Desenvolvimento de um jogo didático de Física de Partículas para o Ensino Médio

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## Desenvolvimento de um jogo didático de Física de Partículas para o Ensino Médio

*Paulo Victor Nogueira da Costa , Amanda Allersdorfer , Marcia Begalli 1 1 1

1 Instituto de Física - UERJ (Universidade do Estado do Rio de Janeiro) marcia.begalli@gmail.com, nogueirapv@gmail.com

## Resumo

Este trabalho apresenta os processos de criação de um jogo didático e sua avaliação pelos alunos voluntários, tanto do Ensino Médio quanto do curso de Graduação em Física. O jogo visa auxiliar o ensino Física de Partículas, ou Física de Altas Energias, estendendo para os conceitos de Física Moderna e Contemporânea. É um jogo de tabuleiro, para tornalo aplicável e atraente aos alunos, passamos por três vias de construção e fizemos vários testes. Por se tratar de um jogo didático, o construímos com perguntas e respostas, no qual, para se avançar no tabuleiro, é necessário que os alunos acertem as respostas às perguntas sobre a temática. Os testes de aplicação do jogo junto a estudantes nos surpreenderam de forma positiva, pois os mesmos mostraram interesse pela atividade em geral, se entusiasmaram, interagindo bastante uns com os outros. Sem ficar evidente que se tratava de um jogo de conteúdos da disciplina Física, todos jogaram por prazer, aprendendo ao mesmo tempo em que se divertiam.

Palavras-chave : Física Moderna e Contemporânea/Física de Partículas; jogo didático; Ensino de Física; ferramentas didáticas

## Introdução

Há vários anos tem-se procurado atualizar o currículo de Física do Ensino Médio, levando o aluno a entender a Física como parte de seu cotidiano e seu aprendizado como uma necessidade para adquirir o conhecimento necessário e desenvolver seu trabalho futuro, auxiliando-o também a entender a tecnologia que o cerca. Esse esforço continuado está refletido nos PCN (Parâmetros Curriculares Nacionais): 'A presença do conhecimento de Física na escola média ganhou um novo sentido a partir das diretrizes apresentadas nos PCN. Trata-se de construir uma visão que esteja voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na sociedade. Nesse sentido, mesmo os jovens que, após a conclusão do ensino médio, não venham a ter mais contato com o conhecimento em Física em outras instâncias profissionais ou universitárias ainda terão adquirido a formação necessária para compreender e participar do mundo em que vivem.

A Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitem perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos. Isso implica, também, na introdução à linguagem própria da Física, que faz uso de conceitos e terminologias bem definidos, além de suas formas de expressão, que envolvem, muitas vezes, tabelas, gráficos ou relações matemáticas. Ao mesmo tempo, a Física deve vir a ser reconhecida como um processo cuja construção ocorreu ao longo da história da humanidade, impregnada de contribuições culturais, econômicas e sociais, que vem resultando no desenvolvimento de diferentes tecnologias e, por sua vez, por elas impulsionado. ' (PCN+).

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A facilidade de comunicação através das mídias sociais, da internet, além dos noticiários e programas televisivos trouxe os assuntos de pesquisa de ponta ao cotidiano da população em geral, entre eles a Física de Altas Energias ou Física de Partículas Elementares. Explicar, mesmo que sucintamente, o que é o CERN e o bóson de Higgs, por exemplo, requer do professor um conhecimento que ele provavelmente não possui, bem como um tempo de aula do qual ele não dispõe. Por isto, no intuito de proporcionar ao professor do Ensino Médio um meio de introduzir a Física de Partículas Elementares, estendendo para conceitos de Física Moderna e Contemporânea em geral, produzimos um jogo que pode ser utilizado em aula e também em períodos vagos, ajudando a manter a ordem enquanto ensina.

## Jogo como Ferramenta Didática

Kishimoto fala a respeito da importância dos jogos: 'A importância dos jogos na educação tem oscilado ao longo dos tempos. Principalmente nos momentos de crítica e reformulação da educação, são lembrados como alternativas interessantes para a solução dos problemas da prática pedagógica. Tais oscilações dependem, basicamente, de reestruturações políticas e econômicas de cada país. Geralmente, em períodos de contestação, de inquietações políticas e crises econômicas, aumentam as pesquisas e os estudos em torno dos jogos.

