em uma balança de precisão, mediuse a massa dos óxidos precursores. Os precursores foram misturados e macerados por 2 duas horas. Na sequência, realizou-se a primeira calcinação. Para garantir a formação completa da fase supercondutora, o processo de maceração e calcinação foi repetido por duas vezes. Em seguida, o pó foi prensado na forma de uma pastilha (amostra) cilíndrica, que foi levada ao forno para o processo de sinterização, quando ocorre o crescimento e um melhor acoplamento dos grãos da amostra supercondutora. Finalizado o processamento, a amostra foi preparada para medida da resistividade. Além disso, a amostra foi observada e fotografa através de um microscópio óptico. Uma parte do pó da amostra foi usada para a realização medidas de raios X. Por fim, deve-se destacar que foi demonstrado experimentalmente o Efeito Meissner.

Todas essas etapas experimentais foram desenvolvidas ao longo de 4 tardes de sábados. Ao mesmo tempo, as manhãs eram utilizadas para discussões teóricas dos conceitos de supercondutividade e eletromagnetismo clássico. Ao terminar a discussão desses conceitos, os alunos passaram a organizar esses conceitos através de um mapa conceitual elaborado por um dos autores do presente trabalho. A seguir, descrevemos esse mapa conceitual

## 2.2. O MAPA CONCEITUAL E A SUPERCONDUTIVIDADE

Os mapas conceituais são uma forma de organização dos conceitos que auxiliam na construção do conhecimento de forma a promover uma aprendizagem significativa. A técnica do mapeamento conceitual foi criada por Novak, como uma forma de aplicação da teoria da aprendizagem de Ausubel (MOREIRA, 1993a).

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De acordo com Novak apud Almeida e Moreira,

mapas conceituais são ferramentas para a organização e representação do conhecimento, hierarquizando conceitos, usualmente colocados dentro de círculos, conectados por linhas e palavras (conectores) que representam as relações entre esses conceitos (2008, p. 4403).

E ainda, segundo Moreira os mapas conceituais,

são diagramas que indicam relações entre conceitos (apenas conceitos) e procura refletir a estrutura conceitual de certo conhecimento. Mais especificamente, podem ser vistos como diagramas conceituais hierárquicos. Construí-los, "negociá-los", apresentá-los, refazê-los, são processos altamente facilitadores de uma aprendizagem significativa. (2000, p 6 )

Dessa forma, utilizando o fenômeno da Supercondutividade, ou seja, um tema da FMc como objeto gerador, construiu-se um mapa conceitual, e a partir das duas características fundamentais de um supercondutor: a resistividade nula e o efeito Meissner, foram desenvolvidos os conceitos de eletromagnetismo, como representado na figura 3.

Figura 3 Mapa Conceitual preliminar. Estudo dos conceitos do Eletromagnetismo por meio de um mapa conceitual onde o objeto é o fenômeno da Supercondutividade.

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Como exemplo do desenvolvimento dos conceitos de Eletromagnetismo, por meio do mapa conceitual, primeiramente abordou-se o conceito de resistência elétrica e resistividade elétrica. Nesse contexto, recorreu-se a estrutura cristalina dos materiais. Esse fato, dificilmente é abordado no Ensino Médio. Assim, resistência elétrica foi definida como o resultado da colisão dos elétrons com as impurezas e as imperfeições da rede cristalina. Dessa forma, de acordo com a Física de Estado Sólido, a resistência elétrica dos metais depende do número de elétrons livres e da mobilidade destes na rede cristalina. É por essa razão que, na literatura sobre Física utilizada no Ensino Médio, a resistência elétrica é mais comumente definida como

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uma dificuldade oferecida à passagem de corrente elétrica. Portanto, o uso do mapa conceitual propiciou aos professores do Ensino Médio uma compreensão mais correta e profunda sobre o conceito de resistência elétrica.

