DESIGN DE UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA SOBRE NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O ENSINO MÉDIO

## DESIGN DE UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA SOBRE NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O ENSINO MÉDIO

## Pedro Leonardo dos Santos Neto¹, Caio Moreira de Araújo 2 , Marcelo Alves Barros 3

- 1 Universidade Estadual de Campinas/ Programa de Pós-graduação Multiunidades em Ensino de Ciências e Matemática - PECIM/pe.leosn@gmail.com
- 2 Instituto de Física de São Carlos/ Licenciatura em Ciências Exatas/caioaraujo@ifsc.usp.br

3 Instituto de Física de São Carlos/mbarros@ifsc.usp.br

## Resumo

A BNCC indica a relevância do conhecimento científico e tecnológico para a vida e o mundo. Nesse sentido, o Ensino de Física em aproximação a este documento e visando um processo de ensino-aprendizagem contextualizado, necessita acompanhar e incluir os conhecimentos científicos que se mostram presentes nas inovações tecnológicas e permeiam a vida dos estudantes. No entanto, o currículo escolar do Ensino Médio é composto, em sua maioria, por conteúdos de Física Clássica. A Física Moderna, presente nas inovações tecnológicas, possui pouco espaço para ser desenvolvida neste currículo. Com isso, mostra-se necessário incluir temas de Física Moderna no Ensino Médio, como os tópicos Nanociência e Nanotecnologia. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar o design de uma sequência didática sobre o tema 'Nanociência e Nanotecnologia'. A construção da sequência foi orientada a partir da perspectiva do Design-Based Research. Logo, pretendemos contribuir para os avanços das pesquisas sobre inovação curricular no Ensino de Física.

Palavras-chave : Design-Based Research; Ensino de Física; Nanociência.

## Contextualização

À medida que a tecnologia avança, as estratégias e metas da educação devem acompanhar paralelamente esse avanço, a fim de formar indivíduos com conhecimentos e habilidades que possam contribuir para o desenvolvimento da sociedade e novos avanços tecnológicos. Segundo Bao & Koenig (2019) com o ensino de física não é diferente, visto que, do nível microscópico das partículas ao nível macroscópico do espaço, a física permite além da compreensão do universo e do mundo, ao desenvolvimento tecnológico. Desta forma, o ensino de física no século XXI exige que a física seja um veículo para os alunos pensarem criticamente, possibilitar a resolver problemas complexos, modelar situações do mundo real, refletir sobre a natureza do conhecimento e seu papel na sociedade (HOLUBOVA, 2019).

Nesse sentido, no Brasil, a Base Nacional Comum Curricular (BNCC) tem como proposta favorecer os currículos interdisciplinares (e transdisciplinares) em que no

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contexto do ensino de física a BNCC estabelece as seguintes unidades temáticas para o Ensino Médio: Matéria e Energia; e Vida, Terra e Cosmos. Watanabe & Watanabe (2019) enfatizam que a BNCC recomenda a discussão sobre o papel do conhecimento científico e tecnológico na organização social, nas questões ambientais, na saúde humana, e na formação cultural. No entanto, por mais que os documentos legais preveem o ensino de física sendo desenvolvido para contextualizar o aluno no mundo tecnológico, a literatura reporta um distanciamento das necessidades dos alunos no que diz respeito a conhecimentos científicos mais atuais, conforme Salomão; Araújo e Mackedanz (2020) pontuam. Além disso, os autores mostram que é perceptível a existência de uma defasagem em termos de conteúdos, onde encontram-se restritos a abordagens de tópicos pertencentes à física clássica, caracterizando em um atraso curricular da disciplina de Física no Ensino Médio, uma vez que a física ensinada no século XXI, é a física do século XIX.

A fim de quebrar paradigmas e acompanhar as profundas transformações tecnológicas mais recentes, os tópicos de Física Moderna se tornam essenciais para imergir o aluno no contexto tecnológico atual, e consequentemente formá-lo para exercer seu papel na sociedade de maneira crítica e consciente. Segundo Junior e Pereira (2017), entre as principais dificuldades em trabalhar com tópicos da Física Moderna estão: a falta de preparação e formação dos professores, escassez de materiais didáticos e questionamentos baseados em 'como fazer'.

