Baú das Partículas Elementares e Interações

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Baú das Partículas

Elementares e Interações

Autores

Jorge Luís da Silva

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SUMÁRIO

1 APRESENTAÇÃO... 03

2 SEQUÊNCIA DE ENSINO... 04

3 BAÚ DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES E INTERAÇÕES... 06

4 INTERVENÇÃO... 08

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1. APRESENTAÇÃO

O tema Física de Partículas é considerado por estudiosos e defensores da reformulação do currículo de Física do ensino médio como necessário ao letramento científico. A inserção deste tema, neste nível de ensino, encontra amparo na abordagem CTSA (Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente), na Lei de Diretrizes e Bases da Educação (LDB), nos Parâmetros curriculares Nacionais (PCNs) e nas pesquisas em ensino de Física que reforçam um ensino voltado para os avanços desta ciência e sua repercussão no cotidiano.

Apesar de ter importância reconhecida por pesquisadores, a literatura ainda é carente de trabalhos que mostrem como fazer a implementação deste tema no ensino médio. Dificuldades como o elevado grau de abstração dos conteúdos, necessidade de recursos matemáticos sofisticados, formação inadequada de professores e escassez de mecanismos de transposição didática na literatura precisam ser superadas para que esta inserção se efetive.

Este trabalho mostrará que é possível contornar esta problemática e realizar a implementação deste tema no Ensino Médio. Para isto, será utilizada uma sequência de ensino pautada em elementos como: revelação do conhecimento prévio do aluno, valorização de aspectos históricos, linguagem condizente com a maturidade cognitiva do discente e utilização de recursos que potencializem a aprendizagem.

Para amparar a aplicação da sequência de ensino foi desenvolvido o recurso educacional denominado Baú das Partículas Elementares e Interações que permite aos alunos visualizar e compreender o Modelo Padrão de Partículas, algumas de suas simetrias e os mecanismos de interação.

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2. SEQUÊNCIA DE ENSINO

Para a implementação da Física de Partículas no Ensino Médio sugerimos a aplicação de uma sequência de ensino que tenha como elementos essenciais os recomendados pela Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel e pela Transposição Didática de Chevallard. Sendo assim, levamos em consideração para a elaboração da sequência os seguintes elementos: revelação do conhecimento prévio dos alunos, utilização de recursos pedagógicos potencialmente significativos, linguagem adequada ao nível de ensino pretendido, seleção criteriosa dos assuntos abordados, atenção especial aos aspectos históricos, estímulo a participação do aluno durante o processo de ensino-aprendizagem e avaliação que não siga critérios meramente memorísticos.

A sequência de ensino está estruturada nos seguintes passos:

- Primeiro momento: Este momento foi intitulado de Roda de Conversa.

Nele a sala é disposta em forma de círculo onde o professor atua como mediador instigando o debate através de perguntas que levem o aluno a se expressar e, por conseguinte, revelar suas concepções sobre o tema. A função do professor nesta etapa não é a de fornecer respostas para as perguntas formuladas, e sim a de reconhecer o conhecimento prévio dos alunos incluindo aí as concepções alternativas.

De acordo com a Teoria da Aprendizagem Significativa proposta por Ausubel o ensino amparado no conhecimento prévio do aluno é a forma mais efetiva de se buscar a aprendizagem significativa. Neste sentido, este primeiro momento da sequência permite ao professor a coleta de informações que permitem avaliar a qualidade e nível de complexidade de tal conhecimento. Estas informações são primordiais para que o professor direcione as discussões futuras e escolha a abordagem metodológica mais adequada.

Outro aspecto importante em relação a este momento é a oportunidade dada ao aluno de participar ativamente do processo de ensino-aprendizagem. O professor deve abandonar a função de mero palestrante e estabelecer com o aluno uma intensa interação para que ambos se sintam partes do mesmo processo e em busca de objetivos comuns.

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- Segundo Momento: Utilização de material instrucional potencialmente

significativo como vídeos e textos impressos. Após a utilização do material a discussão é retomada sendo que neste momento o professor deverá direcioná-la para os pontos que se mostraram mais obscuros no primeiro momento.

