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O METRO AO NANOMETRO:
UM SALTO PARA O ÁTOMOAnderson L. Ellwangera(pfandd@gmail.com) Solange B. Faganb(sfagan@unifra.br) Ronaldo Motac(ronamota@terra.com.br)
a,b Curso de Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física e de Matemática,
Centro Universitário Franciscano – UNIFRA, Santa Maria – RS cDepartamento de Física, UFSM, Santa Maria – RS
RESUMO
O presente trabalho consiste na elaboração e na implementação de um material instrucional sobre Nanociências a se r aplica do a alunos da oitava série do Ensino Fundamental e do terceiro ano do Ensino Médio na cidade de Santa Maria – RS. Este material relaciona temas de Nanociências associados aos conteúdos trabalhados no Ensino Básico, como escalas, área superficial, volume, magnetismo, eletricidade, etc. A Nanociência estuda o comportamento da matéria na escala de poucos átomos ou moléculas onde a física, química e biologia convergem para uma mesma ciência , que a partir deste momento se autodenomina interdisciplinar. Esta nova ciência e a sua aplicação, a Nanotecnologia, prometem em um futuro próximo uma revolução tecnológica e/ou industrial. Mas, por outro lado, observamos por meio de uma pesquisa bibliográfica que é inexistente a presença de materiais didáticos e instrucionais que abordem a Nanociência/Nanotecnologia em nível de Ensino Básico e que relacione este tema com conteúdos didáticos já ministrados em sala de aula. Desta forma, neste trabalho especificamente, abordamos a redução de escala em diferentes dimensões com o conseqüente aumento da área superficial e a modificação das propriedades associando com a Nanociência e a Nanotecnologia. Elaboramos um material didático-instrucional abordando principalmente as escalas de medida muito menores que o metro a ser aplicado em turmas de oitava série do Ensino Fundamental e terceiro ano do Ensino Médio no Colégio Riachuelo em Santa Maria - RS. Deste modo, consideramos que estas abordagens são fundamentais em um contexto educacional voltado a atualização dos conteúdos e, principalmente , adequado às necessidades dos alunos que vivem em um mundo cercado de tecnologias que na maioria das vezes não são compreendidas.
Palavras -chave: Ensino/Aprendizagem, Física Moderna, Nanociências.
INTRODUÇÃO
Portanto, os questionamentos que decorrem são:
- Como ministrar conteúdos de Nanociência e sua aplicação, a Nanotecnologia, em turmas de E nsino Básico por meio de conteúdos de Física Clássica , Física Moderna e conceitos matemáticos ?
- Como ensinar tópicos de Nanociência/Nanotecnologia, pertencente s à Física Moderna e a Mecânica Quântica , em turmas de Ensino Básico com a ausência de material didático como suporte?
- Como inserir temas atuais como Nanociência e sua aplicação nos curríc ulos do Ensino Básico?
Vivemos cercados por recursos tecnológicos como computador, celular, mp3, entre outros. Estes recursos fazem parte do dia-a-dia do aluno, uma vez que o acesso a esses equipamentos esta cada dia mais fácil. Esta realidade é, porém, ignorada pela maioria das escolas e professores, que trabalham dentro de um currículo, que não contempla esses conteúdos, uma vez que, na maioria dos casos é trabalhada somente a Física mais antiga, como as relações newtonianas e muitas vezes até aristotélicas (SONZA e FAGAN, 2007).
A inserção de temas atuais como a Nanociência nos currículos das Escolas se adequará às condições sugeridas pelos Parâmetros Curriculares Nacionais (2002), onde o desenvolvimento cognitivo do aluno deve estar embasado em assuntos correlacionados com o seu cotidiano, o qual deve ser desenvolvido passo a passo, utilizando conceitos concretos e vivenciais e não definições abstratas. Os alunos em formação no Ensino Básico têm curiosidades a respeito de assuntos que são abordados pela mídia, mas tais assuntos não são trabalhados nas aulas de Física.