Dentre os tópicos que estão contidos na física moderna, o tema Nanociência e Nanotecnologia dificilmente é abordado no Ensino Médio, como pode-se observar nos conteúdos indicados no Currículo Paulista. A Nanotecnologia está próxima da sociedade, presentes em equipamentos eletrônicos, protetores solares, roupas, calçados esportivos entre outras aplicações. Além disso, tem contribuído para um dos desafios que a Indústria e Ciência analisam: a diminuição de componentes eletrônicos. Nota-se que essa temática, além de tendência de estudo, está presente nas tecnologias que permeiam a vida dos alunos. Assim, contida nos tópicos de Física Moderna e possuindo caráter Interdisciplinar, apresenta potencial para ser desenvolvida no Ensino Médio.

De modo a desenvolver e incluir a temática da Nanociência e Nanotecnologia no processo de ensino- aprendizagem em uma estrutura de sequência de atividades direcionada para a difusão do conhecimento científico, a perspectiva do Design-Based Research indica elementos para o desenho e avaliação do processo de ensino à medida que é implementado (ANDERSON; SHATTUCK, 2012). Neste cenário, o processo de desenho de uma sequência didática segue um processo iterativo que proporciona a reestruturação da sequência conforme os resultados de sua implementação são analisados.

Nesse sentido, levando em consideração a inserção de tópicos de Física Moderna no Ensino Médio e a necessidade de desenvolvimento de estratégias didáticas que possibilitem a abordagem destes tópicos, este trabalho tem como objetivo, considerando a limitação de espaço, apresentar o design de uma sequência didática sobre o tema 'Nanociência e Nanotecnologia'.

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## DESIGN-BASED RESEARCH (DBR): Base para sequências de ensino aprendizagem

O enfoque na busca pela compreensão do processo de ensino e aprendizagem em sala de aula baseado em teorias gerais de aprendizagem, aponta para a problemática que no âmbito da aplicação de tais teorias, no cenário positivo, há a estruturação de 'regras heurísticas' (LIJNSE; KLAASSEN, 2004). Contudo, a qualidade do processo de ensino não é garantida por meio dessas regras, bem como a produção de conhecimento didático específico de conteúdo dificilmente está incluso em abordagens como essas.

Nesse sentido, de modo a aperfeiçoar a estruturação do processo de ensino e aprendizagem de conhecimentos científicos por meio de intervenções educacionais contextualizadas e colaborar para a melhoria de sua qualidade, a abordagem DesignBased Research (traduzido como pesquisa baseada no design - DBR) estabelece paradigmas que orientam a construção e avaliação de intervenções educacionais em um processo iterativo. O processo baseado na DBR é desenvolvido por meio dos eixos: desenho prévio, implementação, análise e reestruturação do desenho (DESIGN-BASED RESEARCH COLLECTIVE, 2003).

Como Wang e Hannafin (2005) sintetizam, as pesquisas elaboradas por meio da abordagem DBR possuem as seguintes características: frequentemente são desenvolvidas em um ambiente único e real; as intervenções são contextualizadas; há documentação e conexão dos resultados da implementação com o processo de desenvolvimento e o contexto de ensino; colaboração entre professores e pesquisadores; produção de conhecimentos que podem ser aplicados na prática e utilizados como referências para outros professores e pesquisadores.

Na mesma direção da pesquisa de desenvolvimento desenvolvida na abordagem DBR, a Teaching-Learning Sequence (traduzida como sequência de ensino-aprendizagem - TLS) aprofunda os estudos sobre a estruturação de um conjunto de atividades de ensino direcionadas para o aprendizado científico. As aproximações entre DBR e TLS para orientar a estruturação e avaliação de intervenções de ensino segue um processo iterativo.

A partir de discussões didáticas e de conteúdo, o desenho inicial da sequência de ensino-aprendizagem é construído considerando os resultados que a pesquisa espera alcançar. Então, a sequência é implementada com estudantes e os resultados da implementação em conjunto com aspectos didáticos observados nessa etapa, são analisados. Após a etapa de análise dos resultados, o desenho da sequência é aprimorado e novamente implementado.

## O Design

Este trabalho caracteriza-se como uma pesquisa de design em que é construído por meio do desenho de uma sequência de atividades visando ao ensino e aprendizagem de tópicos científicos específicos.

