Os raios cósmicos e o ensino de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio

Cosmic rays and the teaching of Modern and Contemporary Physics in High School

Resumo

Neste artigo é apresentada uma proposta de ensino de Física Moderna e Contemporânea com tema específico de Física de raios cósmicos, seus constituintes e fenômenos associados. A metodologia do trabalho é baseada em um ponto de vista de estreitamento da ciência e seus métodos por meio da Ciência Cidadã, com a utilização do projeto CREDO, da detecção e análise de raios cósmicos com a câmera de smartphones. Discutimos aprendizagem por meio da Teoria de Campos Conceituais de Vergnaud, onde os resultados indicam apropriação de conceitos centrais do campo conceitual necessário à detecção, com variação no nível de organização das representações finais.

Palavras-chave:
Raios cósmicos; CREDO Detector; Ciência Cidadã

Abstract

In this article, a proposal for teaching Modern and Contemporary Physics is presented, with the specific theme of cosmic ray physics, its constituents, and associated phenomena. The work’s methodology is based on a viewpoint of bringing science and its methods through citizen science, using the CREDO project and the detection and analysis of cosmic rays with smartphone cameras. We discuss learning through Vergnaud’s Conceptual Fields Theory, demonstrating positive results from the applied didactic sequence.

Keywords:
Cosmic Rays; CREDO Detector; Citizen Science

1. Introdução

Ensinar Física nos tempos atuais vem se tornando um grande desafio que a cada dia cresce de maneira substancial. Razões associadas a este fato podem ser a falta de interesse dos estudantes, motivada por métodos ou assuntos que não os agradam, ausência de metodologias propostas pelo professor em sala de aula ou mesmo a ausência de significado que tais conhecimentos e métodos podem trazer a eles. Esta ausência é, de certa forma, consolidada por um desdém por parte não somente dos estudantes em si, mas da sociedade como um todo, fruto do distanciamento que há entre a ciência e seus métodos das pessoas, motivada por uma relação frágil, através apenas da geração de conhecimento, ainda que o mesmo gere frutos que são por ela utilizados [¹]. Essa problemática, ainda segundo Santos [¹], reflete de forma direta no ensino dentro da escola, devido este ser um espaço amplo de construção, difusão e discussão de ideias,que deveria trazer aos estudantes o primeiro contato com a ciência e seus métodos, além das potencialidades para a construção de uma sociedade melhor.

Como uma tentativa de realizar uma aproximação entre a ciência e os estudantes, a BNCC [²] traz em seu texto alguns pontos específicos das Ciências da Natureza que visam o letramento científico em sala de aula, isto é, a construção de conhecimentos básicos sobre o fazer científico por meio do método científico aplicado, bem como da utilização de tecnologias como resultados.

Diante deste contexto e embasamento, traz-se neste trabalho uma proposta de abordagem de física moderna e contemporânea fruto da construção e aplicação de um produto educacional produzido no Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) do pólo 23 em Quixadá-CE [³]. Por meio deste trabalho busca-se apresentar uma temática de exploração atual na pesquisa científica, a saber, raios cósmicos e o trabalho de instrumentação de suas detecções.

Os raios cósmicos, partículas provenientes do espaço com espectro de altas energias de até ${10}^{\text{19}}$ eV, foram motivo de discussões e pesquisas entre o final do século XIX e início do século XX. Segundo Studart e Leigui [⁴], o estudo dos raios cósmicos iniciou com um fenômeno de origem estranha à luz do conhecimento da época: a perda gradativa de carga elétrica pelos corpos eletrizados ainda que blindados ou isolados. Este fenômeno chamou a atenção de físicos da época por conta da perda ocorrer em razão do aumento da radiação local oriunda não da Terra, mas de camadas elevadas da atmosfera. Segundo diversos autores [⁵, ⁶, ⁷], os raios cósmicos podem prover muitas informações acerca de objetos extragaláticos, dentro de uma perspectiva da Astrofísica multimensageira, por conta das suas altas energias, com indícios de fontes ainda mais energéticas. Do ponto de vista de aplicações diretas de temas de física de partículas no nosso cotidiano, podemos citar a produção de imagens em Medicina por meio da Tomografia PET onde a emissão de pósitrons é o efeito crucial [⁸]. De outra maneira, tomografia por emissão de múons é importante para se estudar aspectos associados com Geociências [⁹].

Este trabalho tem como objetivo geral promover a conexão entre a pesquisa científica real e o ensino de Física Moderna no nível médio, por meio da abordagem da Ciência Cidadã, que envolve a cooperação de cidadãos não especialistas em projetos científicos [¹, ⁶, ¹⁰]. Como objetivos específicos, busca-se $1)$ estreitar as relações entre a prática científica e o aprendizado de Física de raios cósmicos e $2)$ elaborar materiais didáticos e uma sequência de atividades que fundamentam uma “caça às partículas”. Neste trabalho, utilizamos o projeto Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory¹ (CREDO), uma iniciativa de Ciência Cidadã que permite registrar eventos de raios cósmicos no sensor de smartphones e, por meio deste, discutir em contexto escolar, conceitos associados à detecção de partículas e radiação [⁶, ⁵, ⁷].

A importância do smartphone no ensino de física é apresentada de forma ampla em Melo [¹¹] e Barbosa [¹²], os quais ilustram o uso de tal tecnologia no ensino fundamental, bem como no ensino médio, na abordagem em física contemporânea, respectivamente. Ainda no contexto da Física moderna, foi utilizado como motivação o trabalho do MNPEF [¹⁰, ¹³], que apresenta o software “Modern Physics” desenvolvido como ferramenta de apoio nas temáticas diversas em Física Moderna. Este trabalho serviu de suporte na construção da metodologia de aplicação, além da possibilidade de se aliar softwares na execução de sequências didáticas em Física Moderna. No produto educacional discutido em Carvalho [¹⁴], destacamos também o software denominado “O Caçador de Partículas”, um jogo de videogame voltado à física de partículas e que serviu de suporte a este trabalho, devido à proximidade com a temática desenvolvida, bem como da metodologia aplicada mediante a participação ativa dos estudantes. Em relação à Ciência Cidadã, há panoramas gerais acerca da utilização de projetos, não somente em Física, mas também em outras áreas das ciências da natureza, que ilustram a participação dos cidadãos em ações voltadas para a atividade científica [¹⁰, ¹⁵].

Finalmente, temos como ferramenta de trabalho aliada à temática dos raios cósmicos o projeto CREDO, que trata-se de um projeto de observação de raios cósmicos bastante amplo que envolve a participação cidadã, à qual se resume ao uso de smartphones por um grande número de pessoas. Assim, é justamente nestes aparelhos que se instala um aplicativo que captura imagem de partículas, resultado que promove toda a ação que será aqui descrita. Seu potencial de alcance, participação cidadã, plataforma de obtenção e estudo dos dados, dentre vários outros artifícios, além do próprio site e aplicativo de detecção² são características importantes que podem ter impacto na sala de aula [⁶, ⁵, ⁷].

Este trabalho está organizado da seguinte maneira. Na seção $2$ é apresentada a fundamentação teórica acerca dos raios cósmicos, seus constituintes, fenômenos inerentes e a física básica dos detectores utilizados nos smartphones. Na seção $3$, é apresentado o projeto CREDO, além de toda a motivação para sua utilização na detecção de raios cósmicos, bem como a temática da Ciência Cidadã. Na seção $4$, é apresentada a metodologia de aplicação do trabalho realizado. Nas seções $5$ e $6$, são apresentados alguns dos resultados obtidos após a aplicação da sequência didática, o trabalho de “caça às partículas” e os relatos de alguns estudantes quanto às suas aproximações da ciência. Finalmente, na seção $7$, são levantadas as conclusões do trabalho, bem como algumas perspectivas de ações futuras.

