Propostas teórico-conceituais

Nesta revisão, dezenove artigos apresentam e analisam propostas focadas no ensino de conceitos ou fundamentos da física quântica. Muitas das propostas utilizam simulações, animações, vídeos e experimentos como ferramentas didáticas auxiliares ao ensino dos conceitos, assim como podem apresentar elementos relativos a questões

32 filosóficas da ciência ou elementos CTS, como forma de melhor contextualizar a evolução dos conceitos abordados, enfatizando também sua importância.

Ostermann et al. (2009) propõem o uso da óptica ondulatória como uma espécie de porta de entrada conceitual para abordar conceitos fundamentais de física quântica. O Interferômetro Virtual de Mach-Zehder (IVMZ) é proposto como ferramenta mediadora (na perspectiva vygotskiana) e a dualidade onda-partícula como conceito central para o ensino de física quântica no Ensino Médio. Desta forma, os autores criticam as propostas encontradas usualmente em livros didáticos do ensino médio que privilegiam o caráter corpuscular dos objetos quânticos e a velha física quântica, bem como as propostas encontradas usualmente em livros de física em nível de graduação, que com a justificável opção de fazer uma abordagem histórica da física quântica, acabam por dedicar muito tempo à velha física quântica. Dentro desta proposta, alguns autores produziram materiais de apoio ao professor ou elaboraram e testaram unidades didáticas com esta abordagem. Ricci et al. (2007) produziram um artigo apresentando os aspectos ondulatórios do funcionamento do interferômetro de Mach-Zehnder em regime clássico, enquanto Pereira et al. (2012b) apresentam os postulados da física quântica a partir dos fenômenos observados no interferômetro de Mach-Zehnder no regime monofotônico. Ostermann et al. (2008) apresentam os resultados de uma unidade didática implementada no contexto de um Mestrado Profissional em Ensino de Física após a qual os autores compararam resultados de um pré e de um pós-teste respondido pelos alunos, mostrando que em todas as questões houve ganho de aprendizado, concluindo que o software do IVMZ tem grande potencial como recurso didático. Pereira, Ostermann et al. (2009b, 2011, 2012a) apresentam os resultados de uma unidade didática aplicada a alunos de licenciatura em Física. Entre os resultados, os autores ressaltam o papel da interação social no aprendizado de conceitos físicos, que origina os fenômenos discursivos como a interanimação de vozes (Bakhtin, 1997; Wertsch, 1993) em situações que envolvem resolução de problemas. A presença da fala privada (Vygotsky, 1978, 2012) na organização do pensamento que aparece em algumas situações também é estudada. Silva Neto et al. (2011) apresentam os resultados da implementação de uma unidade didática envolvendo alunos do Ensino Técnico em Radiologia. Os autores consideraram positivamente surpreendentes os resultados do uso do IVMZ no ensino da dualidade onda-partícula e ressaltaram o papel do professor como parceiro mais capaz (Chaiklin, 2003; Vygotsky, 1978; Wertsch, 1984) ao longo das atividades.

Asikainen e Hirvonen (2009) elaboraram, aplicaram e avaliaram uma unidade didática sobre física quântica para professores formados ou em formação. Esse trabalho foi desenvolvido em uma universidade na Finlândia e tinha como principal objetivo criar um curso de física quântica que complementasse a formação universitária,

