UMA PROPOSTA DE ENSINO DE RAIOS CÓSMICOS NO ENSINO MÉDIO UTILIZANDO OS TRÊS MOMENTOS PEDAGÓGICOS

## UMA PROPOSTA DE ENSINO DE RAIOS CÓSMICOS NO ENSINO MÉDIO UTILIZANDO OS TRÊS MOMENTOS PEDAGÓGICOS

Matheus de Souza Abrantes¹, Lucas de Souza Abrantes², Vitor Acioly 3 ,

¹Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, matheusabrantes@id.uff.br

2 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, lucasabrantes@id.uff.br

3 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, vitoracioly@id.uff.br

## Resumo

O presente trabalho é um recorte do Trabalho de Conclusão de Curso: 'Uma sequência didática de raios cósmicos utilizando os três momentos pedagógicos'. Tem como objetivo propor uma atividade de ensino para o ensino médio, a fim de inserir tópicos de física moderna e contemporânea, tendo como ponto de partida os raios cósmicos, tema esse abrangente capaz de entrelaçar conceitos da física básica à física moderna. Para transpor esses saberes, foi utilizado como referencial teórico a teoria de transposição didática desenvolvida por Chevallard e como metodologia para a sequência didática, os três momentos pedagógicos de Delizoicov e Angotti, método este que foi inspirado nas ideias de Paulo Freire, buscando problematizar o tema com demandas da vida cotidiana. A partir desses princípios, ao falar de raios cósmicos no ensino médio, é explorado conceitos fundamentais como ordem de grandeza, modelos atômicos, cargas elétricas e questões não tão usuais como a Radiação Cherenkov, a fim de entender o funcionamento dos tanques de detecção localizados no Observatório Pierre Auger. Por fim, os alunos são encorajados a criar apresentações utilizando os conceitos abordados ao longo das discussões.

Palavras-chave : Três momentos pedagógicos, Ensino de física, Raios cósmicos

## Introdução

A revolução tecnológica tem um papel crucial na vida das pessoas, mas o entendimento sobre como funcionam os dispositivos eletrônicos e as máquinas que auxiliam em diversas atividades cotidianas é limitado. Isso se deve, em parte, à ausência de conteúdos específicos nas grades curriculares das escolas, o que faz com que os alunos fiquem distantes do conhecimento sobre os processos de fabricação, distribuição e das várias etapas realizadas por diferentes trabalhadores antes que esses produtos cheguem ao consumidor final.

Como professores, é inadmissível que as informações de cunho científico que chegam aos alunos seja apenas pelos canais de divulgação científica. Embora o período atual seja conhecido como a era da informação, esta também é uma época marcada pela desinformação, com os meios de comunicação repletos de notícias falsas. Cabe ao professor promover o desenvolvimento do pensamento crítico nos alunos, para que sejam capazes de avaliar o que é verdadeiro ou falso, compreendendo a importância dessas pesquisas para a sociedade e o avanço da humanidade (SARAN, 2012).

O ensino de física na educação contemporânea promove a aprendizagem mecânica de conteúdos desatualizados com o foco no professor e na preparação para provas e vestibulares. Essa abordagem ensina apenas respostas corretas, sem

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incentivar questionamentos, e apresenta a Física como uma ciência fechada, da mesma forma que é exposta em livros didáticos ou apostilas (MOREIRA, 2014).

Deste modo buscar uma metodologia que promova uma relação dialógica entre professor e aluno, proporcionando aulas mais dinâmicas, centradas na problematização e dialogadas, conectando o senso comum e o entendimento do conhecimento científico, como esses saberes refletem em seu cotidiano. Nesse contexto, a abordagem metodológica dos Três Momentos Pedagógicos surge como uma ferramenta para apoiar o ensino e a aprendizagem de Física, permitindo um maior engajamento dos alunos na construção do próprio saber (BONFIM et al, 2018).

## Raios Cósmicos

Os raios cósmicos são partículas de alta energia vindas do espaço, bombardeando a Terra de todas as direções. Predominantemente são compostas por prótons, núcleos de hidrogênio, mas também inclui núcleos de hélio e de elementos mais pesados. Essas partículas ao colidirem com a atmosfera da Terra, interagem com as partículas lá presentes, esse evento gera partículas secundárias, formando um efeito cascata, conhecido como cascata atmosférica ou chuveiro atmosférico. Estas partículas secundárias têm menor energia e são detectadas em solo por equipamentos sensíveis (ABRANTES, 2024).

