ILUM RBEF BOOK

MINISTÉRIO DA CIÊNCIA, ETECNOLOGIAINOVAÇÕESMINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

Revista Brasileira de Ensino de Física Publicação de: Sociedade Brasileira de Física Área: Ciências Humanas Versão impressa ISSN: 1806-1117 Versão on-line ISSN: 1806-9126 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA, ETECNOLOGIAINOVAÇÕESMINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

sumário LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET, CONSECTETUR ADIPISCING ELIT. VIVAMUS ID TELLUS RHONCUS, FERMENTUM QUAM SIT AMET, MOLLIS LECTUS. MORBI A DUI TEMPOR, VULPUTATE URNA A, MAXIMUS LACUS. QUISQUE INTERDUM AUGUE EGET ENIM INTERDUM PORTTITOR. CURABITUR FACILISIS ANTE IN ACCUMSAN ALIQUET. DONEC QUIS ENIM A LEO CURSUS COMMODO FACILISIS A IPSUM. DONEC EGET PURUS VEL RISUS DICTUM ORNARE MALESUADA QUIS EST. PHASELLUS PORTA NISL VEL ULLAMCORPER SODALES. PHASELLUS IN ODIO SED LACUS FRINGILLA CURSUS ID AC VELIT. DONEC MOLESTIE AUGUE MATTIS ERAT ORNARE, SIT AMET FERMENTUM SEM CONSECTETUR. SED SIT AMET DIAM EGESTAS, ELEMENTUM SEM VEL, LACINIA TELLUS. NUNC DAPIBUS FELIS ET VESTIBULUM DICTUM. NULLAM MOLESTIE LOREM UT ELEMENTUM VOLUTPAT. ETIAM DAPIBUS LACUS VEL ERAT MATTIS EFFICITUR. IN EU MI EU LEO RUTRUM MATTIS. MORBI MOLESTIE MASSA CONDIMENTUM MI FACILISIS DIGNISSIM. UT EGET DOLOR VITAE FELIS ELEIFEND MOLESTIE. ETIAM BIBENDUM LIBERO A CONDIMENTUM IMPERDIET. 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

E m março deste ano, tiveram início as ativi dades de aulas na Ilum Escola de Ciência, oferecendo um curso de bacharelado em Ciência e Tecnologia. A Ilum originou de um desafio apresentado pelo Professor Rogério Cerqueira Leite, pre sidente do Conselho do CNPEM, que foi o de criar um modelo de governança objetivando a formação precoce de cientistas. Desde 2017, seguiu-se uma série de discussões e estudos com pesquisadores do CNPEM e da comunida de acadêmica. Essas discussões, sob a coorde nação do Professor Cerqueira Leite, evoluíram para a criação da Ilum, um centro pioneiro de ensino superior de Ciência, baseado em uma formação interdisciplinar, com uma proposta inovadora de educação e com um novo mode lo Nossosorganizacional.40jovens, selecionados dentre os qua se mil inscritos, iniciaram em março as primei ras aulas sobre ciências da vida e da matéria, linguagens matemáticas, ciência intensiva de dados e humanidades, áreas que compõem o currículo do curso, com duração de três anos, em período integral. Desde o primeiro ano, o aluno já entra em contato com a pesquisa, em projetos na fronteira do conhecimento, e tem como um grande diferencial sua imersão nos laboratórios do CNPEM. Nossa missão é preparar jovens cientistas ex perientes, capazes de resolver problemas, com conhecimento de programas importantes no desenvolvimento científico e tecnológico. Sa bemos que as grandes questões da ciência têm sobreposição de diversas áreas do conhe cimento e o profissional que irá se destacar é aquele que tiver habilidade em manusear os diversos fundamentos da ciência moderna. Por exemplo, o conhecimento amplo da ciência intensiva de dados está presente em todas as Aoáreas.longo desta publicação, você poderá co nhecer a Ilum de forma integral, por meio de depoimentos, informações sobre o curso, pro fessores, benefícios, rotina dos alunos, dentre outros assuntos. Boa leitura! Adalberto Fazzio Diretor da Ilum Escola de Ciência

CARTA DE APRESENTAÇÃO 5REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

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Neurociência e Ensino de Física: limites e possibilidades em um campo#01inexplorado Neuroscience and Physics Teaching: limits and possibilities in an unexplored field GUILHERME BROCKINGTONARTIGO 7REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

1.Introdu¸c˜ao NeurociˆenciaeEduca¸c˜ao,enquantoumcampointegradodepesquisa,´eumempreendimentorecenteeem r´apidocrescimento.Enquanto´area,ainterfaceentre essesdoisconjuntosdeconhecimentosrecebenomes como“neurociˆenciaeducacional”ou“neuroeduca¸c˜ao”, aindasemconsensoentrepesquisadores.Dequalquer modo,oprincipalobjetivodacria¸c˜aodessenovocampo deinvestiga¸c˜ao´e,apartirdoestudodosmecanismos neuraisquesustentamaaprendizagem,compreenderde maneiraprofundacomoocorreoprocessodeaquisi¸c˜ao eusodoconhecimento[1–5].Aexpectativa´eque juntandoasdescobertasrecentesadvindasdosestudos dofuncionamentodoc´erebrocomasteoriaspsicol´ogicas eeducacionaispossaseobterumquadroclaro,mais preciso,sobrecomo,defato,algu´emaprendealguma coisa,deconte´udosabstratosat´eocontrolemotor, passandoporaritm´eticaealfabetiza¸c˜ao.Nessecen´ario, tamb´emseesperaqueresultadosdepesquisadessenovo campopossamorientaraplica¸c˜oespr´aticasnasalade

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H´aalgumasd´ecadas,surgiuumnovocampodeinvestiga¸c˜oesnainterfaceentreNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao.

CopyrightbySociedadeBrasileiradeF´ısica.PrintedinBrazil.

*1

RevistaBrasileiradeEnsinodeFısica,vol.43,suppl.1,e20200430(2021) ArtigosGerais www.scielo.br/rbef cb DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0430 Licenc¸aCreativeCommons NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidades emumcampoinexplorado

NeuroscienceandPhysicsTeaching:limitsandpossibilitiesinanunexploredfield GuilhermeBrockington 1 UniversidadeFederaldoABC,CentrodeCiˆenciasNaturaiseHumanas,SantoAndr´e,SP,Brasil.

Keywords: Neuroscience,Neuroeducation,Cognition.

* Endere¸codecorrespondˆencia:ensinodefisica@gmail.com partirdesseper´ıodo,houveumcrescimentovertiginoso napercep¸c˜aop´ublicadaNeurociˆencia. ´ Ejustamenteno bojodessaprodu¸c˜aomassivadenovosconhecimentos acercadofuncionamentocerebraledoalargamentono interessesobreotemaparaforadoslaborat´oriosdeneurologiaquenasceainterfaceNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao, enquantocampoespec´ıficodepesquisasvoltadas`amelhorianaqualidadedoprocessodeensinoeaprendizagem[7,8].Desdeent˜ao,ocrescimentodessa´arealevou revistascient´ıficastradicionais,como Science e Nature, aabordartemaseducacionais.Maisqueisso,novos peri´odicosforamcriadosparaotratamentoexclusivodo tema,como“Nature–ScienceofLearning ”,“Trends inNeuroscienceandEducation ”,“Mind,Brainand Education ”,“EducationalNeuroscience ”entreoutros, todosabordandopesquisasnainterfaceNeurociˆencia,

Amotiva¸c˜aocentraldesta´areadepesquisa´eoestudodosmecanismosneuraisquesustentamaaprendizagem, buscandocompreenderdemaneiramaiscomplexacomoocorreoprocessodeaquisi¸c˜aoeusodoconhecimento. Espera-setamb´emqueposs´ıveisachadosnestaspesquisascontribuamparaamelhorianaqualidadedoprocesso deensino.Diversasdescobertasvˆemsendofeitasnessesanos,mudandoantigasconcep¸c˜oesacercadev´arios processoscognitivosdiretamenteenvolvidosnaconstru¸c˜aodopensamentof´ısico.Entretanto,estesresultadoss˜ao praticamentedesconhecidosna´areadeEnsinodeF´ısica.Assim,oobjetivodesteartigo´eapresentarpesquisas querevelamoslimitesepossibilidadesdousodaNeurociˆenciaeminvestiga¸c˜oesvoltadasparaaaprendizagemde F´ısica. Palavras-chave: Neurociˆencia,Neuroeduca¸c˜ao,Cogni¸c˜ao.

Afewdecadesago,anewfieldofresearchemergedattheinterfacebetweenNeuroscienceandEducation. Thecentralmotivationofthisresearchareaisthestudyoftheneuralmechanismsthatsupportlearning,seeking tounderstandinamorecomplexwayhowtheprocessofknowledgeacquisitionanditsuseoccurs.Itisalso expectedthatpossiblefindingsfromthesestudieswillcontributetoanimprovementinthequalityoftheteaching process.Severaldiscoveriesmadeinthoseyearschangedoldconceptionsaboutvariouscognitiveprocessesinvolved intheconstructionofphysicalthinking.However,theseresultsarepracticallyunknownintheareaofPhysics Education.Thus,theaimofthisarticleistopresentresearchesthatrevealthelimitsandpossibilitiesoftheuse ofNeuroscienceininvestigationsaimedatlearningPhysics.

aula,afimdemelhoraraaprendizagemeimpactarnos resultadoseducacionais. Nosanos1990,nachamada“d´ecadadoc´erebro”[6], gra¸cas,principalmente,aosavan¸costecnol´ogicosna produ¸c˜aodeimagenscerebrais invivo,houveuma explos˜aonaquantidadedepesquisasqueinvestigam, cientificamente,arela¸c˜aomenteec´erebro.Al´emdisso,a

Recebidoem6deoutubrode2020.Aceitoem3dedezembrode2020.

NoBrasil,aindaqueemmenorescala,essefenˆomeno tamb´emest´aacontecendo,comavendadelivros,cursos onlineeat´eforma¸c˜aopararedep´ublica,vendendo umas´eriedeinverdadeseilus˜oes,bastandoparaisso apenasoacr´escimodoprefixoneurocomogarantiade

qualidade. Seguindoessamet´aforadeumaponteunindodois camposdepesquisa,DoughertyeRobeypublicaram, em2018,umartigoafirmandoqueacreditamquea

Educationand thebrain:Abridgetoofar ”noqualafirmaacreditarque aneurociˆencia,possivelmente,nuncacontribuir´aparaa educa¸c˜ao[9].Paraele,h´aumacompletadesarticula¸c˜ao deconhecimentosentreasduas´areas,demodoque “astentativasdeligarneurobiologiacom odesenvolvimentodoc´erebroeeduca¸c˜ao ignoram,ous˜aoinconsistentes,comoque apsicologiacognitivanosdizsobreensino eaprendizagem.[ ]Osm´etodosdeneurociˆenciacelularemoleculars˜aopoderosos, masnemsempreficaclaroqueosconceitos deaprendizagememem´oriautilizadospor neurocientistasn˜aos˜aoosmesmosutilizados pelospsic´ologos,emuitomenospelosprofessores”.[10],pg104,tradu¸c˜aonossa).

InternationalMind,BrainandEducationSociety (IMBES)”,e universidadescomoHarvard,Stanford,Yale,London, CambridgeeBristolcriaramcursosdep´os-gradua¸c˜ao espec´ıficosemNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao.Temos,assim, uma´areaemfrancaascens˜ao,repletadedesafios.

e20200430-2 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

expectativadequeachadosdaNeurociˆenciapossam contribuircomaEduca¸c˜ao´efor¸cadaemaldirecionada[16].Noartigo,considera-sequeemboraexista muitovalornacompreens˜aodosmecanismoscerebrais geradapelaNeurociˆencia,talentendimentoseriacompletamentedesnecess´arioparaodesenvolvimentode interven¸c˜oeseficazesnaescola.Segundoosautores, parasemelhoraraaprendizagemn˜ao´enecess´arioa compreens˜aodeseusmecanismos,massimplesmente investigarocomportamentodosestudantesnosambientesdeensino:“Compreenderocomportamento´e necess´arioesuficienteparaorientarodesenvolvimento deinterven¸c˜oeseducacionais;compreenderoc´erebro, n˜ao”([16]pg402,tradu¸c˜aonossa).Comumadefini¸c˜ao bemlimitadadeaprendizagem,osautoresusamcomo exemplotarefasdememoriza¸c˜aoedizemqueseriamas eficazfinanciarpesquisasemterapiacomportamental. Otextoacabaporapresentarcomoargumentoprincipal umavis˜ao,nom´ınimo,ultrapassada,pautadaemuma compreens˜aoquasebehavioristadoprocessoeducacional,principalmente,quandousamotermo“treinamento cerebral”comosefosseesseoobjetivoprincipaldas interven¸c˜oespedag´ogicas. AfragilidadedosargumentosdeDoughertyeRobey levaram`apublica¸c˜ao,pelamesmarevista,deuma“resposta”,naqualThomasapresentan˜aos´oasuperficialidadedasafirma¸c˜oesdosautorescomoapontacaminhos paraoavan¸codessecampodepesquisa,usandono t´ıtulodeseuartigoumaexpress˜aodivertida:“chega demet´aforasdeponte”[17].Oautorargumentaque paraamaiorcompreens˜aodosprocessoseducacionais ´eprecisoquehajaumainterdisciplinaridadedefato, aoinv´esdesebuscardisciplinasisoladas,espec´ıficas, supostamentecapazesde,sozinhas,contribu´ırempara amelhoriadaaprendizagemescolar.Maisqueisso,ele argumentaoqu˜aocontraproducente´eestarixaentre as´areasdepesquisa,quelevan˜aosomente`adivis˜ao, mas,principalmente,`aimpossibilidadedeestudara aprendizagemdemaneiracomplexa,conectandomecanismoecomportamento,psiquismoeestruturascerebrais.“Apesquisainterdisciplinartratadaintegra¸c˜ao

RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021 DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0430

SegundoBruer,somenteaPsicologiaCognitiva´e capazdecontribuirparaoestabelecimentodeuma ciˆenciadaaprendizagem[9–11].Eleachafrustranteque pesquisadoresemEduca¸c˜aoestejamfascinadospelas descobertasdaNeurociˆenciaepassamamenosprezaro corpodeconhecimentoadquiridoat´eomomentopelos estudosemPsicologia.Contudo,ascr´ıticasseverasapresentadasporBruerdevemseranalisadasconsiderandoo contextonoqualseencontram.Talvezestasejauma rea¸c˜aoaousoinadequadodealgunsresultadosque originaramdiversasespecula¸c˜oesporpartedam´ıdia americanaeinglesa.Comoelerelata,resultadosdeuma pesquisasobreocrescimentodemassacinzentadurante aadolescˆenciasugeriramaexistˆenciadeumanovafase degrandeprodu¸c˜aosin´aptica.Aapropria¸c˜aoirrefletida destesresultadosparaocampodaEduca¸c˜aogerouuma s´eriedeespecula¸c˜oesabsurdas,completamenteequivocadasdopontodevistacient´ıfico.

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´ Ebastanteprov´avel quetamanhopessimismodecorradaop¸c˜aodoautor emseaterapenasaousoinadequadoesensacionalista dediferentesresultadosdepesquisaquetentam,na verdade,fazercomqueaNeurociˆenciasejatratadacomo

Entretanto,surgemtamb´emcr´ıticasquequestionama extens˜aoe,at´emesmo,avalidadedesededicaresfor¸cos quepretendemutilizaraspesquisasemNeurociˆencias parasubsidiarprocessoseducacionais.Acr´ıticamaisrelevantesurge,justamente,quandosedeparacomomaior desafioenfrentadopela´area:levarasevidˆenciasgeradas emlaborat´orios,emgeraladvindasdeexperimentos altamentecontroladosemuitodistantesdasaladeaula real,paraoambienteescolar.Destaforma,paraalguns pesquisadores,aconex˜aoentreNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao est´aextremamentelongedesetornarvi´avel.John Bruer,umdosmaioresrepresentantesdestavertente, publicou,em1997,umartigointitulado“

apanac´eiadaEduca¸c˜ao.H´a,nosEUAeemparteda Europaocrescimentodeumaind´ustriadeprogramas educacionaischamadosde “brain-based”, queseutilizam destasespecula¸c˜oesparavenderseusprodutos,quev˜ao desdegin´asticaparaoc´erebro,passandoporp´ılulas deOmega3echegando`aprescri¸c˜aodem´usicasde Mozartparadeixarosbebˆesmaisinteligentes[12–15].

