FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO: UMA PROPOSTA BASEADA EM VISITAS A LABORATÓRIOS

## FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO: UMA PROPOSTA BASEADA EM VISITAS A LABORATÓRIOS

## Talita Vicente dos Santosl 1 .

1 Colégio SESI-PR / Grupo Marista - PR, taly.vs@hotmail.com

## Resumo

O tema central deste trabalho é o ensino de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no ensino médio (EM). O principal objetivo é relatar as reflexões acerca de uma estratégia de articulação de FMC aplicada a um grupo de alunos de EM, através de visitas a laboratório didático e laboratório de pesquisa da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), visando à interação entre a escola básica e a universidade. No laboratório de pesquisa, os estudantes tiveram contato com os professores-pesquisadores e visualizaram sua rotina de trabalho, a fim de humanizar o fazer científico e desmistificar o papel do cientista. No laboratório didático, a realização e a manipulação de experimentos de FMC objetivaram a mobilização de organizadores prévios, no contexto da Aprendizagem Significativa, para que a elaboração ou organização de subsunçores fosse possível no processo de aprendizagem de conceitos referentes à FMC. Esta articulação buscou proporcionar aos alunos um contato com diferentes ambientes e resultados experimentais relacionados à FMC, considerando que esses estudantes não tem laboratório de Física e que, dificilmente, teriam contato com um laboratório de pesquisa científica e seus pesquisadores em outro contexto cotidiano.

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

## INTRODUÇÃO

As abordagens referentes ao ensino de Física para o ensino médio enfatizam tópicos relacionados à Física Clássica, apresentando aos alunos os conceitos de Mecânica Newtoniana, sem mudanças significativas no processo didático ou pedagógico (ANGOTTI, 2015). Segundo Calheiro e Garcia (2014, p.178) 'É de conhecimento geral que o ensino de Ciências em geral e de Física, mais especificamente, não tem demonstrado mudanças nas práticas pedagógicas nas escolas de Ensino Médio'. Apesar de descrever satisfatoriamente muitos acontecimentos cotidianos, a Física Clássica por si só não é suficiente para descrever fenômenos mais complexos e tecnologias modernas que são divulgadas nos meios de comunicação frequentemente (MACHADO; NARDI, 2007).

A mídia tem veiculado notícias que trazem à tona temas como buracos negros, expansão do universo, buracos de minhocas e a recente comprovação das chamadas 'ondas gravitacionais'. Os temas relacionados à Física Moderna e Contemporânea (FMC) têm trazido para as salas de aula o interesse crescente dos alunos em compreender as explicações sobre as teorias recentes e suas aplicações tecnológicas, que segundo Dominguini et al (2012, p. 1), 'Atualmente, após os avanços científicos e tecnológicos, a Física Moderna tem despertado a curiosidade dos jovens'.

A necessidade de implementação efetiva da FMC nos currículos de Física do Ensino Médio (EM) é inegável, 'tendo em vista a formação de cidadãos capazes de compreender as bases de inúmeras tecnologias presentes no dia-a-dia' (MACHADO;

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NARDI, 2007, p.91), sendo reforçada, também, pelos documentos oficiais nacionais (PCN+, 2002) e estaduais (DCE, 2008). É necessário que o estudante seja posto em contato com uma Ciência que tem múltiplas aplicações e que compreenda se tratar de um processo ainda em construção, de forma a tornar esse aluno capaz de fazer interações sociais e culturais, a partir da análise de situações nas quais se aplicam tais conceitos e tecnologias (PARANÁ/SEED, 2008).

Apesar do consenso a respeito da importância da introdução dos tópicos de FMC no EM, vários aspectos podem ser apontados como problemáticos à sua prática, por exemplo, o distanciamento referente ao formalismo matemático, conceitos diferentes, tratamento experimental dado à conceitos de FMC (LOCH, 2011), lacunas na formação de professores (BEZERRA et al , 2015), dificuldades com a exposição dos conceitos nos materiais didáticos (OSTERMANN; MOREIRA, 2000) ou os diversos pesos atribuídos pelos diferentes autores que inserem os tópicos nos livros didáticos, sem padronização alguma (DOMINGUINI, 2011) são alguns exemplos das dificuldades encontradas.