Os demais conceitos abordados no mapa conceitual foram desenvolvidos de forma semelhante. Além disso, através desse mapa ficaram evidentes as relações entre tais conceitos. A descoberta dessas relações foi uma novidade para muitos professores, pois eram acostumados a desenvolver esses conceitos como se não existissem relações entre eles.

A seguir, descrevemos alguns dos principais resultados obtidos.

## 3. RESULTADOS

A implementação deste curso ao público ao qual ele se destinou se justificou pelo fato que, dentre participantes, 50%, em um total 14 professores, não têm graduação em Física, o que dificulta a abordagem de conceitos da FMC no Ensino Médio. Dos professores não graduados em Física, seis têm formação em Matemática e um é graduado em Química. Os demais, graduados em Física, tiveram contato com esses conceitos, mas não aprenderam como ensiná-los de uma maneira eficaz no Ensino Médio.

A escolha do artigo 'Tópico de Física Contemporânea no Ensino Médio: um Texto para Professores sobre Supercondutividade' (OSTERMANN et a l, 1998) foi motivada pela abordagem diferenciada em relação à literatura do Ensino Médio. Nesse artigo, o resultado final da teoria não é apresentado diretamente, mas contempla-se a forma como os conceitos evoluíram, quais ideias acerca do fenômeno foram refutadas e quais os conceitos são aceitos atualmente.

Segundo os professores participantes, foi importante o resgate histórico relativo à supercondutividade, pois este resgate mostrou que a Física é uma construção humana e que a descoberta de um determinado fenômeno não ocorre imediatamente, como muitas vezes a literatura disponível para o Ensino Médio faz parecer. E ainda, o resgate histórico é uma forma de mostrar para os alunos do Ensino Médio que muitos fatores sociais, econômicos e culturais influenciam no desenvolvimento de ideias científicas.

No grupo participante, verificou-se que há uma certa resistência por parte dos educadores do Ensino Médio, em geral, em introduzir em suas aulas a FMC. Dessa forma, a abordagem adotada no curso, discutindo os conceitos clássicos de eletromagnetismo a partir de um tema da FMC, pode contribuir para quebrar a resistência dos professores em introduzir nas suas aulas os temas de FMC, que já tem um século de existência.

Em relação ao mapa conceitual utilizado, evidenciou-se que as propriedades supercondutoras dos materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas. Dessa forma, a parte central do mapa une os conceitos de eletricidade e magnetismo. Esse fato dificilmente é abordado no Ensino Médio.

Assim, procurou-se mostrar que, por meio de um tema central da FMC como a Supercondutividade, é possível desenvolver os conceitos clássicos de eletromagnetismo. Espera-se, com esta abordagem, introduzir conceitos da FMC no Ensino Médio e ainda mostrar a linha tênue existente entre a Física Clássica e a FMC. Além disso, deve-se destacar a importância do mapa conceitual elaborado, que possibilita verificar as inter-relações e a abrangência dos conceitos fundamentais de uma teoria.

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Com relação ao mapa conceitual e às atividades do curso que revisaram temas clássicos a partir da supercondutividade, os comentários dos professores A e B, a seguir, representam, de um modo geral, as avaliações dos demais participantes do curso.

'O material didático 'A Supercondutividade como tema gerador para o ensino de Eletromagnetismo', que mostra o mapa conceitual, apresenta uma forma de abordagem que favorece tanto a formação dos professores em relação aos conteúdos relacionados à FMC, em especial supercondutividade, como oferece também material de apoio para o trabalho com os alunos. O material aborda os conceitos fundamentais, a classificação dos supercondutores, suas principais aplicações além de propor um mapa conceitual para o desenvolvimento dos conteúdos de eletromagnetismo de uma forma diferente do formato tradicionalmente descrito nos livros didáticos' (Prof A).

'Apesar desse assunto ser para alunos de graduação em Física, a ministrante do curso conseguiu abordá-lo como um tema gerador e obter os conceitos clássicos de eletromagnetismo com perfeição. Realmente, foi dado um novo olhar, uma nova abordagem com esse seu material didático. Parabéns!". (Prof B).