PsicologiaeEduca¸c˜ao.Al´emdisso,novassociedadese gruposdepesquisaforamcriados,comoo“

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daNeurociˆenciaparaseremtransformadosdiretamente empr´aticaspedag´ogicas,ser´adefendidonessetextoo potencialquetodooarcabou¸cote´orico-metodol´ogicodas ciˆenciasdoc´erebrotemparaoferecerumanovaviapara aspesquisasemEnsinodeF´ısica.Quandosepensano conhecimentof´ısico,odesafioimposto`a“Neurociˆencia eEduca¸c˜ao”tomamatizesaindamaiscomplexas.Basta refletirsobreosin´umerosesfor¸cosfeitospela´areaao longodas´ultimasd´ecadas,revelandodiferentesdificuldadesexistentesnacompreens˜aodosprocessosde constru¸c˜aodosconte´udosdaF´ısicaemsitua¸c˜oesde ensino-aprendizagem.Maisqueisso,h´atemposque in´umerosgruposdepesquisainvestigamquaiss˜aoos condicionantesparaqueosestudantesincorporemtais conhecimentosemsuaestruturainterpretativa.Desta forma,autiliza¸c˜aodoarcabou¸cote´orico-metodol´ogico daNeurociˆenciarevelapossibilidadesinteressanteseinovadorasdeinvestiga¸c˜aodevelhosproblemasconhecidos na´area. Nesteartigo,ent˜ao,ser˜aoapresentadasediscutidas diferentespesquisasseminaisnessenovocampodeinvestiga¸c˜aoequeabordamalgunstemascentraisque podemserutilizadosnaspesquisasemEnsinodeF´ısica. Aideian˜ao´eapresentarumarevis˜aobibliogr´afica,mas permitirquepesquisadoresda´areapossamn˜aos´ose familiarizemcomoque´eproduzidoatualmente,mas, principalmente,convid´a-losaseaprofundaremnaNeurociˆenciaeEduca¸c˜aocentrandoesfor¸cosparaodesenvolvimentodeinvestiga¸c˜oessobreoensinoeaprendizagem daF´ısica.Maisquebuscaratransforma¸c˜aodiretada pr´aticanasaladeaula,defendoqueostrabalhosnesta interfacepodemserutilizadosparasediscutirtemas maisabrangentes,contribuindoparaumentendimento maisprofundo,baseadoemevidˆencias,sobreosmecanismoscerebrais,psicol´ogicosepedag´ogicosenvolvidos nosprocessosdeaquisi¸c˜aoeusodoconhecimentof´ısico, deumamaneiradiferentedoquefoirealizadoat´eagora.

Semd´uvidaalguma,osresultadosobtidospelaNeurociˆenciadevemserrecebidoscomcuidadopeloseducadores.Qualquerpesquisadorquetraveumcontato minimamenteaprofundadocomestaspesquisaspode perceberacomplexidadedetranspˆo-lasdiretamente paraasaladeaula.Contudo,´eprecisoconsiderarque transladarresultadosdepesquisascient´ıficasparao contextoescolar´eumatarefacomplexa,mesmopara ´areasdoconhecimentoh´amuitoestabelecidas,comoa Psicologia.Emumartigoimportanteparaessadiscuss˜ao destaca-se[18],noqualoautoralertaquet´ecnicascomo marcartextoousublinh´a-lo,aindaquecomdiversas evidˆenciasacercadesuainefic´acianaaprendizagem, continuamcomopartecotidianadaatividadedeestudo. J´aousosistem´aticodetestes,cujaefic´acia´esuportada porin´umerosresultadosdepesquisa,n˜aosetornouuma pr´aticarecorrenteentreosestudantes.Issosignificaque

Poroutrolado,in´umerospesquisadoresdefendemas pesquisasemNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao.Cabedestaque aoinfluenteartigodeSigmanecolaboradores,publicado em2014na NatureNeurosciences [4].Nele,osautores n˜aos´odefendemquesecentremesfor¸cosefinanciamento parapesquisasna´areacomoapresentamquatrocasos espec´ıficosemqueaNeurociˆencia,juntamentecom outrasdisciplinas,contribuiparaorientarosprocessoseducacionais.S˜aoapresentadosexemplosnosquais variandoaspectosfisiol´ogicoscomonutri¸c˜ao,exerc´ıcios esonotem-seganhosexpressivosnaaprendizagem. Al´emdisso,s˜aodiscutidoscomoarquiteturascerebrais moldamaaquisi¸c˜aodelinguagemeleitura,permitindo umacompreens˜ao,at´eent˜ao,in´editadessesprocessos. Finalmente,osautoresapresentamferramentasdaNeurociˆenciaquepermitemadetec¸c˜aoprecoceded´eficits cognitivos,mesmoembebˆes,permitindoabuscapor interven¸c˜oescadavezmaiscedo.

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mesmoestabelecidah´acentenasdeanos,h´aumagrande dificuldadeemsetransporparaapr´aticapedag´ogica aquiloqueseencontranaspesquisasemPsicologia,de modoquen˜aoteriacomoserdiferentecomaNeurociˆencia. Assim,maisdoqueaˆansiadebuscarresultados

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derestri¸c˜oesdev´ariosn´ıveisdedescri¸c˜aoparaproduzir melhoresteoriasemtodososn´ıveis.”([17]pg1,tradu¸c˜ao nossa).

Oautortrazcr´ıticasleg´ıtimas`aneuroeduca¸c˜ao:como apossibilidadedehaverapenasacria¸c˜aodenovos nomesparaprocessosj´adescritosh´atempospelaPsicologiaouEduca¸c˜ao;anecessidadedoentendimento dequeaaprendizagem´eapenasumelementodoprocessoeducacional,sendoprecisotamb´emconsideraras vari´aveispol´ıticasesocioeconˆomicas;anecessidadede sepromoverumdi´alogoreal,ouvindoosprofessores,o quen˜aoocorrenapr´atica,entreoutrospontoscentrais deumaan´alisecr´ıticadainterfaceentreNeurociˆencia eEduca¸c˜ao.Al´emdisso,Thomasafirmaquetamb´em existemcr´ıticasesp´urias:comoadefesaquesomentea Neurociˆencia,semaPsicologia,poder´acontribuircom aEduca¸c˜ao;adefesadequeapenaspesquisasoriginais s˜aoimportantes,descartandomuitodoquej´aseconhece nocampoeducacionaleaideiadequeoc´erebro´et˜ao complexoque´eimposs´ıveldecompreendˆe-lo.Oautor termina,umavezmais,fazendoumadefesaprofundada interdisciplinaridade.

2.NeurociˆenciaeAprendizagem Atualmente,aNeurociˆenciaforneceumnovoentendimentoacercadediferentesprocessoscognitivose desvendaaspropriedadesneuraisqued˜aosuporte`a linguagem,aoentendimentoaritm´etico,`arealiza¸c˜aode c´alculosetc.[19–26].Assim,j´ah´aalgumtempo,muitos doselementoscentraisdodesenvolvimentoeapropria¸c˜ao doconhecimentocient´ıficovemsendolargamenteinvestigados. M´etodosn˜aoinvasivoscomomedidaspsicofisiol´ogicas (altera¸c˜oesfisiol´ogicasrelacionadasaprocessoscognitivosemocionais,comomudan¸canafrequˆenciacard´ıaca

Assim,porexemplo,pesquisasrevelammudan¸cas naquantidadedemassacinzentanasregi˜oesm´ediotemporaleintraparietal,geradaspelotreino,mostrando suaefic´acianaaprendizagemmotora[36].Damesma forma,estudoscomousodeRMfrevelaramqueexistem pelomenosdoissistemasneuraisenvolvidosnoprocessamentomatem´aticodeinforma¸c˜ao[22,37].Comisso, paraDehaene,resultadosdestetipopodemcontribuir paraacompreens˜aodoaprendizadodaMatem´atica, vistoquepropiciamumaferramentadean´aliseadicional, capazdeajudarosprofessoresaseposicionaremperante dicotomiast´ıpicasda´areadeEduca¸c˜aoMatem´atica, comooensinoporprocedimentosversusensinode conceitos. Domesmomodo,temseavan¸cadonacompreens˜ao sobreodesenvolvimentodesistemasneuronaisenvolvidosnaaten¸c˜aoenocontrolecognitivo.Taisresultados podemconduzir,porexemplo,discuss˜oesacercadas limita¸c˜oesdaaprendizagem,nosentidoderevelarem comoodesenvolvimentodehabilidadesaritm´eticasdependedamatura¸c˜aocerebral,demodoquetaislimita¸c˜oespodemdeixardeseratribu´ıdasexclusivamente aom´etododeensinoou`afaltadeaptid˜aodoestudante[38–40].Outrasdescobertasrevelamquediferentes aspectosdamem´orias˜aoativadosemdiferentescontextosemocionais[41–44],possibilitando,assim,aprofundarasdiscuss˜oesacercadasrela¸c˜oesentreemo¸c˜aoe cogni¸c˜ao.Resultadosdaneurociˆenciacognitivatamb´em podemcontribuirparaoentendimentodospap´eisdo sonoedanutri¸c˜aonodesenvolvimentocerebralena aprendizagem,fornecendodadosobjetivosquepodem ajudaroseducadoresadecidirseecomointegrarestas vari´aveisemseuscurr´ıculosouemprogramasdepol´ıtica deensino. Comessabrevepanorˆamicasobreoquevemsendo realizadonaNeurociˆencianas´ultimasd´ecadaspode-se

Estesconhecimentos,principalmente,apartirdatecnologiadeneuroimagem,ampliaramacompreens˜aosobreofuncionamentodediferentesprocessoscognitivos, emespecialaaprendizagem.Estudosseminaisrevelaram queoatodeaprenderest´a,necessariamente,acompanhadodediferentesmodifica¸c˜oescerebrais,identificando atividadesdedeterminadasredesneuraisqueinfluenciameguiamdiferentesmodelosdecogni¸c˜ao[20,29,30].

Comoavan¸codasinvestiga¸c˜oessobreofuncionamento doc´erebro,temsurgidoumaprolifera¸c˜aodeopini˜oes

sobredescobertasdaneurociˆenciacognitivaquepodem terliga¸c˜aocomapr´aticaeducativa.Geralmente,tratamsedepesquisasquerevelammudan¸casestruturaise funcionaisnoc´erebrohumanoap´osdiferentesprocessos deaprendizagem[35].

ouaumentodaprodu¸c˜aodasglˆandulasend´ocrinas), forma¸c˜aodeimagensporRessonˆanciaMagn´eticafuncional(IRMf),TomografiaporEmiss˜aodeP´ositron(TEP) eEletroencefalografia(EEG)vˆemsendoutilizadospara perscrutaroc´erebro,mudandoantigasconcep¸c˜oessobre diversasfun¸c˜oescognitivas,comimplica¸c˜oesimportantes paraaEduca¸c˜ao[27–29].

Entretanto,deve-seconcordarquetodavezquese falaemaprendizagem,diretaouindiretamente,falasesobreodesenvolvimentodoc´erebro,ouseja,todo processoeducacionalest´a´ıntimaefortementeligado amudan¸casnoc´ortex.Aaprendizagem,demaneira geral,dizrespeitoaaltera¸c˜oesnaconectividadeentreos neurˆonios,sejapormeiodemudan¸casnapotencializa¸c˜ao dassinapsesoupormeiodorefor¸codeconex˜oes.Umensinoeficaz,ent˜ao,deveafetardiretamenteasfun¸c˜oescerebrais.Nestesentido,aaprendizagem´eoprocessopelo qualoc´erebroreageaosest´ımulosexternoseinternos, fortalecendoalgumassinapseseenfraquecendooutras.

e20200430-4 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

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Destamaneira,osdiferentespadr˜oesdeatividadeneural podemserpensadoscomocorrespondentesadiferentes estadosmentaisourepresenta¸c˜oesmentais.

Destemodo,investiga¸c˜oesmaisprofundasacercados diferentesprocessosdeaprendizagemproporcionama possibilidadedecompreenderosprocessoseducativos deumaformaabsurdamentedistintadoquetemsido feitoat´eomomento,propiciandoaconex˜aoidealentre Educa¸c˜aoeNeurociˆencia.Acompreens˜aodecomoas informa¸c˜oesretiradasdoambienteparaconstruirasrepresenta¸c˜oesf´ısicadomundos˜aocodificadasnoc´erebro podemdarpistasimportantessobreaaprendizagem deconte´udoscient´ıficos,conhecimentoimposs´ıveldeser obtidodeoutraforma.

Destaforma,compreenderestesmodelospodeconduziraummelhoremaisprofundoentendimentodos processoscognitivosenvolvidosnaaprendizagem.Neste contexto,entende-seaaprendizagemcomoofortalecimentoouenfraquecimentodasconex˜oesneuronais,as quaistˆemseuspadr˜oesconectivosalteradosatodoo momentoemrespostaaosest´ımulosexternos,`asnossas percep¸c˜oes,pensamentosea¸c˜oes,numcomplexoque misturabiologia,psiquismoecultura[31–34].Oentendimentosobrealgumasfun¸c˜oescognitivas,comoaten¸c˜ao emem´oria,temcrescidoacadaano,demodoque processoscomplexossubjacentes`afala,`alinguagem, aopensamento,aoracioc´ınio,`aleituraeaousoda Matem´aticatornam-secadavezmaisconhecidos.Tais avan¸cos,entretanto,s˜aoaindapoucoconhecidosna´area deEnsinoe,porconsequˆencia,poucoutilizadospelos pesquisadores.

Certamente,oseducadoresn˜aoprecisamcompreender oumesmoconsideraraaprendizagemaon´ıvelcelular pararealizarotrabalhodocentemaiscotidiano. ´ Eindiscut´ıvelqueaefic´aciadeumprocessoeducacional ´edeterminadatamb´emporoutrosfatoresquen˜ao osbiol´ogicos.AspesquisasemEduca¸c˜aomostraram, h´atempos,ainfluˆenciadasrela¸c˜oesprofessor-alunosaber,bemcomoadependˆenciadocontextofamiliar, escolar,socialeeconˆomiconosprocessosdeensinoe aprendizagem.Sendoassim,´eprecisoressaltarque,de maneiraalguma,pretende-sereduziracomplexidade envolvidanosprocessoseducacionaisaseuselementos neuronais.

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perceberoquantoseavan¸counacompreens˜aomais profundadein´umerosmecanismosessenciaisparaa aprendizagemelargamenteconsideradosempesquisas emEnsino.Apartirdeumaabordagemcompletamente diferente,estesachadospodemcontribuirdemaneira in´editaparaasinvestiga¸c˜oestradicionalmentefeitas na´area,levandoaumentendimentomaiscomplexo eaprofundadoacercadoscondicionantesdaaquisi¸c˜ao eusodoconhecimentocient´ıfico.Afimderevelar opotencialdestaspesquisas,especificamente,parao EnsinodeF´ısica,ser˜aoapresentadasdeformadetalhada algumaspesquisasicˆonicasrelacionadasaoprocessamentocerebraldaMatem´atica,elementodeterminante naestrutura¸c˜aodopensamentof´ısico[45].

“viola¸c˜aodaexpectativa ”revelandoqueosbebˆestendem

Umapesquisaseminalsobreosensonum´ericofoi realizadaporXueSpelke,em2000.Aoapresentar parabebˆesde6mesesduasimagenscontendodiferentes quantidadesdepontos,aspesquisadorasencontraram evidˆenciasdequeeless˜aocapazesdediscrimin´a-lospela quantidade.Usandoametodologiadehabitua¸c˜ao,os bebˆesforamexpostosrepetidamenteaomesmoest´ımulo, umatelacom8oucom16pontos.Ap´ossehabituarem,elesforamexpostosaumanovatela,comuma quantidadediferentedafasedahabitua¸c˜aoe,ent˜ao,eles olharampormaistempojustamenteparaatelacom aquantidadenumericamentenova,independentemente deteremsehabituadocom8ou16pontos.Controlado pordiversasoutrasvari´aveis,como´areatotalocupada, densidadedospontos,luminosidade,corentreoutros, osbebˆesdiscriminaramconjuntosdepontosexclusivamenteporsuaquantidade(VerFigura1).Apesquisa revelouqueessahabilidadetemseuslimites,demodo queosbebˆesdistinguiramfacilmente8vs.16pontos, 16vs.32,masn˜ao8vs.12ou16vs.24pontos[55].Em 2003,Xudesenhouumexperimentosemelhanteparapequenasquantidades,revelandoqueosbebˆesconseguiram discriminar8vs.4pontos,masfalharamcom2vs.4

aolharpormaistempoparaeventosinesperados,queos surpreendem[54].