O presente artigo contém uma seção extra denominada Disponibilidade de Dados, na qual foi inserido o link para a referência motivadora, bem como o produto educacional associado.

2. A Física da Detecção de Raios Cósmicos

O estudo dos raios cósmicos teve início em 1912 quando o físico Victor F. Hess, intrigado com o fenômeno da perda de carga elétrica por corpos eletrizados, executou uma série de experimentos envolvendo balões a grandes altitudes (cerca de 5300 metros), realizando medidas do aumento das ionizações atmosféricas, concluindo que seriam causados por radiações vindas de fora da atmosfera, observando-se um alto poder de penetração [⁴]. Inicialmente, Hess interpretou essas radiações como raios gama ultraenergéticos (ou radiações ultragama). Após Hess outros físicos também demonstraram interesse no assunto e realizaram experimentos similares com balões. De acordo com [⁴], Werner H. G. Kolhoster realizou vôos de balão a altitudes cerca de 9300 m e pôde concluir também a presença de radiações, batizando-as de “radiações de altitude”. O termo Raio Cósmico foi designado inicialmente por Robert Millikan em 1925, também ao realizar estudos na área [⁴].

Vários são os paradigmas que norteiam e intrigam os cientistas acerca dos raios cósmicos, motivando o seu estudo. Dentre eles, destaca-se o regime de energias ultra-altas ou UHECR (Ultra-High-Energy Cosmic Ray), com valores da ordem de ${10}^{\text{19}}$ eV ou superiores, no qual o fluxo de eventos torna-se extremamente raro e permanecem em aberto questões sobre mecanismos de aceleração e fontes (potencialmente extragalácticas ou associadas a objetos compactos e energéticos, como pulsares e buracos negros supermassivos) [⁵, ⁶, ¹⁶]. Além disso, nessa faixa energética, efeitos de propagação cosmológica passam a ser decisivos: acima de algumas dezenas de EeV espera-se uma supressão do espectro devido a perdas de energia em interações com fótons da radiação cósmica de fundo (CMB), processo conhecido como limite de Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) [¹⁷]. Assim, o intervalo $\underset{˜}{>}{10}^{\text{19}}$ eV concentra interesse por combinar raridade estatística, incertezas sobre origem e efeitos de propagação. Por isso, diversos observatórios espalhados pelo mundo vêm empreendendo esforços para compreender esses fenômenos. Do ponto de vista didático, essa discussão permite conectar energia, raridade estatística e propagação cosmológica a um problema real de fronteira na Física.

A constituição dos raios cósmicos é basicamente de partículas com altas energias (relativísticas), sendo estas majoritariamente prótons, partículas alfa e núcleos normais de elementos químicos diversos, com abundância cósmica padrão de matéria (ferro, cobre, carbono, hélio, por exemplo). A Figura 1 mostra a abundância dos elementos mais pesados constituintes dos raios cósmicos confrontando os dados com a abundância dos mesmos elementos no sistema solar.

Figura 1
Abundância de Núcleos pesados constituintes dos raios cósmicos [¹⁷].

Além de tais núcleos pesados, os raios cósmicos também são compostos por partículas mais leves, tais como elétrons, neutrinos, múons, além de fótons e algumas partículas de antimatéria como os pósitrons e antiprótons [¹⁷, ¹⁸]. As partículas elementares são descritas pelo modelo padrão, o qual sintetiza e as organiza em termos de suas características básicas apresentadas na natureza: massa, carga e spin [¹⁹, ²⁰, ²¹]. O modelo padrão é a teoria mais bem aceita que descreve as partículas elementares e seus comportamentos. A Figura 2 ilustra a composição básica do modelo padrão.

Figura 2
Representação das partículas fundamentais do Modelo Padrão. Disponível em [²²].

Além das partículas provenientes de diferentes origens, é importante destacar que a formação e a propagação dos raios cósmicos envolvem uma série de mecanismos físicos desde o momento em que o raio cósmico primário surge até a sua detecção na superfície terrestre. Esses raios podem ter origem tanto em fontes conhecidas como em fontes ainda não identificadas, localizadas no interior da nossa galáxia ou em regiões extragalácticas. Eles abrangem uma ampla faixa de energia, cobrindo diferentes porções do espectro eletromagnético, o que torna sua investigação ainda mais desafiadora.

Para que os raios cósmicos cheguem até a Terra, eles passam por diversos processos de interação com a matéria. Entre os mecanismos mais relevantes destacam-se o espalhamento, que ocorre quando os núcleos dos raios cósmicos colidem com outros núcleos ou átomos ao longo de seu caminho, e o decaimento, caracterizado pela emissão de partículas ou radiação a partir de elementos instáveis³. O resultado combinado desses mecanismos, quando acontece na atmosfera terrestre, dá origem a fenômenos conhecidos como chuveiros atmosféricos ou cascatas, formados a partir da colisão dos raios cósmicos com os átomos presentes no ar [¹⁷].

Por fim, as cascatas de raios cósmicos representam a manifestação mais visível desses processos, sendo resultado de sucessivos espalhamentos e decaimentos desde a entrada dos raios cósmicos primários na atmosfera até a sua chegada à superfície. Ao longo desse percurso, diferentes tipos de partículas são produzidas, permitindo classificar as cascatas em três componentes principais:

• Componente eletromagnética: formada predominantemente por elétrons, pósitrons e fótons;

• Componente hadrônica: composta por píons, nêutrons, prótons e núcleos mais pesados, como as partículas alfa;

• Componente mesônica: caracterizada pela presença de múons, píons, neutrinos e káons [²³].

A Figura 3 ilustra de forma esquemática a formação dessas cascatas e a distribuição de suas diferentes componentes.

Figura 3
Cascatas de raios cósmicos e suas componentes [²³].

A relevância da detecção dos raios cósmicos para o avanço científico é justificada por Silva [³], sobretudo, porque o estudo das cascatas atmosféricas depende diretamente da capacidade de registrarmos suas partículas e radiações associadas. Essa detecção pode assumir diferentes formas, desde as mais simples até as mais sofisticadas, refletindo a evolução histórica e tecnológica dos instrumentos utilizados.

No cotidiano, por exemplo, o olho humano atua como um detector natural, capaz de perceber apenas a faixa do espectro correspondente à radiação visível. Em contextos experimentais mais rudimentares, dispositivos como filmes fotográficos foram empregados de forma ampla para registrar partículas de alta energia. Com os avanços da ciência e da tecnologia, surgiram detectores digitais muito mais sensíveis e precisos, baseados em CCD (Charged Coupled Device ou Dispositivo de Carga Acoplada) e em CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor ou semicondutor de óxido metálico complementar). Atualmente, esses detectores estão presentes até mesmo em câmeras de smartphones, o que evidencia como tecnologias originalmente desenvolvidas para a pesquisa científica passaram a integrar nosso dia-a-dia.

O funcionamento desses dispositivos digitais baseia-se em estruturas semicondutoras, geralmente de silício, que interagem com a radiação incidente. Essa interação gera sinais elétricos, posteriormente processados e convertidos em informações digitais que podem ser exibidas em telas [²⁴]. Em termos técnicos, tanto os sensores CCD quanto os CMOS são compostos por milhões de pequenas regiões chamadas pixels, cada uma sensível à chegada de fótons. Essa sensibilidade não apenas permite a formação de imagens convencionais, mas também possibilita a realização de registros espectroscópicos, nos quais as informações estão associadas à distribuição de energia dos fótons detectados [²⁵]. A Figura 4 apresenta um diagrama esquemático desses dispositivos e de seus principais componentes.

