COMO SE APROXIMAR DO INVISÍVEL: O USO DOS MODELOS NO ENSINO DA FÍSICA MODERNA PARA ALUNOS DE ENSINO MÉDIO

## COMO SE APROXIMAR DO INVISÍVEL: O USO DOS MODELOS NO ENSINO DA FÍSICA MODERNA PARA ALUNOS DE ENSINO MÉDIO

Edson Vaz Lopes 1 , Alex Bellucco , 2

## Angela Mary Gaulke 3 , Mario Heleno Calegari 4

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Universidade do Estado de Santa Catarina / DFIS / edsonvazlopes@gmail.com 2 Universidade do Estado de Santa Catarina / DFIS / alexbellucco@gmail.com 3 Universidade do Estado de Santa Catarina / DFIS / angela\_gaulke@hotmail.com 4 Universidade do Estado de Santa Catarina / DFIS / adriemario@gmail.com

## Resumo

Esse trabalho expõe os resultados da aplicação de uma aula sobre modelos físicos fazendo o uso de um dispositivo denominado de caixa preta - os alunos deveriam desenvolver os seus próprios modelos para explicar o funcionamento da mesma (caixa preta). O objetivo final da aula era a compreensão dos estudantes sobre os principais modelos do átomo (Dalton, Thompson, Rutherford - Bohr e Schrödinger) e da luz (Newton e Huygens). O uso dessa ferramenta elevou a aula a um caráter investigativo, propiciando assim, o interesse por parte dos alunos. A abordagem motivou proveitosas discussões graças ao grau de abstração que se elevava à medida que os estudantes se apropriavam das implicações dos modelos de funcionamento da caixa preta. Com base no envolvimento dos alunos, ficaram explícitas as vantagens desse tipo de tratamento, o que será apresentado nesse artigo nas seções que descrevem a aula aplicada com suas devidas considerações e resultados. Pretende-se com esse trabalho, sugerir ao leitor, o uso da modelização como recurso didático para situações, como por exemplo, nas quais os alunos apresentem muita dificuldade em alcançar a abstração necessária para a construção do conhecimento, ou ainda, como agente motivador a alunos que aparentemente tem preferência pelo que se pode construir, ver e tocar.

Palavras-chave: PIBID; modelos físicos; física moderna;

## Introdução

A Física, na sua imensidão de temas e problemas, apesar de bem concreta, se apresenta de forma abstrata. Desde os conceitos da Mecânica Newtoniana até os conceitos da Física Moderna, o que se observa são inúmeros conceitos a serem por nós assimilados, que, ainda que na prática seja possível ver e tirar conclusões minimamente precisas, o seu entendimento profundo vai além do observável pela leitura limitada dos nossos olhos. Com o passar dos anos muito se idealizou, muitas leis foram criadas, e isso nos permitiu ir mais longe. A partir de observações é possível idealizar um padrão de comportamento, que por sua vez propicia criar então, um modelo que represente com o máximo de fidelidade o objeto observado, e a esse processo damos o nome de modelagem.

Partindo do fato de que o conhecimento científico é construído a partir de modelos, é importante para o aluno que vai ter os primeiros contatos com essa ciência, que o professor a apresente dessa forma, pois a descoberta desse processo pode ser um elemento decisivo no sucesso do aprendizado. Não o modelo em si, mas a dinâmica da construção de um modelo - o que chamamos de modelização pode ser para o professor uma ferramenta de abordagem que propiciará ao

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23 a 27 de janeiro de 2017

estudante uma opção (e às vezes é a única opção) de visualização da grande maioria dos problemas apresentados na disciplina de Física, assim como a natureza por ela representada. Nesse artigo apresentamos uma aplicação desse tipo de abordagem, e com o uso dessa ferramenta (modelização) foi possível envolver os alunos em torno da discussão de modelos extremamente abstratos como os da luz (Newton e Huygens), e dos modelos atômicos (Dalton, Thompson, Rutherford - Bohr e Schrödinger).

## Revisão teórica

No dia-a-dia de um professor de ciências naturais se depara com a missão árdua de ajudar seus alunos a assimilar certos conceitos fenomenológicos, que em nada são triviais. Uma ferramenta que acaba sendo escolhida é uma abordagem teórica centrada no uso da escrita no quadro e na imposição de ideias pelo professor, o que caracteriza de certa forma o ensino transmissivo (Saviani, 2005). Esse tipo de abordagem tende tomar muito tempo numa aula e, mesmo assim, em geral não apresenta bons resultados. Há também evidências de que a abordagem baseada em elaboração de mecanismos para a solução de exercícios não ser o suficiente para uma boa fixação do conteúdo (Balbinot, 2014).

