INTRODUÇÃO DA FÍSICA MODERNA E CONTEMPOR NEA NA EDUCAÇÃO BÁSICA POR MEIO DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS DE ESPECTROSCOPIA ASTRONÔMICA

## INTRODUÇÃO DA FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA NA EDUCAÇÃO BÁSICA POR MEIO DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS DE ESPECTROSCOPIA ASTRONÔMICA

Maria Clara dos Passos¹, Adhimar Flávio Oliveira²

- 1 Universidade Federal de Itajubá/ Instituto de Física e Química, claramariapassos09@gmail.com

## Resumo

A introdução dos conteúdos de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no currículo do ensino básico proporciona um conhecimento essencial sobre uma parte significativa da física, muitas vezes negligenciada, apresentando tópicos importantes ao público. Este estudo apresenta os resultados de uma pesquisa que empregou experimentos de espectroscopia para incorporar a FMC na educação básica. Os alunos utilizaram um espectrômetro CCD para visualizar o espectro na região visível e em comprimentos de onda próximos. Durante a atividade, discutiram e identificaram a presença de elementos como hidrogênio e hélio nos espectros de lâmpadas, relacionando-os ao espectro solar. A pesquisa destaca a importância da prática da ciência autêntica e o impacto positivo da formação continuada dos professores.

Palavras-chave : Espectroscopia, Educação Básica, Ensino de FMC

## Introdução

Quando se trata do conteúdo final que aborda temas de Física Moderna e Contemporânea (FMC), observa-se que esses temas despertam o interesse e a curiosidade dos alunos, mas são pouco explorados na sala de aula. Segundo Braga (2023, apud Brown, Collins e Duguid, 1989) o termo "ciência autêntica" foi inicialmente cunhado na década de 1980 e refere-se à integração do cotidiano dos alunos em atividades científicas desenvolvidas por pesquisadores em ambientes acadêmicos. Ou seja, são atividades que serão adaptadas para o modelo investigativo e aplicadas em sala de aula.

É ressaltado que a ciência autêntica não apenas se preocupa com o "como", mas também com o "o que" do desenvolvimento científico. Isso significa que visa garantir que os alunos iniciem a prática de aplicar metodologias e participar de discussões argumentativas na resolução de atividades científicas, a fim de superar concepções ingênuas sobre a Natureza da Ciência (NdC).

Munford (2006) destaca o entendimento da ciência autêntica quando os alunos são orientados a desenvolver e investigar problemas relacionados à realidade para contribuir para o desenvolvimento científico. Ele ressalta que a pesquisa e o questionamento de dilemas são essenciais para a compreensão do

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mundo,afirmando que "A curiosidade é uma característica natural (e essencial) do ser humano e, consequentemente, todas as atividades humanas deveriam ser guiadas pela curiosidade e pela investigação"(p. 3).

É confirmado que a abordagem do ensino-aprendizado por meio da ciência autêntica pode ocorrer de diversas maneiras, sendo a abordagem investigativa uma delas. Nesta, são destacados diferentes aspectos, como a aprendizagem, a participação dos alunos e o artefato científico, entre outros

Neste trabalho, serão apresentados os resultados de uma atividade experimental em espectroscopia para a astronomia, na qual os alunos do ensino básico participaram voluntariamente por meio de uma abordagem investigativa. A análise dos dados obtidos durante essa experiência oferecerá insights valiosos sobre a eficácia dessa metodologia em envolver os estudantes na FMC, ao mesmo tempo em que promove o desenvolvimento de habilidades científicas e a compreensão de conceitos astronômicos fundamentais.

## Metodologia

A pesquisa teve início através do convite formal aos alunos da educação básica para participarem do desenvolvimento deste estudo. Em uma turma de 30 alunos do terceiro ano do ensino básico, após a apresentação do que seria desenvolvido ao longo da pesquisa, dos riscos envolvidos e da participação necessária, seis alunos se voluntariaram. No entanto, ao longo das atividades, um destes alunos pediu para sair da pesquisa, alegando falta de tempo. Assim, contamos com a participação de cinco alunos voluntários da educação básica.

A atividade foi conduzida em três momentos: inicialmente, foi realizada uma breve introdução do que seria abordado durante a visita ao laboratório localizado na universidade. No segundo momento, os alunos deslocaram-se até a universidade, onde realizaram a atividade com a orientação de um professor pesquisador responsável pelo laboratório de pesquisa em óptica e a pesquisadora (responsável pela pesquisa), que conduziu a coleta de dados e posteriormente entrevistou os alunos.