Este momento retira do professor o papel de único responsável pela aprendizagem do aluno. A participação do aluno e a escolha de um recurso educacional potencialmente significativo diminui os obstáculos pela busca da aprendizagem significativa. Durante e após a utilização do recurso, se deve retornar às discussões do primeiro momento e sanar as dificuldades encontradas. Há também a oportunidade de se aventar outras questões relacionadas ao tema que não foram abordadas.

- Terceiro Momento: Aula expositiva amparada pela utilização do Baú das

Partículas Elementares e Interações ou outros recursos.

A função do professor é essencial para o processo de ensino-aprendizagem. No ensino eminentemente tradicional ele é o responsável pela aprendizagem do aluno. Este, figura no polo passivo do processo recebendo informações prontas que devem ser copiadas, memorizadas e reproduzidas em seguida. Neste sentido, a aula expositiva é vista por alguns com sentido pejorativo. Mesmo que este tipo de aula seja a única ferramenta utilizada pelo professor isto não significa necessariamente que ela não possa levar a uma aprendizagem significativa. O que se recomenda é que, para aumentar as chances de se conseguir indícios de tal aprendizagem, a aula expositiva seja amparada por recursos potencialmente significativos ou então que ela faça parte de um processo mais complexo onde outras atividades possam contribuir para esta aprendizagem como é o caso desta sequência.

Durante a aula expositiva o professor não deve apenas palestrar sobre o assunto, é necessário que dialogue com seus alunos. As informações obtidas nos dois primeiros momentos figuram como bons catalisadores deste diálogo.

Este momento foi amparado pela utilização de uma apresentação de slides em cada encontro e pela utilização do Baú das Partículas Elementares e Interações.

- Quarto Momento: Aplicação de avaliação para identificar indícios de

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A avaliação não se resume a este momento devendo ser feita durante todo o processo de ensino. Para ser justa e identificar com maior precisão indícios de aprendizagem significativa a avaliação não pode se resumir a aspectos quantitativos sendo importante levar em consideração o envolvimento do aluno durante o processo, já que isto pode revelar indícios de aprendizagem que não são mensurados pelo processo quantitativo. É interessante lembrar que os mecanismos de avaliação devem submeter o aluno a situações novas para que tais indícios de aprendizagem se revelem, caso contrário poderemos confundir a mera reprodução de informações com aprendizagem significativa.

3. BAÚ DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES E INTERAÇÕES

Para amparar a aplicação da sequência de ensino foi desenvolvido o recurso pedagógico intitulado Baú das Partículas Elementares e Interações. Este produto foi inspirado na obra O Discreto Charme das Partículas Elementares (2006) escrita por Maria Cristina Batoni Abdalla. Ele consiste numa caixa de 60cm x 50cm x 7cm desenhada com o auxílio do programa Corel Draw e construída através de uma impressora a laser. Ela possui divisórias que representam de forma esquemática o modelo padrão de partículas e interações. A sua organização tem como objetivo fornecer uma visão geral de tal modelo além de permitir que o aluno possa verificar algumas de suas simetrias.

Figura 07: Recurso didático

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Como não podemos associar uma forma às partículas que compõem o modelo padrão, elas foram representadas por fractais escolhidos no site

https://www.thingiverse.com e impressos com impressora 3D. O objetivo de escolher os fractais foi uma tentativa de fugir do modelo de bolinhas utilizado na Química para minimizar os obstáculos epistemológicos de representação.

Durante a aplicação, os alunos foram orientados de forma ostensiva, para o fato de que manuseavam apenas um recurso didático para familiarizá-lo com o modelo padrão, não tendo nenhuma relação direta com formas reais.

Para indicar que os quarks e antiquarks têm a propriedade cor optou-se por pintá-los. Durante a aplicação foi dito que esta propriedade não corresponde a cor propriamente dita sendo uma propriedade que confere aos quarks determinado comportamento.

Figura 08: Produto pedagógico

Fonte: Elaborado pelo autor.

Cada Quark e antiquark recebeu um ímã que pode ser utilizado para conectá-los aos glúons e formar outras partículas. As partículas mediadoras também foram representadas por fractais, tendo um destaque especial para o gráviton que por não ter sido ainda detectado foi utilizada uma interrogação para sua representação.