3.AMatem´aticanoC´erebro Acadaanosurgemmaispesquisasqueinvestigama capacidadeexclusivamentehumanadecriareprocessarconceitosmatem´aticosabstratos.H´aumcampo efervescentedeestudosacercadasregi˜oescerebrais, redeneuraisemecanismospsicol´ogicosquesustentam acapacidadederepresentarsimbolicamenteosn´umeros ederealizarc´alculosmatem´aticos.Umadaship´oteses maistrabalhadas´equehabilidadesnum´ericaspr´everbaisen˜aosimb´olicasexibidasporbebˆes,compoucos mesesdevida,etamb´emporanimais,servemcomo baseparaaprenderacontareadquirirconhecimento matem´aticosimb´olico.Chamadade“TeoriadoSenso Num´erico”foipropostapelaprimeiravezporTobias Dantzig[46],contudo,foisomenteapartirdosavan¸cos naneuroimagemqueelaganhoumaisaceita¸c˜ao,dadas in´umerasevidˆenciasemp´ıricas.Esse“SensoNum´erico” podeserdescritocomoumahabilidadeinatadeperceber,manipulareentenderpequenasquantidades[47–49] equeessahabilidade,juntamentecomoutrasfun¸c˜oes cognitivaseprocessoseducacionais,permiteaoshumanoscompreenderecriarprinc´ıpiosmatem´aticosmais complexos.Asevidˆenciasrevelamaexistˆenciadesse “SensoNum´erico”embebˆesapartirde3meses,e tamb´ememoutrasesp´eciesanimais,comomacacos, ratosepombos,indicandoqueelen˜ao´eadquiridopor meiodoaprendizadooudatransmiss˜aocultural[49]. Assim,muitosprimatass˜aocapazesde,mentalmente, representarquantidadeserealizarpequenosc´alculo. Pesquisadoresmostraram,emumapesquisarealizada em1987,queaoofereceremduasbandejascompeda¸cos dechocolateachimpanz´es,elesquasesempreescolhema quetemmaispeda¸cos[50].Nesseexperimento,emuma bandejaeramcolocadasduaspilhasdechocolate,uma com4peda¸coseoutracom3.Havia,aolado,outra bandejatamb´emcomduaspilhasdechocolates,uma com5peda¸coseoutracom1peda¸co.Semqualquertreinamento,maisde90%dasvezes,osmacacosescolhiam aprimeirabandeja(4+3)emdetrimentodasegunda (5+1),mesmocomasegundabandejacontendouma pilhamaiordechocolates,revelandoumacapacidade extraordin´ariademanipula¸c˜aodequantidades.Esse´e apenasumdosmaistradicionaisexperimentoscommatem´aticaeanimais,havendohojeumavastaliteratura noramo[51,52]. Bebˆesemfasepr´e-verbal,entre3e14meses, tamb´emapresentamhabilidadesnum´ericassurpreendentes.Muitosemelhante`ashabilidadesdosanimais, osbebˆesnessaidades˜aocapazesdediscriminardois padr˜oescombaseapenasnaquantidadeepodemfazer adi¸c˜oesesubtra¸c˜oessimples.Pararealizarinvestiga¸c˜oes destanaturezaospesquisadoresprecisamsuperaruma dificuldademetodol´ogicaimportante:umbebˆenesta idadeaindan˜aofala,ent˜ao,comosaberseelereconhece n´umerosefazcontas?Umm´etodoengenhosoecriativo, chamadodehabitua¸c˜ao,foicriadoporKarmiloff-Smith, em1992,centradonaatividademaisrecorrentenavida deumbebˆe:olharatentamenteoambiente.Bebˆesdesta idadeperscrutamoseuredorprocurandonovidadese, essabusca,orientaoseuolhar.Assim,elesolhampor maistempoparaascoisasques˜aonovascomparado comascoisascomasquaisj´asehabituaram.Esta metodologiaconsisteemapresentar,repetidamente,um est´ımuloaobebˆeat´equeelepercaointeresseepasse aolharmuitopoucotempoparaesteest´ımulo.Quando issoacontece,umnovoest´ımulo´eapresentado,demodo queseobebˆeolh´a-lomaisdemoradamentepode-se inferirqueelereconheceuquetrata-sedeumoutro est´ımulo.Nesseprocesso,adura¸c˜aodoolhardobebˆe´e medidacommuitaprecis˜aoparasepoderconcluirque, defato,essecomportamentoaconteceu[53].Estamesma metodologiatamb´emoriginououtrat´ecnicachamadade

Entretanto,esse“SensoNum´erico”,essahabilidadeinataderepresenta¸c˜aonum´erica,´elimitada,de modoquen˜ao´erespons´avelporprocessarconceitos matem´aticoscomofra¸c˜oes,raizquadrada,n´umerosnegativosoumesmon´umerosexatos.Issoimplicaque aconstru¸c˜aodosn´umerosnaturais,racionaisereaisdependeexclusivamentedeprocessoseducativose

RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021

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13REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

foramcapazesdedistinguirasquantidadeseosanimais, por´emusandoviasneuraiscompletamentedistintas,ou seja,oc´erebroinfantilrespondeuaambasmudan¸cas, masengajandodiferentesregi˜oes.Maisqueisso,arede parietoprefrontal,ativadanosbebˆesquandoelesest˜ao reconhecendoaquantidade´eamesmaqueseativa quandoumacrian¸cade4anosfazumatarefanum´erica e,quandoadulto,fazumatarefaaritm´eticacomplexa. Segundoosautores,essaorganiza¸c˜aoneuronalqued´a osuporte`apercep¸c˜aodaquantidadeedaidentidade deumobjeto´eestabelecidalogonoin´ıciodavidae aumentaemprecis˜aonocursododesenvolvimentoe, possivelmente,permiteacria¸c˜aoeaquisi¸c˜aodeconceitos

Apartirdestesresultadosretiradosdepesquisas comportamentais,Izardecolaboradores,em2008,investigaramossubstratosneuraisqued˜aosuporteaessa habilidadepr´e-matem´aticainata.Paraisso,foramgeradasimagensderessonˆanciamagn´eticafuncionaleEEG de36bebˆes,comidadesentre3e4mesesemeio,durante umatarefadehabitua¸c˜aoparapequenasquantidades (2vs.3)egrandesquantidades(4vs.8e4vs.12)usando comoest´ımulocarasdeanimais.Assim,ospesquisadores n˜aos´ovariavamaquantidadedeobjetos,mastamb´em suaidentidade.Asevidˆenciasrevelaramqueosbebˆes

Figura1: Exemplodeumatarefadeadaptac¸aode8vs.16 pontos.Adaptadode[47].

muitopequenos,desde3mesesdeidade,precisam pelomenosdeumarazao1:2entreasquantidades comparadasparaconseguirdiscrimin´a-las,masessa habilidadevaisendorefinadademodoqueaos10 mesesj´aconseguemdistinguir2:3e,quandoadultos 7:8[60].Al´emdisso,outraspesquisasrevelaramque bebˆesdetectamquantidaden˜aoapenasemest´ımulos visuais,mastamb´ememconjuntosdesonsea¸c˜oes, evidenciandoqueessacapacidadeinatadereconhecer quantidades´ealtamenteespecializada[61,62].

e20200430-6 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

Umapesquisaicˆonica,realizadaporWynn,em1992, queutilizaametodologia“viola¸c˜aodaexpectativa”, tamb´emtrouxeevidˆenciasacercadehabilidadesmatem´aticasnosprimeirosmesesdevida.Paraisso,foram investigadas32bebˆes,comidadesentre4e5meses. Oexperimentoconsistiaemapresentarumbonecoe, logoemseguida,ocult´a-lopormeiodeumatela.Depois, demaneirabemostensiva,umpesquisadormostravaao bebˆequeumsegundobonecoest´asendocolocadoatr´as datela[54].Ahip´otese´equequandoumbonecoest´a escondidoatr´asdatelae,emseguida,outro´eadicionado, osbebˆesesperamverdoisobjetos(1+1)quandoa telaforretirada.Acompreens˜aodobebˆefoitestada comparandoasitua¸c˜aoesperada,matematicamentecorreta,comumasitua¸c˜aoinesperada,matematicamente incorreta.Osresultadosrevelaramqueosbebˆesolharam maisdemoradamentequandosuaexpectativafoiviolada,ouseja,elesrealmenteesperavamverdoisbonecos (1+1=2)doqueapenasumoutrˆesbonecos(1+1=1 e1+1=3),condi¸c˜aoemqueolharampormaistempo. Omesmoocorreuquandoosbebˆesforamsubmetidos `asubtra¸c˜ao,quandoexistiamdoisbonecosatr´asda telaeapesquisadora,ent˜ao,retiravaostensivamenteum deles.Maisumavez,osbebˆesolharampormaistempo quandoacontan˜aobatia,aoseremreveladosdoisou trˆesbonecos(2 1=2e2 1=3),aoinv´esdeum (2 1=1)(VerFigura2).

Estesresultadosforamreplicadosin´umerasvezes, confirmandoosachadosdeWynn[64].Em2006,Berger,TzurePosnerconduziramesseexperimentousando, agora,umEEG.Al´emdeconfirmaremosresultados de1992,ospesquisadoresencontraramasredesneurais envolvidasnadetec¸c˜aodesseserrosdearitm´eticae mostraramquesetratavamdasmesmasredesativadas emadultos,sugerindoqueessahabilidadevaisedesenvolvendoaolongodavida[65].

ouquantidadesmenores[56].Diversaspesquisasforam realizadasdesdeent˜ao,confirmandoessesresultadose aprofundandoaindamaisacompreens˜aoacercadesse sensonum´ericoinato[57–59].

matem´aticosmaissofisticados[63].

Demaneirageral,asevidˆenciasrevelamqueosbebˆes

14 ILUM ESCOLA DE CIÊNCIAS

Figura2: Tarefadesomaesubtrac¸˜aousandoaviolac¸˜aodeexpectativa.Adaptadode[54].

Brockington e20200430-7

culturais,masquesomenteexistemporencontrarsuportenesseaparatobiol´ogicoaltamenteespecializado. Umapesquisainteressanterevelaopapeldaculturana formacomqueoc´erebroprocessac´alculosmatem´aticos. Tangecolaboradores,em2006,revelaramqueestudantesnativosnoidiomaChinˆesenativosnal´ınguainglesa usaramdiferentespartesdoc´erebroparaprocessaros mesmosproblemasmatem´aticos.Resultadosdeimageamentoporressonˆanciamagn´eticafuncionalrealizados comestudantesnaChina,EstadosUnidos,Austr´alia, Canad´aeInglaterra,revelaramque,aoresolveremproblemasmatem´aticos,oschinesestinhammaisatividade noscentrosvisualeespacialdoc´erebro,enquantoos falantesdeInglˆestinhammaisativa¸c˜oesnaredede linguagem,conhecidacomoc´ortexperisilviano.Como esperado,oc´ortexparietalinferior,engajadonoprocessamentodequantidadesnum´ericas,foiativadopara ambososgrupos,masoachadomaissignificativofoiessa distin¸c˜aofuncionalentreasredescerebraisenvolvidasno processamentodatarefa.Segundoosautores,amaior ativa¸c˜aoderedesqueprocessamosignificadodaspalavrasparaosnativoseminglˆes,enquantonosnativosem Chinˆesasregi˜oescerebraismaisativadass˜aoaquelasque processamaaparˆenciavisualenamanipula¸c˜aof´ısicade objetos,deve-semuitomais`aculturaen˜ao`alinguagem

perse [66].Essesresultadosapontamqueacodifica¸c˜ao

biol´ogicadiferenteparaoprocessamentonum´ericopode sermoldadapelaexperiˆenciavisualdaleitura,durantea aquisi¸c˜aodalinguagemeoutrosfatorescomoestrat´egias deaprendizagemesistemasdeensino,evidenciandoa rela¸c˜aoindissoci´avelentreculturaebiologia. ParaDehaeneessahabilidaderudimentarparaa Matem´atica,encontradaembebˆeseanimais´et˜aofundamentalparaoc´erebroprocessarecompreenderomundo quantoacapacidadedepercep¸c˜aodecoresoudeobjetos noespa¸co.Apartirded´ecadasdeinvestiga¸c˜oes,com acompila¸c˜aodecentenasdeevidˆenciascient´ıficas,foi propostoummodelochamadode“ModelodeC´odigo Triplo1 ”[49,67].Nele,considera-seaexistˆenciade trˆesdiferentessistemasdecodifica¸c˜aoderepresenta¸c˜oes ques˜aorecrutadosnacogni¸c˜aomatem´aticadependendo datarefaaserresolvida.Oprimeirosistema,dedetec¸c˜aoeprocessamentodequantidades,seriao“Senso Num´erico”,queempregaumarepresenta¸c˜aosemˆantica n˜aoverbaldeassocia¸c˜oesdetamanhoedistˆanciaentre n´umerosemumaretanum´ericamental.Elefacilita ascompara¸c˜oesdemagnitude(porexemplo,maisvs. 1 Nossatradu¸c˜aoparaTheTriple-CodeModel,vistoqueotermo n˜aotemumatradu¸c˜aocanˆonicana´area. DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0430 RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021

´ Eprecisoressaltarque´e gra¸casaumesfor¸cocont´ınuo,centradoemunirPsicologia,NeurociˆenciaeEduca¸c˜aoquetodaessarevolu¸c˜ao foifeitanacompreens˜aodosprocessosdeaprendizagem deMatem´atica,gerandoummodelote´oricoqueintegra estastrˆes´areas,oferecendoevidˆenciasrobustasacerca desuaship´otesesepodendo,assim,orientarpr´aticas pedag´ogicastamb´embaseadasemevidˆencias.Fogedo escopodesteartigoapresentarresultadossurpreendentes eminvestiga¸c˜oessobrelinguagemeleitura,masoavan¸co nessescampostamb´emtemsidoenormeecomum altopotencialparaimpactaroquesabemossobrea aprendizagemdeconte´udoscient´ıficos.Comisso,elementoscentraisdosprocessoscognitivosquepermitem ainterpreta¸c˜aof´ısicadomundo,asredescerebrais associadasaoaprendizadodamatem´atica,daleiturae dalinguagem,est˜aosendocadavezmaiscompreendidos.

15REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

Seriaimportantequea´areadepesquisaemEnsinode F´ısicaseespelhassenoquevemsendorealizadonosestudosmaisrecentessobreaciˆenciadamenteedoc´erebro. Longedeserumarevis˜aoextensa,foramapresentadas at´eagoraalgumaspesquisascentraisquemudarampor completooquesepensavasobrecogni¸c˜aomatem´atica e,maisqueisso,criaramumabasete´orico-metodol´ogica quefundamentacentenasdeoutraspesquisasqueest˜ao sendorealizadashojemesmo.

4.AF´ısicanoC´erebro

Pormeioderessonˆanciamagn´eticafuncional,foram investigadososc´erebrosde14estudantesdauniversidadeCarnegieMellonenquantoelesaprendiam,pela primeiravez,sobreestesquatrosistemasmecˆanicos simples.Haviatrˆestiposdiferentesdeblocosdeensino dofuncionamentodossistemas.Oprimeirotratou-se deumadescri¸c˜aodeseuscomponentes,queconsistia emumaimagemrealeseudiagramaesquem´atico, juntamentecomumafrasedescrevendoseuscomponentes.Nosegundoblocodeexplica¸c˜aoforamfornecidas informa¸c˜oescausaisparciais,introduzindoaprimeira metadedasequˆenciacausaldofuncionamentodosistema.Oterceiroe´ultimoblocodeexplica¸c˜aoapresentou asinforma¸c˜oesfuncionaiscompletas,constituindouma descri¸c˜aototaldofuncionamentodosistemamecˆanico. Ap´oscadabloco,erapedidoaossujeitosquepensassem sobreosistemaexplicado.Osresultadosrevelaramque depoisdecadainstru¸c˜aoospadr˜oesdepensamento dosestudantesmudaram.Estasequˆenciadeexplica¸c˜oes permitiuaospesquisadoresidentificaremasredesneuraisativadasdurantecadaetapadaaprendizagem, acompanhandocomocadanovoconceitofoidepalavras eimagenspararepresenta¸c˜oesneurais.

