UMA PROPOSTA DE SEQUENCIA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE FÍSICA NUCLEAR NO ENSINO MÉDIO

## UMA PROPOSTA DE SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA O ENSINO DE FÍSICA NUCLEAR NO ENSINO MÉDIO

## Renan Schetino de Souza 1,2 , José Luiz Matheus Valle 2

1 Escola Estadual Almirante Barroso, renanschetino@hotmail.com

2 Departamento de Física, Universidade Federal de Juiz de Fora, jose.luiz.matheus@ice.ufjf.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta, ainda em fase de desenvolvimento, de uma sequência didática para o ensino de Física Nuclear, centralizada no conceito de Energia Nuclear, como complemento ao estudo de Física Moderna no Ensino Médio. Tal proposta busca colaborar com o fomento do ensino de Física Moderna no Ensino Médio. A sequência didática tem como principais fundamentações teóricas psicopedagógicas o construtivismo de Vygotsky e a aprendizagem significativa de Ausubel. A metodologia de ensinoaprendizagem variará de acordo com o número de complexidade e adaptabilidade dos temas. Entretanto, para procurar motivar o máximo possível os estudantes, pretendemos utilizar estratégias distintas em cada aula. Para isso, além de adotar uma abordagem mais fenomenológica dos conceitos apresentados, sem deixar de lado a matemática necessária para sua compreensão, é nosso objetivo também ampliar o senso crítico dos estudantes, discutindo com os alunos os riscos e benefícios da utilização de elementos ligados à Física Nuclear em nossa sociedade.

Palavras-chave : Física no Ensino Médio, Física Moderna, Energia Nuclear.

## Introdução

A Física faz parte do currículo do Ensino Médio desde a introdução desse nível de escolarização no Brasil. Inicialmente era ensinada apenas para aqueles alunos que pretendiam seguir cursos universitários na área de ciências. A partir da década de 70, essa disciplina passou a integrar o currículo do Ensino Médio. Atualmente, conforme as Diretrizes Nacionais para o Ensino Médio (1998), a Física está incluída no currículo da Base Nacional Comum, na área de Ciências Naturais e suas Tecnologias. Essa disciplina está também presente nos currículos de ensino médio da grande maioria dos países desenvolvidos ou em desenvolvimento.

O Estado de Minas Gerais apresentou, em 2007, os Conteúdos Básicos Comuns (CBC) para o ensino de Física, organizando os conteúdos em torno do conceito de energia, entendido como um conceito fundamental das ciências naturais, o que poderia permitir uma maior integração da Física com outras disciplinas de ciências naturais, e entre as diversas áreas da própria Física. Este conceito integrador, que aparece no cotidiano das pessoas ligados a problemas sociais e econômicos, pode permitir aos alunos o entendimento de uma ampla gama de fenômenos.

Segundo o CBC do Estado de Minas Gerais, são várias as razões para que se defenda o ensino da Física no nível médio, destacando-se: as razões socioeconômicas, pois devido à correlação forte entre o nível de compreensão de , ciências pelo público e o nível de desenvolvimento econômico de uma nação, devemos ensinar Física para formar pessoal técnica e cientificamente qualificado,

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

23 a 27 de janeiro de 2017

para a manutenção de uma nação economicamente forte, com prestígio e poder no plano internacional; as razões sociopolíticas , uma necessidade da vida nas democracias modernas pois frequentemente os parlamentos e órgãos executivos tomam decisões sobre temas de natureza científica e tecnológica e, assim, a participação do cidadão no debate pressupõe alguma compreensão de ciências; as razões culturais , pois a Física pode ser vista como uma das maiores e mais importantes conquistas culturais da humanidade e somente tendo acesso às ciências e a compreendê-las, os alunos serão inseridos na cultura de seu próprio tempo, na condição de sujeitos e não na de meros espectadores; e finalmente, as razões intelectuais , já que as técnicas produtivas atuais, em todos os setores da economia, envolvem o uso de uma grande diversidade de equipamentos tecnológicos, de rotinas de trabalhos e de tarefas complexas.