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Na parte interna da tampa da caixa foi gravada a laser a imagem do esquema do modelo padrão. Foi acrescentado, ao lado desta imagem, uma tabela que indica a formação das principais partículas. O objetivo é auxiliar o professor caso ele não saiba gravado a constituição de alguma destas partículas.

Fonte: Elaborado pelo autor.

É importante destacar que o professor pode utilizar outras alternativas que tenham custo menor e que sejam mais simples, como por exemplo:

- Substituir as peças da caixa por pedras ou outro material;

- No lugar da caixa, imprimir a imagem esquemática do modelo em folha de papel ofício e entregar a cada um dos alunos ou mandar confeccionar um banner.

4. INTERVENÇÃO

Para a intervenção, sugerimos cinco encontros presenciais que totalizem um total de 12 horas-aula. No primeiro encontro deverá ser aplicado o questionário pré-teste (apêndice) para avaliar o conhecimento prévio dos alunos sobre a Física de Partículas e no último encontro o questionário pós-teste (apêndice) para verificar a viabilidade da sequência de ensino. Os encontros devem seguir rigorosamente os passos da sequência de ensino e as seguintes diretrizes:

1º Encontro (1 hora-aula):

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9 - Aplicar o questionário pré-teste;

- Apresentar ao aluno a Física do seu tempo mostrando quais são os novos campos de estudo e a sua repercussão direta nos avanços da ciência e tecnologia;

3º Encontro (3 horas-aula):

- Mostrar os mecanismos de pesquisa e as dificuldades encontradas para se estudar coisas muito pequenas como o mundo atômico;

- Levar o aluno a perceber a importância dos modelos científicos para representar coisas inacessíveis aos nossos sentidos;

- Acompanhar a evolução das ideias sobre a estrutura da matéria através da evolução dos modelos atômicos;

- Reconhecer que o mundo atômico é uma “caixinha” recheada por uma quantidade enorme de corpúsculos formados pela interação de partículas elementares;

- Compreender os mecanismos de interação entre as partículas.

- Familiarizar o aluno com o modelo padrão de partículas;

- Mostrar que apesar do sucesso do modelo padrão ainda existem muitas perguntas sem resposta;

- Aplicar o questionário pós-teste.

Abaixo seguem sugestões de perguntas que podem ser utilizadas durante o primeiro momento da sequência de ensino (Roda de conversa) em cada um dos encontros realizados.

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- Esclarecer a importância do trabalho e procedimentos que seriam adotados;

- Aplicar o questionário pré-teste;

- A Física vista na escola trata dos avanços tecnológicos e das novas teorias para explicar a origem da matéria?

- Você já ouviu falar em Albert Einstein? E teoria da Relatividade? Você sabe o que esta teoria explica?

- E Física Quântica, já ouviu falar? Sabe o que ela estuda? Conhece alguma aplicação?

- Você gostaria que temas como os citados fizessem parte das aulas de Física? Por quê?

- Levar o aluno a perceber a importância dos modelos científicos para representar coisas inacessíveis aos nossos sentidos;

- Acompanhar a evolução das ideias sobre a estrutura da matéria através da evolução dos modelos atômicos;

- Que métodos são utilizados para estudar coisas tão pequenas como átomos?

- Qual a importância dos modelos para representar coisas inacessíveis aos sentidos? - Como você acha que é um átomo?

- Você conhece algum modelo atômico? Se conhece, como ele está estruturado?

- Porque os modelos atômicos mudaram tanto ao longo do tempo?

- Você sabe qual modelo atômico é aceito atualmente?

- Reconhecer que o mundo atômico é uma “caixinha” recheada por uma quantidade enorme de corpúsculos formados pela interação de partículas elementares.

- Compreender os mecanismos de interação entre as partículas

- Você sabe o que são e para que servem aceleradores de partículas? Já ouviu falar no LHC?

- Você já ouviu falar em quarks? E Léptons? Se já, sabe o que são? Sabe o nome de algum deles? - Prótons, elétrons e nêutrons são partículas elementares?

- Leu ou assistiu alguma reportagem sobre a descoberta do Bóson de Higgs? Sabe avaliar qual a importância de tal descoberta para a ciência? - Que tipos de forças existem na natureza? Você conhece o mecanismo de interação de corpos a distância?

