Inserção da teoria da relatividade restrita no ensino médio

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências da Educação, Programa de Pós-Graduação em Educação, Florianópolis, 2014.A escola não tem conseguido promover o conhecimento e o desenvolvimento de habilidades e competências necessárias para a atuação consciente do aluno no mundo que o cerca. O mundo atual é significativamente diferente daquele encontrado há algumas décadas atrás. A Física Moderna e Contemporânea têm penetrado a sociedade através das tecnologias e da mídia, e os alunos participam dessa nova realidade, seja usufruindo as comodidades tecnológicas, ou se deparando com nomes e figuras emblemáticas da ciência. Na área do ensino de Física, esse panorama demonstra a necessidade de atualização curricular. As diretrizes gerais contidas na LDB/96 para a reformulação da educação brasileira exigem discussão e reflexão sobre o papel da escola e, em particular, dos pesquisadores em ensino de física, um aprofundamento dos significados de aprendizagem em ciências, em todos os níveis de ensino. A Física Moderna e Contemporânea comporta dois grandes blocos: a Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica. Este trabalho propõe a inserção da Teoria da Relatividade Restrita no Ensino Médio. Essa opção se fundamenta em três aspectos básicos: a mudança de padrão de raciocínio e interpretação da realidade aliada à abstração e sofisticação do pensamento, graças à concepção de tempo como uma quarta dimensão; a possibilidade dessa teoria servir de porta de entrada para outros tópicos da Física Moderna e Contemporânea e, finalmente, pela necessidade de abordagem de um tema tão presente na sociedade através da divulgação científica. Por muito tempo as relações existentes entre sociedade e sistema didático - entendido até então como sendo composto pelo professor e pelo aluno, e até mesmo pelo interior deste último - eram extremamente difíceis de serem analisadas. Consequentemente, era também difícil superar os conflitos aí existentes, na medida em que ambos eram compostos exclusivamente por pessoas. Desta forma, o fato do ser humano ser falho, possuir imperfeições, refletia nas atitudes e na realidade desses dois domínios. O ensino estava completamente vulnerável ao livre-arbítrio daqueles que o compunham e/ou influenciavam. O que faltava, para que o funcionamento dessas relações fosse melhor compreendido, era um elemento até então tido como alheio ao processo: o saber. O sistema que até então era composto apenas por dois elementos, passou a incorporar um terceiro. Na década de 1980, surgiu uma ferramenta capaz de descrever e analisar o percurso que o saber sábio, construído e desenvolvido no âmbito da comunidade científica, realiza ao ser transposto em saber ensinar, presente nos programas e livros didáticos, até se tornar saber ensinado, que é comunicado na sala de aula pelo professor. O nome dado a essa ferramenta foi Transposição Didática. Utilizando a Transposição Didática, foram analisados diversos materiais que comunicam a Teoria da Relatividade Restrita, a saber: os três livros mais adotados pelas universidades brasileiras, dois livros do Ensino Médio, artigos publicados da revista de divulgação científica Superinteressante, e hipertextos das enciclopédias digitais Encarta e Barsa.Para que uma proposta de Inserção da Teoria da Relatividade Restrita fosse elaborada, artigos de pesquisa que apresentam formas de ensino desse tema na graduação foram investigados. As propostas em número de 10 são dos mais variados tipos. Elas se diferenciam na forma, na profundidade, no público alvo, consequentes das diferentes concepções sobre o ensino de Física e seu papel. Embora existam várias classes de proposições, separamo-las em dois grandes blocos: o primeiro denominado "estórico-experimental" e o segundo "filosófico-cognitivo".A abordagem estórico-experimental abrange propostas de ensino cuja metodologia está centrada em uma estória da física que evidencie a transição do clássico para o relativístico e/ou experimentos responsáveis pelo surgimento da teoria einsteniana. O grupo filosófico-cognitivo enfatiza o tratamento conceitual e filosófico da Relatividade no lugar da intensa abordagem matemático-experimental. Em alguns casos, a história é utilizada na contextualização e no entendimento dos processos de ruptura que ocorreram na comunidade científica quando o surgimento da teoria einsteniana se deu. Dentre todas as propostas analisadas, a abordagem filosófico-cognitivo de Angotti et all(1978) foi a que demonstrou maior concordância com os objetivos desse trabalho, por ser pouco extenso, possuiu objetivos de conteúdo e atitude, utilizar vários recursos instrucionais e demonstrar boa eficácia quanto ao aprendizado. As unidades desse módulo são (com a estimativa do número de horas/aulas especificada em parênteses): (i) dinâmica relativística (4); (ii) medida de tempo e espaço (3); (iii) simultaneidade (3); (iv) Transformações de Lorentz (opcional) (4), (v) Revisão histórica e síntese (3).A proposta apresentada nesse trabalho, quando comparada à de ANGOTTI et all, utiliza de forma mais estendida a história da física, no intuito de integrar o aluno ao problema apresentado.Optou-se ainda por inserir um pequeno módulo em cada ano do Ensino Médio, no lugar de um grande módulo único. Cada um deles aborda um pilar fundamental da