Com a expansão de novos ideais crescem as experiências que introduzem o jogo com o intuito de facilitar tarefas do ensino, trazendo, em decorrência, algumas características que vale ressaltar. O desenvolvimento da ciência e da técnica constitui a fonte propulsora dos jogos científicos e mecânicos. '

Em Carmem de Paula vemos: 'Vygotski nos diz a respeito da importância de brinquedos e brincadeiras para a criação da situação imaginária e que o imaginário só se desenvolve quando se dispõe de experiências que se reorganizam. A qualidade dos contos, lendas e a quantidade de brincadeiras formarão um banco de dados de experiências culturais utilizadas nas situações interativas. Esse arquivo de imagens é fundamental para a construção do conhecimento e da socialização do jovem. '

A não execução de uma política educacional consistente, que respeite os aspectos conceituais e econômicos da Educação, faz com que a seleção de aspectos da cultura relacionados com o saber instituído na escola fundamental e média seja inadequada, dificultando a construção do conhecimento.

Vemos em Kishimoto sobre o papel da escola: 'É papel da escola a tarefa de tornar disponível os acervos culturais dos contos e brincadeiras tradicionais que dão conteúdo à expressão imaginativa do jovem, abrir o espaço para que a escola receba outros elementos da cultura que não a escolarizada para que beneficie e enriqueça o repertório imaginativo do jovem. '

Segundo Kishimoto temos que abrir a escola para a entrada da cultura, onde ela diz que: 'Fazer valer as ideias de Vygotski (1988,1987,1982), de que a cultura forma a inteligência e que a brincadeira favorece a criação de situações imaginárias e reorganiza experiências vividas é, também, o caminho apontado por Bruner (1996), para o desenvolvimento do conhecimento e da socialização da criança, para tal tem-se que abrir as portas da escola para a entrada da cultura e condicionar o saber a um fazer. '

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Em Julia Perucchetti Gallego verificamos a respeito da conscientização a respeito do uso dos jogos, onde ' É importante conscientizar os pais e profissionais da educação a respeito do papel do jogo na sala de aula, caso contrário, continuarão acreditando que é muito mais produtivo para seus filhos fazerem lições ao invés de ficarem 'brincando. ' Neste sentido, Kamii e De Vries (1990) destacam que 'os pais ficam mais satisfeitos quando seus filhos voltam com lições para a casa como prova de trabalho e aprendizagem', sendo que para estes pais o jogo 'parece apenas destinado à diversão e recreação' e não como artifício pedagógico, como recurso para a aquisição do conhecimento. '

Além de concordarmos com os pensamentos atuais referentes à aplicação de jogos no ensino, é importante ressaltar um apanhado histórico na evolução do emprego dos mesmos para o aprendizado da sociedade. A relevância do jogo no desenvolvimento humano e infantil nos remete à antiga Roma e à Grécia, com o nascimento das primeiras reflexões em torno da importância do brinquedo na educação. (MARAFON, 2009)

Podemos citar Kishimoto, que faz uma análise do uso de jogos didáticos ao longo do tempo, concluindo que ' No século XVIII ocorre a popularização dos jogos educativos. Antes restritos aos príncipes e nobres, agora se tornam veículos de divulgação, critica e doutrinação popular. Utilizados para o desempenho de papéis, difusão de ideias e crítica de personagens, tais jogos penetram no cotidiano popular.

No século XIX as escolas esforçam-se para colocar em prática princípios de Rousseau, Pestalozzi e Froebel. Rosseau, por exemplo, já aponta duas facetas no brinquedo: o objeto e a ação de brincar. A ação do sujeito, a relação estabelecida pela inteligência, que julga relevante ao desenvolvimento infantil. Pestalozzi segue seu mestre e procura estudar a ação mental do jovem, pesquisando as intuições necessárias ao estabelecimento de relações. '

Segundo Miranda (2001), vários objetivos podem ser atingidos, relacionados à cognição (desenvolvimento da inteligência e da personalidade, fundamentais para a construção de conhecimentos); afeição (desenvolvimento da sensibilidade e da estima e atuação no sentido de estreitar laços de amizade e afetividade); socialização (simulação de vida em grupo); motivação (envolvimento da ação, do desafio e mobilização da curiosidade) e criatividade (L. CAMPOS et al, 2002).

