Ensino de Computação Quântica por meio de Percursos de Estudo e Pesquisa: planejamento e resultados preliminares
Vitória Luiza Fernandes Frare, Eliane Angela Veit, Ives Solano Araujo
- Evento
- Simpósio Nacional de Ensino de Física ↗ (SNEF)
- Edição
- XXVI
- Ano
- 2025
- Data
- 20/01/2025
- Linha de pesquisa
- Formação, Práticas E Desenvolvimento Profissional Docente No Ensino De Físicacódigo De Apresentação
- Tipo
- Comunicação
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Texto completo
## Ensino de Computação Quântica por meio de Percursos de Estudo e Pesquisa: planejamento e resultados preliminares
Vitória Luiza Fernandes Frare 1 , Eliane Angela Veit 2 , Ives Solano Araujo 3
- 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul/Instituto de Física/vitoria.f.frare@gmail.com
- 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul/Instituto de Física/eav@if.ufrgs.br
- 3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul/Instituto de Física/ives@if.ufrgs.br
## Resumo
Este trabalho apresenta um projeto de pesquisa e seus resultados preliminares, no contexto de uma dissertação de mestrado acadêmico em Ensino de Física, cujo objetivo geral é investigar as possibilidades do ensino de Computação Quântica (CQ) em cursos de Licenciatura em Física. Até o momento, foi concluído o primeiro estudo, uma revisão sistemática da literatura sobre o ensino de CQ. Dentre os principais resultados, identificamos a escassez de pesquisas, a falta de explicitação dos referenciais teórico-metodológicos para o ensino e a ausência de preocupação com a formação específica de professores para o ensino de tópicos de Computação Quântica. Diante dessa lacuna na formação docente, propomos, com base na Teoria Antropológica do Didático (TAD), dois estudos: a construção de um Modelo Epistemológico de Referência (MER), que atualmente está em desenvolvimento, e o planejamento e aplicação de um Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP) para estudantes de Licenciatura em Física de uma universidade pública. O MER será utilizado para guiar a construção do PEP, abordando questões epistemológicas, econômicas e ecológicas que envolvem o ensino de CQ. O PEP, por sua vez, atuará tanto como dispositivo analítico quanto como abordagem de ensino, investigando as condições que deveriam instaurar-se para facilitar e favorecer seu desenvolvimento em um curso de Licenciatura em Física, assim como as restrições que possam dificultá-lo. Dessa forma, o trabalho como um todo visa contribuir para a formação inicial de professores no ensino de Computação Quântica, oferecendo subsídios teóricos e metodológicos iniciais para a inserção desse tema na licenciatura em Física.
Palavras-chave : Ensino de Computação Quântica; Percurso de Estudo e Pesquisa; Formação de Professores.
## Introdução
A Computação Quântica (CQ) está transformando setores como a indústria financeira, medicina e segurança da informação, impulsionando uma corrida global por liderança em tecnologias quânticas. Iniciativas como a National Quantum Initiative (NQI) nos Estados Unidos (USA, 2018) e o Quantum Flagship na Europa (Riedel et al. , 2017) buscam avançar nessa área emergente, motivadas por interesses econômicos e de segurança nacional. Essas iniciativas governamentais incluem esforços para expandir o número de pesquisadores, educadores e estudantes qualificados, desenvolver mão de obra especializada, fomentar oportunidades de currículo e pesquisas multidisciplinares; e visam construir um ensino que vá além de conteúdos de mecânica quântica, mas que abranja o novo campo de Tecnologia da Ciência da Informação Quântica ( Quantum Information
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Science Technology -QIST ) que está sustentado pela Física quântica, Matemática e Ciência da Computação (Aiello et al. , 2021).
Embora o campo educacional de Computação Quântica ainda esteja nos seus estágios iniciais, já apresenta recursos didáticos para apoiar o ensino nessa área. Entre esses recursos, destacam-se: o Quantum Katas da Microsoft (Microsoft Quantum, 2022), que oferece tutoriais e exercícios de programação quântica; o QisKit (IBM Quantum, 2017) e o IBM Quantum Experience (IBM Quantum, 2016), que permitem a manipulação de circuitos quânticos e sua execução em simuladores ou protótipos. Além dessas ferramentas, há também livros didáticos e módulos de ensino (Hughes et al. , 2021; Perry et al. , 2020; Nielsen; Chuang, 2010).