Figura 4
Esquema do dispositivo CCD [²⁴].

3. Fundamentação Teórica: O Projeto CREDO, Ciência Cidadã e Teoria dos Campos Conceituais (Vergnaud)

3.1. Raios cósmicos, desafios de detecção e o projeto CREDO

As pesquisas recentes em raios cósmicos apontam um grande potencial nas análises de tais objetos para uma compreensão mais precisa de buracos negros supermassivos, matéria escura e energia escura, aspectos cosmológicos acerca dos primeiros momentos do big bang, origens galácticas e extragalácticas dos raios cósmicos, dentre vários outros mistérios [⁵, ⁷]. A possibilidade de se aliar a pesquisa em raios cósmicos em observatórios diversos, tais como o Pierre Auger na Argentina, gerou na última década esforços mundiais no sentido de tentar resolver os mistérios citados [⁷, ⁵, ⁶].

Apesar de ser consideravelmente promissor com a ajuda de vários observatórios importantes, o estudo dos raios cósmicos enquanto mensageiros espaciais ainda enfrenta muitos desafios. Um dos mais importantes encontra-se na grande taxa de incidência de raios cósmicos na superfície terrestre em confronto com a área de detecção muito pequena [⁵, ⁶]. Para se ter uma ideia, o observatório Pierre Auger apresenta uma distribuição vasta de detectores sobre uma área⁴ de aproximadamente 3000 $k{m}^2$, conforme mostra a Figura 5. No entanto, apesar dessa vasta extensão territorial, a área ocupada pelos detectores torna-se ínfima diante da área de incidência dos raios cósmicos por toda a superfície terrestre, o que faz com que os dados de detecções sejam insuficientes [⁶].

Figura 5
Extensão territorial do observatório Pierre Auger. Disponível em https://www.flickr.com/photos/134252569@N07/22089748836/in/album-72157659225375559, acesso em 05/09/2024 às 21:10.

Diante desse contexto e esforços na observação/estudo dos raios cósmicos com o advento da Astrofísica Multimensageira, o Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) cria o projeto CREDO Detector – Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory (ou Observatório de Raios Cósmicos Extremamente Distribuídos) – como uma iniciativa que objetiva a otimização das detecções e análises de raios cósmicos pelo mundo por meio do trabalho cidadão e a utilização de smartphones para este fim. Como dito anteriormente, a motivação para este projeto está na alta taxa de incidência de raios cósmicos por todo o globo terrestre e a inviabilidade de se ter detectores e observatórios de larga escala e em grande número, de modo a realizar a cobertura da superfície terrestre, atingindo o máximo da área de incidência dos raios cósmicos e assim obter dados mais precisos. Com este objetivo lançado, o projeto utiliza ferramentas tecnológicas de grande popularidade e de relativa facilidade de acesso, como são os smartphones, e faz uso dos dispositivos CCD neles embutidos para a detecção da radiação proveniente dos raios cósmicos. Como os dispositivos de detecção são de pequena escala, é pensada pelo projeto a participação cidadã na cobertura de grande parte da superfície terrestre na captura dos raios cósmicos. Sendo assim, este é um projeto em Ciência Cidadã, ou seja, um projeto científico real que agrega para os seus propósitos a participação de cidadãos leigos [³].

Ciência Cidadã pode ser entendida como a participação de cidadãos não especialistas em etapas de um projeto científico – por exemplo, coleta, registro, classificação, validação e compartilhamento de dados – sob protocolos definidos por uma equipe de pesquisa [¹⁰]. Em geral, projetos desse tipo ampliam a escala observacional e viabilizam levantamentos que seriam inviáveis apenas com equipes profissionais, ao mesmo tempo em que promovem aproximação pública com práticas do fazer científico.

Em contexto escolar, a Ciência Cidadã tem potencial formativo por colocar o estudante em contato com problemas reais, critérios de qualidade de dados e formas de validação coletiva permitindo que estudantes vivenciem práticas científicas autênticas (observação, registro, comparação e discussão de confiabilidade) e aproximando o ensino de Física do modo como dados são gerados e validados em pesquisas atuais [⁶, ¹⁰]. Ao mesmo tempo, exige mediação didática: o professor precisa tornar explícitos os objetivos do protocolo, os cuidados operacionais e a diferença entre “registrar um evento” e “produzir um dado confiável”, evitando que a atividade se reduza a um uso instrumental de tecnologia [¹³].

Com a participação cidadã aliada ao projeto, torna-se possível uma cobertura ampla da superfície terrestre por meio dos detectores das câmeras dos smartphones. Dessa forma, são gerados números maiores de ensembles⁵, de tal forma a potencializar as detecções de raios cósmicos. A Figura 6 ilustra a diferença entre as detecções por meio de observatórios de raios cósmicos e por meio da proposta feita pelo projeto CREDO: o trabalho cidadão vai além do estudo de chuveiros atmosféricos individuais mostrando que somente com a busca por correlações globais entre múltiplos eventos, torna-se possível identificar novas assinaturas físicas, apresentando-se como o diferencial científico do CREDO. Tais assinaturas são caracterizadas por ensembles de eventos em smartphones diversos que incluem chuveiros de partículas com espectros de energias distintos, específicos de diversos grupos de partículas, tais como elétrons, fótons, prótons, mas de maneira especial, dos múons [⁵, ¹⁷, ¹⁶].

Figura 6
Diferenças de abordagens nas detecções de raios cósmicos por meio dos observatórios e por meio da proposta do CREDO Detector [⁶].

O projeto CREDO possui como ferramentas o seu site⁶ trazendo várias informações acerca da proposta de trabalho, artigos publicados, equipes de detecção e até mesmo competições com a captura das imagens, além de vídeos motivadores acerca da pesquisa em raios cósmicos com o apoio cidadão.

Finalmente, além do site criado para os propósitos do projeto CREDO, foi também criado o aplicativo CREDO Detector, o qual é disponibilizado para smartphones do tipo Android ou iOS, em suas respectivas lojas de aplicativos. Mais especificamente, é apresentado no produto educacional o funcionamento do aplicativo de detecção a partir de instruções e artigos encontrados no site, além do manuseio do aplicativo⁷ realizado por Silva [³]. Mais do que uma forma de coleta de dados, a Ciência Cidadã constitui um processo formativo, no qual o participante compreende etapas do método científico, como observação, registro e análise crítica de informações [⁶]. Essa perspectiva também possui dimensão social, ao integrar a comunidade escolar à produção científica, reforçando a ideia de que a ciência é uma prática acessível e colaborativa [¹³].

3.2. Teoria dos Campos Conceituais: campoconceitual e Tríade de Vergnaud

Embora a Ciência Cidadã ofereça um contexto rico de práticas científicas autênticas, sua adoção no Ensino Médio não garante, por si só, que os estudantes construam relações conceituais estáveis sobre o fenômeno investigado e sobre o próprio processo de detecção. Por isso, além de descrever a proposta didática, é necessário um referencial que permita interpretar como os estudantes organizam conceitualmente a experiência vivida, isto é, que tipos de ideias operatórias mobilizam e como as expressam em diferentes registros.