Outro importante aspecto a ser considerado é o fato de que a Ciência é fundamentada também no processo experimental. É imprescindível destacar a dificuldade de se realizar experimentos de Física nas escolas, tanto da rede pública quanto particular, que muitas vezes não tem nem laboratório básico de Ciências. Algumas alternativas podem e devem ser considerados relevantes para o processo de aprendizagem, sobretudo para FMC, considerando que apenas as estratégias verbais ou textuais podem ser insuficientes para que se construa uma compreensão efetiva de conceitos que, apesar de concretos, exigem uma percepção bastante abstrata.

Avaliando ainda que o ensino envolve aspectos culturais, sociais e cognitivos, a fim de fortalecer o processo de aprendizagem de assuntos inerentes à FMC, considerou-se a Teoria da Aprendizagem Significativa (AS), de David Ausubel, segundo Moreira e Masini, 1982. Nela dá-se importância à assimilação de conceitos a partir do conhecimento prévio, não formal, do estudante. E buscam-se estratégias para que o aluno internalize os conceitos envolvidos com rigor e de modo que lhe seja expressivo.

Nesse aspecto, o presente estudo foi realizado a fim de produzir reflexões sobre quais os impactos causados nos estudantes do EM que vivenciaram visitas ao laboratório de pesquisa, com a participação de professores-pesquisadores, e ao laboratório didático, manuseando experimentos de FMC, em espaço universitário.

## APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA E A VISITA AOS LABORATÓRIOS DE FÍSICA MODERNA

A Aprendizagem Significativa (AS), segundo a teoria de David Ausubel, na interpretação de Moreira e Masini (1982, p.4) 'significa organização e integração do material na estrutura cognitiva'. Sendo assim, quando o estudante é capaz de relacionar uma nova informação ou conceito conectando essa nova ideia, através de conceitos subsunçores (relacionados por conhecimentos prévios) organizados em sua estrutura cognitiva, a aprendizagem pode ser considerada significativa. 'Aprender de forma significativa é atribuir significado ao que é aprendido e relacioná-lo com o que já se sabe.' (AUSUBEL, 1980 apud TIRONI et al, 2013).

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ao aluno de material potencialmente significativo. Esta última posição pressupõe, por sua vez, que o material de aprendizagem por si só pode ser relacionado a qualquer estrutura cognitiva apropriada (que possua sentido lógico), de forma não arbitrária (plausível, sensível e não aleatória) e substantiva (não literal), e que novas informações podem ser relacionadas às ideias basicamente relevantes já existentes na estrutura cognitiva do aluno (AUSUBEL; NOVAK; HANESIAN, 1980, apud CARDOSO, 2011, p.37).

Assim, entende-se que o aluno, para aprender determinado conceito, deva ter as três condições: a predisposição, os pré-requisitos conceituais (conceitos básicos na estrutura cognitiva) e os materiais que possibilitem o aprendizado (materiais potencialmente significativos). Porém, independente da estratégia abordada, a aprendizagem só será significativa se o estudante for capaz de relacionar o conceito aprendido (ou descoberto) com conceitos mais básicos, presentes em sua estrutura cognitiva, através dos subsunçores, que vão ficando mais elaborados à medida que o aluno se apropria de conceitos mais complexos.

Os organizadores prévios podem preparar a estrutura cognitiva do aluno, estimulando os subsunçores existentes, para que novos conteúdos sejam aprendidos e se consolidem na composição cognitiva, segundo Moreira e Masini (1982). Assim, os materiais chamados de organizadores prévios tem por objetivo facilitar a assimilação do conhecimento por parte do aluno. O material só pode ser considerado potencialmente significativo se mobilizar subsunçores capazes de

- (...) manipular a estrutura cognitiva do aluno de tal maneira que o novo material possa ter algum significado para ele, ou seja, possa ser lógico. Os organizadores envolvem a utilização de materiais relevantes, inclusivos e introdutórios que são maximamente claros e estáveis (AZEVEDO, 2010, apud CARDOSO, 2011, p. 39).