Durante a atividade, os alunos foram introduzidos a um espectrómetro CCD, possibilitando a visualização do espectro na região do visível e em comprimentos de ondas próximos (infravermelho e ultravioleta). Após serem apresentados aos espectros de diferentes fontes de radiação, como hidrogênio (H2) e hélio (He), foram convidados a observar o espectro solar. Eles foram desafiados a identificar regiões de emissão ou absorção presentes no espectro solar e, se possível, identificar elementos químicos associados.

Figura 01: Alunos utilizando espectrômetro CCD para análise de espectros.

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## Resultados e discussões

Durante a realização da atividade pelo grupo de alunos, um deles assumiu o controle do software de coleta de dados, enquanto os demais realizaram ajustes no apontamento da fibra óptica do espectrômetro em direção ao Sol. Dessa forma, eles iniciaram a tentativa de localizar picos ou regiões de absorção associados a alguns elementos químicos cujas posições em relação ao comprimento de onda do espectro já eram conhecidas por eles. Abaixo segue um trecho transcrevido do áudio da conversa dos mesmos:

'659 tá aqui e 700 e aqui o que conta é esse daqui. E os. Menores. 700 porque aqui é mais ou menos 650, 58 Aqui mais ou menos um. Pouquinho mais pra frente. E mais para frente. Não 57. Um pouquinho mais pra trás. Opa, opa! Passamos enfim aqui, praticamente aqui no abismo 158% e mexer mais um pouquinho. Eu confio no seu potencial. Tô procurando 600 e para isso aqui 659. Boa. Pera aí, vô, Volta, Volta sete. Você tem que pegar o ponto cinquenta e nove. Entendemos. No abismo. Você acha que tem sim cara, bem no abismo? Ai mano, tipo tem um pico bem mais alto aqui que tem, Eu tô sentindo quando pico mais alto aqui, o que acho que é o Hélio é o que mais teria. Ele não tem muito, tipo o sol, ele é mais ligado pro verde, isso eu sei, será mais ligado pro verde lá, mais aqui não 500. Tipo os bagulho que chega perto de 500 ali é o que mais vai ter, então aqui seria praticamente o sol invisível.... Eu acho que não tem H2, H2, vocês acham que tem?

Nessa discussão, os alunos se dedicam a estabelecer conexões entre as informações previamente analisadas nos espectros de H2 e He com a radiação solar. Durante a discussão, eles chegam a algumas conclusões, as quais podem ser verificadas na transcrição anterior. Segundo Chinn &amp; Malhotra (2002):

Um dos principais objetivos da educação científica é ajudar os alunos a aprender a raciocinar cientificamente. Uma forma principal de facilitar a aprendizagem é envolver os alunos em atividades de investigação, como a realização de experimentos (CHINN MALHOTRA, 2002, p. 175).

.

Em outra parte da discussão, alguns alunos identificaram um possível pico correspondente ao hidrogênio. O trecho da transcrição segue abaixo:

'É tipo o pico do H2, é mais ou menos desse tamanho, tá ligado? Aqui a gente pode contar na altura do mouse. O pico do H2 é mais ou menos aqui, ó. Aí eu posso achar que tem. Posso estar enganado e que o sol também tem muita coisa, tá ligado? Eu sei que é mais eu sei que a maioria dele tem carbono né? Qual que é a luz que o Gustavo tinha falando que tinha no sol? Lembra que tu falou infravermelho? Não era infravermelho não, tá luz, a luz verde ele é mais verde [...]

Continuando a discussão, eles destacaram a possibilidade da existência de outras estrelas que poderiam estar contribuindo para a radiação observada. Além disso, consideraram a presença de objetos entre o Sol e a superfície da Terra, que poderiam absorver parte dessa radiação

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'Pode ter mais estrela além do sol. Pode ter estrela? Não. Mas entre o Sol e a Terra, esse. Planeta também. Tem os planetas. Por que é que a Lua não está em volta? A crosta terrestre? Os planetas satélite e satélites estão lá. Atmosfera satélite e veio de H2. Não estou falando. To falando que você falou artificial e na composição. A atmosfera. Tem. É isso que a gente está falando, mostrando. A camada de ozônio ozônio tem H2 e outras e O3 não tem tanto H2. Vai só com eles mesmo. O ozônio seria mais ou menos aqui, por isso que tem um pouco mais, eu acho. Não sei mais ou menos onde é ozônio. Será que tem oxigênio?

