Pesquisas sobre o Ensino de Mecânica Quântica para reflexão sobre a produção e avaliação do funcionamento de hipermídias e outros objetos de aprendizagem

Comecemos com um artigo de revisão bibliográfica, de Greca e Moreira, publicado em 2001, na revista Investigações em Ensino de Ciências – V6(1), pp. 29-56, 2001.
Os autores consultaram a partir de 1970, as revistas: International Journal of Science Education, Journal of Research on Science Teaching, European Journal of Science Education, Science Education, American Journal of Physics, Contemporary Physics, Physics Teacher, Physics Education, Cognition and Instruction, Learning and Instruction, Enseñanza de las Ciencias, Revista de Enseñanza de la Física, Revista Brasileira de Ensino de Física e Caderno Catarinense (Brasileiro) de Ensino de Física. Também utilizaram o sistema ERIC (Educational Resources Information Center) e as bases de dados disponíveis na rede WEBOFSCIENCE e PROQUEST 5000.
Os artigos foram classificados em três grupos:

  • Artigos sobre concepções dos estudantes a respeito de conteúdos de Mecânica Quântica; Estes são escassos e aparecem principalmente em revistas da área de Ensino de Ciências.
  • Trabalhos com críticas aos cursos introdutórios de Mecânica Quântica; – Estão centrados fundamentalmente nos cursos introdutórios sobre o tema, tanto em nível médio como universitário;
  • Estudos contendo propostas de novas estratégias didáticas. Entre os artigos desse terceiro grupo encontram-se propostas de inclusão de tópicos específicos, de mudança de enfoque, de alterações curriculares e de inclusão de novas tecnologias (sobretudo de recursos computacionais). Tais propostas, poucas delas efetivamente implementadas e avaliadas, se referem a conteúdos introdutórios em nível médio e universitário, assim como a cursos de formação de professores.

Reproduzimos os trechos em que os autores comentam alguns dos artigos encontrados, como exemplos, destacando procedimentos metodológicos utilizados.

