ESTUDO DA MATÉRIA E ANTIMATÉRIA ATRAVÉS DO MODELO PADRÃO DE FÍSICA DE PARTÍCULAS COMO PROPOSTA DE ITINERÁRIO FORMATIVO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIAS DA NATUREZA

## ESTUDO DA MATÉRIA E ANTIMATÉRIA ATRAVÉS DO MODELO PADRÃO DE FÍSICA DE PARTÍCULAS COMO PROPOSTA DE ITINERÁRIO FORMATIVO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIAS DA NATUREZA

## Rodrigo Lima Melhorato 1 , Fátima Moulin Costa Grossi 2

1 Instituto Militar de Engenharia/Engenharia de Defesa, rodrigomelhorato@hotmail.com 2 Escola Guimarães Rosa, fatimamoulincosta@gmail.com

## Resumo

O presente trabalho consiste em utilizar o conteúdo de matéria e antimatéria como proposta de itinerário formativo à luz da BNCC. Para isso foi implementado um projeto piloto adotando-se uma proposta de intervenção pedagógica do ensino de física de partículas na educação básica, concebida na 1ª Escola ONLINE avançada do CERN para professores de língua portuguesa. Foram utilizadas aulas teóricas e práticas, simulações computacionais e exposição de pôsteres, trabalhados de modo interdisciplinar pelos professores de Ciências da Natureza de modo a discutir grandezas conserváveis, a saber, massa, carga (elétrica, cor e sabor), energia e momento linear, em diversas aplicações e em diferentes escalas de comprimento. O principal propósito consiste em promover uma sólida formação básica em termos da interpretação dos fenômenos da natureza de modo que não seja compartimentado em diferentes disciplinas e que os alunos sejam capazes de reconhecer a importância do fomento à pesquisa para responder questões fundamentais; pautados em princípios éticos, sociais e ambientais; produzindo inovação e geração de tecnologia de ponta, essenciais à qualidade de vida, soberania e desenvolvimento de uma nação.

Palavras-chave : BNCC, Escola CERN, ciências da natureza

## Introdução

A educação perfaz um papel preponderante no desenvolvimento e evolução de uma nação, a saber, na formação de recursos humanos altamente especializados aliados aos valores morais e éticos para exercício pleno da cidadania. Neste sentido, cabe ressaltar a responsabilidade do processo formativo iniciado na vida familiar (Lei n. 9394, 1996) em conjunto com as instituições de ensino, aliadas às políticas públicas que assegurem uma formação básica de qualidade, sendo esta compreendida entre a educação infantil até as séries finais do ensino médio/técnico.

Em função das características regionais e econômicas de um país de escala continental como o Brasil, verifica-se um descompasso na universalização do currículo da educação básica. Portanto, o Ministério da Educação propôs homogeneizar as competências básicas a serem adquiridas finda a formação básica por meio de uma Base Nacional Comum Curricular (BNCC), respeitando os valores culturais e artísticos, nacionais e regionais (MEC, 2022).

A BNCC propõe uma estruturação para cada nível de ensino, a saber, no ensino médio; objeto de interesse deste trabalho; nas seguintes áreas de conhecimento: Linguagens e suas Tecnologias, Matemáticas e suas Tecnologias, Ciências da Natureza e suas Tecnologias e Ciências Humanas e Sociais Aplicadas. De fato, observa-se que a estruturação permanece alinhada à LDB (BRASIL, 1996) e aos eixos temáticos do Exame Nacional do Ensino Médio.

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

Segundo essa estruturação, cada área estabelece suas competências específicas de modo que estejam de acordo com as competências gerais listadas acima. Portanto, entende-se que embora haja uma divisão por área de conhecimento, é de vital importância o trabalho interdisciplinar (SBF, 2024) a fim de alcançar as competências gerais perfazendo o processo de formação básica geral.

A estruturação do novo currículo exigir-se-á um cumprimento de carga horária básica relacionada à Linguagens, Matemática, Educação Física, Ciências da Natureza e Ciência Humanas e Sociais, perfazendo um total de 2400 horas, tendo aprovação na Câmara dos Deputados, porém ainda necessita de aprovação no Senado. Para um total de 3000 horas de curso, 600 horas serão destinadas para aperfeiçoamento do discente no campo de conhecimento de sua escolha/afinidade, dando condições para prosseguir sua formação, seja na modalidade técnica ou superior. Neste sentido, os conteúdos das demais áreas, isto é, Ciências da Natureza e suas Tecnologias e Ciências Humanas e Sociais Aplicadas serão caracterizados como 'Itinerários Formativos'.