Quando se trata de um tema com apelo abstrato notável (uma grande parte dos fenômenos naturais), uma possível alternativa que pode preencher as lacunas geradas por uma abordagem de baixo impacto no aluno, é aquela através de modelos. Um modelo tem a capacidade de ser a representação da natureza através da leitura do pensamento humano, ou seja, ele faz uma espécie de ponte entre o fenômeno como ele é, com o fenômeno que somos capazes de enxergar.

Krapas et. al. (1997) diz que na literatura de educação em ciências, o termo modelo aparece com frequência, só que com significados ímpares.

"O uso do termo, nas suas diferentes acepções, é portanto um tema necessário de investigação" (Krapas et. al.,1997).

A modelagem pode, portanto, ser caracterizada como um mecanismo de ligação entre inúmeras dimensões do processo de aprendizado, sendo assim, uma possível articulação entre o conteúdo e a metodologia, como também entre empiria/experimento; neste relacionando, respectivamente, a proposições e imagens. Inferem nestas articulações um conceito de modelos como processo representacional utilizando-se de imagens, analogias e metáforas, para auxiliar alunos e cientistas a visualizarem e compreenderem um conteúdo, que pode se apresentar de difícil entendimento, além de complexo e abstrato (Setúval, 2009, pag. 03).

- O uso dessa ferramenta (modelos) implica numa construção do conhecimento que, além disso, eleva os objetivos de ensino da aula para um caráter investigativo, apresentando benefícios didáticos que permeiam desde o viés lúdico, perpassando pelos recortes necessários acerca das suas limitações científicas e culminando nos objetivos de aprendizado.

Em geral, a modelização é um processo de construção/apropriação de modelos, sejam de situações físicas, teóricos ou de utilização de conceitos. Por conseguinte, em qualquer dos casos a modelização pode ser encarada como uma forma complementar de construção/apropriação e utilização dos conceitos físicos. Os modelos de situações físicas caracterizam-se por serem modelos particulares

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com validades restringidas à situação física que se esta a modalizar. Lopes (2004, pag. 115) diz ainda que uma das características dos modelos de situações físicas é: Ser uma representação da situação que permita formular previsões, qualitativas ou quantitativas, utilizando linguagem gráfica ou matemática e permita agir sobre a própria situação física de forma intencional e controlada.

Com relação as limitações, é relevante observar que todo modelo é, na verdade, uma aproximação do que se almeja representar - nesse caso, o fenômeno científico - o que se pode inferir é que esse tipo de abordagem e sua comprovação, apresentam bons resultados no conhecimento da realidade (Paz, et. al. 2009).

Um modelo de ensino tem de buscar ser fiel ao que este se propõe modelar, busca essa que é árdua e ao mesmo tempo dinâmica, por isso a escolha dos modelos a serem apresentados deve também ao mesmo tempo, ser pensados levando em conta as experiências e conhecimentos prévios dos alunos, tal como suas habilidades de relacionar o concreto apresentado com o abstrato que o professor pretende alcançar (Souza et. al., 2006), o que pôde ser observado na aula aplicada.

## Metodologia

A aula em questão era a segunda aula de uma sequência didática sobre Física Moderna elaborada no âmbito do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID), e foi aplicada numa turma de trinta alunos do período noturno da segunda série de uma escola Estadual em Santa Catarina, ministrada em novembro de 2015. Nessa ocasião o professor titular permaneceu na sala para servir de apoio, enquanto a aula era ministrada por um dos bolsistas , sendo que um segundo bolsista tinha a tarefa de tomar notas de cada evento ocorrido. O texto do artigo foi organizado de forma que a aula apresentada fosse sucedida pelos seus relatos e suas respectivas análises.

Com o uso de um dispositivo chamado caixa preta (Brockington, 2005) , essa aula - apresentadas esquematicamente na tabela 1 - era parte de uma sequência didática de Física Moderna onde seriam abordados, o efeito fotoelétrico, o modelo corpuscular de Newton para a luz e o modelo ondulatório da luz proposto por Cristian Huygens. Sendo assim, o objetivo principal dessa aula, era introduzir os alunos ao 'mundo microscópico', explicitando aos mesmos, o papel dos modelos na formação do conhecimento científico e no cotidiano, apresentando ainda, os modelos atômicos propostos por Dalton, Thompson, Rutherford -Bohr e Schrödinger. A aula em questão foi planejada conforme expresso na tabela abaixo:

Quadro 1-Esquema do plano de aula

modelos criados para explicar a

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## Descrição da aula

No encerramento da aula anterior a essa aula o professor apresentou um dispositivo denominado caixa preta, que se tratava de uma caixa com dois pinos, dispostos em lados e extremidades opostas de forma que, quando acionava o pino de um lado, o outro se movia simultaneamente no sentido oposto. Essa caixa era lacrada, de forma que o aluno não conseguia ver o seu interior, conforme a figura 1.