No ensino FMC, a ausência de subsunçores ou a falta de organização deles (TIRONI et al 2013), revela-se como um problema em relação ao processo de ensino e aprendizagem, pois o 'estranhamento' relacionado à conceitos iniciais do estudo da FMC pode dificultar a mobilização dos subsunçores, os quais deveriam servir de base para ancorar a aprendizagem dos novos conteúdos e conceitos.

A ausência de elementos fundamentais para formalização da aprendizagem significativa justifica a proposta da utilização de materiais que desempenhem a função de organizadores prévios , para que 'sirvam de ancoradouro para o novo conhecimento e levem ao desenvolvimento de conceitos subsunçores que facilitem a aprendizagem subsequente' (MOREIRA, 2009, p.14). Com a finalidade de auxiliar nessa estruturação cognitiva através de subsunçores, essa pesquisa foi realizada.

## MATERIAIS E MÉTODOS

A proposta metodológica elaborada objetiva aproximar estudantes do EM à realidade acadêmica, com uma visita específica ao laboratório didático da UTFPR, a fim de que os estudantes tivessem a oportunidade de realizar e manipular experimentos de FMC relacionados à conteúdos do currículo do EM. Os experimentos elencados foram o Experimento de Millikan e o Experimento da Difração de Elétrons , tendo em vista que os estudantes já tiveram contato, em sala de aula (momento prévisitas), com os conceitos relacionados a evolução dos modelos atômicos (de Dalton à Rutherford-Bohr) e a importância da descoberta de seus elementos constituintes (elétrons, prótons e nêutrons).

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Foi também incluída no planejamento uma visita ao laboratório de pesquisa Fotonanobio 1 . Esta ação diz respeito a desmistificação da ideia de uma 'ciência distante', feita por cientistas estereotipados, tornando a divulgação científica (DC) um elemento importante do contexto da pesquisa, num exemplo concreto de como estabelecer interação entre escola e universidade. Segundo Sievers et al (2013, p. 3):

Assim, buscamos contribuir para que a educação básica forme pessoas com as devidas capacidades de interpretação científica dos fatos naturais e, também, com o entendimento de como funcionam equipamentos, procedimentos técnicos e tecnologias utilizadas pela sociedade. Seria interessante que exemplos como este se tornassem uma realidade mais comum no ensino de ciências em nosso país.

Em resumo, a atividade foi realizada em três momentos distintos: 1) a prática da Experiência de Millikan; 2) realização da Experiência de Difração de Elétrons (ambas com orientação dos professores e mestrandos da UTFPR); 3) a visita ao laboratório de pesquisa da área de Nanobiotecnologia, com a orientação dos professores-pesquisadores da Universidade.

A realização das atividades promoveu a interação entre professorespesquisadores da universidade, estudantes de mestrado, professores da escola básica e estudantes de Ensino Médio do Colégio SESI Afonso Pena, localizado em São José dos Pinhas, região metropolitana de Curitiba. Participaram da atividade 26 estudantes de ambos os sexos e da faixa etária entre 14 e 17 anos, sendo alunos de 1º, 2º e 3º anos do EM, em turmas interseriadas.

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A rede de colégios do SESI/PR adota uma estratégia de ensino diferenciada, baseada na metodologia de projetos. A 'Oficina' é o sinônimo de turma, que ocorre de forma interseriada e seus integrantes mudam de 'oficina' trimestralmente. Nas oficinas de ensino a cognição ocorre a partir de um tema central, chamado 'desafio' e estimula os estudantes a utilizarem os conceitos desenvolvidos em cada disciplina para elaborarem uma resposta ao final do bimestre, de forma interdisciplinar e criativa.

