O ENSINO DA RADIOATIVIDADE E FÍSICA NUCLEAR COM O USO DE SIMULADORES

## O ENSINO DA RADIOATIVIDADE E FÍSICA NUCLEAR COM O USO DE SIMULADORES

*Letícia Estevão Moraes , *Franciéle Gonçalves de Oliveira , Antonio Augusto 1 1 Soares 1

1 Universidade Federal de São Carlos/Departamento de Física, Química e Matemática, leticia.ufscar@gmail.com

## Resumo

A inserção da Física Moderna e Contemporânea (FMC) enquanto matéria de conhecimento no nível médio da educação básica tem sido defendida por diversos autores, no entanto, diante dos avanços tecnológicos e científicos, poucos estudos têm sido realizados na utilização de computador e outras mídias no ensino de FMC. Nesse sentido, motivados pela proposta de trabalhar FMC em um grupo de estudantes do 3º ano do Ensino Médio numa escola pública localizada no interior do estado de São Paulo, neste trabalho foram utilizadas algumas maneiras de fazer uso do computador e de simuladores para uma melhor compreensão dos fenômenos físicos nesta área pouco estudada nas escolas. Para tanto, foram explorados os tópicos de Radioatividade e Física Nuclear, usando as simulações interativas do projeto 'Physics Educational Technology' (PhET) da Universidade do Colorado. Com isso, possibilitou-se uma melhor compreensão dos fenômenos físicos, abordando temas da atualidade e proporcionando maior clareza do uso e aplicações destes temas no cotidiano do estudante. Foi investigado no decorrer deste trabalho se o uso de simuladores em sala de aula consiste, de fato, em uma efetiva ferramenta no processo de ensino-aprendizagem de tópicos de FMC. Além disso, estudou-se a contribuição dos temas no despertar de interesse nos estudantes pelos mesmos. Também foi feita uma análise das possibilidades e limitações de tais simuladores no processo ensino-aprendizagem.

Palavras-chave : Ensino de Física, Física Moderna e Contemporânea, Simuladores.

## Introdução

Poucos estudos têm sido realizados na utilização de computador e outras mídias no ensino de Física Moderna e Contemporânea (FMC) (ARAÚJO, 2004). Atualmente, diante dos avanços tecnológicos e científicos, cada vez mais nos deparamos com a utilização das tecnologias que chegam para a sociedade por meio das mídias, com novos aparatos tecnológicos, computadores cada vez mais rápidos e menores, novos celulares, dispositivos automáticos, usos do laser em medicina e nas telecomunicações etc. Tudo isso e muito mais está presente em casa, nas lojas, carros, nos hospitais, supermercados, aeroportos, entre outros. Uma vez que os estudantes estão expostos a essas tecnologias e informações, se faz necessário refletir sobre o ensino da física, pois em geral, é a ciência cuja base fundamenta muitas das explicações relacionadas a esses aparatos da sociedade atual.

A presença dos computadores no ensino de ciências configura-se como uma ferramenta no auxílio de demonstrações de experiências, resoluções de problemas, produções de textos, aquisições de dados, simulações, entre outros. Em outros termos, o computador pode ser inserido no ambiente escolar como uma complementação para o ensino e como ferramenta para o professor. Neste sentido, recursos tecnológicos têm sido utilizados para aprimorar a qualidade do ensinoaprendizagem, especialmente em física, no qual os estudantes podem visualizar o que está sendo estudado e assimilar melhor os conteúdos (OLIVEIRA, 2011).

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26 a 30 de janeiro de 2015

Segundo a proposta presente nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) (BRASIL, 2002), o estudo da Matéria e Radiação tem como escopo,

[...] promover nos jovens competências para, por exemplo, ter condições de avaliar riscos e benefícios que decorrem da utilização de diferentes radiações, compreender os recursos de diagnóstico médico (radiografias, tomografias, etc.), acompanhar a discussão sobre os problemas relacionados à utilização da energia nuclear ou compreender a importância dos novos materiais e processos utilizados para o desenvolvimento da informática. ( Grifo nosso ) (BRASIL, 2002:28).