A respeito dos picos de emissão ou absorção associados ao H2, surgiu uma divisão em dois grupos quanto à presença ou ausência de hidrogênio no espectro. Essa discussão revela-se intrigante, uma vez que os alunos tiveram a oportunidade de vivenciar o processo de questionamento e análise que um cientista realiza ao longo de sua pesquisa.

Não, não sobe. Mas tipo, na parte que ele tá subindo aqui, ele volta a cair no mesmo lugar onde ele subiu. Tá vendo? Se continuar aqui dá para ver ele volta a cair de novo. Eu acho também que não tem, mano. Vocês acham que tem aqui? Nós do H2 H2 a gente acha que não tem. H2, tem bastante pouca informação. E que é tipo ele tá aqui o 551 e a gente tá exatamente em cima do 559 600, não é 659. Quer dizer, então tem, a gente tem. Tem H2 ali. Quando dá esse número, se ele apareceu. Ali é porque tem...

Após concluírem a atividade experimental e apresentarem suas conclusões ao cientista e à pesquisadora, avançaram para a última etapa, na qual a pesquisadora conduziu uma conversa orientada com os participantes. Ela iniciou explicando que, dado que a ciência desenvolvida em ambientes de estudos e pesquisas é substancialmente diferente da ciência ensinada nas escolas, onde os alunos geralmente têm controle total das variáveis ou seguem processos sequenciais para chegar diretamente aos resultados, o questionamento direcionado aos alunos surgiu após a experiência realizada. Essa experiência teve como objeto de coleta um espectrômetro digital, no qual não havia um roteiro para análise estruturada ou controle de apenas uma variável. Em seguida os alunos foram questionados:

'E em relação ao ensino. Se vocês fossem inseridos no contexto acadêmico e direcionado por um professor pesquisador, igual foi feito aqui. Facilitaria o aprendizado de física indo além do método convencional?'

Um dos participantes respondeu, abordando o equipamento utilizado para aprimorar a compreensão da teoria estudada no ambiente escolar:

'Se a gente tivesse tipo uns negócios (Experimentos/ laboratórios) desse pra gente ver, facilitaria bastante demais. Que geralmente é o professor desenhando os raios no quadro, uma setinha. De desenho, um negócio puxa a setinha. Quando começa já desanima um pouco, mas se a gente tivesse esse tipo de coisa, a galera ia virar nerd rapidinho. Puxa atenção, né?'

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Para que a pesquisadora compreendesse as concepções dos alunos em relação às mudanças observadas pelos mesmos, logo após a realização da atividade foram novamente questionados: 'Então, qual a diferença em relação ao ensino tradicional e o aluno em contato com a ciência produzida na universidade com o auxílio do professor pesquisador? [...]'

- A resposta obtida foi diretamente ligada a importância do domínio do conteúdo apresentado pelo professor,evidenciando a relevância da formação continuada

'Tanto isso quanto o professor também. Se a gente tivesse um professor que sabe explicar como isso acontece. '

Entretanto, a atualização das práticas pedagógicas proporciona aos educadores um maior domínio sobre o conteúdo que ministram. Além disso, essa abordagem contribui para o desenvolvimento pessoal do corpo docente e, consequentemente, para a qualidade do ensino oferecido aos alunos. Quando os professores aprofundam seus conhecimentos em colaboração com cientistas, isso gera maior confiança e motivação no processo educativo. A proximidade do professor com o ambiente científico-acadêmico aumenta a probabilidade de transferência desse conhecimento aos alunos, estimulando o desenvolvimento cognitivo por meio de projetos e atividades investigativas (Drayton e Falk, 2006).

'Compreender a natureza da escola e da atividade docente nessa perspectiva implica articular a aprendizagem do aluno à formação continuada do professor, e, como afirma Lima, compreender que: a formação contínua deve estar 'a serviço da reflexão e da produção de um conhecimento sistematizado, que possa oferecer a fundamentação teórica necessária para a articulação com a prática criativa do professor em relação ao aluno, à escola e à sociedade' (Altenfelder, 2005, vol.13, n.10 apud Lima, 2001:32)

Os resultados obtidos nesta atividade experimental, ao abordar a identificação de elementos químicos por meio de espectroscopia, têm relevância direta no contexto da FMC. A análise dos espectros de H2 e He, juntamente com a tentativa de relacioná-los com a radiação solar, evidencia a aplicação prática de conceitos associados à física atômica e molecular. A discussão sobre picos de emissão e absorção, a identificação de elementos específicos e a consideração da influência de outras estrelas contribuem para a compreensão de fenômenos físicos em escalas microscópicas e cósmicas.