- Já ouviu falar sobre o Modelo Padrão de Partículas e Interações?

- Mostrar que a pesar do sucesso do modelo padrão ainda existem muitas perguntas sem resposta; - Aplicar o questionário pós-teste.

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Abaixo seguem sugestões de recursos didáticos que podem ser utilizadas durante o segundo momento da sequência de ensino em cada um dos encontros realizados.

- Esclarecer a importância do trabalho e procedimentos que seriam adotados; - Aplicar o questionário pré-teste;

Textos: A Física no final do século XIX: Modelos em

Crise

(http://www.comciencia.br/reportagens/fisica/fisica05.ht m) e

A Física Quântica: O que é, e para que serve?

(http://www.comciencia.br/reportagens/fisica/fisica02 .htm).

- Levar o aluno a perceber a importância dos modelos científicos para representar coisas inacessíveis aos nossos sentidos; - Acompanhar a evolução das ideias sobre a estrutura da matéria através da evolução dos modelos atômicos;

Vídeo: Tudo se Transforma, História da Química,

História dos Modelos Atômicos

(https://www.youtube.com/watch?v=58xkET9F7MY).

- Reconhecer que o mundo atômico é uma “caixinha” recheada por uma quantidade enorme de corpúsculos formados pela interação de partículas elementares. - Compreender os mecanismos de interação entre as partículas

Vídeo: Modelo Padrão da Física de Partículas (https://www.youtube.com/watch?v=Nqi-bM90vfg) e o Baú das Partículas Elementares e Interações.

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- Mostrar que a pesar do sucesso do modelo padrão ainda existem muitas perguntas sem resposta;

- Aplicar o questionário pós-teste.

Mapa conceitual de Marco Antônio Moreira (https://image.slidesharecdn.com/livromapasconceituaise

diagramasvcompleto1-100408134719-

phpapp02/95/livro-mapas-conceituais-e-diagramas-v-ompleto1-15-728.jpg?cb=1270734450) e o Baú das

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Universidade Regional do Cariri- URCA Mestrado Profissional em Ensino de Física

APÊNDICE A- QUESTIONÁRIO PRÉ-TESTE

UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI DEPARTAMENTO DE FÍSICA

MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

FÍSICA DE PARTÍCULAS: POSSIBILIDADES PARA O ENSINO MÉDIO Orientador Responsável: Prof. Dr. Wilson Hugo Freire

Orientando: Jorge Luís da Silva

APÊNDICE A: PRÉ-TESTE

QUESTIONÁRIO I - DIAGNÓSTICO DO CONHECIMENTO PRÉVIO DO ALUNO SOBRE FÍSICA DE PARTÍCULAS E INTERAÇÕES

Orientação: Este questionário tem por finalidade identificar suas concepções a respeito da Partículas

Elementares e Interações Fundamentais. Após exame cuidadoso, escolha para cada questão apenas um item como correto. Utilize o item ``NÃO SEI`` somente se desconhecer totalmente a temática abordada na questão.

1. O que é um átomo?

a) A menor parte que caracteriza um ser vivo.

b) Uma partícula indivisível que forma toda e qualquer matéria. c) A menor parte da matéria que caracteriza um elemento químico. d) Não sei.

2. O que é um modelo atômico?

a) Uma representação da estrutura dos átomos fruto da imaginação dos cientistas. b) Uma representação da estrutura dos átomos fruto da observação da natureza pelos cientistas.

c) Uma representação da estrutura dos átomos que resulta da Integração de dados experimentais e teorias que se ajustam.

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3. Qual é o modelo atômico mais aceito atualmente? a) Rutherford.

b) Bohr. c) Quântico. d) Não sei.

4. Fazem parte da constituição do núcleo do átomo: a) prótons e elétrons.

b) elétrons e neutrinos. c) prótons e nêutrons. d) Não sei.

5. O que são prótons?

a) Partículas elementares com carga positiva localizadas na eletrosfera átomos b) Partículas constituídas por léptons localizadas no núcleo dos átomos.

c) Partículas constituídas por quarks localizadas no núcleo dos átomos d) Não sei.

6. O que são elétrons?

a) Partículas elementares negativas localizadas na eletrosfera dos átomos. b) Partículas constituídas por quarks e de carga negativa.

c) Partículas elementares de carga positiva localizadas no núcleo dos átomos d) Não sei.