Assim, consideramos que a apropriação e a aprendizagem de conhecimentos são facilitadas quando tomam a forma aparente de atividade lúdica, pois os alunos ficam entusiasmados quando recebem a proposta de aprender de uma forma mais interativa e divertida, resultando em um aprendizado significativo (L. CAMPOS et al, 2002).

Neste sentido, o jogo ganha um espaço como a ferramenta ideal da aprendizagem na medida em que propõe estímulo ao aluno, desenvolve níveis diferentes de experiência pessoal e social, ajuda a construir suas novas descobertas, desenvolve e enriquece sua personalidade, e simboliza um instrumento pedagógico que leva o professor à condição de condutor, estimulador e avaliador. Ele pode ser utilizado como promotor das práticas escolares, possibilitando a aproximação dos alunos ao conhecimento científico, levando-os a ter uma vivência, mesmo que virtual da solução de problemas, que são, muitas vezes, muito próximas da realidade que o homem enfrenta ou enfrentou (VAZ, 2007).

- O Goethe Institut, em seu sítio na internet (GOETHE INSTITUT), chama a atenção para limitadores de aprendizado no uso dos jogos didáticos, já que neles existe sempre uma simplificação dos fenômenos e conceitos apresentados. Os problemas, perguntas, desafios

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colocados aos alunos nem sempre tem relação direta com a realidade vivida pelos mesmos, dificultando o uso e aplicação dos novos conceitos em seu dia a dia, resultando em esquecimento do que foi aprendido. Uma boa performance no jogo pode levar o aluno, e muitas vezes seus professores, a concluir que ele domina os novos conceitos ao invés de incentivá-lo a procurar mais informações sobre o assunto tema do jogo, aprendendo mais e mais sobre o assunto. O jogo precisa ser inserido como parte das atividades dos alunos, precisa ser construído de tal forma que tenha alguma correlação com a realidade dos alunos para os quais foi pensado.

Pozo (1998) ressalta que o professor deve auxiliar na tarefa de formulação e de reformulação de conceitos ativando o conhecimento prévio dos alunos com uma introdução da matéria que articule à nova informação que está sendo apresentada, e utilizando recursos didáticos para facilitar a compreensão do conteúdo (L. CAMPOS et al, 2002).

## Física de Partículas

Física de Altas Energias ou Física das Partículas Elementares é o campo da Física que estuda as partículas subatômicas, as radiações e as interações entre elas. É assim conhecida porque muitas das partículas subatômicas são produzidas em colisão de partículas a altas energias.

- O melhor modelo que as descreve, atualmente, bem como suas interações é conhecido como Modelo Padrão. Este é dividido em três famílias: os léptons, os quarks e os bósons. Os primeiros são subdivididos em três famílias, a do elétron e o neutrino do elétron, a do múon e o neutrino do múon, a do tau e o neutrino do tau. Essas partículas são férmions, pois, obedecem a estatística de Fermi-Dirac e o princípio de exclusão de Pauli, elas interagem de forma fraca e eletromagnética; os segundos são as partículas que compõem os bárions e os mésons, onde os bárions são compostos por três quarks e os mésons por um par quark-antiquark. Como os léptons eles também são férmions e interagem de forma fraca, forte e eletromagnética; os últimos são responsáveis por mediar as interações e obedecem a estatística de Bose-Einstein. A figura 1 apresenta uma representação esquemática do Modelo Padrão.

Os bósons intermediários detectados experimentalmente são: o fóton, responsável por mediar a interação eletromagnética, que é a interação de atração de partículas de cargas opostas e de repulsão de partículas de cargas iguais; os bósons Z0 e W+ e W- são responsáveis por mediar a interação fraca, que é a responsável pelos decaimentos beta; e o glúon, que é responsável pela coesão do núcleo do átomo.