Assim,ser˜aoapresentadasagorapesquisasquebuscaram,especificamente,investigaroprocessamentode conte´udosdaF´ısicanoc´erebro.Umavezmais´epreciso

ressaltarqueoobjetivoaqui´efazerumconviteaos pesquisadoresemEnsinodeF´ısicaaavaliaremoimenso potencialdestetipodeinvestiga¸c˜aoparaotratamento detemascaros`a´area.

mecanismosneuronaisqued˜aosuporteaoaprendizado

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quandoprocessosaritm´eticosaprendidospormeiodo ensino(principalmenteoaprendizadomecˆanico,como astabuadas)s˜aorecuperadosnamem´oria.Evidˆencias apontamqueestesistemaativaogiroangularesquerdo. E,porfim,oterceirosistema,ovisual,envolvidona representa¸c˜aoemanipula¸c˜aoespacialden´umerosem formatosimb´olico,recrutadoemtarefasqueexigem orienta¸c˜aodaaten¸c˜aoespacial,comonacompara¸c˜aode n´umeros,aproxima¸c˜ao,subtra¸c˜aoecontagem.Olobo parietalsuperiorposteriorpareceserosuporteneuronaldessesistema.Estemodelo,quetemsidotestado aolongodotempo,´elargamenteutilizadoparainvestigardiferenteship´otesessobreaaprendizagemde Matem´aticaeparaespecularsobreredesneuraisque suportamacogni¸c˜aonum´erica.Maisqueisso,eleorienta teoricamentediversosprogramasdeensino,quevem sendousados,etestadosemsaladeaula,comoobjetivo deauxiliarnasupera¸c˜aodedificuldadesdeaprendizagemmatem´aticaeparapromoverodesenvolvimento num´erico[68–71].

Comovisto,emboramuitosetenhaavan¸cadoem pesquisassobreMatem´aticaelinguagemnoc´erebro, elementosimprescind´ıveisparaaconstru¸c˜aodoconhecimentof´ısicodomundo,muitopoucosesabesobreos

menos)etarefasdeaproxima¸c˜ao,ouseja,estimativas,e recrutaosladosdireitoeesquerdodosulcointraparietal, umaestruturadoc´erebroassociadaaoprocessamento deinforma¸c˜oesnum´ericas,entreoutrasfun¸c˜oescognitivas.Osegundosistema,osistemaverbal,representa osn´umerosemumformatoverbal,ouseja,l´exica, fonol´ogicaesintaticamente.Estesistema´eativado

Contudo,muitopoucotemsidofeitocomaF´ısica,tema idealparainvestigarmodelosmentaisnoc´erebro.

deconte´udosdaF´ısica.Umadaspoucasinvestiga¸c˜oes nessesentidofoirealizadaporMasoneJust,em2015.A pesquisaapresentaevidˆenciasdasmudan¸cascerebrais queocorremn˜aoap´os,masduranteoprocessode aprendizagem.Ospesquisadoresusaramimagensderessonˆanciamagn´eticafuncionalparainvestigarospadr˜oes deativa¸c˜aocerebralenquantoossujeitosaprendiam conceitosdemecˆanicaapartirdequatrodiferentessistemas:umabalan¸cadebanheiro,ofreiodeumcarro,um extintordeincˆendioeumtrompete.Asrepresenta¸c˜oes neuraisrelacionadas`aapreens˜aodofuncionamentodestesaparatosforamcoletadasantes,duranteedepois detrˆesfasesincrementaisdeensino:primeiroforam oferecidasinforma¸c˜oessobreoscomponentesdosistema, depoisforamapresentadasasrela¸c˜oescausaisparciaisdo funcionamentodestessistemase,porfim,foramdadas informa¸c˜oescompletassobrecomoelesfuncionam.Mais doquebuscarencontrarposs´ıveiscorrespondˆenciasentre fun¸c˜oescognitivaseativa¸c˜oesderegi˜oescerebrais,o objetivoprincipaldessainvestiga¸c˜aofoiidentificarcomo umnovoconhecimentof´ısico´econstru´ıdonoc´erebroao longodediferentesest´agiosdeaprendizagem[72].

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pesquisamostrouque´efact´ıvelinvestigarcomocada etapadoprocessodeensinodeveresultaremmudan¸cas neuraispercept´ıveis,revelandoquepodemserrealizadas umas´eriedeinvestiga¸c˜oesacercadaaprendizagemde conte´udosf´ısicos. Osmesmosautores,MasoneJust,agoraem2016, identificarampadr˜oesdaatividadecerebralquandoestudantesdeF´ısicaeEngenhariapensavamemconceitos f´ısicos.Foiaprimeiravezquetalresultadofoiobtido, identificandoecaracterizandoredesneuraisqued˜ao suporte`arepresenta¸c˜aodeconceitoscentraisdaF´ısica, podendo,aofim,classificarestespadr˜oesdeativa¸c˜ao. Paraisso,9estudantesdauniversidadeCarnegieMellon, todosgraduadosoufazendop´os-gradua¸c˜aoemF´ısica ouEngenharia,foramcolocadosemumaressonˆancia magn´eticaetinhamatarefadepensarativamente sobreaspropriedadesqueelesassociavamaosconceitos apresentados.Foicertificadoquetodoseleshaviamconclu´ıdocursosdeF´ısicaparaal´emdon´ıvelintrodut´orio etinhamboafamiliariza¸c˜aocomosconceitosusados comoest´ımulos.Alistaconsistiade:acelera¸c˜ao,for¸ca centr´ıpeta,difra¸c˜ao,correntecont´ınua,deslocamento, cargael´etrica,correnteel´etrica,campoel´etrico,energia, entropia,for¸ca,frequˆencia,gravidade,transferˆenciade calor,in´ercia,energiacin´etica,luz,campomagn´etico, massa,momentum,energiapotencial,ondasder´adio,refra¸c˜ao,ondassonoras,temperatura,energiat´ermica,torque,velocidade,voltagemecomprimentodeonda[73]. Emboraatarefan˜aopedisseumarespostadireta,do tipocertoouerrado,elaexigiaumaintera¸c˜aoorientada apartirdaspropriedadesdoconceito.Assim,logoantes deentraremnaressonˆancia,osestudantestinhamque falartrˆespropriedadesparacadaumdostermos,como “quantidadevetorial”,“movimentorelativo”e“dire¸c˜ao” paraoconceito“velocidade”.Oobjetivodatarefaeradeterminarsecadaumdestesconceitospossuiumpadr˜ao neuralespec´ıfico,consistenteeidentific´avelpormeio deum“classificador”geradoapartirdaaprendizagem

AsevidˆenciasencontradasporMasoneJust(2015) apontamqueestasrepresenta¸c˜oesneuraisprogrediram porest´agios,espacialetemporalmentedistintos,com cadaumdelesengajandodiferentes´areasdoc´erebro,associadasadiferentesprocessoscognitivos.Inicialmente, houveumamaiorativa¸c˜aodoc´ortexoccipital,indicando quearepresenta¸c˜aodosistemafoiprimordialmente visual.Emseguida,nosest´agiosintermedi´arios,foram ativadasdiversasregi˜oescorticais,comoaparietal,temporalefrontalmedial,associadasaprocessoscognitivos comoinferˆenciacausal,linguagememovimento,redes comumenteativadasquandoumsujeitorealizauma anima¸c˜aomental.Issosugerequeosestudantesestavam imaginandoomovimentodoscomponentesmecˆanicos parainferircomoelesinteragiamemumacadeiacausal defuncionamento.Porfim,o´ultimoest´agioapresentou umaforteativa¸c˜aodasregi˜oesfrontalemotoradoc´ortex frontal,associadas`asfun¸c˜oesexecutivase`acogni¸c˜ao incorporada,sugerindoqueosparticipantesimaginaram comoumapessoa,ouelesmesmos,interagiriacom ossistemas.Assim,estesresultadossugeremdiferentes mecanismosquecomp˜oemaaprendizagemdesistema mecˆanicos:(1)codifica¸c˜aodeinforma¸c˜oes;(2)anima¸c˜ao mental,possivelmenteenvolvendoimaginaroscomponentesemmovimento;(3)gera¸c˜aodehip´otesescausais associadas`aanima¸c˜aomental;e(4)determina¸c˜aode comoumapessoainteragecomosistema(VerFigura3).

Al´emdisso,usandoaprendizadodem´aquina,ospesquisadorescriaram“classificadores”capazesdeidentificaropadr˜aodeativa¸c˜aoneuronalparacadaumdos quatrosistemasmecˆanicos,demodoqueeraposs´ıvel “adivinhar”emqualdelesoestudanteestavapensando combaseapenasemseuspadr˜oescerebrais.Essa´ea primeirapesquisaquepermiteacria¸c˜aodeumateoria inicialdeaprendizagemdesistemasf´ısicoscombase corticalque,potencialmente,podeserrelacionada`as teoriascognitivaslargamenteconhecidasna´areadeEnsinodeF´ısica,sugerindoconex˜oesentrerepresenta¸c˜oes neurais,est´agiosdeaprendizagemeacompreens˜ao

deconte´udossimples. ´ Eimportanteressaltarqueesta

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Figura3: Diferenc¸asnaativac¸aocerebralcorrelacionadascomdiferentesfasesdeexplicac¸aodomecanismodefuncionamentode umabalanc¸adebanheiro.Adaptadode[72].

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“classificadores”: movimentocausal , periodicidade , fluxodeenergia e representa¸c˜oesalg´ebricas

IV–representa¸c˜oesalg´ebricas: aquiest˜aoosconceitoscomo“velocidade”,“acelera¸c˜ao”e“transferˆencia decalor”,todososquais,particularmente,definidose fortementeassociadosaequa¸c˜oesbastantefamiliares.

Ospesquisadores,ent˜ao,identificaramativa¸c˜oescerebraisbemespec´ıficasparacadaconceito.Maisque isso,essaatividadecerebraleraamesmaemtodos osparticipantesquandoestavampensandonomesmo conceito,ouseja,aopesaremem“gravidade”todososestudantestinhamasmesmasregi˜oesdoc´erebroativadas, equeeramdiferentesdequandopensavamem“campo el´etrico”.Omaisinteressante´equeosresultadosmostraramqueestespadr˜oesdeativa¸c˜aoneuronalreaproveitavamsistemasneuraisj´aexistentes.Conceitosf´ısicos de“frequˆencia”ou“comprimentodeonda”ativaramas mesmasregi˜oesques˜aoativadasquandodan¸carinosassistemalgu´emdan¸car,ouquandoalgu´emouvem´usicaou qualquerpadr˜aor´ıtmico.J´aconceitoscomo“velocidade” e“acelera¸c˜ao”,emgeraldefinidospormeiodeequa¸c˜oes, ativaram´areascerebraisenvolvidasemprocessamento aritm´eticoeprocessamentodesenten¸casverbais.Esses resultadossugeremqueoaprendizadodeconceitos f´ısicos´erealizadopormeiodoreaproveitamentode estruturasneuraisques˜ao,originalmente,usadaspara prop´ositosgeraisdodiaadia.Segundoosautores,o c´erebro´ecapazdeaprenderestes30conceitosf´ısicos dadaacapacidadedeprocessamentoecompreens˜aode quatroconceitosfundamentais,chamadosporelesde

AsdescobertasdeMasoneJust(2016)fornecem umain´editavis˜aodaaprendizagemdev´ariosconceitosfundamentaisdaF´ısica,comsuasrepresenta¸c˜oes identificadasagoraemtermosdeorganiza¸c˜aocerebral. Oimportanteaserdiscutido´equetaisconceitoss˜ao altamenteabstratoseaprendidosexclusivamentepor meiodosprocessoseducacionais.Paraosautores“existe umcaminhocomumquevaidascapacidadesb´asicasdo c´erebrohumanoat´eaosconceitosabstratosdaf´ısica, desenvolvidoapenasnos´ultimoss´eculoseexclusivamenteensinadospormeiodaescolaridadeformal ”([73] pg7,tradu¸c˜aonossa).Maisqueisso,essesconceitos, paraseremapreendidos,seutilizamderedesneurais altamenteespecializadas,talhadaspormilh˜oesdeanos noprocessoevolutivoparaseremusadascomprecis˜ao navidacotidiana,evidenciandomaisumavezaindissociabilidadeentreEduca¸c˜aoeaparatobiol´ogico.

II–periodicidade: aquiest˜aoconceitos“comprimento deonda”,“ondasder´adio”,“frequˆencia”,“difra¸c˜ao” e“ondassonoras”.Aslocaliza¸c˜oescerebraisqued˜ao suporteaestesconceitosinclu´ıramgiroparietalsuperior bilateral,sulcop´os-centralesquerdo,girofrontalsuperiorposterioresquerdoegirotemporalinferiorbilateral, regi˜oesfortementeassociadas`apercep¸c˜aodequalquer fenˆomenoperi´odicoeeventostemporalmenteregulares. Algumasdessasregi˜oesest˜aonoc´ortexsomatosensorial,sugerindoqueexistauma“incorpora¸c˜ao”desses conceitos,demodoqueassensa¸c˜oesdestesmovimentos peri´odicospodemsersimuladasnocorpo.

sulcointraparietalesquerdo,sulcopr´e-centralesquerdo, girotemporalm´edioposterioresquerdoegirofrontal inferior,regi˜oesenvolvidasnaassocia¸c˜aosemˆanticaentre conceitosabstratoseavisualiza¸c˜aodeobjetosconcretos, bemcomoem´areasdalinguagemrespons´avelpor decodificarconceitosabstratos.Esse“classificador”foi criadoapartirdaspropriedadesapresentadaspelos estudantesquandoelesasassociavamacadaumdos conceitos.Paraoconceitode“correntecont´ınua”,por exemplo,v´ariosparticipantesrelatarampropriedades como“fluxo”ou“fluxodeel´etrons”.Para“transferˆencia decalor”surgiu“radia¸c˜ao”,epara“campoel´etrico”

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Foramativadasaregi˜aopr´e-cuneiforme,noloboparietal esquerdo,nogirofrontalinferioresquerdoenogiro occipitalesquerdo,´areasnormalmenteenvolvidasno processamentoalg´ebricoearitm´etico.OsautoresressaltamqueaindaquemuitosconceitosdaF´ısicatˆemforte associa¸c˜aocomequa¸c˜oes,algumass˜aomaisconhecidas queoutras,demodoqueaf´ormuladavelocidade´emuito maisfamiliarqueaf´ormuladadifra¸c˜ao.Ointeressante aqui´enotarqueregi˜oescerebraisenvolvidasemc´alculos matem´aticosest˜aosendoativadasmesmoqueelesn˜ao estejamsendo,defato,realizadosnaquelemomento, revelandoumaimportanteformaqueoconhecimento ficacodificadonoc´erebro.Esse“classificador”surgiua partirdeformula¸c˜oesalg´ebricasrelatadaspelosestudantescomopropriedadesdosconceitos. ` A“velocidade”, porexemplo,foiassociada“dx/dt”,para“transferˆencia decalor”v´ariosestudantescitaramaconstantede Boltzmann,e“correnteel´etrica”suscitoualeideOhm comopropriedade.(VerFigura4).

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e20200430-10 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

foramcitadaspropriedadescomo“radialapartirde umacargapontual”.Osautoresconsideraramquetais conceitospossuemumaontologiacomumequeomais alton´ıveldeabstra¸c˜aoqueenglobatodosessesconceitos ´eofluxodeenergia.

I–movimentocausal: aquiest˜aomuitodosconceitos pertencentesaoensinodeMecˆanica:gravidade,energia potencial,deslocamento,torqueefor¸cacentr´ıpeta.Ao pensarnessesconceitos,foramativadasredesneuraisda jun¸c˜aooccipital-temporal-parietalesquerda,sulcointraparietalesquerdoegirofrontalm´edioesquerdo,regi˜oes associadas`avisualiza¸c˜aodeobjetosemmovimentoeao processamentoderela¸c˜oescausais.

dem´aquina,quebuscavareconhecˆe-loeaprendˆe-lo. Dentrodaressonˆancia,cadaconceitofoiapresentado seisvezes,emordenscompletamentealeat´orias.Cada palavraaparecianumatelaporumdeterminadotempo duranteoqualosestudantesdeveriamrefletirsobreo conceitoapresentado.