Desta forma, os alunos sentem dificuldades em relacionar o conteúdo visto em sala de aula com o seu dia-a-dia, principalmente os conteúdos de Física. Então, a produção de um material instrucional adequado auxiliará na visualização de um tópico interdisciplinar associando Física Clássica, Física Moderna, Química e Matemática todos convergindo desta forma para a Nanociência e sua aplicação.
A utilização de um material potencialmente significativo poderá permitir aos alunos observar onde e como funciona a Nanociência, prováve is aplicações nas situações cotidianas, possibilitando produzir melhoramentos para a humanidade, com inovações tecnológicas que podem modificar a forma como vivemos (MOREIRA, 2006; LOUZADA e ARAÚJO, 2007).
Nesta linha de pensamento, a inserção de tópicos de Nanociências no Ensino Médio tem sua importância ancorada na necessidade de adequação do currículo ao avanço da ciência e aos interesses dos alunos e, por conseqüência, proporcionar uma relação da vida escolar com a vida prática (LOUZADA e ARAÚJO, 2007). Neste contexto, falar a respeito de tópicos de Física Moderna e Contemporânea e suas aplicações no Ensino Médio. Os conceitos da Física Clássica encontram respaldo no que asseveram Oliveira, Vianna e Gerbassi (2007):
Na esteira desse pensamento a inserção de Física Moderna e sua aplicação nos conteúdos do Ensino Básico torna-se uma necessidade imediata, visto que os alunos relacionam a sua vivência diária com os conteúdos apresentados em sala de aula. Segundo Terrazzan (1992) a tendência de atualizar-se o currículo de Física justifica-se pela influência crescente dos conteúdos contemporâneos para o entendimento do mundo criado pelo homem atual, bem como a necessidade de formar um cidadão consciente e participativo que atue nesse mesmo mundo.
Da mesma forma, Pereira (1997) coloca que o mundo contemporâneo é altamente tecnológico e que para compreendê-lo é função da escola, principalmente dos programas de Ciências Naturais e Sociais e de Física, Química e Biologia, incluir no seu currículo os assuntos relevantes para a formação de um cidadão esclarecido sobre o que o cerca, de modo que a pessoa seja capaz de tomar suas decisões, assim como desempenhar sua função social e econômica. Na mesma linha de pensamento Valadares e Moreira (1998) também concordam que é imprescindível que o estudante do Ensino Médio conheça os fundamentos da tecnologia atual, já que ela atua diretamente em sua vida e pode definir seu futuro profissional, o que torna essencial a inserção de conteúdos inovadores , em especial os que podem fazer a ponte entre a física da sala de aula e a física do cotidiano.
ESTRATÉGIAS PARA O D ESENVOLVIMENTO DO TR ABALHO
Este trabalho é parte integrante do projeto de Dissertação de Mestrado Profissionalizante, para o qual estamos produzindo um Módulo Didático sobre alguns tópicos de Física Moderna e Contemporânea, mais precisamente Nanociência e sua aplicação, a Nanotecnologia.
O trabalho será implementado, primeiramente, em três turmas de terceiro ano do Ensino Médio e uma turma de oitava série do Ensino Fundamental, do Colégio Riachuelo, pertencente à rede particular de ensino da cidade de Santa Maria -RS, totalizando um público alvo inicial de aproximadamente 180 alunos. Os alunos dessas turmas apresentam faixa etária entre 11 e 18 anos, pertencentes à classe média, com acesso a internet e tempo disponível para o estudo. A quantidade de períodos semanais para a disciplina de Física totaliza cinco períodos e mais um para estudos compleme ntares para a terceira série do Ensino Médio e para o Ensino Fundamental três períodos semanais.
O Colégio Riachuelo busca através da formação de seus alunos, uma preparação para o ingresso no vestibular, principalmente em universidades federais, do estado do RS e fora dele. Este colégio também visa à formação de um cidadão conhecedor das novas tecnologias e dos limites da nossa ciência. Depois de implementado no Colégio Riachuelo e feitas às devidas modificações, o material será disponibilizado em forma de página de internet e também na forma de CD didático a ser distribuídos a outros professores da rede de Ensino Básico.