A Teoria dos Campos Conceituais, proposta por Gérard Vergnaud [²⁸], fornece um referencial cognitivo para compreender como conhecimentos complexos são construídos e organizados por meio da interação entre diferentes classes de problemas e situações. Nessa perspectiva, um Campo Conceitual pode ser entendido como uma rede de conceitos, relações e procedimentos que se desenvolve quando o sujeito enfrenta situações variadas que compartilham estruturas subjacentes; assim, aprender um conceito não se reduz a memorizar definições, mas envolve coordenar esquemas e atribuir sentido a situações distintas.

O núcleo da teoria é a Tríade de Vergnaud: Situações, Invariantes Operatórios e Representações. As Situações correspondem às tarefas e problemas propostos. Os Invariantes Operatórios são componentes estáveis dos esquemas que orientam a ação do sujeito, incluindo conceitos-em-ação (objetos, predicados ou categorias considerados relevantes) e teoremas-em-ação (proposições tomadas como verdadeiras na prática). As Representações, por sua vez, são sistemas de sinais (palavras, fórmulas, imagens, mapas, tabelas) pelos quais o conhecimento é expresso e reconstruído, possibilitando tornar explícitos elementos que antes operavam de forma implícita.

No ensino de Física Moderna, essa teoria mostra-se especialmente adequada para interpretar aprendizagens relacionadas a fenômenos abstratos, como radiação, detecção e partículas. As atividades práticas e investigativas, desenvolvidas na sequência didática com o auxílio do projeto CREDO, configuram situações de aprendizagem que favorecem a formação e estabilização de invariantes operatórios, isto é, princípios e relações que passam a orientar o raciocínio do estudante ao lidar com o tema. Neste trabalho, tomamos como campo conceitual da detecção de raios cósmicos com smartphones a rede de ideias que articula: (i) natureza/constituição dos raios cósmicos e cascatas; (ii) evento de detecção vs. imagem comum; (iii) condições operacionais do sensor (luminosidade, estabilidade, tempo de aquisição); (iv) noções de ruído, repetição e validação coletiva; e (v) significado físico de padrões (pontos, rastros e variações). As representações finais (mapas e relatos) são analisadas como indícios do grau de articulação dessa rede.

Nesse sentido, adotamos a Teoria dos Campos Conceituais de Vergnaud como lente analítica. Na perspectiva da Tríade de Vergnaud, as atividades de Ciência Cidadã com o CREDO constituem as situações (tarefas e problemas) que demandam decisões e justificativas; os procedimentos e “regras implícitas” que orientam a ação dos estudantes (por exemplo, controle de condições de detecção, noções de ruído e validação em rede) correspondem a invariantes operatórios; e os produtos elaborados ao final (mapas conceituais e relatos) são tratados como representações que evidenciam o grau de articulação do campo conceitual mobilizado.

Para explicitar essa articulação no presente trabalho, adotamos o seguinte mapeamento operacional da Tríade:

• Situações: uso do aplicativo CREDO Detector (iniciado a partir da Aula 2), coleta em grupos e discussão das condições operacionais que influenciam a detecção e a confiabilidade dos registros;

• Invariantes operatórios (esperados): necessidade de controle de condições de detecção (baixa luminosidade, estabilidade do dispositivo e padronização do procedimento), distinção entre “evento” registrado pelo sensor e imagem comum, e noções de confiabilidade associadas a repetição, comparação e validação em rede;

• Representações: mapas conceituais finais e relatos/registros produzidos após as atividades, utilizados como evidências da organização conceitual mobilizada ao término da sequência.

As representações simbólicas construídas, como os mapas conceituais e registros textuais, expressam o campo conceitual em desenvolvimento. Assim, a teoria de Vergnaud oferece base teórica para compreender como os estudantes transformam suas experiências concretas de detecção e análise em representações científicas, evidenciando o processo de reorganização dos esquemas cognitivos no contexto da Física dos raios cósmicos.

Nesse sentido, a sequência didática foi construída à luz dos pressupostos de Vergnaud, alinhada com a proposta em Ciência Cidadã apresentada anteriormente. Em relação às ideias de Vergnaud, a proposta de sequência didática traz consigo o campo conceitual que permite a compreensão básica da detecção dos raios cósmicos, isto é, os conceitos e assuntos trabalhados ao longo das aulas que permitem a compreensão simbólica das imagens apresentadas nas telas dos smartphones, bem como os seus significados físicos, permitindo respostas a algumas perguntas relacionadas ao tema, tais como: “O que representam os riscos e pontos?” ou mesmo “O que representam as cores distintas?”, “O que são raios cósmicos?”, “Quais os constituintes dos raios cósmicos e como eles são vistos nas câmeras?”. Tais perguntas estiveram presentes ao longo de toda a sequência didática e foram colocadas como avaliação dos estudantes na construção de mapas conceituais, lugar onde eles tiveram a oportunidade de explicitar seus campos conceituais desenvolvidos com o tema abordado por meio da escrita do que vivenciaram [³].

De uma forma resumida, o escopo teórico básico do trabalho refere-se à Física dos raios cósmicos desde suas formações, mecanismos de propagação, espalhamento e detecções por meio de dispositivos para as suas capturas. Na aplicação em sala de aula, este escopo vai mais além devido ao objetivo de trazer aos estudantes a oportunidade de aprender como a ciência moderna é feita, por meio da aplicação do método científico aliada à utilização de tecnologias, bem como de trabalhos reais que buscam o envolvimento cidadão. Nesse contexto, conforme mencionado anteriormente, estratégias pedagógicas são adotadas [³] para este engajamento, baseadas na pesquisa em raios cósmicos e na Ciência Cidadã por meio do projeto CREDO, com a aplicação da pesquisa em sala de aula.

4. Proposta de Atividades Didáticas e Metodologia para o Ensino de Física de Raios Cósmicos

Nesta seção apresentamos a metodologia utilizada neste trabalho. A proposta apresentada ressalta a construção e aplicação de atividades em sala de aula por meio da utilização do projeto e aplicativo CREDO detector. A intervenção ocorreu em uma escola pública localizada em Fortaleza, com regime regular e perfil socioeducacional típico de periferia. Ao término da intervenção, foram coletados 24 mapas conceituais finais, os quais constituem o corpus analisado neste manuscrito. Os demais 8 estudantes não entregaram o produto final, o que caracteriza uma limitação de adesão. A sequência didática teve duração total de 10 encontros⁸. Estas atividades estão contidas no produto educacional intitulado “Vamos ser cientistas? Capturando raios cósmicos com smartphones”.

O produto educacional produzido possui um material rico em conhecimento acerca dos raios cósmicos, tais como origens, partículas e detectores, além de um manual de funcionamento para o aplicativo CREDO detector, bem como a descrição em detalhes do site do projeto, com as devidas orientações para a inscrição, detecção e visualização das imagens detectadas pelos aparelhos. O Quadro 1 apresenta de forma resumida os encontros, seus objetivos e duração.

Quadro 1
Sequência Didática montada.