A partir de discussões prévias com especialistas da área de Nanociência e Nanotecnologia, as atividades foram construídas por meio dos pressupostos da DBR

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- e TLS. Com isso, os alunos podem desenvolver a aproximação teórica por meio de estudos individuais e coletivos. Assim, a sequência abrange dois blocos conceituais definidos como: 1 - Dimensões de tamanho do nanômetro; 2 - Propriedades e estratégias de produção de nanopartículas.
- O primeiro bloco conceitual presente no design, busca realizar uma aproximação inicial com a temática da Nanociência e Nanotecnologia. Os objetivos de aprendizagem nessa etapa são: descrever, usando a linguagem convencional da ciência, o tamanho de um nanômetro; realizar comparações de tamanhos de objetos nanométricos com outros objetos em diferentes escalas; e definir o significado de Nanociência e Nanotecnologia. Além disso, procuramos apresentar aos estudantes as relações entre o estudo de fenômenos únicos da nanoescala com a formulação de novas perguntas e respostas em diferentes áreas, como saúde, ambiente e tecnologia. Também, as influências do desenvolvimento de novas ferramentas de análise e manipulação para o aumento da nossa capacidade de investigar e inovar na ciência são incluídas nas discussões.

Ainda, o bloco inicial orienta-se a partir das seguintes questões de ensinoaprendizagem: Quão pequeno é um nanômetro em comparação com outros objetos em diferentes escalas? Como vemos e movemos objetos muito pequenos? Por que os nossos modelos científicos mudam ao longo do tempo? Como a descoberta de uma nova tecnologia pode impactar as nossas vidas?

Um exemplo de atividade incluída nesse conjunto é a prática Corta Papel. Seus objetivos de aprendizagem são evidenciar o pequeno tamanho da nanoescala, explorar a impossibilidade de manipular materiais em nanoescala com objetos em macro escala e entender a invisibilidade da nanoescala a olho nu. A partir do questionamento inicial 'Quantas vezes você acha que precisaria cortar uma folha de papel ao meio para atingir um comprimento próximo do nanômetro?', os alunos recebem uma folha de papel A4 e são instruídos a cortarem o papel ao meio o máximo possível com diferentes ferramentas (mão, tesoura e régua). Informações como o número de cortes realizados e a medida do menor pedaço de papel atingido por instrumento são registradas no processo. Então, os alunos são orientados a discutirem as seguintes questões com o professor:

- · O quão próximo está o comprimento do seu menor pedaço de papel da nanoescala?
- · Objetos em escala macro, como a tesoura, podem ser utilizados para manusear a nanoescala? Por quê?
- · Vocês acham que é possível cortar ainda mais o papel? Se sim, o que precisaríamos utilizar?

O segundo bloco conceitual abrange a apresentação de propriedades da nanoescala, como o impacto da área superficial das nanopartículas em reações químicas, e estratégias de produção de nanopartículas ( Top-down e Bottom-up ). Os objetivos de aprendizagem são: explicar o motivo das propriedades dos objetos em nanoescala, em geral, apresentarem diferenças das propriedades do mesmo material em escala macro; descrever a relevância da área superficial das nanopartículas; compreender as relações entre formato e tamanho das nanopartículas com as cores apresentadas por estruturas nanométricas; e analisar estratégias de produção de nanopartículas.

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Este bloco orienta-se a partir das seguintes questões de ensino-aprendizagem: Qual o impacto das propriedades das nanopartículas para o avanço científico e produção de novas tecnologias? Quais as vantagens e desvantagens de estratégias de produção de nanopartículas? Por que objetos compostos por nanopartículas apresentam cores diferentes de um mesmo objeto em macro escala (como exemplo uma solução de nanopartículas de ouro apresentar coloração vermelha e o ouro em macro escala, cor dourada)?

A atividade Aspirinas e Área Superficial é uma das práticas do segundo bloco, buscando desenvolver o objetivo de aprendizagem: apresentar a relação entre área superficial e velocidade de reação das nanopartículas. Inicialmente, os alunos recebem duas aspirinas e dois copos com volume de água idêntico. Então, são orientados a triturar uma das aspirinas até que consigam um pó como produto. Devem, no mesmo instante, colocar a aspirina inteira e a triturada em cada um dos copos. Por meio da observação dos efeitos em cada copo, são instruídos a discutirem as questões com o professor:

- · Houve diferença na ação das aspirinas nos copos? Como você explicaria esse comportamento?
- · Como vocês associam o fato observado neste experimento com a relação da área superficial?
- · Existem um limite para a diminuirmos as aspirinas?
- · Quantas vezes podemos dividir uma barra de ouro e os pedaços menores continuarem a serem ouro?