Para avaliação dos impactos das visitas que ocorreram nos laboratórios da universidade, na perspectiva dos estudantes, foi aplicado um questionário, com oito questões, em dois momentos distintos (antes e depois das visitas). A intenção era verificar as possíveis variações e pontos de vista sobre os mesmos questionamentos. Assim, as questões eram abertas e se referiam a aspectos abrangendo desde o espaço físico da universidade até o conhecimento específico e conceitual sobre o elétron, este apresentado aos estudantes como o 'objeto de estudo' dos experimentos realizados no laboratório didático da UTFPR.

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O primeiro questionário foi respondido ainda na escola por todos os alunos que participaram da visita, antes da realização das atividades na Universidade. Aproximadamente quinze dias depois da visita, o segundo questionário foi aplicado, através de formulário online, com o objetivo de verificar as diferenças ocorridas em função das atividades desenvolvidas. É importante destacar que apenas as principais considerações e respostas dos questionários serão apresentadas a seguir, na forma de comparativo entre pré e pós visita.

A primeira pergunta dos questionários faz referência a espaços de laboratório de pesquisa ou divulgação científica. Os alunos citam presença em laboratórios como o FiBrA 2 (Física Brincando e Aprendendo) da UFPR, o Parque da Ciência 3 e a Feiras de profissões 4 de instituições que fizeram divulgação no ambiente escolar.

Tabela 1: Respostas de alguns alunos a questão 1 com comparativo de antes da visita e depois da visita aos laboratórios da UTFPR.

Destaca-se que, apesar da recente visita aos espaços da UTFPR, alguns alunos não se mostram capazes de diferenciar trabalhos de ensino (laboratório didático) e de pesquisa (FotoNanoBio) na universidade. Considera-se que, apesar de o questionário não induzir tal observação, a recepção dos alunos explicitou esses termos, bem como a etapa de visita ao laboratório de pesquisa, acompanhadas pelos professores pesquisadores. A evidência apontada pelos questionários indica que os estudantes fazem uma associação entre a visita aos laboratórios da UTFPR e laboratórios de divulgação científica, em modelo de Museu de Ciências, como o parque da Ciência, mesmo após as visitas ocorrerem.

Analisando a questão sobre o Experimento de Difração de elétrons, sua realização e manuseio, destaca-se que os estudantes apresentam familiaridade com o tema dualidade da luz , pois já havia sido tratado como conteúdo programático em aulas anteriores. Por extensão, o termo difração já se mostra passível de reconhecimento mesmo antes da aplicação da atividade

## 4) O que você entende por difração de elétrons?

2 FiBrA - Projeto de extensão da UFPR que recebe visitantes em espaço de divulgação científica, em modelo de museu de ciências - http://fisica.ufpr.br/fibra/

3 Parque da Ciência - Espaço destinado a divulgação científica e experimentação de diversas áreas do conhecimento - http://www.parquedaciencia.pr.gov.br/

4 Feiras de profissões - Iniciativa das universidades de divulgação de seus cursos de graduação. UFPR e PUCPR divulgam no espaço escolar - http://www.feiradecursos.ufpr.br/ e http://planetapuc.pucpr.br/.

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Depois: Natureza ondulatória dos elétrons.

Tabela 2: Respostas de alguns alunos a questão 4 com comparativo de antes da visita e depois da visita aos laboratórios da UTFPR.

Alguns estudantes reconheciam a experiência como comprovação do comportamento ondulatório da luz ou do som ou relatam a difração como um comportamento ondulatório, conforme os comentários dos alunos A 20 e A 10. Porém, o aluno A 17 demonstra imprecisão em sua resposta após a realização da atividade, pois não reconhece que a difração é uma mudança apenas de comportamento e não de características básicas do elétron.