Deve-se destacar também, que alguns conhecimentos e habilidades desenvolvidos através do ensino de Física contribuem para diminuir o tempo de aprendizado de novas tarefas e rotinas em ambientes mais complexos de trabalho.

## A importância da Física Moderna e da Física Nuclear no Ensino Médio

Uma sociedade marcada pelas transformações científicas e tecnológicas tem levado vários especialistas em ensino a refletir sobre a abordagem de temas atuais no Ensino de Física, onde a inserção da Física Moderna na educação básica torna-se relevante. Porém, de acordo com Machado e Nardi (2006), a inércia verificada na renovação curricular e práticas pedagógicas, pode acabar deixando os alunos à margem da cultura científica e tecnológica do mundo moderno.

Segundo Ostermann (2000), a introdução de tópicos de Física Moderna é bastante relevante, pois desperta a curiosidade dos estudantes e ajuda-os a reconhecer que a física é de suma importância na sua formação de cidadão. Então, inserir esse ramo da física no ensino médio é um grande desafio para os professores. Dessa forma, a exploração da Física Moderna no Ensino Médio pelos docentes é de grande importância para os estudantes, pois os documentos oficiais que regem a educação deixam evidentes que a renovação curricular é imprescindível na formação do educando. Para Terrazzan (1992), a tendência de atualizar-se o currículo de Física justifica-se pela influência crescente dos conteúdos contemporâneos para o entendimento do mundo criado pelo homem atual, bem como a necessidade de formar um cidadão consciente e participativo que atue nesse mesmo mundo.

Se a inserção de Física Moderna no Ensino Médio é fundamental, por permitir a alfabetização científica e tecnológica é comum que alguns de seus temas, como Física Nuclear, suscite receios nos alunos, tornando-se objeto de considerações fantasiosas. Deve-se a esse tipo de reação, ainda corrente, a ausência de uma ampla discussão, construtiva e racional, sobre essa fonte de energia, o que acarretou, entre outros fatores, a estagnação dessa indústria brasileira por 25 anos. No entanto, problemas ambientais e aumentos do preço do petróleo, juntamente com um crescente uso da energia nuclear em áreas como medicina, indústria e agricultura, torna-se urgente afastar preconceitos infundados e abordar a questão de forma objetiva.

A proposta curricular do Estado de Minas Gerais vai ao encontro dessa urgência, ao colocar como tópico, o tema

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

O Sol e as fontes de energia: reconhecer o Sol como nossa principal fonte de energia e origem de quase todas as fontes de energia existentes na Terra. As habilidades pretendidas são: saber que o Sol é uma fonte quase inesgotável de energia e que a energia por ele irradiada tem origem na fusão nuclear; saber que a energia solar decorre do processo de fusão nuclear, onde núcleos de átomos de hidrogênio são fundidos, resultando na produção de átomos de hélio e energia radiante; e saber que na fusão nuclear ocorre conversão de matéria em energia de acordo com a equação E=mc . 2

## O CBC também propõe como tema complementar

Radioatividade: compreender o fenômeno da radioatividade e suas aplicações. Neste tópico, as habilidades pretendidas que os alunos alcancem são: conhecer algumas das partículas do núcleo atômico e suas cargas e massa; compreender a radioatividade como resultado da quebra do núcleo atômico instável; compreender o fenômeno da radioatividade e suas aplicações; conhecer a natureza das partículas alfa e beta e da radiação gama; conhecer o significado do termo 'meia vida'; compreender o significado de fissão e fusão nucleares; e compreender alguns usos da radioatividade, incluindo o uso de radioatividade para datarem fósseis e rochas.

Assim, devido à enorme confusão não só nos alunos, como no público em geral, sobre os domínios da física atômica e nuclear, torna-se evidente a necessidade e motivação para se produzir uma sequência didática que trate do tema Física Nuclear. Como pano de fundo, a Exposição Energia Nuclear , organizada pela CNEM e em exposição no Centro de Ciências da Universidade Federal de Juiz de Fora, além da possibilidade de colaborar com o fomento do ensino de Física Moderna no Ensino Médio, nos motivou a propor uma sequência didática em Física Nuclear, como complemento ao tema Física Moderna. Para isso, além de adotar uma abordagem mais fenomenológica dos conceitos apresentados, sem deixar de lado a matemática necessária para sua compreensão, é nosso objetivo também ampliar o senso crítico dos estudantes, discutindo com os alunos os riscos e benefícios da utilização de elementos ligados à Física Nuclear em nossa sociedade.

