PRODUÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO SOBRE MECÂNICA E ASTRONOMIA

## PRODUÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO SOBRE MECÂNICA E ASTRONOMIA

## Adelson Fernandes Moreira 1 , Renato Pontone Júnior , Ana Carolina P. de 2 Moura 3

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CEFET-MG/Coordenação de Ciências/adelsonfmoreira@cefetmg.br 2 CEFET-MG/Coordenação de Ciências/ pontonejr@gmail.com

3 CEFET-MG/Coordenação de Ciências/anacarolinepmoura@gmail.com

## Resumo

Relatamos os resultados de estudo, realizado por um Grupo de Desenvolvimento Profissional Docente (GDP), que buscou fundamentar a produção de um texto didático sobre Mecânica, explorando a interface entre História da Ciência e Astronomia. Com base em pesquisa, anteriormente desenvolvida, foi escolhido como tema gerador a Revolução Copernicana e definida uma bibliografia de referência cujo estudo tem fundamentado a produção do texto didático, por meio de seminários e encontros mensais realizados pelo GDP. Por um lado, a Astronomia tem se revelado com forte apelo à motivação dos estudantes e com diferentes interfaces com os conteúdos de Mecânica, especialmente dentro de uma perspectiva histórica. Textos oficiais recomendam conteúdos de Astronomia como relevantes para a formação dos estudantes. Por outro lado, sua presença no currículo da Física do ensino médio é pequena e periférica, senão ausente. Como resultado da produção em curso, apresentamos a estrutura do material e seu eixo de organização, por meio de um diálogo com a literatura estudada, destacando os desafios da transposição didática que isso significa. O estudo desenvolvido pelo GDP converge com ações que buscam tornar a Astronomia um conteúdo efetivamente desenvolvido no Ensino Médio.

Palavras-chave : Mecânica; Astronomia; História da Ciência.

## Introdução

Ao longo do ano de 2016, foi desenvolvida uma pesquisa orientada pelo objetivo de Identificar, na História da Ciência, temas geradores a partir dos quais possa ser elaborada uma sequência de ensino de Astronomia (MOREIRA e PROENÇA, 2017). Essa pesquisa constitui a situação geradora do estudo cujos resultados serão apresentados neste texto.

A revisão bibliográfica realizada por Moreira e Proença (2017) mostrou um pequeno número de relatos de pesquisa e de experiência explorando as interfaces entre História da Ciência e Astronomia em práticas de ensino efetivamente realizadas em sala de aula. Além disso, a investigação delimitou os seguintes temas a partir dos quais podem ser desenvolvidas sequências de ensino de tópicos da Astronomia, dentro de uma perspectiva histórica: concepções de Newton sobre o conceito de força; construção do conceito de galáxia; criação e aceitação de modelos cosmológicos no início do sec. XX; transição do modelo geocêntrico para o heliocêntrico; os métodos de Galileu segundo Feyerabend; história dos modelos cosmológicos e teoria da gravitação; atração gravitacional; movimento relativo; determinação do raio da Terra; a origem do universo; Galileu, Kepler e suas descobertas; Galileu e a teoria da semelhança física.

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Criar ambientes de aprendizagem que promovam com os estudantes uma reflexão sobre aspectos da natureza da ciência foi apresentado como justificativa para introdução da História da Ciência no Ensino Médio e Superior, no total dos artigos analisados por Moreira e Proença (2017). A reflexão sobre a natureza da Ciência, na perspectiva dos textos analisados, tem como objetivo construir com os estudantes uma visão da Ciência como construção social e histórica. Nesse sentido compreender a Ciência a partir não apenas da dimensão objetiva do conhecimento científico, mas também das suas relações com a sociedade, em cada tempo histórico. Dentro dessa abordagem, problematiza-se o conhecimento científico compreendido como verdade absoluta, destacando a não linearidade de sua produção, sua dimensão coletiva, sua provisoriedade e os fatores não objetivos concorrentes nesse processo.

A identificação de um pequeno número de experiências concretas que exploram em sala de aula a interface entre História da Ciência e Astronomia reforça resultado apresentado por Langhi e Nardi (2012). No caso do ensino de conteúdos de Astronomia de forma articulada à História da Ciência, um dos fatores apontados por Gatti, Nardi e Silva (2010), que dificultam sua concretização na sala de aula, é a ausência de materiais didáticos que deem suporte a essa prática educativa.