Para uma análise do experimento de Millikan foram abordados dois formatos distintos nos questionários pré e pós atividade, considerando que os alunos não conheciam o tema do experimento e, talvez, não fossem capazes de relacionar a experiência a seu objetivo na análise do comportamento do elétron. As principais considerações sobre o experimento de Millikan são:

- 6) ANTES: Você sabe como a carga do elétron foi descoberta? DEPOIS: Qual a importância do experimento de Millikan para a Ciência?
- A 5 Antes: Pelo experimento com uma lâmina de ouro, que as cargas se repeliam.

Depois: Determinar a carga do elétron.

A 6

A 11

Antes: ------

Depois: A determinação do valor da carga elétrica elementar.

Tabela 3: Respostas de alguns alunos a questão 6 com comparativo de antes da visita e depois da visita aos laboratórios da UTFPR.

É possível destacar que em resposta ao questionário de pré-atividade, os estudantes A 5 e A 6 relatam fenômenos associados à estrutura do átomo e descoberta do próton, temas abordados em aulas anteriores. Já o aluno A 11, não havia respondido o questionário inicial. Porém, após a realização dos experimentos, os estudantes são capazes de associar a experiência de Millikan à descoberta da carga elementar do elétron.

A última questão refere-se à importância dos experimentos realizados pelos estudantes durante a visita ao laboratório didático. É pertinente destacar que a maioria dos estudantes não sabia do que se tratavam os experimentos e nem qual a relação deles com a FMC, como é possível observar a seguir.

- 8) Como você associa o experimento da Difração de elétrons e o Experimento de Millikan com a Física Moderna?

A 2

Antes:

Não sei que experimento é esse.

Depois: Que os dois estudam a física quântica, observando o comportamento das partículas.

A 6

Antes: Estudando-os conseguimos compreender melhor o mundo em que vivemos.

Depois: Estes experimentos ajudaram a entender o funcionamento dos elétrons, o qual a física moderna buscava compreender.

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Antes: Em vários experimentos para descobrir o funcionamento de um átomo, via-se que ele era constituído por um núcleo de carga positiva, então para o elétron orbitar o núcleo teria de ter carga negativa.

Depois: O Experimento de Millikan foi importante para a descoberta do elétron, principalmente pela carga do mesmo.

Tabela 4: Respostas de alguns alunos a questão 8 com comparativo de antes da visita e depois da visita aos laboratórios da UTFPR.

Por intermédio das respostas dos estudantes, destaca-se que após a realização da atividade eles reconhecem a importância dos experimentos como fundamentais para o desenvolvimento da FMC, sendo capazes de reconhecer o desenvolvimento da Física Quântica baseado em experimentos que exploram uma parte pequena da matéria, o que chamam de partículas ou elétrons, conforme destacado pelos alunos A 2, A 6, A 13, A 19 e A 21.

## CONSIDERAÇÕES

A análise dos questionários propostos aos estudantes evidenciou que os alunos foram capazes de estabelecer opiniões cientificamente embasadas a respeito de temas centrais da Física Moderna, tais como a respeito do elétron, sua carga e sua propriedade dual, bem como reconheceram os feitos científicos, sua evolução e importância social. Nesse contexto, a realização e manipulação dos experimentos pelos alunos evidencia a proximidade estabelecida com os conceitos da FMC.

As teorias da Aprendizagem Significativa aqui referenciadas, podem ser consideradas quanto à utilização de recursos e intervenções pautadas no conceito de 'materiais potencialmente significativos'. Segundo Moreira e Masini (1982, p. 6) 'os organizadores prévios devem ser mais efetivos do que simples comparações introdutórias entre o material novo e o já conhecido'. Desta forma, segundo os dados obtidos, há indícios de que a visita (com realização dos experimentos) pode ser considerada um organizador prévio , com a finalidade de estruturar uma ponte na construção de subsunçores para o desenvolvimento de temas relacionados à FMC. Neste sentido, é preciso destacar que este trabalho não intencionou a verificação da Aprendizagem Significativa a longo prazo, sendo o objetivo central a utilização de materiais potencialmente significativos, como organizadores prévios, no contexto do ensino de FMC.