Relatividade, a saber: (a) as concepções de espaço e tempo relativísticas; (b) as questões relativas ao éter e campo e, (c) as simetrias das leis físicas, em especial no eletromagnetismo. Essa tríade possui todos os elementos essenciais da teoria de Einstein. Na primeira, os conceitos relativísticos de espaço e tempo contrastam com a visão clássica. O próprio Einstein afirma que sua teoria é decorrente de uma prática incomum: o de questionar esses conceitos quando adulto, uma vez que as pessoas geralmente os aprendem enquanto criança de forma intuitiva e os tomam como ponto pacífico ao longo da vida. O segundo aspecto da relatividade aborda um tema muito antigo na história da Física: a presença ou não de matéria no espaço. A existência do vácuo total no espaço foi largamente discutida ao longo dos séculos. É de nosso interesse mostrar que o éter sempre foi uma tentativa de negação do vácuo, pois "algo" deveria dar suporte aos fenômenos óticos e eletromagnéticos. Finalmente, o terceiro ponto fundamental discute sobre as simetrias presentes nas teorias, responsáveis pela coerência, pela perfeição intrínseca das leis que devem reger a natureza. A Teoria da Relatividade além de ser uma teoria de princípio, o que reforça esse aspecto, foi pensada à partir de assimetrias existentes na teoria clássica. Cada módulo possui peculiaridades, no entanto, todos eles seguem cinco etapas coerentes com o ciclo concreto-abstrato-concreto. Parte-se sempre de uma situação historicamente contextualizada (concreto), que deve ser discutida no plano das ideias (abstrato), mas que possui reflexos diretos na vida do aluno (concreto). A Teoria da Relatividade ocupa hoje, um espaço de transição entre o novo e o estável dentro do Ensino Médio. A nível universitário, esse processo já está mais avançado. Percebe-se um número crescente dos livros universitários que hoje trazem o assunto dentro de sua estrutura principal de conteúdos. À medida em que isso vêm se processando, a teoria de Einstein têm assumido um caráter similar ao restante dos conteúdos já estáveis nos livros. Esse fato nos serve de alerta se quisermos modificar realmente a abordagem aplicada ao Ensino Médio. A Teoria da Relatividade possui elementos suficientes para que tomemos qualquer um dos dois caminhos possíveis, isto é, disponibiliza ferramentas matemáticas e experimentos suficientes para uma abordagem estórico-experimental, assim como, possibilita uma reflexão sobre conceitos fundamentais da Física se tratada nos moldes filosófico-cognitivos. Os pesquisadores na área de ensino possuem um posicionamento geral bem claro diante da perspectiva do Ensino Médio, buscando a formação de um indivíduo autônomo, capaz de interpretar e atuar no mundo que o cerca. Esta também é a nossa intenção.<br>Abstract : Nowadays, school alone has not been able to promote the needed knowledge and the development of abilities and competences for students to act consciously with the world around them. The present world is significantly different from the one that existed a few decades ago. Modern and Contemporary Physics have been entering society via technologies and the media, and students take part in this new reality, either by enjoying the technological facilities, or by coming across with names and emblematic figures of science. This scenario shows the need to update the curriculum in the area of Physics teaching. The general guidelines under LDB/96 (Education Guidelines and Basis Law) for the reformulation of the Brazilian education, demanded discussions and reflections about the role of the school and, in particular, of the researchers in physics teaching towards a deeper meaning of learning science, at all levels of education. Modern and Contemporary Physics are comprised by two main blocks: the Theory of Relativity and Quantum Mechanics. This paper proposes the insertion of the Special Relativity Theory in High School. This option is based upon three basic aspects: the changing pattern of reasoning and interpretation of reality combined with abstraction and refinement of thought, thanks to the conception of time as a fourth dimension; the possibility of this theory to serve as a gateway to other modern and Contemporary Physics topics and, finally, the need to approach a subject that is rather present in society through scientific dissemination. For a rather long time the existing relationships between society and the educational system - up to then understood as being composed by the teacher and the student, and even the interior of the latter - were extremely difficult to analyze. Consequently, it was also difficult to overcome the existing conflicts therein, as both were composed exclusively by people. The fact that humans are flawed, with imperfections, therefore reflected in the attitudes and in the reality of these two domains. Teaching was completely vulnerable to the free will of those who composed and/or influenced it. The missing element, until then unrecognized to the process, which was lacking in order for these relationships to be better understood was: knowledge. A third element was thus incorporated into the system, which until then was composed solely by these two elements. A tool emerged during the 80's, which was able to describe and analyze the wise knowledge pathway, built and developed within the scientific community, accomplished by being transposed in