33 aprofundando tópicos que são tratados brevemente na universidade e que são ensinados no Ensino Médio, como o efeito fotoelétrico e a radiação do corpo negro. O referencial teórico para o desenvolvimento do curso foi a teoria de Vygotsky, para proporcionar condições para que os alunos trabalhassem na zona de desenvolvimento proximal (Chaiklin, 2003; Vygotsky, 1978; Wertsch, 1984), sendo a interação com o professor e com os colegas fundamental para que o aluno compreendesse os principais conceitos e avançasse nos estudos. Os autores escolheram privilegiar a modelagem de situações físicas e tópicos de história e filosofia da física como forma de potencializar a compreensão dos estudantes. Para analisar os resultados da aplicação da unidade didática, os autores recorreram à análise de um pré e de um pós-teste e a entrevistas com três estudantes. Nos pré-testes, poucos alunos tiveram sua resposta considerada correta (4 alunos) ou parcialmente correta (5 alunos), enquanto a maioria respondeu de maneira insuficiente (8 alunos), incorreta (2 alunos) ou não respondeu (6 alunos). No pós-teste quase todos responderam de maneira correta (22 alunos). Convém dizer que uma análise fundamentada unicamente em resultados finais (comparação entre pré e pós-testes, por exemplo) é incoerente com uma pesquisa de fundamentação vygotskiana, que prioriza processos muito mais do que resultados de testes. Para investigar os processos, as interações discursivas seriam a maior fonte de dados e a análise dessas interações é que deveria ser privilegiada. Esse aspecto parece ter sido considerado nas entrevistas, realizadas com três dos alunos, nas quais eles mostraram evolução na forma como descrevem e compreenderam o efeito fotoelétrico durante a unidade didática. Em especial, pode-se destacar que dois dos entrevistados na entrevista posterior contrastaram as expectativas para o modelo clássico da luz, os resultados experimentais e o modelo proposto por Einstein para explicar o fenômeno. Apesar de centrado no efeito fotoelétrico, a unidade cobria outros tópicos mais vinculados aos fundamentos da física quântica, como a dualidade onda-partícula, por meio da interferência quântica com fótons e elétrons, e a interpretação física de Born para o módulo quadrado da função de onda.

Kiouranis et al. (2010) propõem e avaliam uma sequência didática para abordar a dualidade onda-partícula no contexto de uma turma de um curso de química quântica em nível superior. A sequência didática baseia-se na proposta de transposição didática de Yves Chevallard. Uma das motivações do projeto foi a constatação por parte dos pesquisadores de que os alunos eram capazes de solucionar problemas complexos com o uso de recursos matemáticos, mas o processo de verbalização dos fenômenos lhes era pouco familiar. Na proposta, a análise do experimento da dupla fenda com partículas e ondas exerceu papel importante no estudo da dualidade onda-partícula. Para avaliar os resultados da intervenção didática, os autores analisaram o discurso dos estudantes e do professor ao longo das atividades. Os autores apontam que, ao longo das atividades, os

34 alunos foram se mostrando progressivamente mais confiantes e autônomos na realização das tarefas.

Souza et al. (2010) propõem e avaliam uma unidade didática sobre a dualidade onda-partícula voltada a alunos de licenciatura em Física. Os autores baseiam sua proposta didática na teoria dos construtos pessoais e no ciclo da experiência kellyana. Para auxiliar no processo de ensino, os autores utilizam três experimentos didáticos e uma oficina sobre transdisciplinaridade a fim de discutir a lógica de um dos experimentos incluídos. Analisando as concepções prévias dos alunos e os resultados da unidade didática, os autores apontam que os alunos mostravam desde o princípio conhecer a dualidade onda-partícula, ainda que com diferentes níveis de profundidade, mas não conseguiam respaldar teoricamente este conhecimento. Uma das principais diferenças desta unidade didática em relação a outras é o foco na necessidade de se romper com a lógica aristotélica para se compreender a dualidade onda -partícula. Com o uso do ciclo da experiência kellyana, os experimentos didáticos e a oficina sobre transdisciplinaridade, ao fim da unidade didática, os alunos mostraram uma evolução em suas concepções a respeito da dualidade onda-partícula.

Arlego (2008) e Fanaro et al. (2007) propõem que o ensino de física quântica no Ensino Médio baseie-se na formulação dos caminhos múltiplos de Feynman. Os autores apontam que a abordagem a partir do desenvolvimento histórico (partindo da velha física quântica) mostra-se insatisfatório tanto para os alunos quanto para os professores. A partir da abordagem proposta pode-se mostrar a transição entre o comportamento clássico e quântico, além de apresentar claramente o surgimento dos comportamentos ondulatório e corpuscular de forma conceitualmente simples. Nesta proposta, une-se a discussão dos conceitos da física quântica com a fundamentação matemática (ainda que com um formalismo simplificado). Os autores propõem iniciar a unidade com discussões em torno da experiência da dupla fenda, prosseguindo para o ensino do princípio da mínima ação, incluindo aplicações simples e simulações que possam utilizá-lo. A partir da discussão adequada do princípio da mínima ação seria possível mostrar o surgimento das trajetórias clássicas para objetos macroscópicos e reinterpretar os resultados observados no experimento da dupla fenda com elétrons e outros objetos quânticos. A partir dessa proposta, uma unidade didática com doze encontros de duas horas semanais foi implementada envolvendo alunos do último ano do ensino médio na Argentina (Otero et al., 2009). Entre os resultados destacados da implementação e investigação dessa unidade estão: a maioria dos alunos não aceita a impossibilidade de saber qual a melhor função para descrever o caminho do elétron, os estudantes compreendem que devido ao comportamento ondulatório pode-se atribuir um comprimento de onda tanto a objetos macroscópicos quanto a microscópicos e que o método da soma de todos os caminhos é uma forma apropriada de se compreender a