Utilizar os raios cósmicos como fio condutor para abordar temas de física é interessante pois deste tema, é possível abordar diferentes tópicos a serem comentados dentro do currículo. É possível conscientizar sobre os efeitos da radiação e seus efeitos à saúde humana, explorar temas interdisciplinares envolvendo astronomia, o quanto o estudo sobre o tema contribuiu para o progresso científico dentro da física de partículas. Sendo assim é uma excelente ferramenta para o engajamento científico dos alunos (TSCHÁ; BELLUCCO, 2022).

Seu estudo vai desde a compreensão da estrutura da matéria ao estudo do universo primordial, é possível entender as causas de fenômenos naturais terrestres, como auroras boreais e austrais, efeitos que são provocados pela interação dessas partículas com o campo magnético da Terra. Raios cósmicos também podem ionizar a atmosfera catalisando a formação de nuvens, o que influencia no clima do planeta (ABRANTES, 2024).

## Três momentos pedagógicos

O modelo deste trabalho foi baseado nas ideias propostas por Delizoicov e Angotti (1990). Ideias estas derivadas dos trabalhos produzidos por Paulo Freire, portanto o foco é estreitar a relação professor-aluno, buscando relações dialógicas com os alunos e descentralizando a figura do professor dentro do processo de ensino e aprendizagem, como Freire (2005) afirma sobre a concepção problematizadora reforça a mudança, uma vez que o educador desenvolve o saber dos educandos, sendo este educador, não mais a serviço da opressão e sim da libertação.

Portanto esta abordagem metodológica enfatiza relações que sejam significativas para o aluno dentro dos seus aspectos sociais, históricos e culturais. Buscando um ensino de ciências como afirma Moreira (2014) focado na

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aprendizagem significativa de conteúdos clássicos e contemporâneos, centrado no aluno e no desenvolvimento de competências científicas.

Pensando nessas questões, Delizoicov e Angotti (1990) definem a metodologia dos três momentos pedagógicos em três partes, são elas: Problematização inicial, Organização do conhecimento e Aplicação do conhecimento. Sendo eles detalhados abaixo:

## 1º) Problematização Inicial:

Este é o momento inicial, tem como objetivo despertar a curiosidade e interesse dos estudantes, colocando em evidência situações problema relacionadas a realidade dos alunos. Nessa etapa o professor apresenta um problema que desafia as concepções iniciais dos discentes. O intuito é provocar questionamentos que motive-os a buscar soluções e trazer mais perguntas do que respostas.

## 2º) Organização do conhecimento:

Após a introdução do problema, inicia-se o segundo momento. Nesta etapa o professor apresenta conteúdos científicos e formaliza conceitos que auxiliam a compreensão da situação problema introduzida no primeiro momento. É o estágio em que ocorre a sistematização do conhecimento, sendo o foco no aprendizado formal.

## 3º) Aplicação do conhecimento:

- O último momento, busca relacionar o conhecimento adquirido pelos alunos através do que foi estudado, a fim de estimular uma reflexão crítica desse conhecimento dentro da vida de cada aluno. Tendo como foco que os alunos não apenas compreendam os conceitos, mas possam utilizá-los para resolver novos problemas, tomar decisões ou propor soluções para questões reais.

## Proposta de sequência didática

A proposta de sequência didática realizada neste trabalho foi baseada no trabalho de Abrantes (2024) e montada pensando na metodologia dos três momentos pedagógicos, portanto ela é dividida em três momentos. As atividades propostas dentro dessa sequência didática são sugestões para que sejam aplicadas dentro da sala de aula, sendo papel do professor o de analisar a melhor maneira de abordar estes conteúdos para melhor entendimento de sua turma.

- O objetivo da atividade, como indicado no Quadro 01, é inicialmente problematizar a respeito dos raios cósmicos e como eles se entrelaçam em nossas vidas. Utilizando-se de exemplos presentes no mundo real, como os aviões e discutir os possíveis riscos que a radiação cósmica pode causar à saúde humana e como isso está conectado a economia e a sociedade humana.

Posteriormente esse primeiro momento de apresentação e problematização entra-se no segundo momento, onde é aprofundado e formalizado conceitos de física básica e discutir alguns assuntos de física de fronteira presentes na pesquisa realizada pelos cientistas sobre os raios cósmicos.

Após essa etapa da organização do conhecimento e seu aprofundamento diante a formalização de teorias e conceitos a serem tratados e discutidos com os estudantes. é abordado o último momento, a aplicação destes conhecimentos adquiridos, onde os estudantes devem apresentar um seminário do que foi estudado

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e incentiva-se a investigação de outros temas que se correlacionam com os raios cósmicos que não foram tratados ao longo da sequência, porém que contextualiza com a ciência, tecnologia, sociedade e também a arte.