Encontros	Assuntos	Objetivos	Duração
1	A CIÊNCIA CIDADÃ; A COOPERAÇÃO ENTRE SOCIEDADE E CIDADÃOS EM PROJETOS CIENTÍFICOS;	Entender o funcionamento de colaborações científicas que envolvem cidadãos leigos em descobertas importantes; Suscitar nos estudantes o sentimento de participação em “Fazer Ciência”, de modo a mostrá-los que a participação cidadã também tem a sua contribuição.	2 h/a
2	RAIOS CÓSMICOS- FUNDAMENTOS BÁSICOS; PROVÁVEIS ORIGENS; PESQUISA E OBSERVAÇÃO ENTRE CENTROS DE PESQUISA.	Entender o conceito de Raios Cósmicos, suas prováveis origens e benefícios que trazem consigo; Entender como funcionam os grandes centros de pesquisa científica, em especial, os de detecções de Raios Cósmicos; Aprender como se dá a cooperação na ciência, enfatizando a participação cidadã.	2 h/a
3	CONSTITUIÇÃO DOS RAIOS CÓSMICOS; OS NÚCLEOS E AS PARTÍCULAS ALFA, BETA E GAMA.	Entender os aspectos básicos da Física de Partículas por meio das partículas básicas proveniente das emissões radioativas de elementos químicos, bem como as suas descobertas.	2 h/a
4	CONSTITUIÇÃO DOS RAIOS CÓSMICOS E A FÍSICA DE PARTÍCULAS	Aprender os constituintes básicos dos Raios Cósmicos e seus aspectos fenomenológicos, a Física de partículas e o Modelo padrão em sua forma mais básica.	2 h/a
5	A PESQUISA EM RAIOS CÓSMICOS: FENOMENOLOGIA; DECAIMENTOS E ESPALHAMENTOS; CHUVEIROS (OU CASCATAS) DE RAIOS CÓSMICOS.	Entender o funcionamento dos Raios Cósmicos ao incidirem na superfície terrestre e os fenômenos básicos de ocorrência: decaimentos e espalhamentos de radiação e partículas desencadeando as cascatas de Raios Cósmicos.	2 h/a
6	APRESENTAÇÃO DA PESQUISA EM RAIOS CÓSMICOS: FENÔMENOS BÁSICOS E CONSTITUINTES	Entender os fenômenos básicos por trás dos Raios Cósmicos ao chegarem na Terra; Compreender o espalhamento de corpos e partículas; Compreender o que é o decaimento de núcleos e partículas; Compreender os chuveiros de Raios Cósmicos como o produto final de espalhamentos e decaimentos de partículas; Compreender a importância do estudo dos Raios Cósmicos, seus fenômenos, bem como aplicações tecnológicas desse estudo.	2 h/a
7	DETECTORES DE RADIAÇÃO E PARTÍCULAS. EXEMPLOS DE DETECTORES; OS DETECTORES CREDO E OS SMARTPHONES.	Entender o princípio de funcionamento de detectores diversos, culminando nos detectores de Raios Cósmicos nos smartphones.	3 h/a
8	APRENDIZADO PRÁTICO: COLETA DE AMOSTRAS DE IMAGENS DE RAIOS CÓSMICOS DETECTADOS.	Entender de forma básica como se dá a colaboração entre grupos científicos na análise de amostras de dados; Trabalhar entre os estudantes a cooperação em grupo com a finalidade de resolver um dado problema; Reforçar, na prática, a prática cidadã na ciência e a sua relação com a cooperação científica.	2 h/a
9	APRENDIZADO PRÁTICO: TRATAMENTO DE AMOSTRAS DE IMAGENS DE RAIOS CÓSMICOS DETECTADOS.	Trabalhar o tratamento básico de dados das detecções realizadas ao longo dos dias. Aprender sobre a importância de se fazer tal tratamento e como o mesmo é apurado pela central de dados do CREDO.	2 h/a
10	CONSTRUÇÃO DE MAPAS CONCEITUAIS SOBRE OS ASPECTOS DE RAIOS CÓSMICOS, DETECÇÃO E CONSTITUINTES.	Construir mapas conceituais acerca dos temas abordados, como uma forma de avaliação dos conceitos adquiridos; Organizar o conhecimento adquirido por parte dos estudantes sob diferentes aspectos: fenomenologia, observação, coleta e tratamento de dados.	2 h/a

A sequência didática contida no produto educacional contém atividades aplicadas sugestivamente e metodologias diversas, desde uma exposição oral e dialogada com os estudantes na apresentação dos assuntos teóricos, passando por atividades rotacionais envolvendo textos, simulações e vídeos até a aplicação de atividades práticas com o uso de smartphones e computadores. Como mostrado no quadro 1, tais atividades foram pensadas de modo a serem aplicadas dentro de um total de 10 encontros contendo de uma a duas aulas semanais. Deste total, 07 encontros foram destinados à formação dos estudantes em relação ao tema dos raios cósmicos (seus constituintes, propriedades e mecanismos de detecção) desenvolvidas através de exposições orais, discussões e leituras de textos, bem como uso de ferramentas digitais (computador e vídeos) preparados previamente nos ambientes da escola. Além destes, foram realizados 02 encontros destinados à realização de atividades práticas de coleta e análise de amostras de imagens de rastros de raios cósmicos detectados nos próprios smartphones dos estudantes. Finalmente, 1 encontro foi voltado à produção de mapas conceituais pelos estudantes, com o intuito de se avaliar o campo conceitual construído por eles em relação à Física dos raios cósmicos e a sua detecção [³].

Ao final da sequência didática, após a construção dos mapas conceituais, foram feitas aos estudantes perguntas subjetivas com o objetivo de conhecer o que sentiram ao realizarem tais tarefas e ao mesmo tempo contribuírem de forma real à pesquisa científica, isto é, como eles avaliaram o sentimento de pertencimento deles à ciência após as atividades realizadas. Tais questionamentos tiveram um caráter reflexivo onde os estudantes trouxeram consigo relatos de experiências acerca de atividades específicas que os ajudaram a se sentirem pertencentes ao processo de trabalho científico, enquanto cidadãos leigos e não apenas meros espectadores.

5. Resultados e Análises dos Trabalhos dos Estudantes Segundo Vergnaud

A aplicação da sequência didática possibilitou a identificação de diferentes aspectos para análise, organizados em blocos temáticos: mapas conceituais, atividade de caça às partículas e relatos dos sentimentos dos estudantes [³]. Considerando que o objetivo deste artigo é apresentar, de forma geral, o ensino de Física de raios cósmicos por meio da detecção realizada pelos próprios estudantes, discutimos aqui os resultados mais diretamente relacionados (i) à construção dos mapas conceituais e (ii) à atividade de caça às partículas. Para este fim, foram analisados apenas os mapas conceituais finais: 5 mapas (20,8%) foram classificados como básicos, 14 (58,3%) como parciais e 5 (20,8%) como abrangentes.

À luz da Tríade de Vergnaud, os mapas conceituais são tratados aqui como Representações que tornam visíveis (ainda que parcialmente) os Invariantes Operatórios mobilizados ao longo das Situações vivenciadas na sequência (uso do aplicativo, coleta, discussão de condições operacionais e análise dos registros). Assim, a classificação em básico, parcial e abrangente não expressa apenas a “quantidade de conceitos”, mas principalmente o grau de articulação entre detecção, condições de operação, interpretação física dos padrões e sentido atribuído à Ciência Cidadã no processo de validação dos dados.

Para tornar essa análise mais explícita, utilizamos como indicadores de invariantes operatórios a presença (explícita ou inferível) de ideias relacionadas a:

• (I1) Condições operacionais de detecção: baixa luminosidade/câmera coberta, estabilidade do dispositivo e tempo de aquisição;

• (I2) Noção de evento detectado: distinção entre “evento” registrado pelo sensor e uma imagem comum;

• (I3) Ruído/erro e repetição: compreensão de que registros podem conter ruído e que repetição/comparação aumenta confiabilidade;

• (I4) Validação e dimensão coletiva: reconhecimento do papel da validação em rede (ensembles) e do sentido da Ciência Cidadã;

• (I5) Interpretação física mínima: atribuição de significado a padrões como pontos, rastros e variações, articulando-os a partículas/radiação.

Esses indicadores permitem interpretar o avanço conceitual não apenas pelo número de termos, mas pela forma como os estudantes conectam fenômeno, procedimento e justificativas em suas representações finais.