7. O que são nêutrons?

a) Partículas elementares de carga elétrica nula localizadas no núcleo dos átomos. b) Partículas constituídas por quarks e localizadas no núcleo dos átomos.

c) Partículas elementares de carga elétrica positiva localizadas na eletrosfera dos átomos.

d) Não sei.

8. Como são detectadas as partículas elementares? a) Usando um microscópio.

b) Por meio de observações indiretas com o auxílio de aparelhos como os aceleradores de partículas.

c) Com o uso de telescópios especiais. d) Não sei.

9. O que é o Large Hadron Collider (LHC)? a) Um telescópico espacial.

b) Uma nova teoria para explicar a origem do Universo.

c) É um acelerador de partículas projetado para recriar as condições encontradas instantes após o Big Bang.

d) Não sei.

10. O que são quarks?

a) Uma partícula elementar que constitui a matéria. b) Um átomo ionizado.

c) Um conjunto de prótons. d) Não sei.

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14 11. O que são um léptons?

a) Um átomo ionizado.

b) Uma partícula elementar que constitui a matéria.

c) Uma característica das partículas elementares, assim como a carga elétrica. d) Não sei.

12. Quais as forças fundamentais existentes na Natureza? a) Força de atrito, força peso, força atômica e força molecular.

b) Força eletromagnética, força nuclear forte, força nuclear fraca e força gravitacional. c) Força centrípeta, força centrífuga, força elétrica e magnética, força gravitacional. d) Não sei.

13. Quais seriam as partículas mediadoras das interações fundamentais da Natureza? a) Partículas alfa e beta.

b) Prótons, elétrons e nêutrons.

c) Glúons, fótons, partículas Z e W e o gráviton. d) Não sei.

14- O volume do núcleo atômico é muito pequeno, formado por um conjunto compacto com forças muito grande. Quando se consegue romper esse conjunto, libera uma grande quantidade de?

a) energia atômica. b) fluídos gasosos. c) cristais ionizantes. d) Não sei.

15- Partícula subatômica que foi identificada recentemente e que poder revelar a origem da massa atômica?

a) Léptons. b) Méson-pi. c) Bóson de Higgs. d) Não sei.

16- Nas aulas de Física, você percebeu alguma preocupação do professor em abordar assuntos relacionados aos avanços tecnológicos e teorias sobre a compreensão da matéria? Justifique.

17- Que sugestão você daria para melhorar o ensino de Física?

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Universidade Regional do Cariri- URCA Mestrado Profissional em Ensino de Física

APÊNDICE B- QUESTIONÁRIO PÓS-TESTE

UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI DEPARTAMENTO DE FÍSICA

MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA FÍSICA DE PARTÍCULAS: POSSIBILIDADES PARA O ENSINO MÉDIO Orientador Responsável: Prof. Dr. Wilson Hugo Cavalcante Freire

Orientando: Jorge Luís da Silva

APÊNDICE A: PÓS-TESTE

QUESTIONÁRIO II - DIAGNÓSTICO DA VIVÊNCIA DIDÁTICA DO ALUNO NAS AULAS DE FÍSICA

1 - Discordo totalmente 2 - Discordo parcialmente 3 - Indiferente

4 - Concordo Parcialmente 5 - Concordo totalmente 1 2 3 4 5

1. A sequência didática utilizada durante os encontros facilitou sua aprendizagem?

2. O produto pedagógico contribuiu de forma decisiva para sua aprendizagem?

3. A linguagem utilizada e o grau de profundidade da abordagem foram adequados e suficientes para a compreensão da Física de Partículas?

4- Você se sentiu envolvido e teve participação ativa durante o processo de ensino-aprendizagem?

5- O processo de avaliação utilizado permitiu o reconhecimento de suas dificuldades e lhe deu oportunidade de superá-las?

6- Você sugeriria a outro professor de Física o método que foi empregado durante aplicação para que ele utilizasse em suas aulas?

7. Você concorda que assuntos atuais como a Física de Partículas não podem ficar de fora do currículo do ensino médio? Justifique.

8-Deixe aqui suas sugestões, críticas ou elogios.