Em contraponto, tem-se verificado, nas atividades do Grupo de Estudo e Divulgação da Astronomia, do qual participam os autores desse texto, o forte apelo que a Astronomia possui para os estudantes. Somam-se a esse interesse demonstrado pelos estudantes as orientações presentes nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (BRASIL, 1997) de incluir a Astronomia como conteúdo do ensino.

Acreditamos que, além do potencial formativo da interface entre História da Ciência e Astronomia, quanto a proporcionar uma compreensão sobre a natureza da Ciência, ela oferece situações problema que podem dar significado aos conteúdos básicos de Mecânica, ensinados às turmas do primeiro ano do ensino médio, promovendo o engajamento e a aprendizagem dos estudantes.

Dentro desse quadro delineado, desenvolveu-se um estudo com o objetivo de fundamentar a produção de um texto didático sobre Mecânica, tendo como contexto a interface entre História da Ciência e Astronomia. Nas seções a seguir, são descritos o contexto e a dinâmica do estudo desenvolvido, seus principais resultados e, à guisa de conclusão, o conteúdo e a estrutura da primeira versão do material didático produzido. Na apresentação dos resultados, do conteúdo e da estrutura do material, vamos dialogando com a bibliografia de referência que orientou o estudo.

## Método

Dentro de um projeto de extensão da Instituição Federal de Educação Profissional e Tecnológica (IF), da qual participam os autores desse texto, constituiuse um Grupo de Desenvolvimento Profissional Docente (GDP). Esse GDP é formado por 6 professores da IF, 2 professores da Rede Estadual de Ensino, uma professora do Colégio Militar e uma professora da Rede Particular de Ensino. Caracterizamos esse grupo como de desenvolvimento profissional, porque ele se constituiu de forma espontânea pelos participantes, movidos por um interesse comum no exercício da docência: incluir conteúdos de Astronomia na prática de sala de aula. Essa convergência de motivações para participar do estudo e produzir o material didático

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se desdobrou em uma experiência que enriquece profissionalmente todos os participantes. Na perspectiva de formação em exercício, da qual todos participamos, é mais que treinamento, é desenvolvimento profissional dos envolvidos.

Com base em Moreira e Proença (2017) foi delimitada uma bibliografia de referência (AGUIAR Jr., s.d.; FORATO, PIETROCOLA e MARTINS, 2011; FREIRE, MATOS, VALLE, 2004; GUERRA, FREITAS, REIS, BRAGA, 1997; MARTINS,1986, 1994, 2006; MEDEIROS, 2002; PANZERA, s.d.; PEDUZZI, 1996; PENEREIRO, 2009; RODRIGUES, ZIMMERMANN e HARTMAM, 2012), lida e discutida pelo GDP em seminários ao longo dos meses de março, abril e maio de 2017. Dessa bibliografia, de seu estudo e discussão foram estabelecidas as referências que têm orientado a escrita do material, cuja produção paulatina foi objeto de revisão crítica por esse mesmo grupo em reuniões de trabalho mensais, a partir de junho de 2017.

Apoiando esse estudo, participou também uma estudante do Programa de Bolsa de Complementação Educacional da IF. Essa estudante produziu resenhas de todos os artigos da bibliografia de referência e participou da revisão crítica do material produzido em 2017. Ela também divide a autoria desse texto.

## Resultados

O O artigo de Forato, Pietrocola e Martins (2011), foi o primeiro a ser lido e discutido pelo GDP e tornou-se referência principal no sentido de delimitar e destacar as contribuições dos demais textos na elaboração do material didático. Esses autores argumentam a favor da introdução de tópicos de História da Ciência (HC) com base em objetivos de formação propostos nos PCN, que apontam para uma Educação em Ciências que não fique restrita ao ensino de conteúdos conceituais.

O texto de Forato, Pietrocola e Martins (2011) oferece referências importantes para produção de um saber escolar que incorpore contribuições da HC, especialmente a partir do recorte de episódios históricos que, no entender dos autores criam oportunidades para refletir com os estudantes sobre o que tem sido a prática científica, favorecendo discussões no ambiente escolar sobre a dimensão cultural e temporal da ciência. Além disso, compreender o caráter dinâmico da construção da ciência, evidenciando que cada época e cada cultura adotaram critérios próprios para validar a construção do conhecimento. As referências apresentadas advêm das contribuições da historiografia e da didática das ciências cuja concretização implica desafios a serem enfrentados pelos professores na sala de aula.