A metodologia de análise seguiu a linha de Bardin [²⁹] (ver também [³⁰]), com o intuito de classificar os mapas conceituais segundo o grau de articulação conceitual e a estabilidade das relações expressas. Assim, os mapas foram agrupados em três categorias: abrangente, parcial e básico. Em termos da Teoria dos Campos Conceituais, essa classificação reflete diferentes níveis de integração do campo conceitual da detecção de raios cósmicos: mapas abrangentes tendem a incorporar simultaneamente (I1)–(I5), mapas parciais apresentam articulações pontuais (por exemplo, entre detecção e partículas, mas com pouca validação/condições operacionais) e mapas básicos registram conceitos de modo predominantemente descritivo, com baixa coordenação entre essas dimensões.

Aos mapas conceituais classificados como abrangentes, destacam-se aqueles em que os estudantes expuseram, de modo mais conectado, os conceitos trabalhados na sequência didática e na caça às partículas, estabelecendo relações amplas, com pouca fragmentação, e por vezes incluindo justificativas (palavras-chave) que situam fisicamente a interpretação de pontos e rastros nos smartphones. Como exemplo, mostramos os mapas das Figuras 7 e 8.

Figura 7
Mapa conceitual de conhecimento abrangente do estudante A. Adaptado de [³].

Figura 8
Mapa conceitual de conhecimento abrangente do estudante B. Adaptado de [³].

Ao observarmos esses mapas, nota-se que os estudantes buscam situar, por meio de ligações conceituais, pontos-chave desenvolvidos no trabalho: desde o conceito primário de raios cósmicos, passando por Victor Hess, tipos de partículas e exemplos de núcleons, até detectores e radiação (como o contador Geiger), culminando na menção ao projeto CREDO e à participação cidadã na ciência. Em termos dos indicadores acima, esses mapas

tendem a articular simultaneamente (I2) e (I5), e em alguns casos também (I4), ao reconhecerem a dimensão coletiva e a lógica do projeto.

Por fim, os dois exemplos apresentados na Figura 9 ilustram os mapas conceituais dos estudantes C e D, classificados como básico e parcial, respectivamente. Diferentemente dos mapas A e B, cujas representações revelaram conexões mais amplas e justificadas, os mapas C e D organizam as ideias de forma predominantemente descritiva, com ligações ainda limitadas e pouco aprofundamento nas relações entre fenômenos, detecção e validação.

Figura 9
Mapas conceituais de conhecimento básico do estudante C e de conhecimento parcial do estudante D. Adaptado de [³].

O mapa C, de conhecimento básico, evidencia uma compreensão ainda fragmentada: conceitos científicos e sociais aparecem de forma isolada, com baixa explicitação de (I1)–(I4) e pouca interpretação de padrões (I5). Na linguagem de Vergnaud [²⁸], trata-se de uma representação compatível com esquemas iniciais, nos quais invariantes operatórios podem estar emergindo, mas sem coordenação suficiente para integrar procedimento e explicação. Por sua vez, o mapa D, classificado como parcial, apresenta um avanço: o estudante organiza com maior coerência relações entre partículas, detecção e comunidade científica, sugerindo maior estabilização de invariantes como (I2) e (I4), embora ainda com articulações limitadas com condições operacionais (I1) e com a interpretação física de padrões (I5). Comparativamente, observa-se a transição de uma estrutura centrada na descrição para outra que incorpora relações e inferências, refletindo a evolução do campo conceitual da detecção de raios cósmicos.

Os mapas classificados como abrangentes mostraram-se, em grande parte, satisfatórios no que diz respeito à colocação dos conceitos que nortearam a interpretação simbólica das detecções e das imagens obtidas. Ainda assim, observam-se algumas ausências recorrentes, como a diferenciação entre tipos de radiação (alfa, beta e gama) e partículas elementares, além de menções limitadas aos dispositivos das câmeras (sensores) que possibilitaram os registros. Mesmo nos níveis parcial e básico, entretanto, os mapas merecem destaque por evidenciarem trajetórias iniciais de aprendizagem conceitual, apontando possibilidades de aprimoramento.

Em síntese, as análises indicam que a abordagem proposta favoreceu diferentes níveis de estruturação conceitual: de representações mais consolidadas a construções iniciais de sentido sobre os fenômenos investigados. Na perspectiva de Vergnaud [²⁸], os mapas conceituais evidenciam esquemas evocados pelos estudantes nas diferentes situações (detecção, discussão em sala e análise das imagens), cumprindo o papel de representações simbólicas do desenvolvimento progressivo do campo conceitual da detecção de raios cósmicos ao longo da sequência didática.

6. Análise da Caça às Partículas e o Sentimento de Pertencimento ao Processo Científico

Ao longo de toda a sequência didática, e especialmente em sua etapa final, foram realizadas as detecções e análises das imagens pelos estudantes por meio de seus smartphones, configurando a denominada “caça às partículas” e aos raios cósmicos. Nesta etapa, os alunos foram previamente organizados em grupos, nomeados com codinomes⁹ definidos pelo professor e posteriormente cadastrados na plataforma CREDO, conforme a dinâmica da turma e as limitações relativas à disponibilidade de dispositivos móveis¹⁰. Apesar das adversidades, a turma apresentou excelente desempenho na atividade de detecção, totalizando mais de 4000 eventos registrados, ainda que algumas equipes não tenham obtido êxito, conforme apresentado na Tabela 1. Essa estatística das detecções permitiu levantar questionamentos sobre as razões que levaram determinadas equipes a obter um número expressivo de eventos, enquanto outras registraram poucos ou nenhum. Hipóteses para essas variações incluem o ajuste inadequado do aplicativo de detecção, a possível ausência momentânea de eventos de raios cósmicos na região ou o uso dos dispositivos para outras finalidades durante o período de coleta, o que pode ter reduzido o tempo efetivo de observação.

Tabela 1
Quantidade de detecções dos estudantes.

Grupo	Quantidade de Capturas
Victor Hess	1737
Feynman	3
Abdus Salam	2201
Prof. Anderson	6
Dirac	0
César Lattes	60
Steven Weinberg	1
Tomonaga	0

Para a etapa de coleta de dados com o aplicativo do CREDO, a turma foi organizada em 8 grupos, com aproximadamente 4 estudantes por grupo, a depender de ausências e da disponibilidade de dispositivos compatíveis e durou desde o início até o final da sequência didática. O objetivo foi realizar a coleta de eventos e discutir, no contexto de Ciência Cidadã, como condições operacionais influenciam a detecção (tempo de aquisição, estabilidade do dispositivo, luminosidade ambiente e heterogeneidade entre sensores de smartphones). A atividade foi realizada ao longo da sequência didática, a partir do segundo encontro, com cada grupo responsável por operar um ou mais dispositivos. Os estudantes foram orientados a manter o aparelho estável, com a câmera coberta e em condições de baixa luminosidade, seguindo as recomendações do aplicativo. As diferenças observadas entre grupos (incluindo casos com poucos registros) são interpretadas à luz do tempo efetivo de coleta, do cumprimento das orientações e das diferenças entre dispositivos e ambientes de uso.

Como mostra a Tabela 1, foram registrados 4008 eventos no total. Observa-se forte assimetria entre os grupos: Victor Hess (1737) e Abdus Salam (2201) concentraram 3938 eventos (98,3%), enquanto os demais grupos registraram valores muito baixos ($\le 60$) ou nulos. Essa concentração é compatível com diferenças no tempo efetivo de coleta, na configuração do aplicativo, na qualidade/compatibilidade do dispositivo e nas condições ambientais (p.ex., luminosidade e estabilidade), variáveis que foram discutidas com os estudantes ao longo do período de coleta iniciado na Aula 2.