Para além da existência de materiais voltados ao ensino, é importante analisar os esforços dedicados à formação de professores em nível médio e superior, que serão os responsáveis pela transposição desse saber em sala de aula. Com esse intuito, realizamos uma revisão sistemática da literatura nesse tema (Frare; Araujo; Veit, 2024) e que evidenciou uma importante lacuna: a ausência de artigos preocupados com a formação de professores para o ensino de tópicos de CQ.
Em nossa pesquisa temos o objetivo geral investigar possibilidades da abordagem de ensino de Computação Quântica em cursos de Licenciatura em Física. Os objetivos específicos incluem: traçar um panorama geral das publicações sobre o ensino de Computação Quântica, desenvolver um Modelo Epistemológico de Referência (MER) para a Computação Quântica e desenhar, aplicar e analisar um Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP) para o ensino de Computação Quântica para estudantes de licenciatura em Física. Neste trabalho, apresentamos o que já foi realizado (a revisão sistemática da literatura), o que está em desenvolvimento (o Modelo Epistemológico de Referência - MER) e o planejamento do estudo futuro que será implementado (Percurso de Estudo e Pesquisa - PEP).
Na próxima seção, apresentamos nosso referencial teórico-metodológico fundamentado na Teoria Antropológica do Didático (TAD), sistematizada por Yves Chevallard. Em seguida, discutimos os três estudos citados. Acreditamos que compartilhar nossa pesquisa em andamento pode dar visibilidade a um tema atual e ainda pouco explorado.
## Quadro Teórico-Metodológico
O referencial teórico que orienta nossos estudos 2 e 3 está baseado na Teoria Antropológica do Didático (TAD), inserida dentro das teorias da Didática da Matemática. Segundo Chevallard (1991), o saber sábio passa por transformações que lhe conferem um novo status epistemológico para se tornar o saber a ser ensinado. Essas transformações contêm elementos invariantes, como as definições físicas do objeto de estudo, e elementos que variam, responsáveis pela diferença entre esses saberes. Dessa forma, é necessário ter uma referência epistemológica para nos guiar durante uma investigação no ensino de Física, fornecendo condições e princípios que nos permitirão entender os fenômenos didáticos sob uma perspectiva mais suscetível a interferências humanas. Atualmente, essa referência é apresentada na TAD como o Modelo Epistemológico de Referência (MER). De maneira geral, o MER é uma construção teórica que proporciona conhecer mais sobre o objeto de estudo e o motivo pelo qual ele é estudado. Em nossa pesquisa, a
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elaboração do MER terá a função de orientar a construção do PEP ao localizar as praxeologias associadas a um saber físico, identificar condições a serem cumpridas e detectar restrições que possam dificultar no desenho e aplicação do nosso Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP) .
Para Chevallard (2013), vivemos num paradigma didático de 'visita às obras', onde o aluno é levado a 'visitar' o conteúdo apresentado pelo professor. Nesse paradigma, o professor entra em sala de aula para ensinar algo cujo começo, meio e fim já estão determinados, similar a um monumento em que a única coisa a se fazer é observar, sem permitir que os alunos descubram ou construam algo além do que já está posto. Em contrapartida, Chevallard propõe o paradigma de 'questionamento do mundo'. Ele enfatiza a necessidade de adotar uma postura investigativa, formulando questões que nos levem a respostas incertas e desconhecidas. Nesse processo, ressalta que é fundamental continuar formulando perguntas, buscando respostas e validando-as até encontrar a resposta final. Assim, apresenta o Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP) como um dispositivo didático que se baseia no estudo de uma questão geratriz , a qual origina outras questões 𝑄 ) 0 ( derivadas . A questão geratriz e suas derivadas possibilitam respostas 𝑄 ) 𝑖 ( 𝑄 ) 0 ( 𝑄 ) 𝑖 ( promovendo uma maior articulação dos conceitos em estudo. Com 𝑅 ) (
diferentes 𝑖 isso, Chevallard (2020) apresenta o sistema herbartiano:
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onde S representa o sistema didático composto por uma pessoa ou grupo de pessoas Y (os professores), que faz ou fazem algo para auxiliar um conjunto de pessoas X (os alunos), no processo de investigação que busca resposta para uma questão Q. Durante o estudo de Q , inicia-se um processo de investigação no qual S constrói e organiza o milieu ou meio M, que será utilizado para produzir a ↷) ( ↪) ( resposta final . O símbolo de coração sobrescrito significa que R , de acordo com 𝑅 ♥ Bosch (2018, p. 8), 'é caro ao 'coração' do sistema didático e estará no 'centro' da atividade' de S durante a investigação, pois será a resposta oficial a Q . De forma geral, o milieu (M) é composto pelas ferramentas ou objetos que são articulados no processo de investigação da questão Q .