Outro ponto interessante é que a partir das atividades desenvolvidas constatou-se, por meio dos questionários e da interação direta com os discentes, que as visitas causaram impactos positivos no processo de apropriação do conhecimento e iniciou aos alunos a curiosidade que envolve o campo científico e a vida do cientista.

Ainda, segundo Watanabe e Kawamura (2015) é necessário 'repensar as dinâmicas sociais estabelecidas entre cientistas e sociedade' para que o papel essencial da Divulgação Científica seja cumprido, de maneira mais efetiva, atingindo a sociedade em geral. Experiências como a relatada neste trabalho, prezando pela abertura de espaços educacionais com o propósito de aproximar estudantes e

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professores, cientistas e comunidade, escola e universidade podem humanizar o fazer científico e evidenciar a importância do desenvolvimento da Ciência para a sociedade.

## REFERÊNCIAS

ANGOTTI, J A. P. Ensino de Física com TDIC [online]. 1ª edição. Florianópolis, 2015.

BRASIL, PCN+ Ensino Médio: Orientações Educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Brasília, v. 2., 2002.

BEZERRA Jr. A.G.; LENZ, J. A.; SAAVEDRA, N.; PERES, M. V.; COSSI JR, O.; MELLO, A. C.; CONCEICAO, S. A. H. Uma Abordagem Didática do experimento de Millikan utilizando videoanálise. Revista Acta Scientiae , v. 17, p. 813, 2015.

CALHEIRO, L. B.; GARCIA, I. K. Proposta de inserção de tópicos de Física de partículas integradas ao conceito de carga elétrica por meio de unidade de ensino potencialmente significativa. Investigações em Ensino de Ciências - v. 19(1), pp. 177-192, 2014. Universidade Federal de Santa Maria. Santa Maria, RS, Brasil.

CARDOSO, S. O. O. Ensinando o Efeito Fotoelétrico por meio de simulações computacionais: Elaboração de roteiro de aula de acordo com Teoria da Aprendizagem Significativa. Dissertação (Mestrado). Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Minas Gerais. 2011.

DOMINGUINI, L.; MAXIMIANO, J. R.; CARDOSO, L. Novas abordagens do conteúdo física moderna no ensino médio do brasil. IN: Anais do IX Seminário de Pesquisa em Educação da Região Sul . Caxias do Sul, 2012.

MACHADO, D. I.; NARDI, R. Construção e validação de um sistema hipermídia para o ensino de Física Moderna. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias , v. 6, n. 1, 2007.

MOREIRA, M. A. Aprendizagem Significativa Crítica. In: Boletín de Estúdios e Investigación , n. 6, p. 83-101, 2005, com o título Aprendizaje Significativo Crítico. 1ª edição, em formato de livro, 2005; 2ª edição 2010.

MOREIRA, M.A.; MASINI, E.A.F.S. Aprendizagem significativa : a teoria de David Ausubel. São Paulo, Editora Moraes, 1982.

PARANÁ. Diretrizes Curriculares . Curitiba: 2008

SIEVERS, T. R.; SAAVEDRA, N.; A.G. Bezerra Jr. O Instituto Nacional de Diagnósticos em Saúde Pública como tema motivador para aulas de biologia no Ensino Médio. Revista Práxis Online, v. Esp., p. 263-267, 2013.

TIRONI, C. R., SCHMIT, E.; SCHUHMACHER, R. N.; SCHUHMACHER, E. A Aprendizagem Significativa no Ensino de Física Moderna e Contemporânea. Atas do IX Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências - IX ENPEC Águas de Lindóia (SP), 2013.

WATANABE, G.; KAWAMURA, M. R. D. Um Sentido Social para a Divulgação Científica: Perspectivas Educacionais em Visitas a Laboratórios Científicos. Alexandria Revista de Educação em Ciência e Tecnologia , v.8, n.1, p.209-235,

2015.

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