Quadro 01: Síntese das etapas dos Três Momentos Pedagógicos: Estudo dos Raios Cósmicos.

Fonte: Abrantes, 2024

## 1° Momento Pedagógico: Problematização inicial

No primeiro momento os estudantes recebem um recorte de uma notícia sobre o risco da radiação espacial ser maior para passageiros de avião, após a leitura crítica em conjunto dos estudantes acerca da reportagem (figura 1), o professor deve criar questionamentos acerca do que foi lido, com o objetivo de criar mais perguntas do que respostas.

Fonte: https://exame.com/ciencia/risco-de-radiacao-espacial-aumenta-para-passageiros-de-aviao/ Figura 01: Reportagem sobre o risco de radiação espacial

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Algumas possíveis perguntas que o professor pode desenvolver a fim de discutir a natureza corpuscular dos raios cósmicos e seus efeitos ao atingirem a atmosfera terrestre. Debater a respeito dos perigos e possíveis riscos que eles podem causar na saúde humana, debatendo sobre radiação e desmistificando o tema.

- ● Que perigo é esse mencionado pela reportagem?
- ● Por que não enxergamos a chuva de partículas? Que partículas são essas que a compõem?
- ● Por que é perigoso? Então devemos nos preocupar? Como afeta nossas vidas?
- ● Do que essas partículas são feitas?

A partir da leitura da reportagem é possível problematizar e questionar como ela foi feita e sobre como são retratados os processos científicos pelo jornalismo, não é dito o nome do cientista que realizou o estudo ou sua área do conhecimento. Pensando sobre os autores destes estudos, leva ao questionamento sobre quem e onde é realizado os estudos sobre raios cósmicos, dando margem a comentar sobre o Observatório Pierre Auger 1 .

## 2º Momento Pedagógico: Organização do conhecimento

O segundo momento pedagógico visa aprofundar os conhecimentos dos alunos diante a situação problema apresentada no primeiro momento pedagógico.

Quadro 02: Síntese das atividades realizadas no segundo momento pedagógico.

## Aula 2: Ordem de grandeza

Nesta aula será desenvolvida uma atividade para discutir ordem de grandeza. Com o auxílio de um projetor de slides para que possa ilustrar as figuras

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abstratas que circundam o tema, buscando analogias próximas à realidade dos alunos, para que eles possam mensurar a dimensão daquele tamanho na notação científica.

## Aula 3: Modelos atômicos e eletroscópios

O objetivo desta aula é abordar aspectos históricos e teóricos dos modelos atômicos, sua evolução até o adotado atualmente, o modelo padrão. Após explorar a evolução dos modelos atômicos e elucidar questões sobre subpartículas dentro do modelo padrão e como o estudo de raios cósmicos através dos anos proporcionou a descoberta dessas partículas.

Essas indagações começaram a ser debatidas após começarem a pesquisar o motivo do descarregamento do eletroscópio e as razões por trás desse fenômeno. Sendo assim é interessante investigar o funcionamento desse instrumento de medida de cargas elétricas, composto por duas folhas de metal e a natureza dessas cargas elétricas, buscando entender o pensamentos dos cientistas da época que consideraram a possibilidade da radiação ionizante que descarrega o eletroscópio ser advinda do solo ou do céu.

## Aula 4: Experimento de cintilação

Na aula 3 é discutido com os estudantes os motivos históricos da descoberta da radiação ionizante ser de origem extraterrestre e ser nomeado como raios cósmicos. Nesta aula será discutido os efeitos da interação das partículas cósmicas com a atmosfera e como os detectamos na superfície terrestre.

A detecção de raios cósmicos é realizada no Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos do mundo. Ele possui 1660 detectores de superfície e 27 telescópios de fluorescência, os detectores utilizam cintiladores como método de detecção. Para ilustrarmos o brilho gerado na interação das partículas com a água presente dentro dos tanques em sala de aula, é realizado o experimento da 'água que brilha no escuro' . O experimento foi inspirado no trabalho de Ghidini (2023).

Figura 02: Materiais necessários para o experimento

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## Materiais necessários:

- ● Água tônica, ela servirá como material fluorescente.
- ● Água sanitária, será o agente oxidante.
- ● Lâmpada ultravioleta, de luz negra, sendo a fonte de radiação UV.
- ● Recipiente transparente.
- ● Conta gotas para colocarmos a água sanitária.