Além disso, a abordagem investigativa utilizada nesta atividade alinha-se com os princípios da Física Contemporânea, que muitas vezes demanda uma compreensão mais profunda e experimental dos fenômenos quânticos e relativísticos. A colaboração entre os alunos e os elementos práticos da atividade reflete a ênfase crescente na aprendizagem baseada em experimentação, promovendo uma visão mais ampla e integrada da Física Moderna.

- O envolvimento com um espectrômetro digital e a interpretação dos espectros também tocam em aspectos da tecnologia moderna que são frequentemente utilizados em pesquisas avançadas. Essa experiência prática proporciona aos alunos uma visão tangível da aplicação dos princípios da física moderna, contribuindo para uma compreensão mais sólida e contextualizada desses

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conceitos. Assim, essa abordagem inovadora não apenas enriquece o aprendizado tradicional, mas também prepara os alunos para desafios contemporâneos na compreensão e aplicação dos princípios fundamentais da Física.

## Considerações Finais

Dessa forma, conclui-se que a prática da ciência autêntica no Ensino Médio emerge como uma abordagem para a introdução de conceitos da Física Moderna e Contemporânea (FMC), considerando sua natureza intrinsecamente abstrata. Ao imergir os alunos no ambiente acadêmico e aproximá-los do desenvolvimento científico, especialmente quando orientados por um professor pesquisador, torna-se possível identificar os desafios e distinções entre a ciência transmitida no Ensino Básico e a prática científica real. Essa vivência proporciona uma visão autêntica do processo de construção do conhecimento científico. Nesse contexto, a formação continuada dos professores ganha destaque, pois não apenas oferece as ferramentas necessárias para superar desafios ao introduzir novos conteúdos alinhados ao progresso científico, mas também assegura aos alunos uma aprendizagem mais completa e apropriada.

Por fim, a contínua busca por atualizações e aprimoramentos pedagógicos, incluindo a formação continuada de professores, possibilita que os educadores obtenham um maior domínio e controle dos conteúdos. Ao integrar conceitos da FMC no Ensino Médio, cria-se um ambiente propício para a compreensão mais profunda por parte dos alunos sobre a verdadeira natureza da ciência, sua constante evolução e seu papel crucial na sociedade moderna, cada vez mais permeada pela ciência e tecnologia.

Como perspectiva para futuras investigações, será feita uma expansão e aprofundamento do uso da prática da ciência autêntica no contexto do Ensino Médio, especialmente no que diz respeito à incorporação de mais temas específicos da Física Moderna e Contemporânea (FMC). Serão explorados diferentes experimentos e atividades que envolvam fenômenos quânticos, teoria da relatividade e outras áreas mais avançadas da física. Além disso, a análise de como a prática da ciência autêntica impacta não apenas o entendimento teórico, mas também o desenvolvimento de habilidades práticas e de pensamento crítico nos alunos, seria uma linha de pesquisa promissora. Outro aspecto relevante seria investigar estratégias mais eficazes para a formação continuada de professores, visando otimizar sua capacidade de facilitar experiências autênticas de aprendizado científico. A inclusão de mais participantes e a replicação do estudo em diferentes contextos educacionais também poderiam enriquecer as conclusões e fornecer insights valiosos para aprimorar a abordagem da FMC no ensino básico.

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## Referências

BRAGA, Claudilene Ribeiro et al. Conversa com cientista: compreensões de professores de física sobre a produção do conhecimento científico, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, 2023.

BROWN, J.S.; COLLINS, A.; DUGUID, P. Situated cognition and the culture of learning. Educational researcher, v. 18, n. 1, p. 32-42, 1989

Chinn, C; Malhotra, B.A. (2002). Epistemologically authentic inquiry in schools: A theoretical framework for evaluating inquiry tasks. Science Education, 86:175-218

Drayton, B., &amp; Falk, J. (2006). Dimensions that shape teacher-scientist collaborations for teacher enhancement. Science Education, 90(4), 734-761.

MUNFORD, Danusa. A ciência escolar em busca de aproximação com a ciência dos cientistas: Uma caracterização de duas diferentes perspectivas no ensino de ciências por investigação. IN: Biblioteca do curso ENCI-Ensino de Ciências por Investigação. Belo Horizonte: Universidade Federal de Minas Gerais , 2006.

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