Abordar conceitos de FMC nas escolas no contexto de Ciência e Tecnologia é de suma importância para que o estudante possa lidar com questões de impactos sociais e ambientais. Deste modo, a realidade escolar indica a necessidade de repensar o currículo, de modo a conduzir as aulas de física para abordagens que contribuam para uma formação abrangente do estudante, permitindo-o aprender conceitos básicos da ciência e preparando-o para se posicionar de forma crítica sobre as questões cotidianas (MACHADO; NARDI, 2007).

Segundo Medeiros (2002) a FMC é apresentada atualmente de forma muito abstrata e de difícil compreensão, fazendo com que a Matemática seja a ferramenta essencial no desenvolvimento da Física. Deste modo, é necessário desenvolver atividades voltadas para a parte conceitual do fenômeno, não se restringindo apenas a equações e fórmulas. Para Terrazzan (1994) o uso excessivo de ferramental matemático não se faz necessário na escola média, pois a abordagem de FMC no Ensino Médio (EM) se justifica pelo seu conteúdo, pelo movimento da Física e pela história da ciência moderna, incluindo seus debates, discussão de experimentos e controvérsias da época, mostrando aos estudantes a ciência como construção humana, que não está pronta, acabada e nem é uma verdade absoluta. No que tange à parte experimental, a maioria das experiências de FMC não é realizada em laboratórios escolares devido às deficiências de infraestrutura. Neste sentido, tornase fundamental que os tópicos sejam apresentados e trabalhados através do uso de simulações computacionais e problematizados através de abordagens CTSA (Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente). Corroborando com essa discussão, Brockington e Pietrocola (2003) afirmam que,

Talvez uma característica importante da simulação é que ela é capaz de 'embutir' todo o formalismo matemático de determinadas partes da Física. Assim, o aluno mesmo sendo incapaz de fazer ou compreender a sofisticação matemática envolvida em um determinado experimento ou fenômeno, pode usar a simulação e entender a Física ali apresentada. As simulações, diferentemente das animações, podem fazer previsões, podendo então testar hipóteses construídas pelos alunos. As simulações são capazes de fazer a mediação entre o pensar e colocar o pensamento em ação. (BROCKINGTON; PIETROCOLA, 2003:2).

Motivados pela proposta de trabalhar FMC em um grupo de estudantes do EM numa escola localizada no interior do estado de São Paulo, neste trabalho foram utilizadas algumas maneiras de fazer uso do computador e de simuladores para uma melhor compreensão dos fenômenos físicos nesta área pouco estudada nas escolas. Foi investigado no decorrer deste trabalho se tais ferramentas contribuíam para despertar interesse nos estudantes pelo tema em questão de modo a auxiliar no processo de ensino-aprendizagem de física.

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## Referencial Teórico

Medeiros (2002) refere-se ao uso do computador em sala de aula como papel heurístico para o ensino de FMC e não deve apenas ser apresentado como um modelo algorítmico ou simplesmente ilustrativo. Valente (1999) faz uma análise dos diferentes tipos de softwares utilizados na educação, permitindo analisar como de fato ocorre o processo de construção de conhecimento através destes, e conhecer as vantagens e desvantagens da utilização de cada um(a).

As simulações contribuem de diversas formas dependendo do grau de interação entre o estudante e o software , dentre elas podemos citar: aumentar a concentração no experimento, proporcionar um feedback para o professor, permitir gerar e testar hipóteses, apresentar uma versão simplificada da realidade proporcionando melhor compreensão de conceitos abstratos etc. Porém, deve-se acentuar que em sistemas reais o tratamento de dados é mais complexo e que simuladores são representações e restrições de modelos que em alguns contextos tem validade e são razoáveis com a representação da natureza (VALENTE, 1999). Para Vygotsky (1991), é na interação entre pessoas que se constrói o conhecimento, e a mediação é essencial no processo ensino-aprendizagem. A Zona do Desenvolvimento Proximal (ZDP) estudada por Vygotsky, diz que:

Ela é a distância entre o nível de desenvolvimento atual determinado pela resolução independente de problemas e o nível de desenvolvimento potencial determinado pela resolução de problemas sob orientação ou em colaboração com parceiros mais capazes. (VYGOTSKY, 1991:97).