– “Unal e Zollman (2001) fizeram também um estudo tentando determinar as idéias de estudantes americanos de nível médio sobre o átomo, analisando as respostas escritas destes estudantes quando solicitados a descrevê-lo. Esta análise foi realizada desde uma perspectiva fenomenográfica com as respostas de 239 estudantes, que na época já haviam cursado ou estavam cursando disciplinas de Física.” (…)
– “Em uma linha de pesquisa diferente das anteriores, Gil & Solbes (1993, p. 256) procuraram detectar se os estudantes percebiam as diferenças entre o paradigma da Física Clássica e o da Física Moderna e qual a influência disto na compreensão de conceitos-chave do novo paradigma. Para isto aplicaram um questionário a 536 estudantes espanhóis dos últimos anos do ensino médio (16-18 anos).” (…)
– “As pesquisas sobre as concepções que estudantes de nível universitário têm sobre conteúdos em Mecânica Quântica são mais recentes e também mais escassas. Johnston, Crawford e Fletcher (1998) apresentam resultados obtidos em uma disciplina do terceiro ano da graduação em Física (N= 33) da Universidade de Sydney, na Austrália, com estudantes que já tinham cursado disciplinas anteriores com conteúdos sobre Mecânica Quântica. No referido estudo se procurava detectar os modelos mentais usados pelos estudantes para a compreensão de um determinado tópico. Os estudantes foram divididos em dois grupos — um no qual os conteúdos foram ministrados segundo uma abordagem mais formal e o outro com um enfoque mais experimental. As respostas aos questionários aplicados antes e depois da instrução, fundamentalmente as referidas à dualidade onda-partícula, às concepções que os estudantes têm sobre onda e partícula e sobre a diferença entre incerteza e indeterminação”.(…)
– “Bao, Jolly & Redish (1996) desenvolveram uma pesquisa com estudantes do terceiro semestre de um curso introdutório de Física para Engenharia (de três semestres de duração) –na modalidade Cálculo3 – da Universidade de Maryland, EUA. Neste tipo de curso os conteúdos de Mecânica Quântica são ministrados nas últimas cinco semanas do semestre. O material analisado consistiu nas respostas dos pré e pós-testes aplicados, em observações dos estudantes durante as atividades de laboratório e grupais e em entrevistas individuais nas quais os estudantes deviam resolver problemas oralmente.” (…)
– O grupo de pesquisa em ensino de Física da Universidade do Estado de Ohio, EUA,(Aubrecht, Kassebaum, May & Stith, 1999) desenvolveu um instrumento para identificar preconcepções acerca dos conceitos de quantização e de fóton. O instrumento, construído a partir de entrevistas com 73 sujeitos (físicos, professores do ensino médio, estudantes de pós-graduação,estudantes de graduação e estudantes do ensino médio) consiste em um teste com quatro itens de múltipla escolha e 42 itens do tipo Lickert[i], incluindo a opção “não sei”.
– “Pinto e Zanetic (1999) implementaram uma proposta em aulas da segunda série do ensino médio da cidade de Guarulhos, SP, embasada nos perfis epistemológicos de Bachelard, sobre o conceito de luz. Durante 12 aulas foram abordadas diversas formas do conhecimento científico, destacando a descrição histórica da luz (desde as formas pré-científicas até a descrição quântica), o aspecto filosófico (os perfis epistemológicos: animismo, realismo, racionalismo e ultra-racionalismo), as atividades experimentais (efeito fotoelétrico e utilização do interferômetro de Mach-Zehnder) e atividades lúdicas. Para os autores, este tipo de aulas aumentou o interesse dos alunos pela Física, embora considerem que a maioria dos alunos aprendeu pouca Física Quântica.” (…)
– “Redish, Lei & Jolly (1997) desenvolveram uma unidade introdutória (5 semanas) partindo do pressuposto de que há uma nova audiência (estudantes das distintas Engenharias, da Química e da Biologia) para os tópicos de Mecânica Quântica e de que é possível desenvolver recursos computacionais (simulações e softwares) que permitam apresentar tais tópicos com uma matemática menos abstrata. Tendo em consideração os resultados de pesquisas anteriores  (Bao, Jolly & Redish, 1996), foram desenvolvidas durante o curso atividades específicas com revisões sobre os diagramas de energia e as probabilidades clássicas e foram enfatizadas, com a utilização de softwares especialmente projetados, a interpretação dos poços de potencial, a compreensão dos autovalores de energia e a relação entre a energia cinética local e a curvatura da função de onda.” (…)
– “Vokos et al. (2000) desenvolveram uma unidade didática sobre as propriedades ondulatórias da matéria. Esta unidade, com uma duração de 50 minutos e estruturada na forma de tutorial (McDermott et al., 1996), foi centrada no contexto do fenômeno de interferência para a luz e para os elétrons, tentando atacar as dificuldades que tinham sido detectadas no estudo prévio. A população alvo deste trabalho foi semelhante em composição à do estudo anterior, sendo aplicado a 467 participantes. Antes da unidade os estudantes responderam um pré-teste e depois trabalharam em pequenos grupos. Este trabalho se complementava com um dever de casa. Na aula seguinte, foram aplicados pós-testes, com questões equivalentes às do pré-teste, porém em relação ao fenômeno de difração que não foi tratado durante a unidade.” (…)
– “Rebello e Zollman (1999), da Universidade de Kansas, desenvolveram um projeto denominado “Visual Quantum Mechanics”, cujo objetivo é introduzir tópicos de Mecânica Quântica, com a ajuda de simulações, de atividades interativas e de laboratórios, utilizando o mínimo possível de ferramentas matemáticas. O material está organizado em unidades temáticas, cada uma delas com uma duração de 6 a 12 horas-aula.” (…). Os autores avaliaram o curso e notaram que, embora tivesse tido evitada a utilização do modelo de Bohr, como um dos princípios do curso, em favor dos diagramas de energia, os estudantes não abandonaram o modelo planetário aprendido em cursos anteriores. O site do projeto, com os softwares e inúmeros artigos pode ser consultado em “Visual Quantum Mechanics”.
– “”Curso de Física Básica”, de Moisés Nussenzveig (1998). Ainda que seguindo a seqüência tradicional, Nussenzveig enfatiza o caráter radical das mudanças introduzidas com a idéia de quantização e discute largamente os princípios quânticos a partir do conceito de estados de polarização de fótons. Com este exemplo, introduz a descrição matricial e tenta apresentar, de um modo mais palpável, questões importantes tratadas a partir de espaços de duas dimensões. A obra apresenta várias aplicações destes princípios, como os espectros de bandas da física dos sólidos, e discute tópicos interpretacionais, apresentando alguns famosos paradoxos e seu desfecho experimental.” (…)