Figura 01: Caixa preta Descrição da aula

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No fim da aula anterior (primeira aula da sequência didática) o professor dividiu a sala em sete grupos (pois era essa a quantia de caixas pretas disponíveis), e deu a cada um, uma caixa preta e a missão de criarem um modelo que explicasse o seu funcionamento; eles deviam em casa, realizar essa tarefa e trazerem na aula seguinte. Os alunos manusearam então, a caixa preta até minutos finais da aula quando o professor as recolheu.

Esta aula (segunda aula da sequência didática) tinha o título 'Discussão sobre Modelos' e esperava-se que os alunos, ao fim dessa aula fossem capazes de reconhecerem o quanto e como a ciência evoluiu sob os aspectos que explicam o fenômeno da luz, assim como os principais modelos e respectivamente, os cientistas que os desenvolveram. O professor inicia então, relembrando a última atividade da aula anterior (observação da caixa preta), e pedindo para que os alunos apresentassem e defendessem os modelos que deviam ter construídos. Somente a minoria da turma havia realizado a tarefa em casa, então o professor chamando atenção da turma, dispôs de dez minutos para que em duplas concluíssem a atividade.

Num primeiro momento, os alunos que não fizeram a atividade em casa (a maioria), tentaram recorrer aos que fizeram para tentar copiar, mas ficaram bem desconcertados quando viram que entre os que fizeram, os modelos desenvolvidos eram diferentes em cada equipe. Isso levou a turma a questionar o professor sobre qual então devia ser o modelo correto, afinal eles não queriam cometer o 'erro' e ganhar uma nota baixa, mas o professor somente dizia que não poderia dizer, e que eles que deviam decidir se o modelo era ou não 'correto'. Para cada ideia de esboço do modelo que os alunos apresentavam e perguntavam se tava correto, o professor questionava:

'Seu modelo funcionaria? Daria certo?'

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Mas sem dizer se estava ou não correto, com exceção de quando ele via que o modelo era inviável e/ou apresentava uma falha mecânica óbvia. Nesses casos o professor dialogava com o aluno de forma a levá-lo a ver a falha no seu projeto, tal como na figura 2.

Figura 02: Modelo de funcionamento da caixa preta proposto por aluno

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Nesse caso, o esboço não representa o que acontece com a caixa preta, esse desenho representa um sistema rígido que se funcionasse, quando um dos pinos entrassem na caixa, o outro sairia. Em outros momentos da aula, durante a confecção do modelo eles pediram para abrir a caixa preta e assim verem como é lá dentro, mas aí o professor os questionava por meio de uma analogia:

'É possível abrir um átomo e ver como é lá dentro? Vocês devem acreditar nos modelos que estão construindo, a Física, a Ciência funciona assim.'

Quando os modelos foram apresentados e os materiais entregues, o professor voltou a falar dos modelos atômicos, novamente fazendo o uso da analogia, fixando a ideia de que não é possível abri-lo do ponto de vista real. O professor argumentou ainda que, só sabia como aquela caixa (usada na aula) era por dentro, porque foi ele mesmo quem a construiu, mas que nada sabia a respeito da caixa de onde ele tirou a ideia para confeccionar a sua. A grande maioria teve a ideia de apresentar um modelo que consistia numa alavanca que conectava os pinos laterais da caixa, fazendo o conjunto parecer com uma letra 'Z'.

Figura 03: Modelo de funcionamento da caixa preta proposto por aluno.

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No segundo momento, o professor relacionou a construção dos modelos feitos pelos alunos com os modelos criados para explicar a natureza da luz, tais como: o de Empédocles, que dizia que a luz era a interação entre o fogo interno do olho e o fogo externo dos objetos, o de Newton que apresentava a luz como pequenas partículas indivisíveis, e o modelo ondulatório de Huygens (Forato, 1996). O professor também comentou sobre o papel da experimentação no processo de teste destes modelos, explicando que a luz se comportava de maneiras distintas de acordo com cada experimento realizado, gerando incertezas sobre sua natureza.