III–fluxodeenergia: tem-seaquiosconceitosde “campoel´etrico”,“luz”,“correntecont´ınua”,“ondassonoras”e“transferˆenciadecalor”,termospresentesnoensinodeEletricidadeeTermodinˆamica.Foramativadoso

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complexidadevisualedesign,contudo,semqualquer rela¸c˜aocomaF´ısica.Essaseramquest˜oesquefocavam nacompreens˜aodaleituraenadiscrimina¸c˜aodeformas geom´etricas,demodoaserposs´ıvelisolarosprocessos cognitivosrelacionadosaoracioc´ıniof´ısicoaocontrastar ospadr˜oesneuronaisativadosquandoeramrespondidos osdoistiposdeperguntas,asdoFCIeasdecontrole. ´ Eprecisoressaltar,ent˜ao,queestapesquisafoia primeiraatentarentendern˜aoapenasasbasesneurais qued˜aosuporteaoracioc´ıniodaF´ısica,mastamb´em investigarquaisasmudan¸casnaatividadecerebrals˜ao geradasporumadeterminadaabordagempedag´ogica. Quandoseanalisaosresultadosrelacionados`asrespostasdasquest˜oes(FCIvs.Controle),houveaativa¸c˜aode diversaspor¸c˜oesdequatro´areascerebraisdiferentes:o c´ortexpr´e-frontal,oc´ortexparietal,oslobostemporais eocerebelodireito.Taisregi˜oes,s˜aolargamenteconhecidaspordaremsuporteaprocessoscognitivosessenciaispararacioc´ıniof´ısico,comoaten¸c˜ao,mem´oriade trabalho,pensamentoespacialecogni¸c˜aomatem´atica. Essesmesmospadr˜oesdeatividadecerebraltamb´em foramobservadosnop´os-teste,mesesdepoisdopr´eteste,mostrandohaverumaconsistˆencianaformaqueo c´erebroprocessaopensamentodeconte´udosdaF´ısicae, segundoosautores,essesresultadosn˜aodevemdepender daabordagempedag´ogicautilizadasendo,assim,uma redeneuralquesuportaaconstru¸c˜aodoconhecimento f´ısicodomundo. Aoseanalisarosresultadosrelacionadosaosimpactos daformadeensino,o “ModelingInstruction”,ap´oso cursoidentificou-seaativa¸c˜aodoslobosfrontais,c´ortex cinguladoposterior,c´ortexpr´e-frontaldorsolaterale giroangulado.Essasregi˜oescerebraiss˜aoassociadas aprocessoscognitivosinternamenteorientados,como auto-reflex˜ao,divaga¸c˜ao,mem´oriaautobiogr´aficaeplanejamento.Elastamb´emest˜aoenvolvidasnaresolu¸c˜ao

Seguindonosestudoscomimageamentocerebral, destaca-setamb´emotrabalhodeBreweecolaboradores, em2018.Osautoresusaramressonˆanciamagn´etica funcionalparainvestigarposs´ıveismudan¸casneuronais induzidasporumadeterminadapr´aticadeaprendizagem ativachamada“ModelingInstruction”[74].DesenvolvidaporBrewe(2008),trata-sedeumaabordagem pedag´ogicaquesefundamentaemumacaracter´ıstica espec´ıficadaepistemologiacient´ıfica,amodelagem[75]. UmcursodeMecˆanicafoimontadoapartirdaintegra¸c˜aoentrecomponentesdelaborat´oriodef´ısicacom exposi¸c˜aodeconte´udo,emaulascomformatodeest´udio, nasquaisosestudantestinhamflexibilidadeparase engajarememdiferentesatividades,comoresolu¸c˜aode problemas,discuss˜oesconceituaisouexperimenta¸c˜ao. Oobjetivoeraodesenvolvimentoeatestagemdemodelosqualitativosequantitativosdosfenˆomenosf´ısicos. Oartigoapresenta,emseuin´ıcio,umavis˜aogeral destaabordagem,discutindosuasbaseste´oricas,seu desenvolvimentoerecursosprincipaispara,emseguida, descreverapesquisaeseusresultados.

Figura4: Asdiferentesregi˜oescerebraisativadasparaumdos4grandesgruposdeconceitosdeF´ısica.Adaptadode[73].

Participaramdoestudo55estudantesdaUniversidade daFl´oridaqueaindan˜aotinhamfeitonenhumcursode F´ısicaemn´ıveluniversit´ario.Todoselestiveramseus c´erebrosescaneadosenquantorespondiamaquest˜oes do ForceConceptInventory (FCI)antesedepoisde passarempelo “ModelingInstruction”.OFCI´eum question´ariodeconte´udosdeMecˆanicalargamenteconhecidoepesquisadonoEnsinodeF´ısica[76].Centradas emcen´ariosmaiscotidianos,asperguntasdoFCIn˜ao requeremnenhumc´alculomatem´aticoes˜aoapresentadasapartirdeumtextoquedescreveocen´ario acompanhadoporumdiagramarepresentacional.Os estudantestamb´emresponderamaumas´eriedequest˜oes decontrole,quetinhamcaracter´ısticassemelhantes`as quest˜oesdoFCIemtermosderequisitosdeleitura,

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Taldesenhoexperimentalpermitiuidentificarasredes neuraisativadasenquantoosalunoscompletavametapas sucessivasdaresolu¸c˜aodestesproblemasconceituais eavaliarcomosuasrespostasserelacionavamaessesdiferentespadr˜oesdeativa¸c˜aocerebral,explorando

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detarefascomplexas,compreens˜aodenarrativas,processamentosemˆanticoenagera¸c˜aoemanipula¸c˜aode imagensmentais.Chamaaten¸c˜aoaativa¸c˜aodoc´ortex pr´e-frontaldorsolateral,apenasnop´os-teste,depoiste teremconclu´ıdoocurso.Essa´eumaregi˜aoassociada `aprodu¸c˜aodesimula¸c˜oesmentais,sugerindoqueos estudantescriamimagensmentaisparasimulareventose formularprevis˜oes.Segundoosautores,aativa¸c˜aodesta regi˜aoemespec´ıficosedeve`aabordagempedag´ogica. Aindaquen˜aosejaposs´ıvelafirmarcomcerteza,visto quen˜aoacontrastaramcomoutraabordagem,´eimportantereconheceraativa¸c˜aodeumaredeneural associada`asimula¸c˜aoeprodu¸c˜aodeimagensmentais ap´osumaformadeensinoqueincentivaosalunosa usaremseuspr´opriosmodelosmentaisparacompreender novosconceitos. EmoutrapesquisarealizadanaUniversidadeda Fl´orida,em2019,Bartleyecolaboradorestamb´em usaramdeneuroimagemparaentenderasestrat´egias queosestudantesusampararesolverproblemasconceituaisecomoissoimpactanaaprendizagem[77]. Foraminvestigados107alunosdegradua¸c˜aoquehaviam conclu´ıdoumsemestredeumcursointrodut´oriode F´ısica.Atividadecerebraldosestudantesfoicoletada tamb´emenquantoelesresolviamquest˜oesdoFCIe, comocontrole,quest˜oesquefocavamnacompreens˜ao daleituraenadiscrimina¸c˜aodeformasgeom´etricas.As quest˜oesdeF´ısicaeasdecontroleforamapresentadas emtrˆesfases: I Inicia¸c˜aodoproblema ,naqual osestudantesvisualizavamumtextoeumafigura descrevendoumcen´ariof´ısico; II Apresenta¸c˜aoda pergunta ,naqualosestudantesviamumaquest˜aode f´ısicasobreocen´arioe III Sele¸c˜aoderesposta ,em quequatroop¸c˜oesderespostaposs´ıveiseramexibidas paraaescolhadosujeito.(VerFigura5).

correla¸c˜oesentreessessubstratosneuraiseodesempenho,adificuldade,aestrat´egiaeaconceitua¸c˜ao acercadasideiasdaF´ısica. ´ Eprecisoressaltarqueos estudantesacertaramcercade62%dasrespostasdoFCI, resultadoj´aesperadodevido`apresen¸cadasconcep¸c˜oes alternativas,e99%dasquest˜oescontrole,revelandoque atarefafoiadequadaaoquesedesejavainvestigar. Inicialmente,osresultadosrevelaramqueasmesmas regi˜oescerebraisforamativadasemtodososestudantesquandoelesestavamresolvendoasquest˜oesde F´ısica.Ent˜ao,comparadascomaativa¸c˜aodasquest˜oes decontrole,houveaativa¸c˜aodeumaredefrontotemporoparietal,incluindooc´ortexpr´e-frontal,oestriadodorsalesquerdo,oc´ortexparietalposterior,oc´ortex cinguladoposteriordorsal,oc´ortexoccipitotemporal lateraleocerebelo.Essamir´ıadede´areas´econhecida como“redeexecutivacentral2 ”,vistoque´eumarede neuronalassociadaadiferentesfun¸c˜oescognitivas,como racioc´ıniol´ogico,tomadadedecis˜ao,aten¸c˜ao,aprendizagememem´oria.Paraquefosseposs´ıvelcompreendermelhorarela¸c˜aoentreasativa¸c˜oesneuronaiseoprocesso mentaldecria¸c˜aodasrespostas`asquest˜oesdeF´ısica, ospesquisadores,ent˜ao,analisaramasativa¸c˜oescorrespondentesacadaumadastrˆesfasesderesolu¸c˜aodos problemas.AfaseIativouregi˜oesligadas`aaten¸c˜aovisuoespacial,`apercep¸c˜ao,aocontrolemotore`amem´oria. J´aafaseIIengajouregi˜oesassociada`amem´oriadecurto prazoecogni¸c˜aonum´erica,enquantoafaseIIIativou regi˜oesqued˜aosuporte`amentaliza¸c˜ao,`aexplora¸c˜ao mentaldeumasolu¸c˜ao.Segundososautores,esses resultadosrevelamqueopensamentof´ısicosed´aapartir dacoopera¸c˜aoeintera¸c˜aoentretodasessas´areas(Ver Figura6). Ap´osessaetapa,ospesquisadoresanalisaramsehavia algumadiferen¸canaativa¸c˜aocerebralrelacionadaao desempenhodosestudantes,ouseja,sehaviaalguma distin¸c˜aonaativa¸c˜aoneuronalquandooalunorespondia deformacorretaouincorreta.Osresultadosrevelaram 2 Nossatradu¸c˜aoparaCentralExecutiveNetwork. RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021

Figura5: Exemplosdequestoesedaformadeapresentac¸aoemtrˆesfases.Adaptadode[77].

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Paraacoletadasimagenscerebrais,todosossujeitos foramexpostosatrˆestiposdeest´ımulos: filmesn˜ao cient´ıficos,quen˜aoseguiamasleisdaF´ısica; filmescient´ıficos, queseguiamcorretamenteasleisdeNewton; e filmesdecontrole, quen˜aoenvolviamconcep¸c˜oes

quen˜aohouvequalquerdiferen¸canaatividadecerebral associadaarespondercertoouerrado.Emoutraspalavras,aredeneuralquesuportaoracioc´ıniof´ısicofoi ativadademaneiraconsistente,independentementedeo estudantepensaremumarespostafisicamentecorretaou emumaconcep¸c˜aoalternativa.Apartirdesseresultado, ospesquisadoresusaramumalgoritmodedetec¸c˜aonas distribui¸c˜oesderespostasparaidentificarsubgruposde alunosqueresponderamdemodosemelhante`asquest˜oes doFCI.Trˆesgrupos,A,BeC,foramformadoscom estudantesqueacertaram,respectivamente,78%,73%e 53%dasrespostas.Depois,foramcomparadasasatividadescerebraisentreosgrupos,revelandoimportantes resultados.Primeiro,osestudantesdosgruposAeB, queapresentarammaisideiascorretassobreaF´ısica, mesmoquandoerravam,apresentavamforteativa¸c˜aoda “redeexecutivacentral”,sugerindoqueelesviamuma coerˆencial´ogicainternanestasconcep¸c˜oesespontˆaneas. J´aosestudantesdogrupoCengajaram´areasdoc´erebro maisassociadas`avis˜ao,`adetec¸c˜aodeinforma¸c˜oesdo mundoexternoe`amem´oriapessoal,sugerindoque aquelesquen˜aotinhamcertezasobreosconte´udos deF´ısicapassarammaistempobuscandopistasque julgaramimportantesdeumproblema,estavammais apoiadosnalembran¸cadesuaspr´opriasexperiˆenciae, comisso,gastarammenostemporealmenteraciocinando paraencontrarumasolu¸c˜ao. Nessemesmocaminho,umapesquisainteressante realizadacomestudantesdeuniversidadesdoCanad´a trouxeevidˆenciasimportantesparaacompreens˜aode umproblemaantigona´areadeEnsinodeF´ısica: apersistˆenciadasconcep¸c˜oesalternativas.Talvezum dostemasmaisescrutinadosnoEnsinodeCiˆencias sejaa“mudan¸caconceitual”.In´umerospesquisadores sedebru¸camsobreotemadesdead´ecadade70,sem quehajaumconsensoacercadeseusmecanismos,e diversosmodelosforam,ent˜ao,elaborados.Umdos maisconhecidosdescrevemamudan¸caconceitualcomo umaesp´eciede“acomoda¸c˜ao”naqualosconceitos espontˆaneoss˜ao“substitu´ıdos”pelaestruturacient´ıfica ousubstancialmentereorganizados.Mas,demodogeral, duaship´otesesprincipaisaindapermanecemsemconfirma¸c˜aopelacomunidadedeEnsino:asconcep¸c˜oesalternativass˜aototalmentetransformadasousubstitu´ıdas pelascient´ıficas,desaparecendoporcompletodoquadro explicativodosestudantesap´osumamudan¸caconceitual ouestasconcep¸c˜oesespontˆaneasaindaficampresentes namentedoestudante,mesmoap´osumamudan¸ca conceitual,coexistindocomosnovosconhecimentos cient´ıficos?Foisyecolaboradores(2015)investigaram oqueocorrenoc´erebroquandoumalunoprecisa responderqualbolachegaprimeiroaoch˜ao,amaisleve ouamaispesada[78].Essaconcep¸c˜aoespontˆaneafoi especialmenteescolhida,apartirdaan´alisedein´umeros trabalhosnotema,porsemostraramaispersistentedas v´ariasqueexistememMecˆanica.Paraisso,elesrecrutaram29estudantesdeumauniversidadedeMontreal. Ossujeitosforamdivididosemdoisgrupos:Expertse Novatos.Oprimeirogrupoeracompostodeestudantes debachareladoemF´ısicaequehaviamfeitoaulasopcionaisdeCiˆenciasduranteoEnsinoM´edio.J´aogrupo dosNovatoseraformadoporestudantesdebacharelado emcursosdasHumanidades,comoHist´oria,Psicologia, Pol´ıtica,FilosofiaeAdministra¸c˜ao,equenuncahaviam feitoaulasopcionaisdeCiˆencias,recebendo,assim,uma educa¸c˜aocient´ıficab´asicadosistemaescolardaquele pa´ıs.

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Figura6: Imagensderessonˆanciamagn´eticafuncionalevidenciandoasdiferentesregi˜oescerebraisativadasemcadaumadasfases deaprendizado.Adaptadode[77].