As contribuições da historiografia caracterizam o tipo de narrativa histórica que deveria ser levada para a sala de aula. Há que se evitar uma abordagem anacrônica, que avalia o passado de modo preconceituoso, selecionando e enaltecendo conceitos e teorias 'similares' aos aceitos no presente. Em contraponto, a narrativa deve-se orientar por uma abordagem diacrônica, que analisa os fatos históricos com base no contexto socio-histórico-cultural em que ocorreram e compara teorias do mesmo período, mediante critérios da ciência aceitos em cada cultura.

Outra distorção a ser evitada é o chamado Whigguismo, a sobrevalorização da contribuição de um único personagem da ciência. Não se recomenda também a reconstrução linear de episódios da HC, com o objetivo de favorecer a

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aprendizagem de conceitos científicos, pois isto leva a desenvolver com os estudantes uma pseudo-história da ciência. As anedotas e lendas sobre personagens históricos também são criticadas por apresentarem a ciência como fruto do acaso, decorrente de insights de pessoas brilhantes. Um texto exemplar para tratar esse tema é o de Martins (2006).

A narrativa a ser escolhida é aquela que considera os fatores conceituais da ciência combinados aos elementos contextuais de cada cultura, o papel dos erros e das controvérsias, a contribuição do debate entre diferentes teorias, os diversos pensadores que trabalharam no assunto e a influência de fatores sociais, políticos e econômicos. A forma como aspectos da revolução copernicana são tratados na produção do material didático buscam concretizar essas referências.

Ao trazerem as contribuições da didática das ciências, Forato, Pietrocola e Martins (2011) acentuam a especificidade do saber escolar em relação ao saber produzido na comunidade científica. Do saber produzido pela comunidade científica para o saber escolar, há uma necessária reconstrução, compreendida a partir do conceito de transposição didática, elaborado por Chevallard. A incorporação das contribuições da HC deve levar em conta as etapas dessa transposição, que resulta em desafios importantes: a seleção do conteúdo histórico; o tempo didático; simplificação e omissão; a necessidade de evitar o relativismo e a complexidade dos trabalhos históricos como fonte de referência para a elaboração desse saber escolar.

Ainda que falte ao professor formação específica para trabalhar a HC na sala de aula, é possível desenvolver ações que busquem proporcionar a ele elementos para lidar com os desafios dos usos da HC em ambiente escolar, principalmente durante sua formação inicial e, no presente caso, em um projeto de extensão voltado à formação continuada de professores em serviço. O GDP constituído para a produção do material didático sobre Mecânica e Astronomia se insere nessa perspectiva. Professores de Educação Básica de diferentes disciplinas, Física, Geografia e Ciências, em um projeto de extensão da IF, estão envolvidos com a produção coletiva de um texto de Mecânica que seja estruturado a partir de ideias e debates que ocorreram no contexto da Revolução Copernicana.

A extensão tensiona a profundidade. A omissão de certos aspectos para adequar a complexidade ao tempo didático pode levar a distorções de aspectos históricos, objeto de discussão em sala de aula. A compreensibilidade do texto pode comprometer o rigor histórico no tratamento do tema. A tentativa de não desvirtuar os textos que abordam a HC também pode levar, por sua vez, à produzir um material muito denso a ser utilizado pelo estudante do ensino médio. A crítica ao objetivismo não pode implicar em cair em um subjetivismo, em 'um vale tudo' nas ciências. O questionamento de uma visão exclusivamente empírica não significa desvalorização do papel da experimentação na produção do conhecimento científico. São tensões, dilemas e riscos destacados por Forato, Pietrocola e Martins (2011), quando se busca elaborar um saber escolar que combine a didática das ciências com contribuições da historiografia para concretizar uma abordagem da HC, na sala de aula. São os desafios que temos enfrentado no GDP, que se colocou a tarefa de produzir um material didático sobre Mecânica e Astronomia, buscando explorar o contexto da Revolução Copernicana.