As partículas que podem ser encontradas no 'dia a dia' são as que compõem o átomo, os elétrons na eletrosfera e os prótons e os nêutrons no núcleo, consequentemente os quarks 1 up e down. Logo, as que podem ser detectadas no nosso ambiente correspondem à primeira geração do modelo padrão, e para produzirmos todas as demais do 'zoológico' de partículas é necessária uma colisão com essas partículas a altas energias.

- O acelerador que alcança a maior energia de centro de massa atualmente é o LHC Large Hádron Collier - Grande Colisor de Hádrons. Este é o anel colisor do complexo de aceleradores do CERN, onde colidem próton-próton ou núcleos de íons pesados. Os quatro principais experimentos no LHC são: CMS, ATLAS, ALICE e LHCb.

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Os experimentos de altas energias podem ser divididos em dois tipos: de alvo fixo, onde apenas um feixe acelerado colide contra um alvo e o resultado desta colisão é registrado pelos detectores que formam o experimento; e feixe de colisão quando dois feixes acelerados em sentidos opostos colidem no centro de um detector. Os aceleradores podem ser lineares ou circulares. São formados basicamente por um tubo com ultra vácuo para reduzir a interação das partículas aceleradas com as do meio. Os lineares são compostos

do Modelo Padrão das partículas elementares.

Fonte: http://www.cecm.usp.br/~caique/SM.html

Figura 1: representação esquemática

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por dipolos e quadrupolos que mantém o feixe colimado e a aceleração é providenciada por cavidades de ondas de rádio frequência que 'incidem' de maneira simultânea para produzir aumento de velocidade, mas o feixe é acelerado apenas uma vez. Os aceleradores circulares possuem dipolos e quadrupolos além de sextupolos e octupolos, pois precisam curvar o feixe e, diferente dos aceleradores lineares, eles podem acelerar as partículas mais de uma vez, quando elas passam pelas cavidades de rádio frequência.

## Metodologia

O jogo foi concebido com o objetivo de ajudar os alunos e auxiliar os professores no ensino de Física Moderna e Contemporânea. Esta versão foi totalmente baseada em Física de Partículas, onde são explorados alguns experimentos e o Modelo Padrão com o devido aprofundamento para que possa ser acompanhado pelos estudantes. Temos diferentes níveis de perguntas, conforme os estudantes avançam no conhecimento da Física de Partículas outras perguntas podem ser incluídas no jogo, incitando os alunos a aprenderem mais.

Ele foi desenvolvido a partir da atividade internacional de divulgação científica sobre Física de Partículas, chamada IPPOG Masterclasses, da qual a UERJ (e o Brasil) participa desde 2008, em conjunto com o CERN, o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares, em Genebra, Suíça. Nessa atividade participam cerca de 13.000 alunos e professores do ensino médio e da graduação, e universidades e centros de pesquisa de mais de 60 países. Os participantes aprendem conceitos introdutórios sobre Física de Partículas, aceleradores, o universo, experimentos do LHC, no CERN e analisam eventos reais registrados por esses experimentos, vivenciando por alguns dias a rotina de trabalho dos cientistas dessa área de pesquisa. Dessa forma, os professores aprendem novos conceitos que serão posteriormente levados aos alunos, mas também estabelecem um contato com os cientistas dessa área, criando assim um contato permanente universidade-escola. As perguntas do jogo incluem conceitos de Física Moderna e Contemporânea e também tópicos como átomo, moléculas, gases, aprendidos nas aulas de Química e presentes nos detectores de partículas. O(s) professor(es) pode(m) adicionar novas perguntas, por exemplo sobre língua inglesa, a oficial do CERN. Sobre Geografia, visto que todos os experimentos do CERN e

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mesmo o IPPOG Masterclasses são atividades que envolvem vários países. Desta forma, seguindo a sugestão de Pozo (1998) e L. Campos (2002) este jogo torna-se um importante recurso para desenvolver a habilidade de resolução de problemas, favorecendo a apropriação dos novos conceitos apresentados.