knowing how to teach, present in education programs and textbooks, until it became the taught knowledge, which is communicated in the classroom by the teacher. The name given for this tool was Didactic Transposition. Using the Didactic Transposition, several materials, which inform the Theory of Special Relativity were analyzed, namely: the three most adopted books by the Brazilian universities, two High School books, articles published in the scientific magazine "Superinteressante" and hypertexts of "Encarta" and "Barsa" digital encyclopedias. In order for the proposed Insertion of the Theory of Special Relativity to be developed, research papers presenting education forms of this theme at graduation levels were investigated. Proposals in numbers of 10 are of the most varied kinds. They differ in shape, in depth and in the target audience, resulting from different conceptions about Physics teaching and its role. Although there are several classes of propositions, we have separated them into two main blocks: the first named "historic-experimental" and the second one "philosophical-cognitive". The historical-experimental approach encompasses the education proposal whose methodology is centered on a history of physics demonstrating the transition from classical to relativistic and/or experiments responsible for the Einstein's theory to emerge. The philosophical-cognitive group emphasizes the conceptual and philosophical treatment of Relativity instead of the intense mathematical-experimental approach. In some cases, history is used towards the context and understanding of the processes of rupture, which took place in the scientific community when Einstein's theory emerged. Amongst all the examined proposals, the philosophical-cognitive approach from Angotti et all (1978) was the one that showed greater compliance with the aims of this work; it was short, it held objectives of content and attitude; it used several instructional resources and it demonstrates good efficacy as to learning. The units of this module are as follows (with the estimates number of hours/classes specified in parentheses): (i) relativistic dynamics (4); (ii) measure of time and space (3); (iii) simultaneity (3); (iv) Lorentz transformations (optional) (4), (v) historical review and synthesis (3). The proposal presented in this work, when compared to ANGOTTI et all, uses the history of physics in an extended manner, with the aim of integrating the student to the problem presented. Also, a small module in each year of High School, instead of a single large module, was chosen. Each of these modules approaches a fundamental pillar of Relativity, as follows: (a) the relativistic conceptions of space and time; (b) issues related to the ether and field, and (c) the symmetry of physical laws, particularly in electromagnetism. This triad possesses all the essentials of Einstein's theory. The first one shows the relativistic concepts of space and time contrasting with the classical view. Einstein himself stated that his theory resulted from an unusual practice: the questioning of these concepts as an adult, since people generally learn them intuitively as children and take them for granted during their lifetime. The second aspect of relativity approaches a very old subject in the history of Physics: the presence or absence of matter in space. The existence of full vacuum in space was widely discussed throughout the centuries. It is in our best interests to show that ether was always an attempt of denial to the vacuum, because "something" should support the optical and electromagnetic phenomena. Finally, the third essential point discusses the symmetries found in the theories, which are responsible for the consistency, for the intrinsic perfection of the laws that should govern nature. The Theory of Relativity, besides being a theory of principle, which reinforces this aspect, was thought from the existing asymmetries in classical theory. Each module has its peculiarities, however, all of them follow five steps that are consistent with the concrete-abstract-concrete cycle. They all depart from a historically contextualized (concrete) situation, which should be discussed in terms of ideas (abstract), but that has a direct impact on a student's life (concrete). The Theory of Relativity presently takes an area of transition between the new and the stable within the High School. At university level, this process is already more advanced. An increased number of university books currently present the subject within its main structure of contents. As this happens, Einstein's theory has taken a similar role to the rest of the contents that are already stabilized in the books. This should be a sign if we wish to really change the approach applied to the High School. The Theory of Relativity has enough elements to enable us to choose one of the two possible paths, i.e. it offers enough mathematical tools and experiments for a historical-experimental approach, and it also allows for a reflection on the fundamental concepts of Physics, if dealt in philosophical-cognitive patterns. Researchers in the educational area have a very clear general positioning regarding the High School perspective, in view the education of an independent individual, who is capable to interpret and to act in the world around him. This is indeed our intention as well