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Omaiordiferencialdestapesquisafoiusarummodelo bastanteconhecidoempesquisascl´ınicassobredesordenspsicol´ogicasparatentarestabeleceroscorrelatos neuraisdaansiedaderelacionada`aSTEM.Nestemodeloinvestiga-sen˜aosomente´areascerebrais,masa conectividadeentreredesneurais.In´umeraspesquisas

Quandoseanalisaasatividadescerebraisdosestudantesdosdoisgruposrespondendodemaneiracientificamentecorreta,verificou-sepraticamenteamesma ativa¸c˜aonas´areaspr´e-frontaisemtodososparticipantes. ParaFolseyetal.(2015)estesresultadosrevelamque a´unicadiferen¸cacerebralsignificativaentreosgrupos ´equeosExpertstiverammaisativadasredesneurais associadasaocontroleinibit´orioquandoviamaosfilmes comconcep¸c˜oesalternativas.Paraosautores,issosugere quemesmoap´osteremseespecializadoemF´ısicaduas entreossexos,comasmulheresapresentandoosn´ıveis maiselevados.Antesdeapresentarosdadosdaneuroimagem´eprecisoressaltarquen˜aohouvediferen¸cas significativasnodesempenhoentremulheresehomens, corroborandocomestudosqueapontamaexistˆenciade estere´otipospersistentesqueafirmamqueoshomenstˆem umaaptid˜aoinataparaasdisciplinasdeSTEM.

redesneuraiscoexistem,sendoumarelacionada`aconcep¸c˜aocient´ıficaeoutra`aconcep¸c˜aoespontˆanea.Assim, sendoprov´avelqueosExpertsn˜aotenhamabandonado suaconcep¸c˜aoequivocada,massimaprendidoainibilaativamentepararesponderdemaneirafisicamente correta. Como´ultimoexemplodousodeneuroimagemem pesquisascomEnsinodeF´ısica,outroestudointeressanteinvestigaoutrotemapoucoexploradona´area, aansiedadegeradaporconte´udoscient´ıficosematem´aticos(chamadosdeSTEM3 )[79].Gonzalesecolaboradores(2019)investigaramosc´erebrosde101 estudantesnaUniversidadedaFl´orida,55homense 46mulheres,queconclu´ıramumcursointrodut´oriode F´ısicanecess´arioparaaquelesquepretendemfazeruma gradua¸c˜aona´areadeexatas,emcursoscomoQu´ımica, F´ısica,EngenhariaouMatem´atica.Osparticipantes preencheramumas´eriedeinstrumentosdeavalia¸c˜aode ansiedade,tantocl´ınicacomosobreSTEM,erealizaram algumastarefascomportamentaisdentrodaressonˆancia magn´etica,antesedepoisdocurso.Osresultadosrevelaramumaumentosignificativonosn´ıveisdeansiedadeem todososestudantes,mashouvediferen¸cassignificativas

concep¸c˜oesalternativas,sendodiminu´ıdatantoparaos filmescientificamentecorretoscomoparaosdecontrole. Segundoosautores,essesresultadosrevelamquea inibi¸c˜aopodedesempenharumpapelfundamentalna aprendizagemdeCiˆencias,sugerindoqueasconcep¸c˜oes espontˆaneasdosExpertsn˜aoforamerradicadasou transformadasduranteaaprendizagem,permanecendo codificadasemsuasredesneuraisesendo“apenas” inibidasparafornecerarespostacientificamentecorreta.

Comoesperado,deferentementedosExperts,amaior partedosNovatosrespondeucomocorretoosfilmes n˜aocient´ıficos,comumabolamaispesadacaindomais r´apidoqueamaisleve.Aoseanalisarasrespostas cerebrais,osExpertstiveramumaativa¸c˜aomuitomaior queosNovatosparaduasregi˜oes:oc´ortexpr´e-frontal ventrolateraleoc´ortexpr´e-frontaldorsolateral,duas ´areasassociadasaocontroleinibit´orio.Estaativa¸c˜aofoi maiornessegrupoapenasquandojulgavamosfilmescom

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alternativas.Todoselesenvolviambolascaindo.Osparticipantesdeveriam,ent˜ao,respondersecadafilmeera corretooun˜aodopontodevistacient´ıfico.Osresultados revelaramdiferen¸cassignificativasnaativa¸c˜aoneuronaldeExpertseNovatosquandoelesavaliavamos filmescomaconcep¸c˜aoespontˆanea,sugerindoqueestes estudantesexecutaramprocessoscognitivosdistintos.

revelamquediversosprocessospsicopatol´ogicosest˜ao associadosaofuncionamentodetrˆesredesprincipais:a “rededesaliˆencia4 ”,queencontrasuportenocingulado anteriordorsalenoc´ortexfrontoinsular,respons´avel pordetectarinforma¸c˜oessalientesnoambienteefocar aaten¸c˜ao;a“rededemodopadr˜ao5 ”,compostapelo c´ınguloposteriorec´ortexpr´e-frontalmedial,eest´a envolvidaemprocessosautorreferenciaisenormalmente ficadesativadadurantetarefascognitivasorientadas porest´ımulos;ea“redeexecutivacentral6 ”,comos c´orticesdorsolateralpr´e-frontalelateralposteriorparietal,associadacomprocessoscognitivoscomomem´oria detrabalho,resolu¸c˜aodeproblemasecomportamento direcionado.S˜aoasintera¸c˜oesdessastrˆesredesqued˜ao origemaomodelodeumaredetripartiteunificadoraque tem,emseumalfuncionamento,implica¸c˜oesdeterminantesnostranstornospsiqui´atricos. 3 SiglaeminglˆesparaScience,Technology,Engineeringand Mathematics. 4 Nossatradu¸c˜aoparaSalientNetwork. 5 Nossatradu¸c˜aoparaDefaultModeNetwork. 6 Nossatradu¸c˜aoparaCentralExecutiveNetwork. RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021 DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0430 21REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

Umresultadosurpreendentedizrespeito`aativa¸c˜ao doc´ortexcinguladoanterior,´areafortementeassociado `adetec¸c˜aodeerros.Segundoosautores,elestinhama hip´otesequeosExpertsteriammaioratividadenessa regi˜aodoqueosNovatos,vistoqueelessabemqueas concep¸c˜oesespontˆaneasest˜aoerradas.Contudo,n˜aofoi oqueaconteceu,n˜aohouvediferen¸canaintensidadede ativa¸c˜aodestaredeentreosgrupos.Maisqueisso,Novatosapresentarammaiorativa¸c˜aodessa´areaquandoviam osfilmescomconcep¸c˜oesespontˆaneascomparadocom osfisicamentecorretos.Paracompreendermelhoresse achado´eprecisoentenderopapeldoc´ortexcingulado anterior.Essaregi˜aodoc´erebro´erespons´avelporenviar umsinalaoc´ortexpr´e-frontalquandoumasitua¸c˜ao apresentaumconflitocognitivo.Noc´ortexpr´e-frontal existemasredesneuraisqued˜aosuporteaocontrole cognitivorespons´avelporresolveroconflito,ativando ainibi¸c˜ao.Assim,aexplica¸c˜aodadapelosautorespara esseresultado´equeosNovatostamb´emvivenciaramo conflitocognitivo,masn˜aoforamcapazesdeinibi-los, ouseja,aindaqueseusc´erebrostenhamdetectadooerro elesn˜aoforamcapazesderesolvˆe-lo.

revelaramdiferen¸cassurpreendentes,entrehomense mulheres,naconectividadedestasredes.Osestudantes dosexomasculinoexibiramcorrela¸c˜oespositivasentreconectividadeeansiedadeparaSTEMtantoantes quandodepoisdocurso,eumacorrela¸c˜aonegativaentre ansiedadecl´ınicaeaconectividadeentrea“redede saliˆencia

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”ea“redeexecutivacentral”antesdocurso. Segundoosautores,estesresultadossugeremaltera¸c˜ao nestaredetripartiterelacionada`aansiedade,eh´auma importˆanciarelevanteparaaaprendizagemdeSTEMsuprimirintera¸c˜oesautorreferenciais,relacionadas`a“rede demodopadr˜ao”paraqueexistaumequil´ıbriosaud´avel entreasredes.Paracorroboraressahip´otese,aoseanalisarodesempenhonocurso,encontrou-seumacorrela¸c˜ao negativaentreaconectividadeda“rededemodopadr˜ao” coma“rededesaliˆencia ”eanotadoshomens,sugerindoaimportˆanciadedesligaroprocessamentointerno quandoeventossalientess˜aodetectadosnocontextoda aprendizagemdeconte´udoscient´ıficos.Demodogeral, osdadosdaressonˆanciamostrarammenoscorrela¸c˜oes entreaansiedadecl´ınicapr´eep´oscursonosalunos dosexomasculino,apesardoaumentodaansiedade paraSTEM.Paraospesquisadoresissosugerequeo c´erebrodoshomensenfrentaosdesafiosdeseuprimeiro cursouniversit´ariodeF´ısicaacomodandooaumentoda ansiedadeparaSTEMeequilibrandoarespostaaestes desafios. J´aasmulheres,diferentemente,n˜aoexibiramcorrela¸c˜oessignificativasentreconectividadeeansiedade nemantesnemdepoisdocurso.Segundoosautores, esteresultadosugereaansiedadeparaSTEMrelativamentemaiorparaasestudantesdosexofemininon˜ao impedeprocessosexecutivoscentrais,vistoquemesmo maisansiosaselastiveramdesempenhoigualaodos homens.Ahip´otesedospesquisadoresparaesseachado ´equeestudantesdosexofemininopodemexperimentar ansiedadecomosdesafiosdoscursosdeSTEMdesde oensinofundamentalque,ent˜ao,podemdesencadear ansiedadedesdeapr´e-escola ... Assim,oc´erebrodas mulheresj´aseadaptou`aansiedadeparaSTEM.Oartigo terminacomosautoresindicandoaimportˆanciadese abordarasquest˜oesdeclimaemocionalemsaladeaula paradiminuiraansiedadeparaasdisciplinasdeSTEM desdeosensinosfundamentalem´edio.

´ Eumat´ecnican˜aoinvasivaequepermiteumas´erie deinvestiga¸c˜oesimportantesacercadosprocessosde

OsresultadosdapesquisadeGonzalesetal.(2019)

Brockington e20200430-15

Asinvestiga¸c˜oesqueseapoiamnosarcabou¸coste´orico emetodol´ogicodaNeurociˆencian˜aoseresumemna produ¸c˜aodeimagensdoc´erebro.Outroinstrumento potencialmenteinteressanteparapesquisasemensino ´eoeye-tracker.Trata-sedeumaparelho,quecaptao reflexodefeixesdeluzpr´oximosaoinfravermelhonos olhos.Issopermiteorastreamentoocularpodendo-se, assim,detectarondeosujeitocolocasuaaten¸c˜aoefoco, bemcomoaposi¸c˜aodeseusolhoseotamanhodapupila (VerFigura7).

Figura7: Exemplodetrac¸adodemovimentoocularrealizado porumestudantelendoumaquestaodeF´ısica,obtidoporum eye-tracker.Adaptadode[80]. aprendizagem.Comoexemplo,Susacecolaboradores (2017)estudaramainfluˆenciadarepresenta¸c˜aogr´afica dosdadosnacompreens˜aoeinterpreta¸c˜aodosresultados dasmedi¸c˜oesrealizadasporestudantesemaulasde laborat´oriodeF´ısica[80].Participaramdapesquisam 101alunosdegradua¸c˜aoemF´ısicadaUniversidadede Zagreb,naCro´acia.Inicialmente,dividiramessesestudantesemdoisgruposeoscolocarampararesponderem umtestedem´ultiplaescolhasobreincertezasnoprocesso demedi¸c˜ao.Otestecurtotratavadehabilidadesde medi¸c˜aob´asicascomootratamentodospontosforada curva,acompara¸c˜aoentreduasmedidas,adistin¸c˜ao entreacur´aciaeprecis˜aoe,porfim,comorelatarresultadosdasmedi¸c˜oes.Aindaquefosseumtestedem´ultipla escolha,osestudantestinhamquejustificaroporquˆe daescolhadeumadeterminadaresposta.Umdosgruposrecebeuotestecujositensinclu´ıamrepresenta¸c˜oes gr´aficasdosdadosmedidos,enquantoooutrogrupo recebeuotestecomosmesmositens,contudo,sem asrepresenta¸c˜oesgr´aficas.Osresultadosrevelaramum desempenhomelhornotesteparaosestudantesque tiveramasrepresenta¸c˜oesgr´aficasdisponibilizadas.Ap´os essaetapa,forament˜aocoletadosmovimentosoculares deumaamostrade30outrosalunosdegradua¸c˜aoem F´ısicadamesmainstitui¸c˜ao,tamb´emdivididosemdois gruposerespondendoaomesmoteste.Osresultados obtidosinicialmenteforamconfirmados,revelandoque osestudantesquereceberamasrepresenta¸c˜oesgr´aficas obtiverampontua¸c˜aomaiordoqueaquelesquereceberamositenssemasrepresenta¸c˜oesgr´aficas.Aan´alise do eye-tracking permitiuinterpretaresseresultadode umaformamaisprofunda,apontandoumaposs´ıvel explica¸c˜ao.Osdadosrevelaramqueotempototalde visualiza¸c˜ao,ouseja,otempogastonaresolu¸c˜aodas quest˜oescomousemrepresenta¸c˜aogr´afica,foiomesmo

Utilizandoo eye-tracking juntamentecomo fNIRS (siglaeminglˆespara FunctionalNearInfrared

Essemesmogrupodepesquisafezusodo eye-tracking parainvestigaroimpactodosdiagramasque,tradicionalmente,est˜aopresentesnasquest˜oesdeF´ısica. Oobjetivoeraverificarse,defato,elescontribuempara acompreens˜aodoestudante,auxiliandonaresolu¸c˜ao doproblema.Paraisso,foramrecrutados60estudantes degradua¸c˜aoemF´ısicadaUniversidadedeZagreb. Divididosemdoisgrupos,osparticipantesresponderam aumtestecom6quest˜oesdem´ultiplaescolha,trˆes delascomdiagramasetrˆessem,alternadasentreos grupos.Osresultadosdodesempenhorevelaramqueos diagramasapresentamumpequenoefeitopositivona resolu¸c˜aodosproblemas,raramentecomsignificˆancia estat´ıstica.J´aaan´alisedosdadosderastreamentoocular sugerequeosalunosdividiramsuaaten¸c˜aoentreodiagramaeotextosemacelerararesolu¸c˜aodeproblemas, ouseja,osestudantesgastarammenostempolendoo textodoproblemaquandohaviaumdiagrama,maso tempototaldevisualiza¸c˜aofoiomesmoparaacondi¸c˜ao semdiagrama.Segundoosautores,acompreens˜aoda situa¸c˜aof´ısican˜aoleva,necessariamente,aumasolu¸c˜ao maiseficaz.Aindaqueosdiagramaspossamser´uteis nafaseinicialdevisualiza¸c˜aodoproblema,elesn˜ao garantemaelabora¸c˜aodeumarespostamaiscorreta.

e20200430-16 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

paraosdoisgruposdeestudantes.Entretanto,osestudantescomositensquetraziamarepresenta¸c˜aogr´afica gastarammuitomenostempovisualizandoosdados num´ericos.Issosugerequeasrepresenta¸c˜oesajudaram estesestudantesaentendermelhorosdados,demodo queelesn˜aoprecisaramficar“voltando”aosdadospra responder`aquest˜ao,diferentementedosintegrantesdo outrogrupo(VerFigura8). Segundoosautores,essesresultadosindicamque arepresenta¸c˜aogr´aficapodeserben´eficaparaprocessamentoecompara¸c˜aodedadosecompara¸c˜aode dados,ajudandonavisualiza¸c˜aoean´alisedasmedidas, portanto,osprofessoresdevemincentivarosalunosa us´a-las.