Decidiu-se por fazer um jogo de tabuleiro com perguntas e respostas que possibilitam o avanço no tabuleiro, com pontuações diferentes, penalidades, bônus, sendo o tabuleiro baseado no complexo de aceleradores do CERN, levando em conta que o LHC (Grande Colisor de Hádrons) estava, e está, em evidência.

A concepção do tabuleiro nos levou a utilizar o COREL DRAW para fazê-lo, por ser a ferramenta que nos deu uma maior qualidade de trabalho e criação, nos permitindo reproduzir o conjunto de aceleradores do CERN. Tivemos algumas liberdades de criação que achamos justo por se tratar de um jogo e podemos ter uma impressão de qualidade e de fácil reprodução. Tentamos nos aproximar dos usuários utilizando ferramentas conhecidas por eles dando a impressão de um jogo de tabuleiro qualquer. Porém as perguntas, em vez de serem sobre amenidades, são sobre Física de Partículas e de maneira divertida o aluno, ou interessado, é capaz de jogar, aprender e assimilar os conceitos. Portanto deixamos de lado as roletas e os dados, diminuindo a quantidade de material a ser produzida, e usamos abordagens mais didáticas. Criamos perguntas e para cada pergunta acertada o jogador poderá avançar. Dependendo do nível dos estudantes, as perguntas podem ser divididas em etapas e para cada etapa transcorrida um novo nível de perguntas mais alto que o anterior pode entrar no tabuleiro. Pensamos que três tipos de perguntas aumentam a sua dinâmica do jogo, a saber: pergunta de múltipla escolha, proporcionando a menor quantidade de passos, pergunta discursiva que tem uma proporção mediana e por fim as cartas de dicas., que são cartas onde os jogadores têm direito a cinco dicas fornecidas pelo mediador e tentam descobrir a que a carta se refere.

Também fizemos um layout para as perguntas, com o nome do jogo, uma simulação de evento de altas energias e o logo da UERJ, para melhorar a imagem do jogo e deixá-lo mais bonito.

As regras do jogo foram baseadas em regras de jogos de tabuleiro, acessíveis pela internet, fazendo modificações para que se adaptasse à nossa realidade de perguntas e respostas. Explicam como jogar e são o conjunto de tudo o que é necessário; número máximo e mínimo de jogadores, explicação de cada pergunta e de cada casa.

O nome foi escolhido na tentativa de dar ao jogo uma característica bem brasileira unida ao conhecimento em ciência, então escolhemos um nome em Tupi: Pirari que significa: abrir, descobrir, estender (DOMENICO, 2008). Entretanto fizemos uma pequena modificação e o nome do jogo é: Pirari - abrir, descobrir e entender! , que reflete nosso objetivo, enquanto jogam eles se abrem, descobrem e entendem os novos conceitos.

Com tudo pronto o jogo foi registrado na Biblioteca Nacional para que não seja alvo de cópias não autorizadas ou que seja comercializado por terceiros, foi uma maneira de proteção a nossa criação. Patenteamos o tabuleiro, as regras e o layout usado nas perguntas.

## Resultados e Discussão

Para verificarmos sua funcionalidade e melhorarmos sua jogabilidade realizamos dois testes com estudantes de qualquer período do curso de Física da UERJ, com números

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diferentes de usuários. Verificamos o tempo médio de partida, nível de perguntas, a disposição das casas, a quantidade de passos de cada casa e a clareza e compreensão de cada regra. Com esses testes atualizamos as regras para a melhor versão possível e também resultaram em sua maioria melhoras no tabuleiro, mas também em melhorias para as cartas dicas. Foi sugerida a elaboração de uma versão reduzida do jogo, que está em discussão no momento.

Com tudo finalizado, levamos o jogo às escolas para fazermos o teste de funcionalidade e aceitabilidade dos alunos, e assim verificarmos se o jogo cumpriu os objetivos esperados. Fizemos dois testes em dias diferentes com turmas diferentes no CEFET de Nova Iguaçu, RJ, o primeiro foi realizado no dia 31/08/2015, e o segundo no dia 14/09/2015. Trinta e um alunos do CEFET participaram desse teste. Na UERJ, um total de 47 alunos participaram dos vários testes realizados.