## Referencial Teórico

## O construtivismo de Vygotsky

Segundo Moreira (2009), para Lev Vygotsky (1896-1934), o desenvolvimento cognitivo é a conversão de relações sociais em funções mentais (DRISCOLL, 1995).

Não é através do desenvolvimento cognitivo que o indivíduo torna-se capaz de socializar, é através da socialização que se dá o desenvolvimento dos processos mentais superiores.

- O desenvolvimento desses processos no ser humano é mediado por instrumentos e signos. Um instrumento é algo que pode ser usado para fazer alguma coisa; um signo é algo que significa alguma coisa (GARTON, 1992).

Para Vygotsky, no desenvolvimento cognitivo de um indivíduo, toda função aparece duas vezes - primeiro em nível social e, depois, em nível individual primeiro entre pessoas (interpessoal, interpsicológica) e depois se dá no interior do próprio indivíduo (intrapessoal, intrapsicológica). A interação social é o veículo fundamental para a transmissão dinâmica (de inter para intrapessoal) do conhecimento construído. Essa interação implica um mínimo de duas pessoas intercambiando significados; implica também um certo grau de reciprocidade e bidirecionalidade entre os participantes desse intercâmbio, trazendo a eles

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

diferentes experiências e conhecimentos, tanto em termos qualitativos como quantitativos.

Diretamente relacionada com a interação social está a aquisição de significados. Segundo Vygotsky, os significados de palavras e gestos são construídos socialmente e, por isso mesmo, são contextuais. Nota-se aí a importância crucial da interação social, pois é através dela que a pessoa pode captar significados e certificar-se que os significados que está captando são aqueles compartilhados socialmente para os signos em questão. Portanto, a interação social implica, sobretudo, intercâmbio de significados. (MOREIRA, 2009).

Segundo Vygotsky, a linguagem é o mais importante para o desenvolvimento cognitivo do indivíduo, pois seu desenvolvimento leva à conceitualização de objetos e eventos do mundo real, resultando em uma independência em relação à realidade concreta e permitindo o pensamento abstrato flexível, independente do contexto externo (GARTON, 1992).

Vygotsky define a zona de desenvolvimento proximal (ZDP) como a distância entre o nível de desenvolvimento cognitivo real do indivíduo, tal como medido por sua capacidade de resolver problemas independentemente, e o seu nível de desenvolvimento potencial, tal como medido através da solução de problemas sob orientação de alguém (VYGOTSKY, 1988).

## A aprendizagem significativa de Ausubel

O conceito central da teoria de David Ausubel (1918 - 2008) é o de aprendizagem significativa, um processo que ocorre quando uma nova informação "ancora-se" em conceitos relevantes preexistentes na estrutura cognitiva de quem aprende, a qual Ausubel chama de "subsunçores". O "subsunçor" é um conceito, uma ideia, uma proposição capaz de servir de "ancoradouro" a uma nova informação, de modo que ela adquira, assim, significado para o indivíduo.

Ausubel vê o armazenamento de informações na mente humana como uma espécie de hierarquia conceitual, na qual elementos mais específicos de conhecimento são ligados a conceitos, ideias, proposições mais gerais e inclusivos. Segundo Ausubel, este tipo de aprendizagem é, por excelência, o mecanismo humano para adquirir e reter a vasta quantidade de informações de um corpo de conhecimentos. As ideias mais importantes de sua teoria podem ser resumidas na seguinte proposição (AUSUBEL, 1980):

Se eu tivesse que reduzir toda psicologia educacional a um único princípio, diria isto: O fator isolado mais importante que influencia a aprendizagem é aquilo que o aprendiz já conhece. Descubra o que ele sabe e baseie nisso os seus ensinamentos.

Assim, a ideia básica da teoria de Ausubel é a de que os conhecimentos prévios dos alunos precisam ser valorizados. Portanto, o aluno deve estar disposto a aprender, pois a característica principal da aprendizagem significativa é a interação.