Com todo o número de detecções, os estudantes tiveram a oportunidade de vislumbrar muitos rastros de raios cósmicos em suas imagens, inclusive com cores diferentes e, assim, evidenciando a passagem de partículas pelos seus aparelhos. A Figura 10 mostra imagens obtidas pelos estudantes.

Figura 10
Amostra de detecções realizadas pelos estudantes [³].

Após a aplicação de toda a sequência didática, considerada pelos estudantes como satisfatória, foi feita uma avaliação do trabalho desenvolvido através da escrita sobre o que os mesmos sentiram ao participarem de fato do processo científico, com um projeto real de caça a partículas. Após a sequência, foi solicitado um breve relato escrito. Responderam 24 estudantes (de um total de 32), enquanto os demais não responderam ou optaram por não registrar comentários, o que também é uma limitação. Porém, aqueles que buscaram participar deste momento, mostraram grande motivação para prosseguimentos futuros, em novos trabalhos em Ciência Cidadã. O Quadro 2 traz alguns desses relatos e mostra o poder de trazer a ciência e seus métodos para perto do estudante, o que torna o seu aprendizado significativo.

Quadro 2
Relatos dos estudantes sobre o sentimento de ser um cientista. Adaptado de [³].

Estudante	Mensagem
A	Me sinto atuando e colaborando com a ciência, aprendendo vários conteúdos e atividades novas.
B	Me senti como um verdadeiro cientista. Aprendi muito sobre partículas e raios cósmicos.
C	Interessantes para dizer o mínimo, a ideia de que estamos capturando partículas vindas do espaço é meio surreal.
D	Uma cientista “mirim”? Há há. Aprendi que com pouco ainda podemos fazer muito.

7. Conclusões e Perspectivas de Trabalho

Com a aplicação da sequência didática, pôde-se mostrar o poder que traz a Ciência Cidadã aplicada na escola que, além de disseminar o conhecimento da ciência, vista por muitos como inacessível, trouxe também a oportunidade de trabalhar no estudante a ideia de que a ciência, enquanto construção humana, é sim acessível a eles e traz inúmeros benefícios ao seu aprendizado. O estudo dos raios cósmicos é, de uma forma geral, bem específico e complicado de se entender de maneira aprofundada em uma primeira leitura com todas as suas nuances, mas por meio de uma sequência didática contendo atividades apropriadas, foi possível despertar nos estudantes um primeiro contato com este assunto, bem como estabelecer laços com a ciência e seus métodos. Em relação à satisfação dos estudantes com as atividades desenvolvidas, as mensagens deixadas são em grande parte motivadoras, no que diz respeito a uma continuidade de aplicação da Ciência Cidadã, talvez porque fosse isto que os participantes das atividades buscavam em física: um maior entendimento e um sentimento de participação na ciência, talvez a compreensão do que a ciência faz, ou como os cientistas atuam no dia-a-dia. A sequência didática aplicada pôde proporcionar isto aos estudantes: a ciência e sua metodologia na realidade deles, inserida no contexto escolar.

Desta maneira, este trabalho conseguiu atingir seu objetivo geral, que foi o de promover a conexão entre a pesquisa científica real e o ensino de Física Moderna no nível médio, através da abordagem da Ciência Cidadã. A utilização do projeto CREDO como eixo estruturante da proposta permitiu inserir os estudantes em uma experiência científica autêntica, aproximando o ambiente escolar dos métodos e práticas da investigação contemporânea. Essa integração consolidou a compreensão de que o ensino de Física pode, de fato, dialogar com a ciência em construção e não apenas com seus resultados consolidados.

Em relação ao primeiro objetivo específico, que consistiu em estreitar as relações entre a prática científica e o aprendizado de Física de raios cósmicos, os resultados demonstraram uma evolução conceitual significativa. Os estudantes compreenderam, de forma contextualizada, conceitos como partículas elementares, cascatas atmosféricas e detecção de radiação, articulando-os a fenômenos reais observados nas imagens capturadas pelos seus próprios dispositivos móveis. As atividades de “caça às partículas” proporcionaram a vivência concreta do método científico – observação, registro e análise de dados –, fortalecendo a percepção de pertencimento à prática científica e despertando o interesse pela Física Moderna. Com relação aos mapas conceituais, embora uma avaliação qualitativa, as produções dos estudantes puderam ressaltar acerca do que os mesmos conseguiram assimilar como esquemas para as detecções de imagens, mesmo para os mapas com “conhecimento básico”, ainda assim foi possível observar-se alguns conceitos fundamentais expostos de forma correta. Tal resultado é notório nos mapas conceituais dos estudantes com “conhecimento abrangente”, apresentado nas Figuras 7 e 8, ilustrando o bom volume de esquemas responsáveis pelo aprendizado promovido pela caça às partículas.

O segundo objetivo específico, voltado à elaboração de materiais didáticos e de uma sequência de atividades com uso de smartphones, também foi integralmente atingido. O produto educacional desenvolvido mostrou-se eficiente para guiar o processo de ensino-aprendizagem, articulando conteúdos teóricos, experimentação digital e reflexão conceitual. A sequência didática, baseada nos princípios da Teoria dos Campos Conceituais de Vergnaud, promoveu a construção progressiva de esquemas cognitivos e a consolidação de conhecimentos sobre raios cósmicos, conforme evidenciado nos mapas conceituais elaborados pelos estudantes.

De modo geral, a experiência demonstrou que a inserção da Ciência Cidadã no ensino médio constitui uma estratégia eficaz para integrar teoria, prática e tecnologia. O uso de ferramentas acessíveis, como smartphones, aliado à participação ativa em um projeto científico internacional, permitiu contextualizar conteúdos de alta complexidade e transformar a sala de aula em um espaço de investigação colaborativa. O projeto CREDO, nesse sentido, mostrou-se uma ferramenta pedagógica potente para aproximar os estudantes da Física Moderna e das fronteiras do conhecimento científico.

Considerando os 24 mapas conceituais finais coletados (em uma turma de 32 estudantes), a maior parte foi classificada como parcial (58,3%), enquanto 20,8% foram básicos e 20,8% abrangentes. Esse panorama sugere predominância de uma organização conceitual intermediária ao término da sequência. Como limitação, 8 estudantes não entregaram o produto final, o que pode refletir adesão parcial à intervenção.

Com o auxílio do projeto CREDO, seu aplicativo desenvolvido e sua iniciativa inovadora na pesquisa de raios cósmicos, pode tornar possível a realização deste trabalho, além de propor também novas perspectivas na abordagem do ensino de Física Moderna por meio da Ciência Cidadã. Sob tal perspectiva de construção de conhecimento, há muito a ser explorado por meio da Ciência Cidadã, em vários projetos de potencial interesse por parte do professor para execução junto aos seus estudantes e que podem vir a ser futuramente novos cientistas. Tais projetos cidadãos voltados à ciência constituem-se uma potencial ferramenta de uso em sala de aula, possibilitando um Ensino de Física Moderna significativo aos estudantes.

Conclui-se, portanto, que os objetivos propostos foram integralmente atingidos, confirmando a viabilidade e a relevância da abordagem adotada. A experiência aqui relatada evidencia que a Ciência Cidadã constitui um caminho promissor para integrar a educação científica à prática real da pesquisa, estimulando a curiosidade, o pensamento crítico e o sentimento de pertencimento dos estudantes à comunidade científica. Assim, a proposta contribui para fortalecer o ensino de Física Moderna e Contemporânea como espaço de investigação, diálogo e construção coletiva do conhecimento.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES e à FUNCAP, via projeto BP5-0197-00117.01.00/22, pelo apoio financeiro. Anderson Alves agradece à sua esposa, Luciana Thaynara, e seu filho, Francisco Levy, por todo apoio neste artigo.

