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Baú das Partículas
Elementares e Interações
Autores
Jorge Luís da Silva
Prof. Dr. Wilson Hugo Cavalcante Freire
SUMÁRIO
1 APRESENTAÇÃO.................................................................................................................... 03
2 SEQUÊNCIA DE ENSINO......................................................................................................
04
3 BAÚ DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES E INTERAÇÕES.........................................
06
4 INTERVENÇÃO.......................................................................................................................
08
APÊNDICES.................................................................................................................................
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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
aprendizagem significativa.
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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
Fonte: Elaborado pelo autor.
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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.
Figura 09: Produto pedagógico
Fonte: Elaborado pelo autor.
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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.
Figura 10: Produto pedagógico
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):
- Esclarecer a importância do trabalho e procedimentos que seriam adotados;
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- Aplicar o questionário pré-teste;
2º Encontro (3 hora-aula):
- 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;
4º Encontro (3 horas-aula):
- 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.
5º Encontro (2 horas-aula):
- 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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1º Encontro (1 hora-aula): - Esclarecer a importância do trabalho e
procedimentos que seriam adotados;
- Aplicar o questionário pré-teste;
2º Encontro (3 hora-aula): - 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;
- 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?
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;
- 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?
4º Encontro (3 horas-aula):
- 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?
5º Encontro (2 horas-aula):
- Familiarizar o aluno com o modelo padrão de
partículas;
- 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.
1º Encontro (1 hora-aula):
- Esclarecer a importância do trabalho e
procedimentos que seriam adotados;
- Aplicar o questionário pré-teste;
2º Encontro (3 hora-aula):
- 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;
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).
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;
Vídeo: Tudo se Transforma, História da Química,
História dos Modelos Atômicos
(https://www.youtube.com/watch?v=58xkET9F7MY).
4º Encontro (3 horas-aula):
- 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.
.
5º Encontro (2 horas-aula):
- Familiarizar o aluno com o modelo padrão
de partículas;
- 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
Partículas Elementares e Interações.
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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.
d) Não sei
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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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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?
Desde já, agradecemos sua valiosa colaboração.
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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.
Desde já, agradecemos sua valiosa colaboração.