Face à implementação do novo currículo aliado ao compromisso institucional na formação de recursos humanos no âmbito da educação básica, este trabalho surgiu como um projeto piloto para avaliar a proposta idealizada em trabalho de conclusão pelo grupo 10 da 1ª Escola ONLINE avançada do CERN para professores de língua portuguesa (CERN, 2023), vislumbrando um horizonte de que o projeto possa se tornar um itinerário formativo em Ciências da Natureza e suas Tecnologias dentro do contexto da BNCC.

## Metodologia

A proposta foi implementada com algumas adaptações em função da realidade e calendário escolar. O público-alvo foi alunos do segundo ano do ensino médio da escola Guimarães Rosa, localizada em Cachoeiro de Itapemirim - ES. Os encontros ocorreram em média uma vez por mês conforme descrito na Tabela 1. Sob o título Matéria e Antimatéria: E eu com isso? O projeto seguiu na proposta de discutir a conservação de grandezas fundamentais na natureza, a saber, massa, carga (elétrica, cor e sabor), energia e momento linear, em diferentes escalas de comprimento; partindo da estrutura da matéria no nível mais elementar; utilizando o modelo padrão de física de partículas.

- O projeto foi piloto de modo a verificar sua aplicabilidade e aderência pelos alunos, não comprometendo o andamento regular do ano letivo. Portanto, dado que a escola funciona apenas no turno matutino, os encontros ocorreram durante o turno vespertino, exigindo-se comprometimento e obrigatoriedade de frequência de todos os alunos inscritos. Foram propostas 22 aulas, mescladas em discussões teóricas e práticas, mediadas pelo corpo docente e, quando possível, com pesquisadores convidados do CBPF, UFF e IFES.

Foram utilizados pôsteres disponibilizados pelo CERN (CERNBox, 2023); mantendo-se o idioma original; SPRACE (SPRACE, 2023) e outros produzidos pela própria equipe do projeto.

Ao final, todos os alunos da escola foram convidados para o evento de encerramento, com feedback dos envolvidos no projeto - professores e alunos, entrega de certificados aos concluintes e seminário ministrado por professor convidado do IFES, o qual debateu sobre a Física além do modelo padrão.

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Tabela 01: Planejamento utilizado no desenvolvimento do projeto.

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## Resultados e Discussão

Vinte e um alunos se inscreveram para participação no projeto. Aproximadamente 50% relataram o desejo de cursar Medicina, enquanto os demais estavam diluídos em áreas caracterizadas pelas ciências exatas, Astronomia, Engenharias e Física.

A principal dificuldade foi ajustar um horário comum aos professores de Física, Química e Biologia, mas que conseguiu ser cumprido de modo interdisciplinar em sete das vinte e duas aulas. Os alunos apresentavam domínio sobre os conteúdos de massa e energia, a nível molecular e macroscópico, bem como suas conservações, no entanto, não conheciam qualquer conceito sobre quantidade de movimento linear e sua conservação durante o curso de primeiro ano. Deste modo, o conceito de massa e energia, bem como suas conservações foram revisitados de modo interdisciplinar pelos professores de Física e Química, dentro do contexto da calorimetria, utilizando simuladores como recurso didático (Pearson, 2023). O conteúdo de momento linear, foi conduzido por meio de aulas teóricas seguidas de experimentos de colisões com bolas de gude.

Em ambos os casos, seja com simulador ou aula experimental, foi possível constatar uma rápida resposta de assimilação dos conteúdos pelos alunos em função da teoria x prática. Estudos mostram que a experimentação é uma forte aliada no processo de ensino-aprendizagem (Zabala, 2015), incluindo-se neste contexto os simuladores, dada a sua praticidade face aos custos operacionais e riscos envolvidos.

Para a abordagem dos fenômenos de escala atômica, principalmente relacionado ao modelo atômico de Bohr e a apresentação ao conceito de Física Quântica, um pôster com a letra da música Quanta , de Gilberto Gil foi exposto na escola uma semana anterior à abordagem do tema, no sentido de promover uma interdisciplinaridade científico-cultural, e ao mesmo tempo, oferecendo um estímulo de provocação ao novo tema que seriam apresentados.