Ainda nesse momento o professor apresenta uma caixa preta vazada (Figura 4), semelhante a que eles tinham analisado e criado um modelo de funcionamento anteriormente, fazendo com que a maioria dos modelos por eles criados, fossem invalidados.

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Figura 04: Caixa preta vazada

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Os alunos demonstraram uma grande frustração ao verem seus modelos serem invalidados com o aparecimento da caixa preta vazada , provocando uma indignação produtiva na turma, que culminou num momento de debate entre o professor e os alunos. Um deles reclamou que a aula então não teria sido importante, já que os modelos que eles criaram estavam incorretos, mas o professor aproveita esse argumento e faz menção a analogia do funcionamento do carro, da aula anterior (Vaz, et. al., 2016) e reforça que, os modelos não estavam incorretos, somente ficaram obsoletos quando uma nova evidência surgiu, nesse caso, o furo da caixa preta, e diz ainda que a situação atual é a mesma, só que dessa vez quem teve as hipóteses refutadas foram os alunos. Essa fala do docente, aparentemente provoca nos alunos um avanço na compreensão do conteúdo abordado. Na continuação, outros perguntaram ao professor porque ele não levou a caixa preta vazada primeiro, e o professor então usou esse questionamento para fazer mais uma analogia, respondendo que o átomo sempre foi o mesmo, mas a medida que a ciência num todo evoluiu, novas propriedades e comportamentos tornaram-se capazes de serem observadas, implicando na refutação de modelos existentes, o que proporcionou a evolução dos modelos.

Inesperadamente um aluno convidou o professor para sair até o corredor, perto da porta da sala, e com um estojo, um fone de ouvido e duas canetas, esquematizou um possível funcionamento da caixa preta vazada que por coincidência, era exatamente o modelo das caixas construídas pelo professor, mas é claro, o professor não disse que sim nem que não para a hipótese do aluno. O professor apenas o questionou:

'Você acha que seu modelo funcionaria?'

E o aluno disse que sim, e o professor reiterou:

## 'Então pode ser assim.'

Quando o professor voltou para a sala, um aluno que havia construído um modelo para caixa preta, que consistia num sistema hidráulico (seringas descartáveis e mangueiras) dentro das bordas de uma caixa de papelão, concluiu que seu modelo poderia explicar também o funcionamento da caixa preta vazada. Ele argumentou com o professor que em seu modelo, o sistema de transmissão de força entre os pinos não passava pelo centro da caixa, e sim pelas bordas. Assim, depressa, de improviso pegou um estilete e destacou o meio da caixa, deixando explícita a viabilidade do seu modelo, que agora funcionava para a caixa preta vazada também, conforme apresentado na figura 5. Outro aluno tinha tido uma ideia semelhante (hidráulico) e dito ao professor, mas acabou por fazer um modelo diferente, talvez porque não tivesse conseguido os materiais necessários para a confecção.

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Figura 05: Modelo proposto pelo aluno para a caixa preta vazada

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Na sequência o professor aproveita para dizer que um dos objetivos daquela aula era também, mostrar que a ciência funcionava mesmo daquele jeito, de forma dinâmica, e que certos parâmetros do que se sabe sobre tudo podem estar sempre evoluindo, e que foi assim que chegamos até aqui, assim como alguns modelos criados para a caixa preta fechada não foram capazes de explicar o funcionamento da caixa preta vazada , alguns modelos científicos não puderam explicar o 'funcionamento' do átomo, ou ainda, o comportamento da luz. Para finalizar essa aula, o professor combina com os alunos, na aula seguinte explicar com mais detalhes os modelos corpusculares e ondulatórios, respectivamente, de Newton e Huygens (discutidos na aula anterior).

Para essa aula, a avaliação foi feita sobre os materiais produzidos, sob os parâmetros de criatividade, funcionalidade e argumentação/sistematização das ideias no momento da apresentação, sendo que isso justificaria a participação deles.

## Resultados e considerações

Os alunos, na maioria, demonstraram durante o desenrolar da aula, apropriação dos conceitos apresentados e domínio sobre a definição do que seria um modelo científico, assim como os modelos da luz apresentados. No primeiro momento da aula, a tentativa de copiarem dos que fizeram, gerou uma situação muito proveitosa didaticamente, o professor pôde mostrar a eles a relevância de um modelo em termos da representação do objeto observado. A situação os deixou muito intrigados, a ponto de pedirem para poderem abrir a caixa preta, o que também foi positivo para a aula, porque o professor conseguia fazer analogias com os modelos da luz e do átomo. Dessa forma, criou-se um ambiente favorável ao aprendizado que facilitou a exposição das características da luz, que em geral é um tema que requer um alto nível de abstração. Finalizar a aula com a caixa preta vazada provocou as concepções dos estudantes, que viram seus modelos serem refutados e melhorados. Essa situação proporcionou aos alunos uma situação análoga à de um cientista que vê seu modelo ser modificado e/ou substituído.