35 formação do padrão de interferência em uma experiência de dupla fenda (Fanaro et al., 2009). Outros achados das aplicações foram: a concepção dos estudantes que veem os elétrons como bolinhas capazes de atravessar paredes dificulta na compreensão da caracterização do elétron como um objeto quântico (Fanaro et al., 2009).

Hoekzema et al. (2007) propõem uma abordagem da dualidade onda-partícula em uma caixa para o ensino de fundamentos básicos de física quântica no Ensino Médio. Os autores apontam que desejavam incluir um pouco de modelagem matemática e computacional, além do ensino conceitual. Neste sentido, o modelo da partícula/onda na caixa estaria em um nível adequado para os estudantes – os autores temiam que a equação de Schrödinger se mostrasse excessivamente avançada. O modelo possibilita estimativas para os tamanhos dos átomos e dos núcleos atômicos, assim como insights qualitativos sobre a quantização da energia, níveis de energia e ligações moleculares. Os autores aplicaram a proposta com alunos do Ensino Médio na Holanda, mas o artigo não aprofunda a análise dos resultados, indicando apenas que os autores obtiveram bons resultados.

Carvalho Neto et al. (2009) propõem, implementam e avaliam uma unidade didática para o ensino de física quântica no Ensino Médio. A proposta envolveu alunos do 3º ano do Ensino Médio, em etapas: em 2004 foi realizado um mini-curso de 20 horas, considerado como uma pesquisa exploratória e em 2005 foi realizada uma segunda intervenção, reformulada em função da análise dos resultados da primeira. Na intervenção de 2004, em função dos conteúdos cobrados no concurso vestibular, os autores privilegiaram a velha física quântica, trabalhando inicialmente o efeito fotoelétrico e o átomo de Bohr, para depois introduzir a dualidade onda -partícula e a física quântica desenvolvida entre 1925 e 1927. Em 2005, a intervenção baseou -se na proposta de Feynman de que o grande mistério da física quântica pode ser compreendido a partir da discussão em torno da experiência de interferência quântica da dupla-fenda.

A partir da análise de pré e pós-entrevistas realizadas com cinco alunos na intervenção de 2004, os autores apontam que existem indícios de aprendizagem significativa em relação ao princípio da incerteza, pois a maioria dos estudantes compreendeu o caráter probabilístico da física quântica como uma característica da teoria e não como resultado da ignorância humana. No entanto, alguns estudantes encararam que o caráter probabilístico caracteriza a física quântica como uma teoria não preditiva. Para a avaliação da intervenção de 2005, também foram realizadas pré e pós- entrevistas. Os autores ressaltaram que o filme em que se apresenta a experiência da dupla fenda com elétrons individuais possibilitou que os alunos compreendessem que a

36 ausência de informação sobre o caminho percorrido pelo elétron possibilita a ocorrência de interferência.

Entre os trabalhos analisados nesta categoria, as propostas de introdução do ensino de física quântica a partir da óptica ondulatória e utilizando como conceito fundamental a dualidade onda-partícula proposto por Ostermann et al. (2009) e a abordagem a partir dos caminhos múltiplos de Feynman propostas por Fanaro et al. (2007) e Arlego (2008) se destacam. Este destaque ocorre em função do número de artigos baseados na proposta que foram produzidos. No caso da proposta de Ostermann

et al. são nove artigos que se relacionam através de aprofundamentos teóricos e

materiais para a consulta bibliográfica, além da análise de três intervenções didáticas diferentes. No caso da proposta de abordagem a partir dos caminhos múltiplos de Feynman foram encontrados cinco artigos que detalham o referencial teórico e as propostas metodológicas, além de avaliarem a implementação da unidade didática em uma escola de Ensino Médio.