Pode-se dizer que existem três vantagens essenciais na aprendizagem significativa: o conhecimento que se adquire de maneira significativa é retido e lembrado por mais tempo; aumenta a capacidade de aprender outros conteúdos de uma maneira mais fácil, mesmo se a informação original for esquecida; uma vez esquecida, facilita a aprendizagem seguinte, ou seja, a 'reaprendizagem'.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Sequência didática para o ensino de física nuclear no ensino médio

## Pré-requisitos

Dentro de um planejamento tradicional, o ensino de Física Moderna ocupa o tempo correspondente a um bimestre de duas aulas semanais, sendo geralmente o quarto bimestre do terceiro ano. Nossa proposta de sequência didática pressupõe que os conteúdos típicos de Física Moderna sejam abordados anteriormente a ela. Assim, dentro do que se espera, as primeiras cinco aulas serão ocupadas com os temas: Ondas Eletromagnéticas; Radiação do Corpo Negro e Quantização da Energia; Efeito Fotoelétrico; Modelo Atômico de Bohr; Dualidade Onda-Partícula e Princípio da Incerteza. Outras duas aulas tratarão do tema Relatividade Restrita, podendo ser dadas tanto antes quanto depois do assunto Física Nuclear ser abordado, conforme a conveniência e/ou disponibilidade de tempo do professor.

Uma previsão inicial para o tema Física Nuclear comporta oito aulas, excetuando as avaliações, as quais ocuparão as aulas restantes. A distribuição que propomos abaixo é uma versão inicial dos temas e atividades a serem cumpridas em cada aula. A metodologia de ensino-aprendizagem variará de acordo com o número de complexidade e adaptabilidade dos temas e ainda está em processo de construção. Entretanto, para procurar motivar o máximo possível os estudantes, pretendemos utilizar estratégias distintas em cada aula.

## Aula 1 - O Núcleo Atômico

Introdução à Física Nuclear, apresentação do núcleo: sua dimensão, estrutura e estabilidade.

Questões norteadoras: O quão pequeno é o núcleo atômico? Se o núcleo é constituído exclusivamente de cargas positivas, por que ele permanece unido?

## Temas a serem abordados

- · Estrutura e dimensão do núcleo atômico.
- · Número atômico, número de massa e isótopos.
- · Estabilidade nuclear: relação entre a força elétrica e a força forte.
- · Estabilidade nuclear: relação entre o número de prótons e nêutrons do núcleo.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Análises comparativas do tamanho do núcleo atômico.
- · Origem e condições para a estabilidade nuclear.

## Aula 2 - Instabilidade Nuclear e Emissões Nucleares

Análise da instabilidade nuclear e das emissões radioativas.

Questão norteadora: Por que alguns núcleos são radioativos?

## Temas a serem abordados

- · A Radioatividade e o decaimento radioativo.
- · Emissões alfa, beta e gama.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Construção de um modelo de núcleo atômico para o estudo da instabilidade.
- · Análise de alguns decaimentos radioativos.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Aula 3 - Meia-vida e Datação Radioativa

Apresentação do conceito de meia-vida e suas principais aplicações.

Questão norteadora: Como é determinada a idade de um fóssil?

## Temas a serem abordados

- · Meia-vida ou período de semidesintegração.
- · Curva de decaimento radioativo.
- · Lei do decaimento radioativo.
- · Datação por isótopos.
- · Aplicações da radioatividade.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Análise quantitativa da datação radioativa.
- · Aplicações do período de meia-vida (geologia, medicina, …).

## Aula 4 - Energia Nuclear

A origem da energia nuclear na diferença entre a massa do núcleo e as partículas que o constituem.

Questão norteadora: De onde vem a energia do núcleo?

## Temas a serem abordados

- · Equivalência massa-energia.
- · Empacotamento nuclear.
- · Energia de ligação.
- · Escalas de energia atômica.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Cálculos de energia envolvendo dados relativos ao núcleo atômico.
- · Protótipo para explicação do empacotamento nuclear.

## Aula 5 - Fissão Nuclear

A quebra do núcleo atômico: processo comum em usinas nucleares e bombas atômicas.