Spectroscopy)realizamospelaprimeiravezumtestede conceitocoletandoosdadosdeumalunonasimula¸c˜ao deumaaularealdeF´ısica.OfNIRS´eumequipamento queusaaluzpr´oximaaoinfravermelhoparaestudaras mudan¸casnasconcentra¸c˜oesrelativasdehemoglobina oxigenada(HbO)ehemoglobinadesoxigenada(HbR). Aidentifica¸c˜aodeumarespostaneural,representando aatividadedeumadeterminada´areadoc´erebro,´e baseadanoacoplamentoneurovasculare´ereconhecida comoumarespostahemodinˆamica.Tem-seassim,um sinalcapazderevelarasativa¸c˜oesfuncionaisdoc´erebro, semelhanteaoque´efeitonaressonˆanciamagn´etica, bastandoapenasqueosujeitouseumatouca.Parecida comumatoucadenata¸c˜ao,elacont´emparesdefontes deluzedetectoresqueficamemcontatocomocouro cabeludo.Aluzatravessaaparedecraniana,percorrendo umcaminhoel´ıptico,at´eserrecebidapelofotodetector colocadonasproximidades.Essadafacilidadedecoletar osdados,comparadacomaressonˆanciamagn´etica,torna ofNIRSidealparainvestiga¸c˜oesmaisnatural´ısticas, maispr´oximasdoqueacontecenasaladeaula. Nabuscadeenfrentarmosodesafiodepropormos experimentosmenosartificiasemaispr´oximosdasala deaularealdesenhamosasimula¸c˜aodeumaaulade AstronomiaparaoEnsinoFundamental[81].Achamamosdesimula¸c˜aopoishaviaapenasumestudanteea dura¸c˜aofoide15min,foraissotudoseguiucomouma aulaexpositivadialogadatradicional.Umaprofessora licenciadaemF´ısicainteragiucomumalunode10 anos,usandoumalousaediscutindocomelealguns conceitosb´asicosdeAstronomia.Duranteessaaula, coletamososdadosdorastreamentoocularjuntamente comosdadosdofNIRSnatentativadeevidenciara exequibilidadedeseobterdadosconfi´aveiserobustosem ambientesmaispr´oximosdocotidianoescolar.Maisque isso,buscamosinvestigarapossibilidadedemedirmos, demaneiramenossubjetiva,aaten¸c˜aoeengajamento doestudanteduranteumaaula.Paraisso,focamos nossaan´alisenorastreamentoocular,nasvaria¸c˜oesdo diˆametrodaspupilasenasredesfrontoparietaisdo

23REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl.1,e20200430,2021 DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0430

Figura8: Mapadecalorevidenciandoaspartesdaquest˜aonasquaisoalunoolhoupormaistempo,obtidoporumeye-tracker. Adaptadode[80].

c´erebrodacrian¸ca,vistoqueelasest˜aoenvolvidasnos processosdecontroledeatencional.Nossosresultados revelaramumas´olidadinˆamicadeintera¸c˜aoentreestas redeseadire¸c˜aodoolhardoestudante,mostrando quepesquisasdessanatureza,combinandodiferentes instrumentos,podemtrazercontribui¸c˜oesfundamentais paraacompreens˜aodosprocessosdeaprendizagem. Umresultadointeressantedizrespeitoaocontatovisual entreprofessorealuno.Aindaqueeleacompanhasse comaten¸c˜aooqueaprofessoradesenhavanalousa,os momentosdemaiorengajamentoemaiorativa¸c˜aodas redesneuraisaconteceramquandoeleolhavaparaorosto dela.Esteresultadopodeinspirarpesquisasfuturasque conseguir˜aoinvestigardemaneirain´editaasintera¸c˜oes emsaladeaula.

Figura9: (A)Interac¸aoprofessora-alunaduranteojogodecontagem.(B)Ilustrac¸aodefontes(vermelho),detectores(azul)ecanais agrupadosemquatroregioescerebrais:c´ortexfrontalesquerdo(verde)edireito(amarelo),junc¸aotemporoparietalanterior(rosa) eposterior(marrom).(C)Exemplodemudanc¸asdeconcentrac¸aodeHbOobservadasparacadacanalnaalunaenaprofessora

demaisdeumc´erebrosimultaneamente,emtempo real,permitindoassiminvestigardinˆamicasdeintera¸c˜ao entresujeitos.Nessesdoisexperimentosinvestigamos aposs´ıvelexistˆenciadeumasincroniza¸c˜aoentreos c´erebrosdeprofessorealunoduranteoprocessodeensinoeaprendizagemdeconceitoscient´ıficos.Paratanto, emumprimeirodesenhoexperimental,umaprofessora trabalhoucomumacrian¸cadetrˆesanosumatarefadesenhadaparaaaprendizagemdesomadedoisn´umeros.

Nossosresultadosrevelaramsincroniza¸c˜oesentreduas regi˜oescerebrais:oc´ortexpr´e-frontal,envolvidoemprocessoscognitivoscomocontagemouc´alculomatem´atico, eajun¸c˜aotemporoparietal,associadadiretamentecom fun¸c˜oessociais,comoempatiaementaliza¸c˜ao.Assim, achamosumasincroniza¸c˜aoentreajun¸c˜aotemporoparietaldaprofessoracomoc´ortexpr´e-frontaldacrian¸ca, sugerindoumengajamentoemp´aticodadocentecomo esfor¸codaaluna.Al´emdisso,encontramostamb´emuma correla¸c˜aoentreosc´orticespr´e-frontaisdeambas,apontandoumalinhamentodaatividadeneuralaprofessora eaalunaduranteoprocessodeensinoeaprendizagem (VerFigura9).

duranteumajaneladetempode20s.(D)Correlac¸aosignificativaaluna-professora.Adaptadode[81].

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Aindaemrela¸c˜aoaosestudosacercadasintera¸c˜oes professor-aluno,Brockingtonecolaboradores(2018) conduziramduasoutrasprovasdeconceitousandoo fNIRS,agoracomumat´ecnicaconhecidacomo hyperscanning. Elapermitequesejamcoletadosdados

decasasqueumpequenopeda¸cocoloridodepl´astico percorrerianapistadecorrida,comosefosseaalunaou aprofessora.Aduplaefetuouatarefadiversasvezes, pormaisdemeiahora,comumaparticipa¸c˜aoativa eengajadadacren¸ca.Osdadosdaativa¸c˜aocerebral deambasforamcoletadosdurantetodoesteprocesso.

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Acrian¸caj´aconseguiacontar,contudo,aindan˜aosabia somar.Criamosumtabuleirocomumapistanaquala alunaeaprofessoraapostavamumacorridaapartirda somadosn´umerosaleat´oriosquesurgiamnasfacesde doisdadosqueeramarremessadospelacrian¸ca.Ap´oso jogodosdados,acrian¸caseparavaumn´umerodepalitos demadeiracorrespondente`aquantidadenum´ericade cadafacedosdados.Depois,comaux´ıliodaprofessora,a crian¸cacontavaaquantidadetotaldepalitos,efetuando asoma.Essen´umerofinalcorrespondiaaon´umero

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5.Considera¸c˜oesFinais

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nostrabalhosdeNeurociˆenciaeEduca¸c˜ao.Faltamestudosque,sefundamentandonessericoconjuntode evidˆenciasj´adispon´ıveissobreosmecanismosneuronais qued˜aosuporteaopensamentomatem´atico,investiguemsuasrela¸c˜oescomodesenvolvimentoeapropria¸c˜ao dosconte´udosquepermitemaleituraF´ısicadomundo. Quandosetrataespecificamentedepesquisasque investigamosubstratoneuralqued´asuporte`acogni¸c˜ao F´ısica,muitopoucofoirealizado.Aindaassim,foi poss´ıvelapresentarcomotemasvelhosconhecidosno EnsinodeF´ısica,amodelagem,osmodelosmentais, mudan¸caconceitualeconcep¸c˜oesalternativas,podem serinvestigadospelaNeurociˆencia.Maisqueisso,foram apresentadasasprimeirasevidˆenciasdecomoestes elementossed˜aonoc´erebro,mas,infelizmente,estes resultadoss˜aopraticamentedesconhecidospelospesquisadoresda´area,revelandoafaltadainterdisciplinaridadeh´atantopropagadaemdocumentosoficiais,teses edisserta¸c˜oes. EsteartigodefendequeaNeurociˆenciapodecontribuirenormementeparaavan¸carmosnacompreens˜ao dediversostemascaroseimportantesaoEnsinode F´ısicaequevemsendoestudadosdamesmaforma h´ad´ecadas.Considere,porexemplo,apersistˆenciadas concep¸c˜oesalternativas.Desdeosanos70quej´ase conheceessefenˆomenoemuitoj´afoipesquisado,coma proposi¸c˜aodemodelosnatentativadeexplicartamanha estabilidade.Contudo,nenhumdelesfoisatisfat´orio paraacompreens˜aototaldestapersistˆencia.Assim,o

Porfim,investigamosasincroniza¸c˜aocerebralentre4estudantesdegradua¸c˜aoassistindoaumaaula expositivade40minde“Introdu¸c˜ao`aepigen´etica”. Oobjetivoeraverificarseasatividadescerebraisdestes estudantesestavamsincronizadaseseseusestadosde aten¸c˜aoeexcita¸c˜aovariavamduranteaaula.Paraisso, medidosasatividadesdasredesneuraisdoc´ortexpr´efrontalbilateralemtodoossujeitos.Nossosresultados revelaramqueaatividadecerebraldosquatroestudantesficousincronizadaentreelesapenasduranteos primeiros10minutosdeaula,diminuindonametade daaulaequasecompletamentedessincronizadoaofinal. Interpretamosqueesteresultadopodeestarrelacionado comaamplitudedeaten¸c˜aomaisampladosalunose n´ıveisdeexcita¸c˜aomaiselevadosnoin´ıciodaaula,que posteriormentev˜aodiminuindo(VerFigura10).

Figura10: (A)Grupodealunosassistindo ` aaula.(B)Ilustrac¸˜aodefontes(vermelho),detectores(azul)ecanais(amarelo)sobreo c ´ ortexpr´e-frontalbilateral.(C)Exemplodemudanc¸asdeconcentrac¸˜aodeHbOobservadasnoscanaisdecadaestudantedurante umajaneladetempode60s.(D)Box-plotsdecorrelac¸oesdeHbOentresujeitosnosquatroblocosdeaula.Alinhahorizontal pr ´ oximaaomeiodecadacaixaindicaamediana,enquantoasbordassuperioreinferiordacaixamarcamo25◦ eo75◦ percentis, respectivamente.Oasterisco(∗)destacaumadiferenc¸aestatisticamentesignificativa.Adaptadode[81].

Foramapresentadasnesteartigodiversaspesquisasque revelamopotencialdousodosarcabou¸coste´oricoe metodol´ogicodaNeurociˆenciaparaotratamentode quest˜oesimportantesetradicionaisnoEnsinodeF´ısica. Inicialmente,´ebastanteinspiradorperceberoquanto avan¸caramnos´ultimosanosaspesquisasacercado processamentomatem´aticonoc´erebro. ´ Eindiscut´ıvela importˆanciadacogni¸c˜aoMatem´aticaparaaconstru¸c˜ao dopensamentof´ısico[82]demodoquemuitopode serfeitonessainterface,aindat˜aopoucoexplorada

26 ILUM ESCOLA DE CIÊNCIAS

´ Eindiscut´ıvelopapeldocontextosocialnaEduca¸c˜ao, masmuitoaindaprecisasercompreendido.Desvelar osmecanismosneuraisenvolvidosnestasintera¸c˜oes podecontribuirsobremaneiraparaacompreens˜aodos impactosemocionaiseafetivosnocontextoescolar, permitindoumaprofundamentonecess´ariodeumtema tamb´emmuitopoucoinvestigadonoEnsinodeF´ısica. Oobjetivoprincipaldesteartigofoichamaraaten¸c˜ao paraagamaenormedepesquisasquepodemserconduzidasna´area,contribuindoparaoaprofundamentode quest˜oeste´oricasepr´aticasaltamenterelevantesparao EnsinodeF´ısica.Paraisso,h´aanecessidadedeuma integra¸c˜ao,defato,entreNeurociˆencia,Psicologiae Educa¸c˜ao.Aexpectativadequeumcampodepesquisa t˜aodistantedocontextoescolarapresentesolu¸c˜oes r´apidasef´aceis´et˜aoingˆenuaquandofalaciosa.Qualquer umqueestejadebru¸cadodeverdadesobrepesquisasna ´areacompreendeasin´umerasdificuldadesemtransladar osresultadosdeimpressionantesimagensderessonˆancia magn´eticaparaatarefadocentecotidiana.Essavis˜ao

Muitosresultadosaquiapresentadospodemserutilizadosparaaelabora¸c˜aodemodelosatuaisdemudan¸ca conceitualque,defato,tratemdapersistˆenciadas concep¸c˜oesalternativasaoinv´esdesimplesmenteconstat´a-las.Tem-se,agora,evidˆenciasacercadasprincipais ´areasdoc´erebrorelacionadas`amudan¸caconceitual quepodemcontribuirparaqueaspesquisasnotema avancem.Ospoucosexemplosaquiapresentadosrevelam oquantoaindapodeserfeito,evidˆenciasin´editaspodem sergeradasaoseutilizaraNeurociˆenciaassociadaa tantoconhecimentos´olidoj´aproduzidona´areade EnsinodeF´ısica.Muitoaindadeveseraprofundado nacompreens˜aodaprodu¸c˜aodopensamentocausal complexo,dopapeldamem´oriadelongoprazo,do controleinibit´orio,dadetec¸c˜aodeerros,dasfun¸c˜oesexecutivasedosaspectosafetivoseemocionaisenvolvidos namudan¸caconceitual.H´aumvastoeexcitantecampo aserexplorado. Aosepensarnassimula¸c˜oesmentaisdassitua¸c˜oes F´ısicaduranteaaprendizagemumoutrohorizonte seabre.Praticamentenadasesabesobrecomotais simula¸c˜oesseprocessamemsujeitoscomdiferentes n´ıveisdeaprendizagemouemdiferentespopula¸c˜oes. Algunsresultadosapresentadosnesteartigoinstigam oaprofundamentodeestudosculturaismaisamplos.

quesepodeencontrarhojeempesquisasna´area´e apenasaafirma¸c˜aodequeelasexistem,inviabilizando qualquerestrat´egiapedag´ogicaeficazdetratamentoda quest˜aojustamentepelaausˆenciadecompreens˜aodo mecanismoqueastornapersistentes,ouoabsurdodese aindaproduziremdisserta¸c˜oesetesesidentificando-as, mesmodepoisde50anosdepesquisasquepraticamente esquadrinharamtodososconte´udosdaF´ısica.Seguese,assim,ignorandoumdosmaioresproblemascomo qualtododocentesedeparaaolecionarosconte´udos cient´ıficos.

Comoser´aquetalinfluˆenciased´anoc´erebro?Quais osimpactosdasabordagenspedag´ogicasnesseprocesso? Qualopapeldacogni¸c˜aoincorporadanestassimula¸c˜oes? Estaseoutrasperguntasseguemsemrepostas.

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Estespouqu´ıssimosestudoscom eye-tracking devemser aprofundadosemuitoaindaprecisasermelhorcompreendidosobreotema,tamb´emvirtualmenteinexplorado na´areadeEnsinodeF´ısica.

Foramapresentadosnestetextoresultadospreliminaressugerindoqueregi˜oesdoc´erebroligadasaoracioc´ınio f´ısicopodemsofrermodifica¸c˜oesaolongodeumsemestre deinstru¸c˜aoemF´ısica.Assim,muitoaindadeveser feitoparainvestigarosimpactosreaisdasdiferentes metodologiasdeensino,bemcomoaprofundaroconhecimentoacercadasdiferentesestrat´egiasdeaprendizagemutilizadaspelosestudantes.Taispesquisaspodem contribuirparaaelabora¸c˜aodepr´aticaspedag´ogicas baseadasemevidˆenciasconcretasacercadarela¸c˜aoentre aaprendizagemdoalunoeasmudan¸casdesuasfun¸c˜oes cerebrais,permitindo,assim,revolu¸c˜aosimilar`aquefoi produzidanaaprendizagemdeconte´udosdeMatem´atica eLinguagem. Foiposs´ıvelrevelaropotencialdaNeurociˆenciaat´e mesmoemsitua¸c˜oescorriqueiras,comoadisposi¸c˜aoou n˜aodediagramasourepresenta¸c˜oesgr´aficasemquest˜oes deF´ısica.Apartirdousodet´ecnicasadvindasdas pesquisasemneurofoiposs´ıvelinvestigarcomoestes elementosdedesigndeumaquest˜aoorientamaaten¸c˜ao dosestudantes,propiciandooentendimentodecomoa formadeexibi¸c˜aoacabaporimpactaracompreens˜ao dedadosrelevantesdeumproblemaasersolucionado.Quandoosdadosdemedidasdeumexperimento s˜aoapresentadosapenasemumformatonum´erico,o alunoprecisamobilizarmaisrecursoscognitivospara encontrarumasolu¸c˜aocorreta.Al´emdisso,acren¸ca quemuitosprofessorestˆemsobreaimportˆanciadese colocarumdiagramaapresentandoasitua¸c˜aof´ısica aserestudadapodeacabarporprejudicaroaluno, retirandoaaten¸c˜aodepontoscruciaisparaasolu¸c˜ao. Aan´alisedosmovimentosocularesforneceinforma¸c˜oes importantessobreosprocessoscognitivossubjacentes `aresolu¸c˜aodeproblemasdeumaformaimposs´ıvelde serconseguidacomosm´etodostradicionais,queapenas fazemproposi¸c˜oesapartirdapontua¸c˜aodosestudantes.