Nesse sentindo, a ZDP é a distância entre aquilo que o estudante já sabe e aquilo que tem potencialidade de aprender, no qual o professor pode mediar e refletir sobre os significados dos conteúdos estudados, auxiliando os estudantes no processo de ensino-aprendizagem. O computador, como instrumento de aprendizagem no processo de apropriação da cultura e do conhecimento, apresenta grande potencial para o desenvolvimento da ZDP, pois, quando utilizado de forma adequada pelo professor, permite aos estudantes relacionar o conhecimento de física aprendido em sala de aula com aquele conhecimento desenvolvido ao longo da sua experiência de vida, dando maior significado ao conteúdo em questão.

Através da possibilidade do uso do computador em sala de aula, o ensino de FMC pode se beneficiar de novas tecnologias computacionais, principalmente em situações onde o grau de complexidade do tema estudado é maior. Wilson e Redish (1989) afirmam que 'embora o computador tenha revolucionado o modo como se faz a investigação em física, o mesmo não alterou o modo de ensinar física' (p.35). Apesar de esta contestação ter duas décadas, sua validação ainda é fortemente presente nas escolas públicas brasileiras. Portanto, na busca de apresentar tópicos de FMC em sala de aula, se tem por pretensão ampliar o conhecimento físico do estudante, construindo um quadro com diferentes fenômenos e processos relevantes para a formação de jovens cidadãos contemporâneos, críticos e atuantes.

Deste modo, neste trabalho buscamos apresentar a proximidade da FMC com a realidade do estudante através do estudo dos temas de Radioatividade e Física Nuclear, utilizando algumas simulações interativas do projeto Physics Educational Technology (PhET) da Universidade do Colorado. A abordagem de cada tópico foi realizada após uma explicação teórica seguida de atividades que serão

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especificadas na próxima seção, contextualizandoa importância do tema e despertando o senso crítico nos estudantes. Além disso, outro objetivo deste trabalho é também analisar algumas possibilidades e limitações do uso do computador e simuladores no processo de ensino-aprendizagem em física.

## Procedimentos Metodológicos

O presente projeto que se encontra em andamento tem como perspectiva incorporar o uso de simuladores nas aulas de um grupo de estudantes do 3° ano do EM de uma escola pública, para verificar se estes constituem, de fato, uma efetiva ferramenta no processo de ensino-aprendizagem dos tópicos de FMC. Além disso, avaliou-se a contribuição do computador como um facilitador da atitude do professor como mediador na ZDP para a construção do conhecimento. Portanto, no desenvolvimento das atividades em sala de aula, foram utilizados simuladores do projeto PhET Colorado nos tópicos de Radioatividade e Reações Nucleares. 1

Primeiramente foi tratado o tema da Radioatividade, apresentando os conceitos de estabilidade nuclear e tipos de decaimentos (alfa, beta e gama). De forma sucinta, porém sem perder a generalidade, foram explicadas as leis de cada decaimento e, para facilitar a compreensão do conteúdo, foi utilizado um jogo lúdico chamado 'Dominó radioativo' para as séries do urânio e do tório. Tal jogo teve como objetivo mostrar o fato de que dificilmente o núcleo se estabiliza com apenas uma transformação, e que ocorre uma série de outras transformações que levam a uma série. Tal sequência de transformações é que constituem as famílias radioativas. Com essa atividade os estudantes puderam conhecer as transformações nucleares que dão origem à radioatividade e compreender a diferença do decaimento alfa e beta presentes nas famílias radioativas. Feito isso, foi apresentado o simulador 'Jogo da Datação Radioativa' (ver figura 01), para estudar os conceitos de meia-vida e discutir a natureza aleatória do decaimento nos núcleos.

Figura 01: Na aba 'Meia-vida', pode ser observada a meia-vida dos isótopos radioativos (círculo tracejado, ao lado é apresentado zoom da imagem).

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Utilizando a aba 'Medida' desse simulador, representado na figura 02(a), mostrou-se como é o funcionamento da datação radiométrica. Isso é possível porque tal simulador permite escolher o objeto a ser datado (árvore ou rocha vulcânica, por exemplo) e para cada um destes objetos escolhe-se um tipo de elemento radioativo ideal para ser usado em sua datação. Sendo assim, para a árvore é utilizando o carbono-14 e para a rocha vulcânica o urânio-238, devido aos diferentes tempos de meia-vida.