Síntese das críticas sobre o ensino da mecânica quântica introdutória que aparecem nas pesquisas
– excesso de formalismo impedindo, “criando barreira” para a compreensão de conceitos fundamentais;
– tentativas de estabelecer elos analógicos com a física clássica;
– excessivo tempo gosto na antiga mecânica quântica, no átomo de Bohr (o que às vezes é associado às comuns abordagens “históricas”);
– uso freqüente da chamada “quase-história”, principalmente no que tange ao efeito fotoelétrico;
– hegemonia da chamada interpretação ortodoxa (interpretação de Copenhagen).

Comentários
Podemos apontar alguns itens de destaque e recorrência nas pesquisas sobre o ensino de Mecânica Quântica:

– a relação entre física quântica e física clássica é quase sempre um dos focos da pesquisa, e motivo de preocupação; cf. trabalhos de Fischler & Lichtfeldt (1991, 1992) e Niedderer & Deylitz (1999), que propõem abordagens da mecânica quântica sem elos com a mecânica clássica (p. 42), outros autores utilizam e analisam relações analógicas;
– as especificidades epistemológicas da MQ implicam em cuidados importantes no uso de imagens e da linguagem verbal; no caso das imagens, principalmente quando se busca uma aproximação realística com o mundo cotidiano;
– discussões sobre Mecânica Quântica envolvem não raramente, a noção de modelo e modelagem em ciência.

Outros trabalhos
Diferentemente de outros autores, Osterman et al. (2009), num artigo publicado na Revista Electrónica de Enseñaza de las Ciencias, vol 8, n.3, que apesar de espanhola, também publica em português, propõem abordar a MQ no Ensino Médio, a partir da física ondulatória, a parti de analogias com o paradigma ondulatório, particularmente tendo a dualidade partícula-onda como conceito central. A proposta didática dos autores tem como foco a utilização de um software que simula o interferômetro de Mach- Zehnder.
Em conjunto com outros autores, Fernanda Osterman tem vários trabalhos analisando processos de significação sobre Mecânica Quântica em interação, com base em autores como Bakhtin e Vigostski. Aprofundamento sobre essa abordagem metodológica será tema de outro post específico.
As pesquisas na área apontam para a importância de se pensar detidamente, tanto do ponto de vista da linguagem, quanto da epistemologia, o raciocínio analógico no ensino de Mecânica Quântica.
Paulo e Moreira (2011), num artigo publicado na Ciência & Educação, vol. 17, n.2, discutem problemas do ensino da mecânica quântica associado a questões de linguagem. Trata-se de uma abordagem interessante na medida em que pretendeu unir questões de linguagem com uma reflexão epistemológica. Se a MQ rompe epistemologicamente (Bachelard) com a Física Clássica, deve-se manter a linguagem clássica no seu ensino? A resposta dos autores reside na proposta de se manter a linguagem clássica, mas modificar sua lógica, trabalhando com isso, o âmbito de validade dos sentidos da linguagem clássica. Para isso, se pautam na interpretação de Copenhagen.
No entanto, rigorosamente não podemos falar que os autores tratam de linguagem, mas apenas das significações das palavras, se compreendermos que tratar de linguagem signifique considerar de alguma maneira, no mínimo, a materialidade do significante, ou seus aspectos enunciativos ou discursivos, pela consideração da relação entre significante, significado, contexto e sujeito. Na verdade, a abordagem dos autores atém-se apenas à questão do significado.
No entanto, na medida em que levantam a questão de que mesmo na física, palavras podem ter significados diferentes, ou seja, existe polissemia e ela precisa ser enfrentada, pedagogicamente, trabalhada, o artigo abre a possibilidade de servir como suporte para análises e avaliações que considerem o caráter constitutivo e contextual do funcionamento da linguagem, no âmbito do funcionamento das mediações tecnológicas. Ou seja, como os alunos utilizam essas palavras, essas diferentes significações ao longo dos em suas interações mediadas pelo ambiente virtual e nas atividades que realizam?