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## Conclusão

Apresentamos como conclusão desse texto a estrutura e o conteúdo do material didático cuja produção ainda está em curso. O material inicia com a proposição de uma atividade de caracterização do contexto sociocultural de nascimento da ciência moderna. A atividade coloca como questão: Como era a sociedade quando foram produzidos alguns saberes de Física que vamos estudar na área conhecida como Mecânica? Esses saberes são apresentados como fazendo parte da ciência, que nasceu no sec. XVI, construção coletiva influenciando e influenciada pelo contexto sociocultural do tempo em que foi produzida. Para alcançar esse objetivo tomamos como referência os textos produzidos por Guerra, Freitas, Reis e Braga (1997) e por Braga, Guerra e Reis (2004).

Cumprida essa primeira etapa, os estudantes são questionados sobre nossa crença no movimento da Terra e são provocados a propor evidências de que a Terra efetivamente se move e de explicar porque não sentimos o movimento da Terra (AGUIAR Jr, s.d.). Essa discussão cria o contexto para desenvolver o conceito de velocidade, inércia e a ideia de que o movimento é relativo. Os estudantes são solicitados a calcular a velocidade da Terra e, conscientes de seu alto valor, enfrentar as dificuldades de sustentar a afirmação de que a Terra está em movimento, quando nossas vivências do cotidiano são de uma Terra parada, com os astros do céu movimentando-se ao seu redor.

- O movimento relativo Terra - Sol é explorado em um texto e em uma atividade com animação utilizando o aplicativo celestial globe . Na animação, mostrase como o movimento aparente do Sol é perfeitamente explicado utilizando o modelo da esfera celeste, com a Terra em repouso no centro.

Existe, portanto, fundamento para se propor uma cosmologia com a Terra parada no centro do universo. Aceitamos, então, a provocação de Peduzzi (1996), e apresentamos para discussão a Física de Aristóteles e sua visão do universo. Esse tópico se inicia com uma atividade extraclasse, preparatória para uma ou duas aulas expositivas sobre a Cosmologia e a Física aristotélicas. A atividade extraclasse é, basicamente, leitura e interpretação de trechos do texto de Peduzzi (1996) com alguns comentários.

Os estudantes são, então, solicitados a pesquisar sobre as observações realizadas por Galileo, com o telescópio e seu significado para a desconstrução do universo de Aristóteles. Uma das fontes apresentadas para essa pesquisa é o texto de Penereiro (2009). A continuidade da discussão sobre a desconstrução do universo de Aristóteles é mediada por um texto com transcrições de Martins (1986) com o objetivo de apresentar o princípio da relatividade, da forma como foi enunciado por Galileo, e mostrar como ele se constituiu em importante argumento para se sustentar o modelo da Terra em movimento em torno de seu próprio eixo e ao redor do Sol. A leitura do texto possibilita constatar que ideias sistematizadas e reelaboradas por Galileo foram também concebidas por pensadores e filósofos naturais que o antecederam, atestando a dimensão coletiva de construção do conhecimento científico assim como sua dimensão controversa.

São apresentados, então, os dois máximos sistemas do mundo por meio de um texto precedido de uma problematização, realizada com um vídeo (PANZERA, s.d.) em que o tema principal é sobre como os modelos geocêntrico e heliocêntrico trataram o movimento retrógrado dos planetas. No contexto desse texto e atividade

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são discutidos os conceitos de período e velocidade angular de um movimento circular. Os modelos são comparados a partir das respostas que apresentam para descrever e explicar os movimentos dos corpos celestes. Quais são as possibilidades e limites de cada modelo?

Galileo deu contribuições decisivas para a desconstrução da cosmologia de Aristóteles e para a afirmação do modelo heliocêntrico de Copérnico, com o consequente abandono do modelo geocêntrico de Ptolomeu. Entretanto, existiu um argumento contra o movimento da Terra que não foi respondido satisfatoriamente por Galileo. É o chamado argumento da extrusão. Juntamente com as evidências proporcionadas por suas observações astronômicas e com o princípio da relatividade, Galileu também apresentou uma resposta para essa questão. Porém para entender o argumento de Galileo e suas limitações, precisamos aprimorar nossa forma de descrever os movimentos. Esse é o contexto criado com os estudantes para se desenvolver dois conceitos da cinemática: o vetor velocidade e o vetor aceleração. Para tanto, foram elaborados dois textos, um deles dedicado a refinar o conceito de velocidade, explorando sua dimensão vetorial e outro dedicado ao conceito de vetor aceleração, aplicado ao movimento circular.