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Já a figura 02(b) mostra a tela do simulador para o 'Jogo da datação', mostrando que para cada objeto há um tipo de elemento de datação mais indicado. Ao se aproximar o contador Geiger do objeto, na parte superior da tela é mostrado o percentual do elemento radioativo presente na amostra, possibilitando calcular a idade de um objeto. Na mesma tela é mostrado um gráfico para visualizar a taxa de decaimento, permitindo contextualizar os conceitos trabalhados e problematizar situações.No encontro posterior foram trabalhados os conteúdos relativos às reações nucleares tais como Fissão e Fusão Nuclear, dando maior ênfase ao primeiro. Foi usado o simulador Fissão Nuclear mostrado na figura 03.

Figura 02: Simulador 'Jogo da Datação Radioativa', para aba 'Medida' (a), e aba 'Jogo da Datação' (b), mostrando como a datação radiométrica funciona e como diferentes elementos são usados para datar objetos diferentes, ao lado é mostrado zoom das imagens.

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Na aba 'Reação em Cadeia' (figura 03), pôde-se escolher o elemento urânio-235 ou urânio-238, e a quantidade de núcleos, tornando-se limitada quando se coloca a câmara de contenção. Ao disparar o nêutron, através da arma de nêutrons, sobre os núcleos de urânio-235 visualiza-se a reação em cadeia, onde o elemento físsil decai em dois elementos menos radiativos e há liberação de três novos nêutrons, mostrando como um único nêutron de baixa energia pode dar origem a uma reação em cadeia. Ao disparar o nêutron sobre núcleos de urânio-238 nada acontece, pois sua fissão só ocorre com nêutrons de alta energia.

Utilizando um vídeo intitulado 'Energia Nuclear -Como Funciona' 2 , demonstrou-se como acontece a produção de energia nuclear no Brasil. Como complementação também foi apresentada uma animação (figura 04) para visualizar 3 o processo de produção de energia em uma usina nuclear. Na aba 'Reator Nuclear' do simulador 'Fissão Nuclear', foi possível mostrar uma representação do interior do reator e como as barras de controle são usadas para retardar a reação. Isso permitiu

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aos estudantes visualizar a função da água de refrigeração no processo de controle da temperatura e da pressão em uma usina nuclear.

Figura 03: Simulador 'Fissão Nuclear', mostrando como acontece o processo de fissão para um núcleo e como se dá a reação em cadeia.

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Figura 04: Tela da animação do funcionamento de uma Usina Nuclear.

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Como o tema tratado gerou várias inquietações, foi possível discutir as vantagens e as desvantagens da energia nuclear. Por um lado foi apresentado a História da Bomba Atômica e a música Rosa de Hiroshima, que é um poema de Vinícius de Moraes e foi regravada por Ney Matogrosso. E por outro lado, foram mostrados os benefícios dessa energia e como ela está presente em nossas vidas.

## Resultados e Discussões

No primeiro momento, após a explanação sobre radioatividade e do jogo lúdico, foram explorados os conceitos de meia-vida. Foi apresentada aos estudantes a técnica da datação por Carbono-14. Como exemplos foram utilizados o Parque Nacional Serra da Capivara, localizada no sudeste do Piauí; a Caverna de Chauvet, no sul da França, que é o sítio arqueológico mais importante do mundo; o dente de dinossauro carnívoro que foi encontrado por paleontólogos em MG, entre outros. Foi salientado que a técnica utilizada para determinar a idade de objetos antigos é através da datação radiométrica, tais como carbono-14 e urânio-238.

A utilização do simulador 'Jogo da Datação Radioativa' contribuiu para que os estudantes conseguissem visualizar como ocorre o processo de decaimento e que a meia-vida é o tempo para que metade de uma amostra radioativa decaia do átomo pai para o átomo filho. A aba 'Medida' de tal simulador (figura 02(a)), contribuiu para a compreensão de que para objetos com diferentes idades utilizamse diferentes elementos químicos para a datação. Rochas vulcânicas apresentam idades superiores a milhões ou bilhões de anos, já uma árvore tem idade inferior a milhões de anos. Os estudantes conseguiram presumir que para rocha vulcânica se faz necessário o uso da datação por urânio-238, enquanto que para uma árvore

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pode-se usar o carbono-14. No entanto, esse simulador apresenta algumas limitações, pois na aba Jogo da datação, ao apontar o contador Geiger sobre alguns objetos, tais como o crânio de dinossauro ou o fóssil de peixe, a porcentagem do carbono-14 ou urânio-238 é 0,0%, não sendo possível adivinhar a idade do objeto.

