Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.

Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.

Este trabalho relata a produção, implementação e avaliação de um curso sobre física quântica destinado a alunos do Ensino Médio. A unidade didática foi inspirada nas propostas de Ostermann et al. (2009) e Pessoa Jr. (1997, 2003). Ela introduz a física quântica considerando a óptica ondulatória como um contexto para introduzir algumas analogias conceituais básicas para conceitos fundamentais da física quântica. O conceito central desta abordagem é a dualidade onda-partícula e o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder (IVMZ) é utilizado como sua ferramenta didática principal ou, em termos vygotskyanos, ferramenta de mediação. A proposta foi aplicada no formato de uma oficina extracurricular em uma escola privada de Porto Alegre no Brasil. Um dos professores de Física da escola se engajou e colaborou com este projeto. As aulas ocorreram entre os meses de Outubro e Novembro de 2013, em encontros semanais de uma hora. A perspectiva sociocultural de Vygotsky foi utilizada para embasar as aulas do curso. A translinguística de Bakhtin e os conceitos vygotskyanos foram utilizados para a análise das falas dos estudantes durante as atividades do curso. Nesta perspectiva analítica buscamos compreender como os estudantes elaboram estratégias discursivas para entender o conceito de dualidade onda-partícula, analisando a importância das interações com parceiros mais capazes (como professores), textos, simulações e outras ferramentas didáticas. Os resultados indicam que os estudantes desenvolveram algum domínio das ferramentas mediacionais necessárias para compreender a dualidade onda-partícula em um nível satisfatório. O Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, os roteiros exploratórios e os professores mostraram-se importantes para tornar mais efetivas as experiências de aprendizagem dos estudantes. / This dissertation reports the development, implementation and evaluation of a quantum physics course directed to high school students. The course was conceived inspired in proposals of Ostermann et al. (2009) and Pessoa Jr. (1997, 2003). It introduces quantum physics considering wave optics as a context to introduce some basic conceptual analogies to quantum fundamental concepts. The core concept of this approach is the wave-particle duality and the Virtual Mach-Zehnder Interferometer (VMZI) is used as its main didactical tool or, in vygotskyan terms, a mediational tool. The course was applied as an extracurricular workshop in a private school from Porto Alegre, Brazil. One of the school´s Physics teacher collaborated and engaged in this project. The classes took place between October and November 2013, in a set of one-hour weekly meetings. Vygotsky´s sociocultural perspective is adopted to ground the practices of the course. Both Bakhtin´s translinguistics and Vygotsky’s concepts were used to perform the analysis of students’ utterances along didactical activities at the classes. In this analytical framework, we try to understand how students elaborate discursive strategies to understand the concept of wave-particle duality, analyzing the importance of interaction with more experienced peers (like teachers), texts, simulation and other teaching tools. The results indicate that the students developed some mastery of mediational means needed to understand the wave-particle duality at a satisfactory level. The Virtual Mach-Zehnder Interferometer, the exploratory guides and the teachers were important to enhance the students’ learning experiences.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCJVB.pdf: 878660 bytes, checksum: 972a61a94d88b2e24ea24710d6c3fe56 (MD5) Previous issue date: 2004-03-02 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this thesis we study the interaction between an atom and a cavity mode submitted to linear and parametric amplifications. The evolution operator of the system was derived through the technique of time-dependent invariants of Lewis and Riesenfeld. We show how to prepare several squeezed states of the cavity field and, particularly, the truly mesoscopic "Schrödinger cat"-like state. When submitting such a mesoscopic superposition to the action of a likewise squeezed reservoir, we demonstrate that under specific conditions the decoherence time of the state is about the relaxation time of the cavity field. Next, the amplification process was engineered through the interaction of a single driven three-level atom with two cavity modes. Depending on the configuration of the atomic levels we obtain the parametric up- or down-conversion process between the cavity modes. With these processes we show how to generate one-mode mesoscopic squeezed superpositions (such as squeezed "Schrödinger cat"-like states), two-mode squeezed vacuum states (such as the original Eisntein-Podolsky-Rosen state (EPR)), and two-mode entanglements (such as the even and odd EPR states). The degree of squeezing achieved is up to 95% with currently feasible experimental parameters in cavity quantum electrodynamics. For the atom-field interaction time required in our technique, related to the high coupling parameter, the dissipative mechanism becomes practically negligible. / Estudamos nesta tese o processo de interação de um átomo com um modo de