Apresentaremos a seguir as principais atividades e conteúdos presentes no material instrucional sobre Nanociências. Ressaltamos que os resultados da avaliação deste material instrucional como instrumentos de aprendizagem para os alunos serão investigados pós-implementação, que ocorrerá em novembro de 2008. O instrumento que será usado para essa verificação será baseado em mapas conceituais. Ressaltamos que os mapas conceituais são instrumentos didáticos que auxiliam no processo de ensino e aprendizagem sendo uma ferramenta poderosa na organização do conhecimento, bem como para a sua compr eensão. Segundo Moreira (2006) , mapas conceituais são apresentados como instrumentos potencialmente úteis no ensino, na aprendizagem e na análise do conteúdo curricular.
A versão preliminar do material que será implementado com os alunos possui uma seqüência de atividades que serão divididas nas etapas descritas a seguir.
ETAPA 1: DIMENSIONALIDADE DE ESTRUTURAS
Inicialmente o aluno deve conhecer a diferença entre a dimensionalidade de uma estrutura química ou física, como mostra a Figura 1. Uma estrutura distribuída em três dimensões é conhecida como estrutura 3D (cubo-3D), a qual é muito conhecida no nosso dia-a-dia, como por exemplo as estruturas metálicas de ferro, ouro, prata, madeira, etc.. Já uma estrutura bidimensional é tratada como uma face de um quadrado, que atualmente é estudada na Nanociências como a estrutura do grafeno (uma plano hexagonal de carbono do grafite). Também podemos partir de uma estrutura tridimensional e alcançar uma estrutura linear (1D) que são conhecidos na nanociências como nanotubos ou nanofios, neste caso o comprimento é muito maior que a largura ou diâmetro. E, finalmente, a estrutura mais interessante do ponto de vista da Nanociências é a estrutura sem dimensão ou 0D, onde podemos resumir a alguns átomos e/ou moléculas.
Figura 1.: Estruturas com diferentes dimensionalidades.
Da mesma forma, salientamos para o aprendiz que em uma dimensão (1D) temos uma reta, em duas um quadrado e em três dimensões um cubo, já para uma estrutura sem dimensão temos um ponto. Portando, geometricamente podemos imaginar que para formar a estrutura 0D basta um ponto, em uma estrutura 1D temos uma reta, a face de um cubo (2D) necessita 4 retas e para formar um cubo são necessárias 12 retas iguais. Vale ressaltar que nesta etapa o processo será acompanhado por uma simulação computacional que iniciará com um ponto, com a sua ampliação em uma direção formando uma reta e a partir desta reta formando a face de um cubo e o cubo propriamente dito.
(1D), face de uma esfera ou círculo (2D) e uma estrutura esférica tridimensional ( 3D), como mostra a Figura 2.
Figura 2.: Dimensionalidade a partir de uma estrutura esférica.
Percebe-se que neste caso o diâmetro da esfera é igual ao tamanho da reta e também ao diâmetro do círculo. Neste caso, na formação da esfera teremos também uma simulação computacional que iniciará com um ponto, posteriormente com o raio do círculo que fará a varredura de 3600 formando o círculo e posteriormente girando ao redor do próprio eixo, que formará o volume (Figura 2).
ETAPA 2.: CALCULANDO ÁREA SUPERFICIAL E VOLUME DE MATERIAIS
Usando as equações para o cálculo do volume da esfera e do cubo podemos relacionar estas duas quantidades, sendo que o volume é definido como a região do espaço ocupada pelo corpo, enquanto que as áreas de superfície correspondem à quantidade de espaço bidimensional do corpo.
Figura 3.: Área superficial e volume de um cubo e uma esfera.
Utilizando a Figura 3 onde temos as formas geométricas do cubo e da esfera bem como suas fórmulas para área superficial e volume colocamos as seguintes questões para os alunos:
1. Podemos perceber que para aumentar e diminuir o volume bem como a área superficial basta altera rmos uma variável, você saberia dizer qual?
3. Desenhe uma esfera dentro de um cubo e um cubo dentro de uma esfera. Qual a diferença entre os volumes?
4. Qual a razão entre área superficial e volume no cubo e na esfera?
Estudando o cubo temos a noção que vários cubos pequenos podem formar um gr ande cubo. Neste caso podemos chegar a um limite em que não será mais possível visualizar macroscopicamente o número de cubos que formará o grande cubo e então será necessária a utilização de escalas de medida para que isso possa ser realizado.