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Tamb´emforamapresentadasevidˆenciassobreos impactosdaansiedadenoc´erebro,sugerindoqueoambienteemocionalqueasmulheresenfrentamnaaprendizagemdeconte´udoscient´ıficospodeseransiogˆenicodesdeo EnsinoFundamental,acarretandomudan¸casnaativa¸c˜ao desuasredesneuraisquepodemserdetectadasnaidade adulta,duranteoEnsinoSuperior.Assim,demaneira maisampla,esteartigotrouxetrˆesprovasdeconceitos querevelamoquantoaspesquisasemintera¸c˜aosocial emsaladeaulapodemavan¸car.Foramapresentadas evidˆenciasdecomoosc´erebrosdeprofessor-aluno ealuno-alunopodemficarsincronizadosduranteo processodeensinoeaprendizagem,revelandomecanismosaindadesconhecidosacercadestasintera¸c˜oes.

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Ningu´emquepesquisaseriamentenainterfacedestas trˆes´areast˜aocomplexasreduzaEduca¸c˜aoaumemaranhadodedisparoneuronal.Umacompreens˜aomais profundaacercadosmecanismosdeaprendizagem,que sed´aapartirdacombina¸c˜aodeachadosneurocient´ıficos comteoriasdaPsicologiaedaEduca¸c˜ao,podecontribuir paraamelhoriadoprocessodeaquisi¸c˜aoeusodo conhecimentocient´ıfico,ajudandoarepensaraEscola ButterwortheU.Goswami, Neuroscience:implications foreducationandlifelonglearning (TheRoyalSociety, Londres,2011).

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e20200430-20 NeurociˆenciaeEnsinodeF´ısica:limitesepossibilidadesemumcampoinexplorado

daNeurociˆenciaedaEduca¸c˜aocomopanaceiafazparte dacren¸cadaquelesques˜aomuitoentusiasmados,logo iludidos,oudaquelesquelucramcomamoda,logo charlat˜oes.Al´emdisso,h´aanecessidadedeneurocientistasconversarem,defato,comeducadorespois,muitas vezes,h´aoanseioemresponderperguntassemsequer sequestionarapertinˆenciadestasmesmasperguntasno contextoescolar.Poroutrolado,educadoresprecisam estarabertosaoquevemsendoproduzidoeconsiderar que,emborahajaumesfor¸coparadesvendarosmecanismosneuraisqued˜aosuporte`aaprendizagem,essa´area depesquisan˜aocomungadeumavis˜aoreducionista.

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29REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

30 ILUM ESCOLA DE CIÊNCIAS

A física estatística da #02turbulência The statistical physics of turbulence L. MORICONI, R.M. PEREIRAARTIGO 31REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA ARTIGO

1 UniversidadeFederaldoRiodeJaneiro,InstitutodeF´ısica,CEP:21945-970,RiodeJaneiro,RJ,Brasil. 2 UniversidadeFederalFluminense,InstitutodeF´ısica,CEP:24210-346,Niter´oi,RJ,Brasil.

Licenc¸aCreativeCommons

Thestatisticalphysicsofturbulence

CopyrightbySociedadeBrasileiradeF´ısica.PrintedinBrazil.

Af´ısicaestat´ısticadaturbulˆencia L.Moriconi1 ,R.M.Pereira*2

Aaleatoriedadeassociada`aevolu¸c˜aodosestados dinˆamicosturbulentossugere,naturalmente,queestes possamserinvestigadosapartirdeideiaseferramentas matem´aticasdaF´ısicaEstat´ıstica.Defato,o´ultimo

1.Introdu¸c˜ao Aindaqueofenˆomenodaturbulˆenciasejat˜aopr´oximo daexperiˆenciacotidiana,comoquandoapreciamosa quedade´aguaemumacachoeira,oquebrardasondas emumapraiaou,menospoeticamente,comonatens˜ao emocionaldospassageirosdeumvooqueatravessa´areas deinstabilidade,eleencerradesafioscient´ıficosqueo incluemnaclassedosgrandesproblemasdaF´ısica[1]. Ahist´orianosmostraquemuitasconquistasimportantesdaciˆencia,mesmoqueinicialmentedistantesda esferadasaplica¸c˜oespr´aticas,fundamentaraminova¸c˜oes duradourasedegrandeimpactosocial.Nocasoespec´ıficodapesquisaemturbulˆencia,afor¸casocialque produzatransi¸c˜aodoconhecimentopuroparaodom´ınio dasaplica¸c˜oesest´aintimamenteligadaademandasde importˆanciamuitoclara:naind´ustriaqu´ımica,emprocessosdemisturasdereagentesqu´ımicos;nadiscuss˜ao dasfontesrenov´aveisdeenergia,nodesenvolvimentode turbinase´olicase“fazendasdevento”maiseficientes; * Endere¸codecorrespondˆencia:rpereira@mail.if.uff.br

naind´ustriaaeron´autica,automobil´ısticaenaval,nos desenhosdem´aquinasqueven¸cammelhoraresistˆencia fluidodinˆamica;emmeteorologia,emmodelospreditivos deforma¸c˜aodenuvenseprecipita¸c˜ao;nasciˆencias ambientais,ema¸c˜oesparaocontroledofluxodeentrada esa´ıdadedi´oxidodecarbono,oxigˆenioeoutrosgases nabiosfera.Alistadeaplica¸c˜oespoderiacontinuar comumn´umeroaindamaiordeexemplosigualmente significativos. Adefini¸c˜aoprecisadoqueconsisteumescoamento turbulento´e,curiosamente,motivodeconfus˜aoentre especialistas[2].Algumasdesuascarater´ısticasqualitativasimportantes,entretanto,s˜aoaceitascombastante consenso:(i)aevolu¸c˜aodinˆamicadeumescoamento turbulentopossuiumajanelatemporalrestritadeprevisibilidade,(ii)escoamentosturbulentoss˜aofortemente rotacionaise,emparticular,(iii)densamente“povoados” porestruturasespaciaisquecarregammomentoangular.

Recebidoem23deoutubrode2020.Revisadoem16dejaneirode2021.Aceitoem18dejaneirode2021. Realizamosumsobrevooabrangentesobreateoriaestat´ısticadaturbulˆencia,comapreocupa¸c˜aodeembas´alaemno¸c˜oesimportanteseconsolidadasdadinˆamicadefluidos,antesdenosaprofundarmosemdiscuss˜oes demodelosmaisespec´ıficos,sujeitosadebatescontemporˆaneos.Acomplexidadedaturbulˆenciatraduzse,nachamadaabordagemestrutural,comoodesafiodecompreender,apartirdadinˆamicadetubosde vorticidade,otransportedeenergiadasgrandesparaaspequenasescalasdoescoamento,nolimitesingular deviscosidadenula.Propriedadesestat´ısticasdacascatadeenergia,comoofenˆomenodaintermitˆencia,s˜ao modeladaspormeiodenarrativasaparentementediversas,associadasaprocessosestoc´asticosmultiplicativose, alternativamente,`aformula¸c˜aomultifractaldoespectrodesingularidadesdocampodevelocidadeturbulento. As´ıntese,fundamenta¸c˜aodeprimeirosprinc´ıpioseintegra¸c˜aodessasduasvis˜oesdemodelagem`aabordagem estruturalformaocorpoessencialdasdificuldadeste´oricasatuaisdaturbulˆencia. Palavras-chave: Turbulˆencia,sistemascomplexos,sistemasn˜ao-lineares,dinˆamicadefluidos,f´ısicaestat´ıstica. Wegiveabroadoverviewofthestatisticaltheoryofturbulence,carefullybasingitonimportantand consolidatednotionsoffluiddynamics,beforegoingdeeperintothediscussionofspecificmodels,proneto contemporarydebates.Intheso-calledstructuralapproach,thecomplexityofturbulenceisperceivedasthe challengetounderstand,fromthepointofviewofvortextubesdynamics,energytransportfromlargetosmall scalesinthevanishingviscositylimit.Thestatisticalpropertiesoftheenergycascade,suchastheintermittency phenomenon,aremodelledthroughseeminglydiversenarrativesassociatedtomultiplicativestochasticprocesses or,alternatively,tothemultifractalformulationofthesingularityspectrumoftheturbulentvelocityfield.The synthesis,thefoundationfromfirstprinciplesandtheintegrationofthesetwomodellingstrategieswiththe structuralapproachbuilduptheessenceofcurrenttheoreticalchallengesinturbulence.

32 ILUM ESCOLA DE CIÊNCIAS

RevistaBrasileiradeEnsinodeFısica,vol.43,suppl1,e20200450(2021) ArtigosGerais www.scielo.br/rbef cb DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0450

Keywords: Turbulence,complexsystems,nonlinearsystems,fluiddynamics,statisticalphysics.

Temosemmente,comopanodefundoemnossas considera¸c˜oes,aclassedossistemascomplexosdefinida comooconjuntodesistemasforadoequil´ıbriotermodinˆamico,cujaspropriedadesestat´ısticasdeescalaemergemespontaneamente,semanecessidadedecalibra¸c˜ao (ouajustefino)dequalquerconjuntodevari´aveisde controle,apartirdaintera¸c˜aodeobjetoselementares definidosemumn´ıvelmuitomaisfundamentalde modelagem.

k refere-seao

RevistaBrasileiradeEnsinodeF´ısica,vol.43,suppl1,e20200450,2021

Nossoprop´osito´ediscutir,dentrodeumapanhadodas caracter´ısticasimportantesdofenˆomenodaturbulˆencia, quaiss˜aoasideiasqueest˜aoportr´asdaRela¸c˜ao(1), quaiss˜aosuasdeficiˆencias(oexpoentedeescala devesercorrigido,porexemplo)eanovaf´ısicaquese abreapartirda´ı,assuntodeenormeinteresseatual.

´eumaafirma¸c˜aosobreoespectrodepotˆenciaemum escoamentoturbulento.Narela¸c˜aoacima, n´umerodeondadosmodosdeFourierdocampode velocidade,aopassoque E (k )representaadensidade deenergiacin´eticaporunidadedemassaeporunidade den´umerodeonda.

5/3

dinˆamicos[10],isto´e,caracterizadapelasensibilidade `ascondi¸c˜oesiniciais(talcomoindicadaporexpoentesdeLyapunov)possuemumgrauelevadode demviratergrandepotencialheur´ısticonoestudoda turbulˆenciaemcontextosaindamaiscomplexos. Afimdetornarotextot˜aoautocontidoquanto poss´ıvel,acenamos,naSe¸c˜ao2,`asequa¸c˜oesdeNavierStokesdahidrodinˆamicadefluidosincompress´ıveis,ao problemadatransi¸c˜aolaminar-turbulentoeaosmecanismosdecria¸c˜aodev´orticesporinstabilidadesdinˆamicas. Emseguida,aolongodasSe¸c˜oes3e4,trazemos`aluz, respectivamente,opapelimportantequeasestruturas vorticaistˆememdiversosfenˆomenosdadinˆamicadefluidos,comoemcamadaslimiteseturbulˆenciahomogˆenea eisotr´opica,easideiasb´asicasdaabordagemestrutural daturbulˆencia.

auto-organiza¸c˜aonaformadetubosdevorticidade, parametrizadosporumn´umerorelativamentepequeno degrausdeliberdade[11,12].Estefatosugere,portanto, quefluxosturbulentospossamsermodeladoscomo gases dev´ortices,propostacentralda abordagemestrutural da turbulˆencia. Valesalientarmosqueturbulˆencia,termointroduzido porLeonardodaVinciaoredordoanode1500(consta nosseuscadernosdeestudosapalavra turbolenza, derivadadolatim turba =multid˜ao)parareferir-se pictoricamenteaosmovimentosdesordenadosdefluidos comoumagregadodeestruturas(turbilh˜oes),´ehoje emdiaumvastocampodepesquisa,comingredientes fenomen´ologicosmuitovariados[13–15].Nossadiscuss˜ao est´acentradanoquepodesedenominaro problema m´ınimodaturbulˆencia,voltadoparaoentendimentodos mecanismossubjacentes`aturbulˆenciaestatisticamente homogˆeneaeisotr´opicaemfluidosincompress´ıveis.Este ´eoproblemafundamental,apartirdoqualnovos resultadosecaminhosalternativosdecompreens˜aopo-

NaSe¸c˜ao5apresentamososfundamentosedesenvolvimentosdateoriaestat´ısticadaturbulˆencia,entre osquaisoformalismomultifractal[13,16],cujoimpactoprovou-sedegrandevalorn˜aoapenasemf´ısica estat´ıstica,masemoutrosdom´ıniosdaf´ısicacomosistemasdinˆamicosemat´eriacondensada.Formula¸c˜oesmais recentesdemodelagem,nocalordaspesquisasatuais, s˜aorevisadasnaSe¸c˜ao6,nasquaiss˜aoenfatizados aspectosn˜ao-markovianosdaturbulˆencialagrangianae afus˜aoentreosencaminhamentosdateoriaestat´ıstica daturbulˆenciaedaabordagemestrutural. NaSe¸c˜ao7,fazemosumanotahist´oricasobreo statusatualdapesquisaemturbulˆencia,al´emdebrevescoment´ariossobrealgunsassuntosquedeixamos deabordar,n˜aoporseremmenosinteressantes,mas principalmenteparamanterotextodentrodelinhas maisfundamentaisdediscuss˜ao.Sugerimos,concluindo, aoleitor/leitoracujointeressemaiorpossatersido despertadopelaleituradesteartigoderevis˜ao,algumas fontesbibliogr´aficasparaoestudodeaspectosbasilares dadinˆamicadefluidose,maisparticularmente,da turbulˆencia.

DOI:https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0450

Fluxosturbulentos,cujaevolu¸c˜aoglobaldocampo develocidade´eca´oticanosentidoprecisodossistemas

33REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA

Aexistˆenciadeumaleideescalaparaoespectro deenergiaturbulento,talcomoexpressopelaRela¸c˜ao (1),podeserinterpretadacontemporaneamentecomo umamanifesta¸c˜aodofenˆomenodecriticalidadeautoorganizada,perspectivaquetransportaoproblemada turbulˆenciaparadentrodoarcabou¸codossistemas complexos[8].Estacontextualiza¸c˜ao´e,defato,um quebra-cabe¸casemprocessodeconsolida¸c˜ao,comoesclareceremosnasse¸c˜oesseguintes.

e20200450-2 Af´ısicaestat´ısticadaturbulˆencia apontamentodasc´elebresnotasmanuscritasdocurso deF´ısicaEstat´ısticadeE.Fermi[3],parafraseadoaqui como E (k ) ∼ k 5 3 (1)

ARela¸c˜ao(1),consequˆenciaimediatadetrabalhos publicadosporA.N.Kolgomorovem1941[4–6],´e umaprimeira(eexcelente)respostaaoproblemada distribui¸c˜aoespectraldeenergiaturbulenta,lan¸cado porG.I.Taylorem1938[7].Trata-sedeencontraro an´alogoturbulento,noˆambitodadinˆamicadefluidos, dadistribui¸c˜aoespectraldePlanckparaaradia¸c˜aode corponegronamecˆanicaestat´ıstica.

´ Einstrutivo, portanto,confront´a-lo`avis˜aodeturbulˆenciacomoum sistemacomplexocr´ıticoauto-organizado.Osobjetose regrasdemodelagemapartirdosquaisemergempropriedadesestat´ısticasdeescalas˜aosimplesebemdefinidos noproblemadasavalanchesdeareia;j´anafenomenologiadaturbulˆencia,acaracteriza¸c˜aoprecisadequaiss˜ao osobjetosdeinteresseequaiss˜aoasregrasdeintera¸c˜ao entreeless˜aoproblemasessencialmenteabertos.

Osconceitosdecomplexidadeecriticalidadeautoorganizadatrazemimediatamente`adiscuss˜aoomodelo paradigm´aticodasavalanchesempilhasdeareia,introduzidoporP.Baketal.em1988[9].