uma cavidade submetido aos processos de amplificação linear e paramétrica. Para a obtenção do operador de evolução do sistema utilizamos a técnica dos invariantes dependentes do tempo de Lewis e Riesenfeld. Mostramos como preparar diferentes estados comprimidos do campo de radiação, em particular o estado do tipo gato de Schrödinger genuinamente mesoscópico. Verificamos que, quando submetido à ação de um reservatório ideal e apropriadamente comprimido, este estado de superposição apresenta um tempo de decoerência da ordem do tempo de relaxação da cavidade. No intuito de eliminar o processo de amplificação paramétrica externo, procuramos implementá-lo através da própria interação do átomo com o campo de radiação. Para isso utilizamos um átomo de três níveis submetido à ação de um campo clássico que, interagindo com dois modos da cavidade, promove, a depender da configuração dos níveis eletrônicos, os processos de conversão paramétrica descendente e ascendente de freqüências. Com a implementação destes processos mostramos como preparar estados de susperposição comprimidos (como estados do tipo gato de Schrödinger ), estados de vácuo de dois modos comprimidos (como o estado original de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)), e emaranhamentos de dois modos (como os estados par e ímpar de EPR). Ressaltamos que a geração destes estados é empreendida sem a necessidade da utilização de zonas de Ramsey e amplificação paramétrica externa. Considerando parâmetros experimentais típicos em eletrodinâmica quântica de cavidades obtemos estados com grau de compressão superior a 95% com a passagem de apenas um átomo pela cavidade. O forte parâmetro de acoplamento paramétrico obtido permite que o tempo de interação átomo-campo seja suficientemente pequeno para que os mecanismos de dissipação possam ser praticamente ignorados.

Este trabalho relata a produção, implementação e avaliação de um curso sobre física quântica destinado a alunos do Ensino Médio. A unidade didática foi inspirada nas propostas de Ostermann et al. (2009) e Pessoa Jr. (1997, 2003). Ela introduz a física quântica considerando a óptica ondulatória como um contexto para introduzir algumas analogias conceituais básicas para conceitos fundamentais da física quântica. O conceito central desta abordagem é a dualidade onda-partícula e o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder (IVMZ) é utilizado como sua ferramenta didática principal ou, em termos vygotskyanos, ferramenta de mediação. A proposta foi aplicada no formato de uma oficina extracurricular em uma escola privada de Porto Alegre no Brasil. Um dos professores de Física da escola se engajou e colaborou com este projeto. As aulas ocorreram entre os meses de Outubro e Novembro de 2013, em encontros semanais de uma hora. A perspectiva sociocultural de Vygotsky foi utilizada para embasar as aulas do curso. A translinguística de Bakhtin e os conceitos vygotskyanos foram utilizados para a análise das falas dos estudantes durante as atividades do curso. Nesta perspectiva analítica buscamos compreender como os estudantes elaboram estratégias discursivas para entender o conceito de dualidade onda-partícula, analisando a importância das interações com parceiros mais capazes (como professores), textos, simulações e outras ferramentas didáticas. Os resultados indicam que os estudantes desenvolveram algum domínio das ferramentas mediacionais necessárias para compreender a dualidade onda-partícula em um nível satisfatório. O Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, os roteiros exploratórios e os professores mostraram-se importantes para tornar mais efetivas as experiências de aprendizagem dos estudantes. / This dissertation reports the development, implementation and evaluation of a quantum physics course directed to high school students. The course was conceived inspired in proposals of Ostermann et al. (2009) and Pessoa Jr. (1997, 2003). It introduces quantum physics considering wave optics as a context to introduce some basic conceptual analogies to quantum fundamental concepts. The core concept of this approach is the wave-particle duality and the Virtual Mach-Zehnder Interferometer (VMZI) is used as its main didactical tool or, in vygotskyan terms, a mediational tool. The course was applied as an extracurricular workshop in a private school from Porto Alegre, Brazil. One of the school´s Physics teacher collaborated and engaged in this project. The classes took place between October and November 2013, in a set of one-hour weekly meetings. Vygotsky´s sociocultural perspective is adopted to ground the practices of the course. Both Bakhtin´s translinguistics and Vygotsky’s concepts were used to perform the analysis of students’ utterances along didactical activities at the classes. In this analytical framework, we try to understand how students elaborate discursive strategies to understand the concept of wave-particle duality, analyzing the importance of interaction with more experienced peers (like teachers), texts, simulation and other teaching tools. The results indicate that the students developed some mastery of mediational means needed to understand the wave-particle duality at a satisfactory level. The Virtual Mach-Zehnder Interferometer, the exploratory guides and the teachers were important to enhance the students’ learning experiences.

Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Tendo reformulado a mecânica surgida da termoestatística das radiações eletromagnéticas, a física quântica abriu o caminho nas baixas energias para a complexidade dos materiais e da vida, e nas altas energias para as partículas elementares e conexões cosmológicas. Entre as demais ciências, ela fundamenta a química fina, a biologia molecular e inúmeras aplicações práticas. No cotidiano tecnológico, através dos semicondutores e lasers da microeletrônica, a quântica é a alma conceitual das telecomunicações e das redes informáticas, instrumentando todas as atividades humanas, das relações pessoais às práticas médicas, e condicionando a emergência de uma sociedade em rede. Em associação com as tecnologias que promove, o domínio quântico tem sido central na investigação das redes complexas que transforma a compreensão de processos naturais, tecnológicos e sociais. Das redes neurais às sociais, qualquer campo de atividade e de conhecimento está sendo modificado ou desequilibrado pela percepção de seu caráter complexo. Impactada pelo novo ambiente, a educação já se desenvolve com recursos em rede amplamente difundidos e revê a conceituação do aprender como algo complexo e em rede em lugar da velha sequência linear de conteúdos. Sendo convergência e fonte de várias redes, a quântica pode cumprir importante papel na trama de redes de significados no processo de ensino e aprendizagem. Formar os professores com e para tais práticas pode dar mais significado a esse domínio científico já presente em nossa escola básica, mas cujo sentido real frequentemente escapa para quem aprende tanto quanto para quem ensina. Esta tese busca apresentar uma visão em rede do conjunto das redes entretecidas com a física quântica, tendo como contexto prático a formação inicial de professores. / Quantum Physics, a reconceptualization of Mechanics that emerged from the thermo statistics of electromagnetic radiation, has paved the way to the complexity of materials and life, at low energies, and to elementary particles and its cosmological connections, at high energies. Among the other sciences, quantum physics is the foundation to the new fine chemistry, as well as to the molecular biology and to their numerous practical applications. In everyday technology, through semiconductors and lasers of the microelectronic, quantum physics is the conceptual soul of telecommunications and informatics networks, giving tools to all sort of activities, from social relationships to the medical practices, and conditioning the emergency of a network society. In relation with technologies, the quantum domain has been central to the research of complex networks that changes the understanding of natural, technological and social processes. From neural to social networks, every field of activity and knowledge is nowadays modified or unbalanced by the perception of its complex character. Impacted by this new environment, education already develops with highly available network resources and reevaluates the concept of learning, as something complex instead of the old linear sequence of subjects. As convergence and source of many networks, quantum physics can play important role in the network of meanings of teaching and learning process. The training of teachers with and for these practices can give broader meaning to this scientific field already present in our basic school, but whose real meaning frequently is missed both by who learns as well as by who teaches. This tesis wants to presents a network vision of the ensemble of the networks weaved togheter with quantum physics, in the practical context of training future teachers.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.