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- O procedimento para a realização do experimento, primeiro despeja-se a água tônica sobre o recipiente transparente. Após isso incide-se luz negra sobre o recipiente, é preferível que a iluminação na sala onde o experimento esteja sendo realizado seja baixo. Ao incidir a luz negra sobre o líquido é possível notar uma luz azulada emitida por ele.

A luz é emitida no líquido, pois na água tônica tem quinina que interage com a luz negra. O fenômeno da luz brilhando é uma representação da detecção do cintilador nos tanques detectores. Ao adicionarmos algumas gotas de água sanitária com auxílio do conta-gotas, o fenômeno de fluorescência cessa, impedindo a interação da luz ultravioleta com as moléculas de quinina.

Neste experimento a luz negra é análoga ao múon, ela não é igual ao múon, uma vez que ela é uma radiação eletromagnética e ele uma partícula. A água tônica funciona como o cintilador, pois tem a molécula de química, responsável pela fluorescência.

- O objetivo do experimento é demonstrar de forma lúdica, por meio da fluorescência observada no recipiente quando exposto à luz negra, como esse efeito acontece nos tanques detectores, criando assim uma analogia para os alunos.

## 3º Momento Pedagógico: Aplicação do conhecimento

Neste último momento, tendo como finalidade os alunos encontrarem relações daquilo que foi estudado com elementos da vida e a natureza, a fim de que o conhecimento adquirido seja significativo. Criando relações e buscando entender melhor a ciência de fronteira, é proposto como atividade final a apresentação de um seminário, incentivando que eles utilizem o que foi aprendido e pesquisarem além a fim de agregar mais conhecimento.

Os estudantes podem ser divididos em grupo e os seminários terem como objetivo envolver tópicos que se relacionam com o desenvolvimento tecnológico, econômico, social e como eles estão envolvidos nesse contexto. Durante todo esse processo é importante o professor manter uma postura problematizadora, buscando formalizar alguns conceitos que não foram aprofundados pelos alunos (BONFIM, 2018).

## Considerações finais

Nesta proposta de sequência a ser aplicada no ensino médio, trabalhou-se conceitos de raios cósmicos, astronomia, física básica e física de fronteira, entendendo um pouco sobre a pesquisa científica. Contemplando um conteúdo que está presente na vida humana e pouco se comenta a respeito na educação básica, sendo um ponto de partida para discutir conceitos teóricos e experimentais dentro do currículo de física, proporcionando uma aula mais dinâmica e lúdica.

A aplicação da sequência na dinâmica dos três momentos pedagógicos, proporciona uma didática problematizadora e crítica. Sistematizando uma divisão do conteúdo de maneira coerente e estimulando uma dialogicidade entre o professor e o aluno.

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Inserir conceitos de física moderna e contemporânea é uma das tarefas mais complexas dentro da física, devido aos obstáculos epistemológicos presentes nesta incumbência. Sendo um problema antigo dentro do ensino de física, portanto a proposta deste trabalho é mais uma das múltiplas propostas a fim de tornar as aulas de física menos mecânicas, explorando conceitos dentro da física de fronteira.

## Referências

ABRANTES, M. S. Uma sequência didática de raios cósmicos utilizando os três momentos pedagógicos. 2024. 73 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Física). Universidade Federal Fluminense. Niterói, 2024

BONFIM, D. D. S; COSTA, P. C. F; NASCIMENTO, W. J. A abordagem dos três momentos pedagógicos no estudo de velocidade escalar média. Experiências em Ensino de Ciências, Cuiabá, v. 13, n. 1, p. 187-197, 2018.

DELIZOICOV, D. &amp; ANGOTTI, J. A. (1990). Física. São Paulo: Cortez.

FREIRE, P. Pedagogia do oprimido. 42. ed. Rio de Janeiro: Paz e Terra, 2005.

GHIDINI, J. P. Elaboração e avaliação de uma Sequência de Ensino- Aprendizagem sobre Raios Cósmicos: Proposições e Reflexões. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2023.

MOREIRA, M. A. Grandes desafios para o ensino da física na educação Contemporânea. Ciclo de palestras dos 50 Anos do Instituto de Física da UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 2014.

TSCHÁ, S. H; BELLUCCO, A. Uma proposta de sequência didática para trabalhar a natureza da ciência: a pesquisa brasileira sobre raios cósmicos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 39, n. 1, p. 151-173, 7 abr. 2022.

SARAN, M. C. B. Astrofísica de partículas na sala de aula - uma sequência de ensino e aprendizagem sobre raios cósmicos para o ensino médio. 2013. 129 f. Dissertação (Mestrado profissional em ensino Física). Programa de Pós Graduação em Ciências Exatas, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2013.

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