Para este trabalho, procuramos elaborar atividades que se baseiam nos conceitos que julgamos como os mais importantes a serem desenvolvidos, através de análise prévia dos conteúdos publicados, tais como: modelos atômicos, organização molecular, desenvolvimento de novos materiais a partir dos átomos, miniaturização de componentes eletrônicos, aplicações encontradas em nosso cotidiano e impactos sociais e ambientais. As atividades propostas ao longo da sequência didática foram extraídas e adaptadas do projeto: NanoSense (2004-2008), disponível no site: https://nanosense.sri.com/.

## Conclusões e implicações

Baseado em pesquisas que utilizaram a abordagem DBR (HOADLEY, 2004; JEN et al, 2015; PUGH et al, 2023), espera-se que o desenho da sequência de atividades indique potenciais pedagógicos, tais como: oportunidades de desenvolvimento de pensamento crítico, desenvolvimento de habilidades de colaboração, sólida construção do conhecimento científico e desenvolvimento de habilidades de resolução de problemas.

Finalmente, esperamos que este trabalho contribua com as pesquisas da área de educação científica a respeito da inovação curricular no Ensino de Física ao propor a construção de um instrumento pedagógico.

## Referências

ANDERSON, T.; SHATTUCK, J. Design-based research: A decade of progress in education research? Educational researcher , v. 41, n. 1, p. 16-25, 2012.

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BAO, L., KOENIG, K. Physics education research for 21st century learning. Discip Interdiscip Sci Educ Res . v.1, n.2. 2019.

DESIGN-BASED RESEARCH COLLECTIVE. Design-based research: An emerging paradigm for educational inquiry. Educational researcher , v. 32, n. 1, p. 5-8, 2003.

HOADLEY, C. Methodological alignment in design-based research. Educational psychologist , v. 39, n. 4, p. 203-212, 2004.

HOLUBOVA, R. Education of Physics Teachers in the 21st Century. Journal of Physics: Conference Series , v.1929, n. 012076, 2019.

JEN, E.; MOON, S; SAMARAPUNGAVAN, A. Using design-based research in gifted education. Gifted Child Quarterly , v. 59, n. 3, p. 190-200, 2015.

JUNIOR, F. A. L. S.; PEREIRA, M. V. Uma proposta de ensino do efeito fotoelétrico utilizando simulação computacional a partir de três momentos pedagógicos . Rev. Eletrônica Debates em Educação Científica e Tecnológica . v. 7, n.2, pg. 103-129. 2017.

LIJNSE, P.; KLAASSEN, K. Didactical structure as an outcome of research on teaching-learning sequences? INT. J. SCI. EDUC ., v.26, n.5, p. 537-554, 2004.

MAY, C. Towards a general theory of implementation. Implementation Science , v. 8, p. 1-14, 2013.

PUGH, K. et al. The Seeing Science Project: Using Design-Based Research to Develop a Transformative Experience Intervention. Journal of Science Education and Technology , v. 32, n. 3, p. 338-354, 2023.

SALOMÃO, J. P. Q. C.; ARAÚJO, R. R.; MACKEDANZ, L. F. Um estudo bibliográfico sobre metodologias no ensino de física moderna e contemporânea. Arquivos do Mudi , v. 24, n. 3, p. 233-242, ano 2020.

SOICHER, R.; N.; BECKER-BLEASE, K. A.; BOSTWICK, K. C. Adapting implementation science for higher education research: the systematic study of implementing evidence-based practices in college classrooms. Cognitive Research: Principles and Implications , v. 5, n. 1, p. 54, 2020.

WANG, F.; HANNAFIN, M. Design-based research and technology-enhanced learning environments. Educational technology research and development , v. 53, n. 4, p. 5-23, 2005.

WATANABE, G.; WATANABE, G. Por um ensino de Física que promova um conhecimento científico escolar menos desigual e mais complexo. In: CÁSSIO, F.; CATELLI JR., R. (orgs.). Educação é a base? 23 educadores discutem a BNCC. Ação Educativa , 2019, p. 269-282.

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