Essa abordagem (modelização) levou os estudantes ainda, a se envolverem com a aula, interagindo entre si e com o professor de forma a questioná-lo, e tal ambiente permitiu o docente a fazer o uso das interações do tipo Indagação, Resposta e Feedback (Mortimer e Scott, 2002) elicitativo, ou seja, os feedback do professor levava os alunos a pensar ainda mais sobre o assunto, e esses questionamentos serviram ainda, para o professor identificar os detalhes que ainda faltavam e, então ajudar os alunos a organizar melhor o conhecimento.

## Conclusões

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Driver et. al. (1999) diz que o conhecimento científico é ao mesmo tempo simbólico e socialmente negociável, a partir dessa ideia, a forma como a aula foi conduzida sugeria um aprendizado baseada na apresentação de ideias, tanto do professor, quanto dos alunos, e essa negociação de ideias aparentemente os fez se sentirem a vontade para pensar e se expor, desencadeando ricos momentos de discussões. A face mais notável desse trabalho está no domínio apresentado pelos estudantes sobre a ideia de modelos e sua implicação histórico-científico quando das últimas discuções. O dispositivo (caixa-preta) utilizado proporcionou uma grande variedade de caminhos a serem explorados, e para os alunos significou uma forma de enxergar, por exemplo, a luz com uma visão mais ampla e real.

A maturidade dos alunos em debateram com o professor sobre as implicações dos seus modelos ao serem refutados com a caixa preta vazada, aponta o interesse e envolvimento dos mesmos, que foi possível graças ao uso da caixa preta e à conduta do professor acerca da atividade fazendo o uso dos feedback elicitativo. Essa modelagem apresentou-se aos estudantes, de forma simples e até divertida, mas se sofisticando à medida que as discussões foram sendo estabelecidas . Os resultados dessa abordagem ficaram ainda mais visíveis nas aulas seguintes, quando a sequência didática continuou sob outros assuntos, e os alunos demonstraram propriedade quando o diálogo retomava à discussão sobre modelos. Sugerimos que para aperfeiçoar a atividade, no final os alunos façam uma redação comparando a atividade da caixa preta com os modelos de luz e os modelos atômicos.

## Referências

BALBINOT, Margarete Cristina. Construção de Modelos Mentais a partir de modelos conceituais: uma análise da realidade ambiental de Tupandi/RS. Teses e Dissertações PPGECIM , 2014.

SOUZA, Vinícius Catão de Assis; JUSTI, Rosária da Silva; FERREIRA, Poliana Flávia Maia. Analogias utilizadas no ensino dos modelos atômicos de thomson e bohr: uma análise crítica sobre o que os alunos pensam a partir delas. Investigações em Ensino de Ciências , v. 11, n. 1, p. 7-28, 2006.

FORATO, Thaís Cyrino. Curso: O éter, a luz e a natureza da ciência. Revista Brasileira de Ensino de Física18 , v. 4, p. 313-27, 1996.

DRIVER, Rosalind et al. Construindo conhecimento científico na sala de aula. Química nova na escola , v. 9, n. 5, 1999.

KRAPAS, Sonia et al. Modelos: uma análise de sentidos na literatura de pesquisa em ensino de ciências. Investigações em Ensino de Ciências , v. 2, n. 3, p. 185-205, 1997.

LOPES, J. Bernardino O. Aprender e ensinar Física . 2004.

BROCKINGTON, Guilherme. A realidade escondida: a dualidade onda-partícula para estudantes do Ensino Médio . 2005. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo.

PAZ, Alfredo Mullen da et al. Modelos e modelizações no ensino: um estudo da cadeia alimentar. Ensaio Pesquisa em Educação em Ciências , v. 8, n. 2, p. 133-1146, 2009.

SAVIANI, Dermeval. As concepções pedagógicas na história da educação brasileira. Texto elaborado no âmbito do projeto de pesquisa 'O espaço acadêmico da pedagogia no Brasil', financiado pelo CNPq, para o 'projeto , v. 20, 2005.

SETÚVAL, Francisco Antonio Rodrigues; BEJARANO, Nelson Rui Ribas. Os modelos didáticos com conteúdos de Genética e a sua importância na formação inicial de professores para o ensino de ciências e biologia. VII Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências. Florianópolis , 2009.

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