A utilização de figuras conhecidas pelos alunos, como por exemplo, os “cubos mágicos” , têm uma importância relevante , pois os mesmos, em sua maioria, já conhecem tal figura. Desta forma, a relação entre o novo conhecimento com os conhecimentos prévios se torna mais rápida e eficiente.
ETAPA 3: VARIAÇÃO DA ÁREA SUPERFICIAL EM MACRO, MICRO E NANOESTRUTURAS Usando um cubo em dimensões macroscópicas como o “cubo mágico” da Figura 4 e fazendo divisões sucessivas neste cubo, podemos chegar até o momento em que não podemos mais ser contar a quantidade de cubos que constituem o grande cubo original.
A sugestão é trabalhar com o aprendiz o efeito na estrutura quando vamos dividindo a mesma em outras cada vez menores. Desta forma, o aluno observando o cubo da Figura 4 deve responder a algumas questões.
(a) (b)
Figura 4.: (a) Estrutura cúbica com sua aresta dividida em 3 partes iguais. (b) Abertura do cubo mágico para mostrar a quantidade de cubos presentes.
Inicialmente o aluno deve saber quantos cubos teremos em um cubo grande dividido em cubos menores onde a sua aresta original é dividida em três partes (Figura 4 (a) e (b) ). Ou seja:
Figura 5.: Estrutura cúbica com sua aresta dividida em 4 partes iguais.
Alterando o número de cubos menores, temos agora a questão:
- E neste cubo mágico, qual o número de cubos que constitui o todo?
Neste estágio também será usada a simulação computacional para aumentar a quantidade de cubos que constituem um cubo, pois será impossível contar a quantidade sem o uso de recursos como as escalas de medida.
A seguir o aluno deve contemplar uma seqüência se atividades que tem como objetivo a observação da redução de escalas, para o caso do cubo. A Tabela 1 será preenchida pelos alunos durante a implementação do material sendo que na última coluna deverá ser observado se está sendo tratada a escala macro, micro ou nanométrica.
A partir das noções de escalas é possível compreender o universo macroscópico, microscópico e nanométrico. Vale ressaltar para os alunos que o universo macroscópico é aquele que contem objetos físicos que podem ser medidos e observados a olho nu, ou seja , neste caso são utilizadas escalas de comprimento que variam de 1 milímetro (mm) até 1 km. Na física, a macroscopia pode ser uma peculiaridade aplicada relativamente a quem está na condição de observador.
O universo microscópic o contem objetos cujas características de composição do material estão em uma escala de comprimento que varia de 1 mm a alguns µm (1 mícron corresponde a 10-6 m). Tem-se que
µm = 10-6 m = 1/ 1.000.000 m
Um dos exemplos típicos desse universo são as células sanguíneas, como as hemáceas que constituem o sangue e que estão em uma escala de alguns mícrons.
Tabela 1.: Preencha a tabela abaixo para um cubo, com inicialmente, uma aresta L = 1cm de forma que o volume e massa sejam constantes.
Aresta do cubo Número de cubos Área Superficia l Escala
1 cm Macro
0,1cm Macro
0,01cm Macro
0,001cm = 10 µm Micro
0,0001cm = 1 µm Micro
0,00001cm = 100 nm Nano
0,000001 cm = 10 nm Nano
0,0000001 cm = 1nm Nano
Da mesma forma que o cubo, será avaliado os efeitos da escala em uma esfera (Tabela 2) , onde o aluno deverá preencher uma tabela com o número de esferas, área superficial e escala correspondente.
Tabela 2.: Preencha a tabela abaixo para uma esfera, com inicialmente, um raio R=2,31 cm, com volume e massa constante.