Relações entre campo da pesquisa e avaliação/reflexão da disciplina Introdução à Física Moderna

O artigo de revisão, no entanto, só cita uma pesquisa sobre o uso de recursos computacionais (p. 47). De fato, os autores apontam a tendência de crescimento do uso desses recursos, mas de escassa produção de pesquisas sobre isso, naquele momento, lembrando que a revisão é de 2001.
Notamos uma variedade muito grande de metodologias utilizadas nas pesquisas, procedimentos de coleta e análise de informações, bem como diferentes referenciais teórico-metodológicos.
No entanto, alguns procedimentos metodológicos empregados podem contribuir para avaliação e reflexão sobre a disciplina Introdução à Física Moderna. Uma proposta prévia e aberta dessa relação está sendo elaborada pelo NUPA, será discutida com a equipe de produção e equipe docente (professores e tutores) para a construção coletiva dos instrumentos e processos de avaliação e depois divulgada aqui no blog. Adiantamos apenas alguns pontos.
Vários estudos utilizaram metodologias variadas para detectar se os alunos pensam classicamente, hibridamente (ou semi-classicamente) ou quanticamente. Esses instrumentos podem ser adaptados. É o caso por exemplo de Euler et al, 1999.
Outro trabalho nessa direção é o de Muller e Wiesner (2002), publicado no American Journal of Physics vol.70, n.3, em que os autores incluem e analisam questões especificamente voltadas para a compreensão da questão do determinismo e das condições iniciais, que para nós tem uma importância particular, já que representou um dos aspectos curriculares principais da proposta desenvolvida e incluída na produção da hipermídia pela equipe do Lantec junto com o professor responsável pela disciplina.
Uma análise desses procedimentos metodológicos será detalhada em outra postagem.
Ireson (1999), num artigo publicado no European Journal of Physics, vol. 20, n. 3, utilizam um método multivariacional para detectar concepções conceituais de estudantes, de tal modo que as afirmações utilizadas são agrupadas conforme as concepções filosófico-epistemológicas envolvidas, determinismo e não-determinismo.
No entanto, talvez seja importante compreender como se deram as interações comunicativas entre equipe docente e estudantes e entre os próprios estudantes na construção das compreensões pelos alunos. Neste caso, abordagens metodológicas como as de Pereira, Osterman e Cavalcanti (2009), baseadas numa perspectiva sociocultural, precisam ser consideradas, o que o faremos em postagens posteriores.


Henrique Silva
Sabine Schweder[ii].


[i] Os itens do tipo Lickert (1976) são constituídos por afirmações com as quais o sujeito deve expressar o seu grau de concordância ou discordância em uma escala pré-determinada.
[ii] Sabine Schweder é licenciada em Física, faz parte da equipe de produção do Lantec, particularmente da equipe de design de hipermídias e colabora também com o NUPA.

Sobre Henrique Silva

Formado em Física, Doutor em Educação, professor do Centro de Ciências da Educação da UFSC. Pesquisador da área de Ensino de Física/Ensino de Ciências.
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