## Estudo 1 - Revisão de Literatura
O primeiro estudo (Frare; Araujo; Veit, 2024) consistiu em uma revisão sistemática da literatura, na qual buscamos traçar um panorama abrangente dos artigos voltados ao ensino de Computação Quântica publicados entre 2010 e 2023, indexados nas bases de dados Scopus , Web of Science e Scielo . Estabelecemos como termos de busca nessas bases os seguintes descritores: 'quantum comput*' OR 'quantum information' AND 'education' OR 'student*' OR 'science education' OR 'teaching'.
Para isso, procuramos respostas às seguintes questões de pesquisa: i) Qual o perfil da produção acadêmica (natureza dos trabalhos, nível de ensino, objetivo central, metodologia de pesquisa e ensino)?; ii) Quais as justificativas e motivações para o ensino?; iii) Quais as ferramentas e recursos utilizados para ensinar computação quântica?; iv) Quais conteúdos têm sido ensinados? e v) Quais os principais resultados e recomendações dos artigos?
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Para delimitar o escopo da pesquisa, foram adotados os critérios de inclusão e exclusão apresentados na Tabela 1. A aplicação dos critérios de inclusão revelaram 134 artigos na base Scopus , 101 na Web of Science e um total de 48 artigos na Scielo , totalizando 283 artigos identificados. Em seguida, após a aplicação dos critérios de exclusão, nossa revisão compreende a análise e categorização de 50 artigos.
Tabela 1: critérios de inclusão e exclusão
Nossos principais resultados indicam que não há trabalhos voltados para a formação de professores e que a maior parte dos trabalhos se refere a propostas pedagógicas e curriculares (n=30), com poucas pesquisas (n=11) e relatos de experiência (n=7). Esses achados se alinham aos encontrados em revisões na área de ensino de Mecânica Quântica, onde predominam propostas, enquanto há escassez de estudos empíricos que investigam o ensino e aprendizagem (Krijtenburg-Lewerissa et al. , 2017; Bitzenbauer, 2021; Souza et al. , 2021;). Quanto ao nível de ensino, os estudos se concentram na graduação (n=22), direcionados principalmente aos cursos de Física e Engenharia.
No contexto das metodologias de ensino, as estratégias mais frequentemente empregadas incluem programação quântica, simulações, analogias clássicas e quânticas, e gamificação. Porém, os trabalhos carecem da explicitação dos referenciais teórico-metodológicos adotados.
Quanto aos conteúdos centrais frequentemente abordados nos trabalhos, temos: emaranhamento quântico e superposição; circuitos, portas e algoritmos
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quânticos; e aplicações da CQ, como a criptografia quântica e o teletransporte quântico.
Assim, a revisão de literatura possui um papel importante para a construção dos nossos estudos seguintes. De maneira preliminar, ajudou a identificar uma lacuna na área de formação de professores para o ensino de tópicos de Computação Quântica. Além disso, será crucial para a construção do Modelo Epistemológico de Referência (MER), pois o panorama das publicações oferecerá insights sobre as limitações e pontos fortes das abordagens de ensino utilizadas por pesquisadores que possuem um amplo trabalho no ensino de CQ, como Hughes et al. ( 2020), Satanassi, Ercolessi e Levrini (2022) e Singh, Levy e Levy (2022), entre outros.
## Estudo 2 - Construção do Modelo Epistemológico de Referência (MER)
Para a construção do MER, propomos partir da formulação do problema didático, empregando o esquema heurístico de Gascón (2011). Esse esquema é utilizado para descrever o desenvolvimento racional de um problema didático no âmbito da TAD:
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Neste esquema, P1, P2 e P3 representam as três dimensões do problema didático: epistemológica, econômica e ecológica, respectivamente, e P0 representa a formulação inicial e tem seu ponto de partida quando o professor apresenta um conteúdo aos alunos. O símbolo faz referência à incompletude de P0 , ⊕ necessitando da adição da dimensão epistemológica P1 para ao menos ser considerado um problema. O símbolo representa inclusão, onde uma formulação ↪ 'completa' de Pi+1 requer uma formulação prévia de Pi . Por fim, é denominado 𝑃 δ problema didático, contendo as três dimensões fundamentais.
Gascón (2011) pontua que todo problema didático se inicia por um problema docente. Em nosso estudo, P0 é representado pelas seguintes questões: Como ensinar aos licenciandos de Física tópicos de CQ? Como ensinar os fenômenos quânticos que são a base para o entendimento da CQ? Como motivar os alunos a ampliarem o interesse em estudar CQ? Como trazer elementos da lógica de programação para o ensino de CQ?