A discussão teórica do modelo atômico de Bohr até o modelo padrão de física de partículas foi conduzida pelo professor de Física como mediador do processo de ensino-aprendizagem, utilizando livro texto (Reis, 2021) e demais recursos didáticos (LHC the guide, 2022), (Moreira, 2009), (Porto, 2013). O experimento proposto por Melhorato & Nicoli (2012), foi essencial após a discussão dos conceitos de quantização de energia, principalmente para uma abordagem qualitativa de como a radiação interage com a matéria.

Para a compreensão do conceito de antimatéria, a fim de expandir o conteúdo de física de partículas, foi realizada uma discussão em forma de mesa redonda, utilizando como referência o trabalho de Machado et al. (2006). Uma vez consolidado o conteúdo, e como forma de verificação de aprendizagem, os alunos apresentaram um seminário com aplicações tecnológicas advindas da descoberta da antimatéria, como o caso da tomografia por emissão de pósitrons (PET).

Os pôsteres disponibilizados pelo CERN em formato digital tiveram muito impacto e aderência durante todo o projeto. Os mesmos mantiveram-se expostos desde o primeiro dia. Embora ainda os alunos não tivessem sido apresentados ao conteúdo, a exposição em tempo integral foi uma estratégia de estímulo ao que estava por ser estudado. Incluir a exposição dos pôsteres na Semana Nacional de Ciência e Tecnologia foi visto como algo de grande repercussão e provocação às

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demais turmas que se quer conheciam sobre o assunto, ou em alguns casos, apenas das séries de ficção científica (Figura 01).

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Figura 01: Exposição de pôsteres do modelo padrão e suas aplicações durante a 20ª Semana Nacional de Ciência e Tecnologia.

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Os simuladores CIMA (CMS Instrument for Masterclass Analysis, 2023) e matRAD (Particle Therapy MasterClass, 2023) foram essenciais para consolidação e práticas dos conceitos estudados no modelo padrão. No caso do CIMA, os alunos puderam colocar em prática as conservações das grandezas físicas estudadas durante o projeto para concluir quanto à gênese da partícula. No caso do matRAD, puderam ter contato na prática, quanto a importância e aplicação do conteúdo de física de partículas, não somente para responder questões fundamentais, bem como para a geração de tecnologia que permite melhor qualidade de vida dos pacientes e eficiência no tratamento de tumores (Figura 02).

Figura 02: Alunos consolidando o aprendizado por meio do simulador matRAD.

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De modo geral, observa-se que o trabalho foi extremamente positivo, produzindo impacto significativo na formação dos discentes, com exemplos de alguns relatos:

'Ao analisar o desenvolvimento dessa tecnologia, também percebe-se que a teoria e a prática científica estão profundamente conectadas. Por isso, seria interessante investir no aprofundamento nessas ciências durante o ensino médio, tendo em vista que isso incentivaria mais pessoas a seguirem a carreira científica. Com esse incentivo, mais pesquisa, desenvolvimento e aplicações das novas ciências aconteceriam no cenário regional ou nacional, mas com impactos que podem chegar à escalas globais. Dessa forma, haveria uma significante melhoria na qualidade de vida no país, além de aumentar sua reputação e significância no âmbito científico internacional.' (Aluno A)

'Como foi dito, existe uma linha tênue entre a teoria e a prática de uma ciência, como a antimatéria na medicina. Seria muito útil aprofundar esses assuntos de física moderna, bem como ciências experimentais, no ensino médio.

Essa iniciativa impulsionará o meio acadêmico brasileiro e formará profissionais muito conceituados e preparados para ampliar a qualidade de vida do país e do mundo com suas descobertas.' (Aluno B)

Cabe destacar uma observação feita por um aluno quanto ao tema de interdisciplinaridade:

'Acho que, para uma melhora do projeto, é interessante incluir mais aulas com outros professores das outras disciplinas de naturezas, deixando assim mais variado e englobando outras áreas dentro da área de naturezas.' (Aluno C)

Como o projeto foi adaptado e implementado no decorrer do ano letivo e embora os encontros ocorressem fora do turno regular, muitos alunos não conseguiram ajustar o horário, em função de compromissos pessoais firmados no início do ano letivo com outras instituições, tais como: cursos de língua estrangeira, preparatórios para exames militares e ainda os casos daqueles que residiam fora da cidade e não poderiam permanecer durante todo turno vespertino. No entanto, vale ressaltar que durante a divulgação do projeto, foi apresentado o cronograma na íntegra com dias e horários das aulas. Uma alternativa à esta questão seria incluir o projeto como um possível itinerário formativo atrelado ao calendário escolar no turno matutino, algo ainda em estudo e a ser implementado na instituição.