Raio da esfera Número de esferas Área superficial total Escala
0,0231 m = 2,31 cm Macro
0,00231m = 2,31 mm Macro
0,000231 m = 231 µm Micro
0,0000231 m = 23,1µm Micro
0,00000231 m = 2,31 µm Micro
0,000000231 m = 231 nm Nano
0,0000000231 m = 23,1 nm Nano
0,00000000231 m = 2,31 nm Nano
0,000000000231 m = 0,231 nm = 2,31Å Nano
Espera-se com a implementação deste material que os alunos consigam relacionar a redução de escalas, tanto para o cubo, bem como para a esfera, fazendo a conexão com as possíveis utilizações das estruturas atômicas das substâncias e, por conseqüência, permitir a compreensão de alguns aspectos da Física Moderna que serão tratados posteriormente.
Figura 6.: Um anel de ouro de cor dourada (tamanho em cm) e o efeito de tamanho da partícula de ouro alterando a cor do líquido em que está misturado. A partícula menor tem 18nm e a maior 250nm. Adaptado de www.nbi.dk/~pmhansen/gold_trap.htm.
Um exemplo do efeito da dimensionalidade em materiais pode ser observado na Figura 6. Neste caso, nanopartículas de ouro que são douradas em uma dimensão macroscópica, mudam de cor quando estão em uma escala nanométrica. Perceba que variando o tamanho da partícula de 18 para 250 nm a cor das nanopartículas misturadas na água muda desde o vermelho até o lilás. Este exemplo é fundamental para os alunos compreenderem que o efeito do tamanho na matéria varia de acordo com a sua escala e que este fato fica mais evidente quando estamos em um comportamento de nanoescala. No caso de partículas macroscópicas, o número de átomos da superfície é tão pequeno comparado com o número total que mudanças nas propriedades ópticas (como a cor que o material reflete) não são observadas. Já em nanopartículas, as modificações que acontecem nas propriedades ópticas, por exemplo nas estruturas de ouro, fazem mudar a cor dependendo da dimensionalidade , ou seja depende ndo estritamente do número de átomos presentes na superfície do material, que na nanopartícula é a maioria dos átomos.
A partir destes conteúdos ministrados serão avaliados mapas conceituais que serão produzidos pelos alunos acerca dos conhecimentos adquiridos nesta atividade e das pesquisas que estes alunos deverão efetuar sobre as potencialidades da nanotecnologia.
Ressalta -se que a partir destes conceitos básicos iniciais de escala e dimensionalidade, serão apresentadas aos alunos as conseqüências do comportamento na escala nanométrica, tanto do ponto de vista químico, como físico.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
macro até a nano usando uma linguagem cientifica diferenciada de modo a agregar estes conceitos no Ensino Básico. Também serão realizadas atividades multidisciplinares como construção de textos sobre os riscos e benefícios da nanotecnologia com professores de Língua Portuguesa, bem como a análise dos riscos e potenciais biológicos com docentes da área de Biologia.
REFERÊNCIAS
BRASIL. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais: Ensino Médio. Brasília, MEC/SEMT, 2000.
LOUZADA, C. O; ARAÚJO, M. S. T. Alfabetização científica e tecnológica na nanoaventura: uma viagem divertida pelo mundo da nanotecnologia. Atas do XVII SNEF, 2007.
MOREIRA, M. A. (2006) A Teoria da Aprendizagem e sua implementação em sala de aula. Brasília: Editora da UnB
MOREIRA, M. A. (2006) Mapas conceituais e Diagramas Porto Alegre: Editora do autor.
OLIVEIRA, F. F.de; VIANNA, D. M.; GERBASSI, R. S. (2007) Física Moderna no Ensino Médio: o que dizem os professores. Revista Brasileira de Ensino de Física v.29, n.3, p. 447-454.
PEREIRA, O. da S. Raios cósmicos: introduzindo física moderna no 2° grau. São Paulo: Instituto de Física e Faculdade de Educação – USP, 1997. Diss. mestr. Ensino de Ciências.
SONZA, A. e FAGAN, S.B. Física Moderna no Ensino Médio: como o tema é abordado na região de Santa Maria - RS? SNEF, 2007.
TERRAZZAN, E. A. A inserção da física moderna e contemporânea no ensino de física na escola de 2° grau. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 9, n. 3, p. 209-214, dez. 1992.
TOMA, E. H. O Mundo Nanométrico: a dimensão do novo século, Oficina de Textos, São Paulo, 2004.