No segundo momento foram expostos os conceitos de fissão e fusão nuclear com o uso do simulador representado na figura 03. Os estudantes demonstraram entendimento sobre a ideia de elemento físsil, conseguindo visualizar que no processo de fissão há a liberação de dois elementos secundários e três nêutrons, levando a apresentação da reação em cadeia através da aba 'Reação em Cadeia'.

Foi perguntado aos estudantes, se na liberação de três nêutrons em uma reação na qual existem mais elementos radioativos físseis nas proximidades, o que eles esperariam que ocorresse. Os estudantes não haviam percebido ainda que os três nêutrons que eram resultado do processo de fissão do primeiro núcleo apresentavam as mesmas características do nêutron inicial. Após a utilização do simulador os estudantes se surpreenderam com a quantidade de reações e que uma ocorria como resultado da outra, facilitando assim a compreensão do processo de reação em cadeia. Como aplicação deste conceito no cotidiano dos estudantes, foi apresentada uma animação de uma usina nuclear, na qual se pode mostrar como ocorre a obtenção de energia através do processo de fissão nuclear.

Usando a aba do simulador 'Reator Nuclear' e a animação, foi exposta a ideia principal da importância do sistema secundário de refrigeração para não ocasionar o superaquecimento do reator, e, neste momento os estudantes abstraíram sobre este conceito e o relacionaram com o acidente nuclear de Fukushima, no Japão, ocorrido em 2011. Houve uma maior interação dos estudantes neste tópico, pois este é um tema muito repercutido nas mídias e um desses estudantes cita que: 'A TV fala desses assuntos, mas antes eu não tinha nem ideia do que era. Agora eu posso argumentar e entender' (Estudante A).

Os estudantes, de forma geral, afirmou que o uso dos simuladores, além de possibilitar uma melhor visualização dos processos, os incentiva a ter mais interesse pelo tema de modo a fazerem mais questionamentos sobre o assunto. Também mencionaram que seria interessante o seu uso em todas as disciplinas. Portanto, de acordo com Vygotsky, é nesse momento de interação que é possível mediar os conhecimentos trazidos pelos estudantes com as novas informações a serem adquiridas, fazendo com que ele não crie uma visão distorcida do fenômeno, e o computador como um instrumento para o ensino, auxilia na construção de conceitos, proporcionando uma maior interação e participação dos estudantes.

Pode-se concluir então que o uso do computador demonstra eficácia na melhoria da prática docente, seja para introduzir novos tópicos, refletir ou revisar conteúdos ou até mesmo construir conceitos. É claro que o professor deve salientar aos estudantes que as simulações, em geral, são modelos simplificados da realidade, para não correr o risco de induzi-los a uma ideia errada do fenômeno. A utilização de simuladores também contribui para que os estudantes entendessem melhor o conteúdo apresentado, pois permitiu visualizar modelos de conceitos abstratos em tempo real, trabalhar com conceitos prévios, hipóteses ou até mesmo com concepções alternativas. No entanto, não foi possível o estudante ter um contato direto com os simuladores nas atividades, pois embora a escola tenha sala de informática, no momento de nossa abordagem ela não apresentava um técnico responsável pelo local e muitos computadores se encontravam em manutenção.

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## Considerações Finais

No estudo aqui apresentado, fez-se uso de simuladores computacionais para ensinar tópicos de FMC e foi averiguadode acordo com as referências utilizadas que o simulador ajuda na visualização do fenômeno, no entanto é imprescindível a mediação do professor no processo de ensino-aprendizagem.

Verificou-se ainda que o uso de simuladores, além de possibilitar o conhecimento e o aprofundamento dos conceitos, ajuda em uma melhor interpretação dos fenômenos físicos. Notou-se também que durante o desenvolvimento deste trabalho, poucos estudos haviam sido realizados nesta área, ficando evidente a necessidade de mais estudos sobre o uso de mídias no ensino de física e outras ciências, possibilitando assim um ensino contextualizado e mais próximo com o cotidiano do estudante. Acredita-se que a continuidade desses estudos, a partir de questões propostas e da interação presenciada entre os alunos e os simuladores, possa auxiliar na complementação do estudo realizado, possibilitando um aprofundamento sobre os aspectos metodológicos, quais são as implicações e os impactos da socialização do conhecimento científico para a formação da cidadania.

## Referências Bibliográficas

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