Virtual simulations of historical experiments for the teaching of the Electroweak Theory

Authors

  • Márcia da Costa Universidade Federal do Espírito Santo, Alegre, ES https://orcid.org/0000-0001-6402-5766
  • Murilo Crivellari Camargo Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR
  • Yago Henrique Pereira Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR
  • Irinéa de Lourdes Batista Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR
  • Jacques Duílio Brancher Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR

DOI:

https://doi.org/10.5007/2175-7941.2021.e72923

Abstract

This paper presents a set of virtual simulations based on historical experiments that contributed to the process of unification of the electromagnetic and weak interactions, as well as suggestions for use in the classroom. Simulations of three experiments were developed, ranging from the beginning of the questioning that led to the development of the Electroweak Theory to the detection process of the mediating particles in the weak interaction, theoretically predicted. The simulations were programmed with Unity 3D and the whole elaboration process was supported by a multidisciplinary team with members from the following fields: Science Education, Physics, History and Philosophy of Science, Design and Computer Science. This collaboration was essential to achieve didactical resources that reflect the ability of all of those fields and, at the same time, that can be a fruitful instrument for the learning of experimental concepts and procedures related to the Electroweak Theory, since that it is used in educational approaches planned and structured according to a theoretical suited to application context. Thus, this work also presents a Didactical Unit suggestion for exploring the simulations, based on the principles of the theory of Meaningful Learning and Inquiry Learning.

Author Biographies

Márcia da Costa, Universidade Federal do Espírito Santo, Alegre, ES

Doutora e Mestre em Ensino de Ciências e Educação Matemática pela Universidade Estadual de Londrina, UEL. Graduada em Física Licenciatura pela Universidade Estadual do Centro-Oeste. Atualmente é professora colaboradora na Universidade Estadual do Centro-Oeste, atuando nos seguintes tópicos: História e Filosofia da Ciência, Inserção de Física Moderna no Ensino Médio, Física de Partículas, Questões de Gênero na Comunidade Científica e Softwares para o Ensino de Física.

Murilo Crivellari Camargo, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR

Mestre em Ciência da Computação pela Universidade Estadual de Londrina e especialista em Gestão de Marketing Digital. Graduou-se em Design Gráfico (UEL), tendo também cursado Graphic Design na Ontario College of Arts and Design, em Toronto, Canadá. Atualmente, é professor assistente no Departamento de Design da Universidade Estadual de Londrina.

Yago Henrique Pereira, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR

Possui graduação em Tecnologia em Jogos Digitais pela Faculdade de Tecnologia de Ourinhos. Atualmente é aluno de mestrado em Ciência da Computação na Universidade Estadual de Londrina.

Irinéa de Lourdes Batista, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR

Graduada em Física pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, mestra em Ensino de Ciências pela Universidade de São Paulo, doutora em Filosofia pela Universidade de São Paulo/ Université Paris VII. Atualmente, é Professora Associada no Departamento de Física da Universidade Estadual de Londrina (UEL).

Jacques Duílio Brancher, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR

Possui graduação em Ciência da Computação, pela PUC-RS, mestrado em Engenharia Mecânica, com ênfase em Fenômenos de Transporte e Doutorado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Atualmente é professor Associado do departamento de Computação da UEL e coordenador do curso de Licenciatura em Computação na Modalidade à Distância – UEL/UAB.

References

AUSUBEL, D. P. Aquisição e retenção de conhecimentos: Uma perspectiva cognitiva. Tradução: TEODORO, V. D. 1. ed. Editora Plátano, 2003.

AZEVEDO, M. C. P. S de. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M. P. (Org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Cencage Learning, 2013.

BATISTA, I. O ensino de teorias físicas mediante uma estrutura histórico-filosófica. Ciência & Educação, v. 10, n. 3, p. 461-476, 2004.

CARDOSO, S. O. O.; DICKMAN, A. G. Simulação computacional aliada à teoria da aprendizagem significativa: uma Ferramenta para ensino e aprendizagem do efeito fotoelétrico. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 29, n. Especial 2, p. 891-934, out. 2012.

CARVALHO, A. M. P. O ensino de ciências e a proposição de sequências de ensino investigativa. In: CARVALHO, A. M. P. (org.). Ensino de Ciências por Investigação: condições para implementação em sala de aula. São Paulo: Cengage Learning. 2013.

CHANG, H. How historical experiments can improve scientific knowledge and Science Education: the cases of boiling water and Electrochemistry. Science & Education, v. 20, p. 317-341, 2011.

CLINE, D. B.; RUBBIA, C.; MEER, S. V. D. The search for intermediate vector bosons. Scientific American, v. 246, n. 3, p. 48-59, 1982.

COSTA, M. Experimentos históricos em ambiente virtual: uma abordagem histórico-didática a respeito da teoria eletrofraca para o estudo de física de partículas no ensino superior. 2019. 423 f. Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

COSTA, M.; BATISTA, I. L. Abordagem histórico-didática para o ensino da Teoria Eletrofraca utilizando simulações computacionais de experimentos históricos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 37, n. 1, p. 242-262, 2020.

DEVELAKI, M. Using Computer Simulations for Promoting Model-based Reasoning. Science & Education, v. 26, p. 1001-1027, 2017.

FIGUEIRA, J. S. Easy Java simulations: Modelagem computacional para o ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 27, n. 4, p. 613-618, 2005.

FIOLHAIS, C.; TRINDADE, J. Física no computador: o computador como uma ferramenta no ensino e na aprendizagem das ciências físicas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 3, p. 259-272, 2003.