Questão norteadora: Por que uma usina nuclear não explode como uma bomba atômica?

## Temas a serem abordados

- · Fissão nuclear e reações de fissão.
- · Reação em cadeia.
- · Reatores nucleares de fissão.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Análise do enriquecimento de urânio.
- · Construção de um protótipo de reator nuclear.

## Aula 6 - Fusão Nuclear

Conceito de fusão nuclear, reações de fusão e a fusão como alternativa energética.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Questões norteadoras: De onde vem a energia do Sol? Fusão nuclear: energia do futuro?

## Temas a serem abordados

- · Fusão nuclear e reações de fusão
- · O Sol: cálculos envolvendo seus dados relativos
- · Reator nuclear de fusão

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

- · Origem e morte das estrelas; cálculos que demonstram a origem nuclear e não química da energia solar.
- · Discussão sobre o futuro energético da humanidade e a fusão nuclear como uma alternativa.

## Aulas 7 e 8 - Debate: Os aspectos positivos e negativos da Energia Nuclear

As duas últimas aulas serão em forma de debate, dividindo-se a turma em grupos, os quais deverão apresentar argumentos favoráveis ou contrários à utilização de elementos ligados à Física Nuclear na sociedade, com o professor sendo o mediador desse processo. Espera-se que nesta aula, os estudantes façam uma síntese do que foi compreendido durante as aulas de física nuclear.

## Atividades a serem desenvolvidas pelos alunos

Os estudantes serão divididos em oito grupos: sendo quatro favoráveis e quatro contrários à utilização de elementos ligados à Física Nuclear. Cada grupo terá 10 minutos para expor seus argumentos, intercalando as apresentações entre um grupo favorável e outro contrário. Alguns temas possíveis a serem abordados estão mostrados no Quadro 01, mas outros temas poderão ser considerados, a partir do interesse dos alunos. Ao final de cada rodada, a turma decidirá por votação o grupo vencedor.

Quadro 01: Aspectos favoráveis e contrários à utilização da energia nuclear.

Ao final do debate, será enfatizado à turma que o resultado (quem 'ganhou') não é o mais importante, pois num debate o mais importante é a discussão de ideias, fazendo-os refletirem sobre o tema.

## Conclusão

Como exposto anteriormente, este projeto está em andamento. Estamos na fase da produção do material de cada aula da sequência didática. A aplicação do

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

material está prevista para o quarto bimestre de 2016 em uma turma de terceiro ano de uma escola pública de Juiz de Fora. Os alunos desta turma deverão também fazer uma visita à Exposição sobre Energia Nuclear do Centro de Ciências da UFJF. Uma discussão com os alunos a respeito de sua visão sobre energia nuclear após a visita e do desenvolvimento das atividades da sequência, poderá nos fornecer elementos importantes para avaliarmos nosso trabalho. Esperamos que este estudo seja motivo de trabalhos futuros.

## Referências

AUSUBEL, D. P; NOVAK, J. D.; HANESIAN, H. Psicologia educacional. Tradução de Eva Nick et al. 2ª ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1980.

DRISCOLL, M.P. Psychology of learning and instruction . Boston, MA: Allyn and Bacon. 1995. 409p.

GARTON, A.F. Social interaction and the development of language and cognition . Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 1992.

MACHADO, D. I. e NARDI, R. Construção de conceitos de física moderna e sobre a natureza da ciência com o suporte da hipermídia, Revista Brasileira de Ensino de Física, 28 (4), p. 473-485, dez. 2006.

MOREIRA, M.A. Comportamentalismo, Construtivismo e Humanismo. Subsídios Teóricos para o Professor Pesquisador em Ensino de Ciências . Porto Alegre, 2009.

OSTERMANN, F. Tópicos de física contemporânea em escolas de nível Médio e na formação de professores de física . Porto Alegre. Dissertação (Doutorado) Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 2000.

TERRAZZAN, E. A. A inserção da Física Moderna e Contemporânea no Ensino de Física na escola de 2 º grau. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis. Vol. 9, n. 3, p.209-214, dez.1992.

VYGOTSKY, L.S. A formação social da mente . 2a ed. brasileira. São Paulo: Martins Fontes. 1988.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_