- O texto que encerra essa primeira versão do material didático explora a seguinte questão: por que não observamos o efeito centrífugo de rotação da Terra? Com base em Martins (1994), apresentamos a resposta dada por Galileo e tentamos mostrar a insuficiência dessa resposta. A insuficiência do argumento de Galileu gera o contexto para apresentarmos a resposta e a síntese proposta por Newton. Para tanto nos valemos dos textos de Teixeira, Peduzzi e Freire Jr. (2010) e Freire Jr., Matos Filho e Valle (2004).

Com base em Teixeira, Peduzzi e Freire Jr, (2010) tentamos mostrar que a elaboração das Leis do Movimento e da Gravitação Universal não foram fruto, simplesmente, de um insight genial, acontecido nos chamados ' anni mirabili ', que Newton passou na fazenda de sua família, nos anos de 1665 e 1666, protegendo-se da peste, que assolava Londres. Elas foram resultado de longa elaboração, de revisões consecutivas nas tentativas de explicação e demonstração, que exigiram muito esforço e estudo por parte de Newton, e conhecimento da produção científica da sua época. Não foi fruto de uma elaboração puramente individual, mas resultado de uma construção da qual participaram outros filósofos e pensadores como Hooke e Huygens. A Newton coube a grande realização de sistematizar as referidas leis dentro de uma teoria consistente, passível de comprovação por observações e experimentos e fundamentada matematicamente.

Com base em Freire Jr., Matos Filho e Valle (2004) apresentamos os passos na construção do argumento da queda da Lua, proposto por Newton em sua obra 'Princípios Matemáticos de Filosofia Natural' e, por meio desse texto, tentamos elaborar com os estudantes uma primeira visão das leis de Newton e da síntese newtoniana.

Para essa primeira versão do material, falta ainda um texto desenvolvendo as leis de Kepler (MEDEIROS, 2002), que seria discutido com os estudantes antes do texto que explora a questão da não observação do efeito centrífugo da rotação da Terra. A esse texto do aluno serão incluídos exercícios extraídos das provas da Olimpíada Brasileira de Astronomia e da Olimpíada Brasileira de Física, assim como um conjunto de atividades, em que se destacam a realização de medidas astronômicas.

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Em uma primeira avaliação do material feita pelo GDP, dois desafios delimitados por Forato, Pietrocola e Martins (2011) se destacam. O tempo didático necessário para desenvolver essa introdução à Mecânica. Como articular devidamente extensão e profundidade? Acreditamos que esse também tenha sido um obstáculo enfrentado por Rodrigues, Zimmermann e Hartmam (2012). Outro desafio refere-se à tensão entre a compreensibilidade dos textos e o rigor histórico e conceitual. Em uma primeira apreciação, os textos se apresentam complexos, uma vez que aproximamos os estudantes de trechos dos originais dos artigos que referenciaram a produção do material. Com a preocupação de não distorcer as ideias trabalhadas nos textos, aumentamos a complexidade do material para o estudante. Nesse sentido, a mediação do professor, essencial no ensino, torna-se ainda mais significativa na utilização do material apresentado nesse artigo.

No ano de 2018, o GDP foi ampliado com a participação de mais uma professora de Física, um professor de ciências e mais uma professora de geografia, todos da Rede Estadual de Ensino. Por sua vez, dois professores da Instituição Federal não integrarão mais o grupo. A expectativa é que esse grupo se aproprie do material produzido e seja capaz de fazer as devidas adaptações para utilizá-lo nos diferentes contextos em que cada professor atua. Temos nos constituído, ao mesmo tempo, como um grupo de produção de material e formação em exercício, que cria as bases para a utilização do material. Ao longo de 2018, temos como objetivo produzir o texto sobre as leis de Kepler, revisar todo o material, buscando dimensioná-lo para um número executável de aulas, assim como torná-lo menos complexo e mais acessível ao estudante. Mantém-se presente a tensão entre compreensibilidade e rigor e o necessário cuidado para evitar distorções.

Cumprida essa etapa em 2018, partiremos para a implementação do material, no contexto de uma pesquisa-ação.

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