Disponibilidade de Dados

Todo o conjunto de dados que dá suporte aos resultados deste estudo foi disponibilizado em um repositório de dados: Repositório Institucional – Universidade Estadual do Ceará, http://siduece.uece.br/siduece/trabalhoAcademicoPublico.jsf?id=114017, data do depósito: 20/04/2024.

Referências

• ^[1] V.R.S. Santos, Ensaio Geral 2, 125 (2022).
• ^[2] MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, Base Nacional Comum Curricular, disponível em: <ref class="ltx_nolink ltx_url" href="http://basenacionalcomum.mec.gov.br/images/BNCC_EI_EF_110518_versaofinal_site.pdf">http://basenacionalcomum.mec.gov.br/images/BNCC_EI_EF_110518_versaofinal_site.pdf</ref>.
  » http://basenacionalcomum.mec.gov.br/images/BNCC_EI_EF_110518_versaofinal_site.pdf
• ^[3] A.A.M. Silva, O Estudo da Física de Partículas e detecção de Raios Cósmicos com a utilização de Smartphones: O Projeto CREDO Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual do Ceará, Quixadá (2024).
• ^[4] N. Studart e M.A.L. Oliveira, Revista Brasileira de Ensino de Física 44, e20220151 (2022).
• ^[5] K.A. Cheminant, Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement 11, 489 (2018).
• ^[6] P. Homola, D. Beznosko, G. Bhatta, Ł. Bibrzycki, M. Borczyńska, Ł. Bratek, N. Budnev, D. Burakowski, D.E. Alvarez-Castillo, K.A. Cheminant et al., Symmetry 12, 1835 (2020).
• ^[7] O. Sushchov, P. Homola, N. Dhital, Ł. Bratek, P. Poznański, T. Wibig, J. Zamora-Saa, K.A. Cheminant, D. Alvarez Castillo, D. Góra et al., Advances in Astronomy and Space Physics 7, 23 (2017).
• ^[8] A.C.B. Machado, V. Pleitez e M.C. Tijero, Revista Brasileira de Ensino de Física 28, 407 (2006).
• ^[9] A. Lechmann, D. Mair, A. Ariga, T. Ariga, A. Ereditato, R. Nishiyama, C. Pistillo, P. Scampoli, F. Schlunegger e M. Vladymyrov, Earth-Science Reviews 222, 103842 (2021).
• ^[10] D.G.M. Martins e E.H.S. Cabral, ForScience 9, e01030 (2021).
• ^[11] J.S.S. Melo, Uso do smartphone para o ensino de física no ensino médio Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Rondônia, Ji-Paraná (2022).
• ^[12] C.D. Barbosa, N.N. Soares, M.L. Chagas e F.C.L. Ferreira, Scientia Plena 13, 012713 (2017).
• ^[13] M.F.F. Santos, O ensino de Ciências a partir das metodologias ativas (manuscrito): engajamento dos estudantes do 9º ano do ensino fundamental de uma escola pública em tempos pandêmicos Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto (2022).
• ^[14] W.R. Carvalho, Utilização do jogo "O Caçador de Partículas"como ferramenta auxiliar no ensino de Física de Partículas Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual do Ceará, Quixadá (2018).
• ^[15] H.Z.M. Parra, M. Fressoli e A. Lafuente, Liinc em Revista 13, 1 (2017).
• ^[16] R. Kamiński e T. Wibig, Acta Physica Polonica B 50, 2001 (2019).
• ^[17] T.K. Gaisser, R. Engel e E. Resconi, Cosmic Rays and Particle Physics (Cambridge University Press, Cambridge, 2016), 2 ed.
• ^[18] P.L. Biermann e G. Sigl, em: Physics and Astrophysics of Ultra-High-Energy Cosmic Rays, editado por M. Lemoine e G. Sigl (Springer, Berlin/Heidelberg, 2001).
• ^[19] P.A. Tipler e R.A. Llewellyn, Física Moderna (LTC, Rio de Janeiro, 2012), 6 ed.
• ^[20] R. Eisberg e R. Resnick, Física Quântica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas (Elsevier, Rio de Janeiro, 1985).
• ^[21] M.A. Moreira, Física de Partículas: Uma Abordagem Conceitual e Epistemológica (Livraria da Física, São Paulo, 2011).
• ^[22] M.A.M. Souza, A.C.S. Nascimento, D.F. Costa e O. Ferreira, Revista Brasileira de Ensino de Física 41, e20180124 (2019).
• ^[23] J.C. Gosse e F.M. Phillips, Quaternary Science Reviews 20, 1475 (2001).
• ^[24] G.E. Smith, Reviews of Modern Physics 82, 2307 (2010).
• ^[25] J.E. Horvath, Astrofísica de Altas Energias– Uma Première (Livraria da Física, São Paulo, 2020), 1 ed.
• ^[26] PIERRE AUGER OPEN DATA, Pierre Auger Observatory Open Data, disponível em: <ref class="ltx_nolink ltx_url" href="https://opendata.auger.org/">https://opendata.auger.org/</ref>, acessado em 25/03/2026.
  » https://opendata.auger.org/
• ^[27] CREDO-Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory, disponível em: https://credo.science/, acessado em 25/03/2026.
  » https://credo.science/
• ^[28] G. Vergnaud, em: Mathematics and Cognition, editado por P. Nesher e J. Kilpatrick (Cambridge University Press, Cambridge, 1990).
• ^[29] L. Bardin, Análise de Conteúdo (Edições 70, São Paulo, 2011).
• ^[30] M.A. Moreira, Metodologias de Pesquisa em Ensino (Livraria da Física, São Paulo, 2011), 1 ed.

• 1
  Em português: Observatório de Raios Cósmicos Extremamente Distribuído
• 2
  Para smartphones do tipo Android, o aplicativo está disponível na loja de aplicativos com o nome CREDO detector.
• 3
  Além destes, há também a Espalação, processo no qual um núcleo pesado emite um grande número de núcleons em consequência do impacto de uma partícula de alta energia, reduzindo significativamente sua massa atômica [¹⁷].
• 4
  PIERRE AUGER OPEN DATA. Disponível em: https://opendata.auger.org/. Acesso em: 25/03/2026 [²⁶].
• 5
  Conjuntos de dados de rastros.
• 6
  CREDO. Disponível em: https://credo.science/. Acesso em: 25/03/2026 [²⁷].
• 7
  No produto educacional em [³] foi realizado apenas o manuseio para smartphones do tipo Android.
• 8
  Na dissertação original [³], a sequência completa inclui encontros adicionais associados a instrumentos de avaliação não discutidos neste artigo. No presente manuscrito, descrevemos os 10 encontros efetivamente considerados no recorte analítico adotado.
• 9
  Os codinomes sugeridos foram baseados em físicos notórios na área de física de partículas, mecânica quântica e relatividade.
• 10
  O autor [³] relata dificuldades relacionadas à quantidade de aparelhos disponíveis, bem como às especificações de processador e modelo aceitos pelo aplicativo, que, à época, operava exclusivamente em smartphones do tipo Android.

Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Maio 2026
• Data do Fascículo
  2026

Histórico

• Recebido
  11 Out 2025
• Revisado
  26 Jan 2026
• Aceito
  08 Mar 2026