## Considerações Finais

De modo geral é possível observar a aderência dos alunos ao projeto, principalmente em termos da essência da proposta, assim como os recursos didáticos implementados, mostrando-se como possível oferta de itinerário formativo para a realidade da escola. Alguns pontos merecem atenção e precisam ser amadurecidos no sentido de propor melhorias. Assim, o que chama a atenção é o reconhecimento por parte dos alunos da necessidade de maior carga horária destinada às discussões de modo interdisciplinar. Embora tenha sido planejado para que estas ocorressem durante as 22 aulas, infelizmente não foram cumpridas na íntegra pelo fato dos colegas de área trabalharem em outras instituições no turno matutino. Por essa razão, avalia-se a implementação do projeto no turno regular,

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inserido-o no calendário escolar de modo a conciliar o horário dos professores de Ciências da Natureza, indo na direção de transformá-lo em um itinerário formativo.

Visitas técnicas; pelo menos ao acelerador Sirius em Campinas e serviço de Radioterapia em hospital local; também são estudadas como parte dos recursos metodológicos a serem incorporados ao projeto. Embora com detalhes técnicos distintos ao LHC ( e.g. , faixa de energia, propósito experimental), a imersão do aluno nestes ambientes pode gerar um feedback positivo quanto ao aprendizado de modo interdisciplinar, dado que poderão verificar na prática as aplicações tecnológicas advindas de pesquisa com material humano extremamente capacitado e instrumentação de alto valor tecnológico agregado, essenciais à uma formação sólida e contemporânea.

Outro ponto a ser discutido é a etapa final da educação básica, isto é, o ensino médio. O cumprimento do currículo em todas as disciplinas deveria ser encarado como um processo de formação base, no entanto, em função do formato de acesso às universidades públicas ou pleito de bolsas em instituições privadas ocorrerem por meio da nota do ENEM, os discentes em maioria, priorizam este nível de ensino como um treino para as questões do referido exame, perdendo-se a essência da formação base.

Diante do exposto, o ensino passa a ser extremamente conteudista, de memorização, centrado em aspectos formais, desvinculados e descontextualizados da contemporaneidade; além de desmotivar os mais ávidos para as temáticas contemporâneas. É necessário um maior engajamento entre os pares, disciplina versus conteúdos, professores versus alunos, teoria versus prática, partindo dos princípios de excelência, ética, protagonismo de quem ensina e de quem aprende. Faz-se necessário o repensar de todo esse processo em profunda transformação social, tecnológica e científica.

Poderia se dizer: um novo sentido educacional, acadêmico? A educação voltada para a construção de projetos de vida, sendo despertados nos bancos escolares, com dimensões futuristas e edificantes para quem as experimenta.

## Agradecimentos

Nossos sinceros agradecimentos à toda equipe da escola Escola Guimarães Rosa, em especial ao diretor Fabrício Loss. Ao Dr. Jeff Wiener do CERN, pela autorização concedida para reprodução dos pôsteres no Brasil. Aos colegas Prof. Dr. Nelson Barrelo Junior (UFF) e Prof. Dr. José Abdalla Helayël-Neto (CBPF), pelo apoio no evento híbrido de abertura. Ao Prof. Dr. Wesley Spalenza (IFES) pela palestra proferida no seminário de encerramento. E principalmente aos alunos participantes, sendo os principais protagonistas nesse processo.

## Referências

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https://cernbox.cern.ch/pdf-viewer/public/UzLfWwMZdwzeImn/CII-poster-complet(text

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

e-img)-EN\_v2%20(1).pdf?contextRouteName=files-public-files&amp;contextRouteParams .item=UzLfWwMZdwzeImn. Acesso em : 01 mar. 2023

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