Tabela 1: respostas ao questionário aplicado aos alunos voluntários para jogar o Pirari.

## Considerações Finais

Solicitamos a todos os participantes que respondessem a um questionário sobre o jogo, anonimamente. Uma pergunta foi feita uma semana após terem jogado, especificamente se o jogo havia ajudado na compreensão dos conceitos das aulas que se seguiram ao jogo. Todos os alunos são a favor da utilização do jogo como ferramenta de aprendizagem de Física de Altas Energias, dizendo explicitamente que ele auxilia muito na aprendizagem. Mas somente 50% acha que ele motiva o aluno a estudar Física em sua vida profissional. No caso da UERJ, perguntamos se o jogo os motivou a estudar Física de Partículas (ou de Altas Energias), 30% dos alunos disseram que se interessaram em seguir a área de Fìsica de Partículas após terem jogado. Todos gostaram do jogo, mas 6 entre os 31 alunos do CEFET disseram que não queriam jogar o jogo novamente naquele dia, ou seja, 25 jogaram mais partidas, até que a escola encerrou as atividades. Na UERJ, os alunos voltam para jogar quando é possível e indicam o jogo aos colegas, incentivando-os a jogá-lo. A tabela 1 mostra os resultados do questionário para os alunos do projeto MAFIA, do CEFET, coordenado pela Profa. Dra. Marta Máximo (eles recebem bolsa de IC Jr. para

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desenvolver trabalhos relacionados à Física), para os alunos do Ensino Médio do CEFET e para os alunos da UERJ.

Concluímos que o jogo teve boa aceitação entre os alunos. Objetivamos aplicá-lo em outras escolas para ter também a opinião de vários professores do Ensino Médio a respeito dele. Perguntas sobre Estrutura da Matéria estão sendo adicionadas para que os alunos dessa disciplina da graduação possam utilizar o jogo 'a seu favor'. Isto foi um pedido deles.

## Referências

BRASIL. PCN+ Ensino Médio: orientadores educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais , Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica, Brasília, 2002.

CAMPOS, Luciana Maria Lunardi et al. A produção de jogos didáticos para o ensino de ciências e biologia: uma proposta para favorecer a aprendizagem . UNESP, 2002. Disponível em: http://www.unesp.br/prograd/PDFNE2002/aproducaodejogos.pdf Acesso em: 11 jan. 2016

DE PAULA, Carmen Lúcia. A importância dos jogos e brincadeiras na infância . UCAM, 2006.

DOMENICO, Hugo di. Léxico Tupi-Português: com adiamento de vocábulos de outras procedências indígenas. - Taubaté: UNITAU, 2008.

GALLEGO, Julia Perucchetti. A utilização dos jogos como recurso didático no ensinoaprendizagem da matemática . TCC -UNESP, 2007. Disponível em: http://docslide.com.br/documents/tcc-julia-perruchetti-final-55c2a48d338e8.html Acesso em:

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KISHIMOTO, Tizuko Morchida. O brinquedo na educação considerações históricas . USP. Disponível em: http://www.crmariocovas.sp.gov.br/pdf/ideias\_07\_p039-045\_c.pdf Acesso: 11 jan. 2016

KISHIMOTO, Tizuko Morchida. A brincadeira e a cultura infantil . USP. Disponível em: http://www.labrimp.fe.usp.br/index.php?action=artigo&amp;id=1 Acesso em: 11 jan. 2016

MARAFON, Danielle. Jogos e brincadeiras, subsídios metodológicos no processo de desenvolvimento e da aquisição do conhecimento na educação infantil . In: CONGRESSO NACIONAL DE EDUCAÇÃO, 9. , 2009, Florianópolis. Anais Florianópolis: PUCPR, 2009. Disponível em:

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MIRANDA, S. No Fascínio do jogo, a alegria de aprender . In: Ciência Hoje, v.28, 2001 p. 64-66.

POZO, J. I. Teorias Cognitivas da Aprendizagem . 3. ed. Porto Alegre: Artes médicas, 1998. 284p.

VAZ, Eliane. A utilização de jogos no ensino dos verbos na língua espanhola . UTFPR, 2007