Através do processamento e caracterização da amostra supercondutora e da demonstração do Efeito Meissner, evidenciou-se a importância da relação teoriaprática no ensino de Física. Desse modo, os conceitos foram assimilados de forma mais significativa, propiciando a construção do conhecimento, conforme o relato do prof. A

'Todos os cursos ofertados para nós são teóricos. Assim fazer a amostra supercondutora e medir a sua resistividade e observar a levitação magnética foi importante, pois vimos na prática o que foi estudado na parte teórica. Esse formato de curso auxilia no entendimento dos conceitos físicos tratados ' (Prof A).

## 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

De acordo com os depoimentos relatados pelos professores participantes durante e ao final do curso de capacitação (como os depoimentos dos professores A e B citados no tópico anterior), verificou-se que a formação dos professores realizouse de forma satisfatória, pois a teoria foi desenvolvida paralelamente às atividades experimentais, o que propiciou a construção do conhecimento científico de um modo mais eficaz e significativo.

Verificou-se ainda que a utilização do mapa conceitual propiciou a interrelação entre os conceitos da Física Clássica e da FMC e que, dessa forma, o fenômeno da supercondutividade pode ser empregado como tema gerador para a abordagem de eletromagnetismo.

E ainda verificou-se que a introdução da FMC no Ensino Médio faz-se necessária devido aos inúmeros recursos tecnológicos vigentes, cujo funcionamento fundamenta-se em seus conceitos.

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## 5. REFERÊNCIAS

ALMEIDA, V. O. MOREIRA, M. A. Mapas conceituais no auxílio à aprendizagem significativa de conceitos da óptica física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 4, 4403 (2008).

BARBOSA, J. R. A. (Re) Construindo a Escola para os Novos Tempos. Democratizar. V.1, n.1, set./Dez. 1997.

BINDLOSS, I. A. Contributions of physics to the information age . Disponível em: &lt;http://www.physics.ucla.edu/~ianb/history/&gt; Acesso em: 24 novembro 2013.

EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica de Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas . 6a ed. Rio de Janeiro: Campus, 1988.

MOREIRA, M. A. A teoria de aprendizagem Significativa de David Ausubel. Porto Alegre, Instituto de Física da UFRGS. Monografias do Grupo de Ensino. Série Enfoques Didáticos, n.1. Série Enfoques Teóricos, n.10, 1993a.

MOREIRA, M. A. Aprendizagem Significativa Crítica. Versão revisada e estendida da conferência proferida no III Encontro Internacional sobre Aprendizagem Significativa, Lisboa, setembro de 2000. Publicada nas Atas desse Encontro, pp. 33-45, com o título original de Aprendizagem significativa subversiva. Publicada também em Indivisa, Boletín de Estúdios e Investigación, nº 6, pp. 83-101, 2005. Disponível em: http://moreira.if.ufrgs.br/apsigcritport.pdf. Acesso: 10/04/2014.

OSTERMANN, F. et al. Tópico de Física Contemporânea no Ensino Médio: um Texto para Professores sobre Supercondutividade. Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol 20, no 3, 1998.

OSTERMANN, F.; RICCI, T. F. Relatividade Restrita no Ensino Médio: Contração de Lorentz-FitzGerald e aparência visual de objetos relativísticos em livros didáticos de Física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 19, n.2: p. 176-190, ago. 2002.

OSTERMANN, F.; PUREUR, P. Supercondutividade. Temas atuais em Física. 1a edição. São Paulo: Editora Livraria da USP - SBF, 2005.

PUREUR, P. Supercondutividade e Materiais Supercondutores . Parte I: Supercondutividade. Porto Alegre: Instituto de Física-UFRGS, 2004.

TIPLER, P. A. Física . Física Moderna: Mecânica Quântica, Relatividade e a Estrutura da Matéria. vol 3. 4a ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

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