FORMAN, P. The fall of parity. The Physics Teacher, v. 20, n. 5, p. 281-288, 1982.

FORTES, E. C. F. S.; TIJERO, M. C.; PLEITEZ, E. V. A descoberta das correntes neutras das interações fracas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 29, n. 3, p. 415-435, 2007.

GLASHOW S. L. Towards a unified theory: Threads in a tapestry. Review of Modern Physics, v. 52, n. 3, p. 539, 1980.

GOWIN, D. B.; ALVAREZ, M. A. The art of educanting with V diagrams. Cambridge Universit Press, 2005.

GRECA, I. M.; SEOANE, E.; ARRIASSECQ, I. Epistemological issues concerning computer Simulations in science and their implications for science education. Science & Education, Millsboro, v. 23, p. 879-921, 2014.

HAMMOND, R. Chien-Shiung Wu: Pioneering Nuclear Physicist. New York, 2010.

HEERING, P. Analysing unsuccessful experiments and instruments with the replication method. Éndoxa, n. 19, p. 315-40, 2005.

HEERING, P.; WITTJE, R. An historical perspective on instruments and experiments in Science Education. Science & Education, v. 21, p. 151-155, 2012.

LEE, T. D.; YANG, C. N. Mass Degeneracy of the Heavy Mesons. Physical Review, v. 102, n. 1, p. 290-291, 1956.

MARTINS, A. J.; FIOLHAIS, C.; PAIVA, J. Simulações on-line no ensino de Física e da Química. Revista Brasileira de Informática na Educação, v.11, n. 2, 2003.

MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C. F. de. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da física. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo, v. 24, n. 2, p. 77-86, 2002.

METZ, D.; STINNER, A. A role for historical experiments: capturing the spirit of the itinerant lecturers of the 18th century. Science & Education, v. 16, n. 6, p. 613-624, 2007.

MOREIRA, M. A. Mapas conceituais e diagramas V. Porto Alegre: o autor, 2006.

PICKERING A. Against putting the phenomena first: The discovery of the weak neutral current. Studies in History and Philosophy of Science Part A, v. 15, n. 2, p. 85-117, 1984.

PSYCHARIS, S. The computational experiment and its effects on approach to learning and beliefs on Physics. Computers & Education, v. 56, p. 547-555, 2011.

RIBEIRO JUNIOR. L. A.; CUNHA, M. F.; LARANJEIRAS. C. C. Simulação de experimentos históricos no ensino de física: uma abordagem computacional das dimensões histórica e empírica da ciência na sala de aula. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n. 4, 2012.

SACRISTÁN, J. G. O currículo: uma reflexão sobre a prática. Tradução: Ernani F. da Fonseca Rosa. Porto Alegre: Artmed, 2000.

SALAM, A. Gauge unification of fundamental forces. Review of Modern Physics, v. 52, n. 3, p. 525, 1980.

SALAM, A.; DIRAC, P.; HEINSENBERG, W. Em busca da unificação. 1. ed. Lisboa: Editora Gradativa, 1991.

SMETANA, L. K.; BELL, R. L. Computer simulations to support science instruction and learning: A critical review of the literature. International Journal of Science Education, v. 34, n. 9, p. 1337-1370, 2012.

SOUZA, R. S.; SILVA, A. P. B; ARAUJO, T. S. James Prescott Joule e o equivalente mecânico do calor: reproduzindo as dificuldades do laboratório. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 3, 2014.

TOVAL, A.; FLORES, M. Computer systems simulation in education: description of an experience. Computers & Education, v. 2, n. 4, p. 293-303, 1987.

VALADARES, J. Organizadores gráficos facilitadores da Aprendizagem Significativa: Diagramas em Vê e Mapas conceituais. UIED, Coleção Educação e Desenvolvimento. 1. ed. Lisboa, Portugal, 2014.

WATKINS, P. Story of the W and Z. Cambridge University Press, 1986.

WEINBERG, S. Conceptual foundations of the unified theory of weak and electromagnetic interactions. Review of Modern Physics, v. 52, n. 3, p. 515, 1980.

WU, C. S. Parity Violation. In: NEWMAN, H. B.; YPSILANTIS, T. History of Original ideas and Basic Discoveries in Particle Physics. New York: Plenum Press, 1996.

ZABALA, A. A Prática educativa: como ensinar. Tradução: Ernani F. da F. Rosa. Porto Alegre: Artmed, 1998. 224 p.

Downloads

Published

2021-03-25

How to Cite

Costa, M. da, Camargo, M. C., Pereira, Y. H., Batista, I. de L., & Brancher, J. D. (2021). Virtual simulations of historical experiments for the teaching of the Electroweak Theory. Caderno Brasileiro De Ensino De Física, 38(1), 376–404. https://doi.org/10.5007/2175-7941.2021.e72923

Issue

Vol. 38 No. 1 (2021)

Section

Desenvolvimento de materiais educativos

License

DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE Certifico que participei da concepção do trabalho, em parte ou na íntegra, que não omiti quaisquer ligações ou acordos de financiamento entre os autores e companhias que possam ter interesse na publicação desse artigo. Certifico que o texto é original e que o trabalho, em parte ou na íntegra, ou qualquer outro trabalho com conteúdo substancialmente similar, de minha autoria, não foi enviado a outra revista e não o será enquanto sua publicação estiver sendo considerada pelo Caderno Brasileiro de Ensino de Física, quer seja no formato impresso ou no eletrônico.

 

 

Creative Commons License
Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, SC, Brasil - - - eISSN 2175-7941 - - - está licenciada sob Licença Creative Commons > > > > >