Em seguida, a dimensão epistemológica P1 é um componente essencial na construção do problema didático, pois trata de questões epistemológicas do saber envolvido, permitindo analisar, construir ou reconstruir as praxeologias presentes na instituição. As perguntas nesta dimensão incluem: O que é a Computação Quântica e qual sua aplicação na Física? Como ensinar tópicos de CQ com base no MER? Como compreender e interpretar o fenômeno de emaranhamento quântico, em termos de sua implicação para a comunicação e computação quântica? O que significa um estado de superposição quântica e como conceitualizá-lo de maneira aplicável à CQ? Como a interferência quântica pode ser explicada de forma que ilumine a sua aplicação nos algoritmos quânticos?
Na dimensão econômica P2 , as perguntas giram em torno das Organizações Físicas (OF), que se referem à forma como o conteúdo de Física é estruturado, e as
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Organizações Didáticas (OD), que dizem respeito à maneira como esse conhecimento é estudado em determinada instituição: Qual o papel que a Computação quântica desempenha e que papel poderia desempenhar na licenciatura em Física? Quais OF e OD são utilizadas no ensino de CQ conforme a literatura? Quais são as principais orientações dos documentos oficiais sobre ensino de CQ? Quais praxeologias físicas podem ser adotadas como um sistema inicial para o modelo?
A dimensão ecológica P3 busca compreender as condições e restrições das OF e OD, criando condições para reestruturar e reorganizar as condições de ensino e aprendizagem. Assim, as questões são do tipo: Como construir e aplicar um PEP fundamentado no MER da CQ? Quais as condições necessárias para aplicar um PEP? Quais restrições podem existir no desenvolvimento de um PEP direcionado a CQ? Quais os meios e recursos necessários para o desenvolvimento do PEP direcionado ao ensino de CQ?
## Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP)
Como proposta, o PEP pode ter início com a apresentação da seguinte questão geratriz Q0: 'Como os princípios da Mecânica Quântica podem ser aplicados na Computação Quântica para resolver problemas que são intratáveis por computadores clássicos?', juntamente dados iniciais Dp , necessários para seu entendimento. Acreditamos que essa questão seja suficientemente ampla para gerar uma investigação que aborde fenômenos de superposição e emaranhamento, comportamento dos bits e dos qubits, arquitetura e operação dos computadores quânticos, aplicações práticas e potenciais impactos. Espera-se que o delineamento do MER conduza a um conhecimento mais profundo sobre a Computação Quântica, sua razão de 'ser' e os motivos para seu estudo na Física, a fim de desenvolver uma praxeologia física para o seu ensino.
A partir da questão geratriz ( Q0 ), os estudantes distribuídos em grupos, buscarão uma resposta apropriada . Essa resposta deverá, por si só, representar 𝑅 ♥ uma contribuição significativa, no sentido de ampliar o universo praxeológico dos estudantes. Espera-se que o estudo da questão geratriz evolua e dê lugar a questões derivadas Q1, Q2, ..., Qk que podem surgir tanto pela necessidade de um entendimento mais profundo do problema, quanto para discussões e reconstruções de obras Oi que são consultadas na busca de determinada resposta . A 𝑅 𝑘 ◇ pertinência dessas questões derivadas deverá ser constantemente revisada, por meio da sua capacidade de contribuir para a elaboração da resposta final . 𝑅 ♥
## Considerações finais
Neste trabalho apresentamos uma pesquisa de mestrado em andamento, que aborda o ensino de Computação Quântica (CQ) em cursos de Licenciatura em Física, fundamentada na Teoria Antropológica do Didático (TAD). A revisão sistemática de literatura revelou a escassez de estudos voltados à formação de professores para o ensino de tópicos de CQ, evidenciando uma lacuna importante na produção acadêmica. Para contribuir com o preenchimento dessa lacuna, estamos desenvolvendo um Modelo Epistemológico de Referência (MER) e o
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planejamento de um Percurso de Estudo e Pesquisa (PEP) como passos fundamentais. Estes esforços representam um primeiro passo em direção a uma base teórica e metodológica sólida para a inserção de CQ na formação de futuros professores, baseada no paradigma de questionamento do mundo.
## Agradecimentos
A primeira autora agradece a bolsa de mestrado proporcionada pela CAPES .
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Texto extraído automaticamente do PDF: podem existir erros de conversão, especialmente em fórmulas, tabelas e figuras.