Em levantamento das principais correntes metodológicas na área de Ensino de Ciências e de Física relacionadas à atualização dos conteúdos, Terrazzan (1994) identificou três vertentes relevantes.
A primeira, relacionada às investigações de Daniel Gil e Jordi Solbes, consiste em
explorar os limites dos modelos clássicos, adotando-se uma abordagem construtivista na qual
o respeito à evolução dos conceitos físicos constitui o principal parâmetro para a elaboração de estratégias didáticas.
Gil e Solbes (1993) consideram que quando a Física Moderna é introduzida nos currículos escolares sem fazer referência às dificuldades encontradas na Física Clássica, seja justapondo os dois paradigmas ou mesmo os misturando, podem surgir graves erros conceituais ou de interpretação. Por isso, propõem que sejam esclarecidos os limites de validade das concepções clássicas e explicitadas suas diferenças significativas em relação à Física Moderna, evitando-se uma visão simplista, a fim de permitir a construção de um entendimento mais correto da Física, em que o desenvolvimento é não-linear, com crises e mudanças paradigmáticas. Gil e Solbes baseiam suas atividades didáticas no modelo de
mudança conceitual, buscando expor os estudantes a situações problemáticas que os
permitam questionar suas concepções intuitivas e reconstruir o próprio conhecimento, de modo similar ao ocorrido no processo histórico de mudança paradigmática.
Apesar dos êxitos alcançados por Gil e Solbes, podem ser feitas algumas críticas ao modelo de ensino por mudança conceitual. Como expõe Mortimer (1995), as concepções intuitivas dos estudantes costumam ser muito resistentes a modificações, tornando mais provável a construção de um perfil conceitual, no qual várias concepções podem coexistir e ser aplicadas em contextos convenientes. Os estudantes teriam dificuldade em reconhecer e vivenciar o conflito cognitivo, havendo tendência à proteção dos conceitos existentes e à conservação de idéias prévias. Mesmo reconhecendo a existência de conflito, os estudantes poderiam construir hipóteses ad hoc para preservar seu conjunto de crenças. Além disso, Mortimer observa que, no processo de construção de uma nova idéia, as lacunas existentes na estrutura cognitiva dos estudantes podem ser tão importantes quanto o conflito entre conceitos
novos e antigos, pois a falta de informações para interpretar novos resultados constitui um grande obstáculo.
Embora a estratégia de ensino por mudança conceitual possa ser questionada, a proposta de Gil e Solbes de enfatizar os limites do conhecimento clássico, mostrando suas diferenças em relação à Física Moderna, não deixa de ter valor. Em uma abordagem na qual se procura estimular a aprendizagem significativa, a idéia de partir do conhecimento clássico para então se estabelecer o moderno encontra fundamento no princípio de utilizar as noções prévias na condição de subsunçores para a construção das novas concepções. Mostrando-se aspectos comuns e distinções entre os conceitos clássicos e modernos, tem-se um modo adequado de promover a reconciliação integrativa, facultando a formação de um entendimento claro quanto às similitudes e diferenças entre esses conjuntos de concepções. Conforme ponderam Moreira e Greca (2003), nessa ótica não se procura substituir um conceito por outro, mas sim fazer com que uma concepção se torne mais elaborada, com maior discriminabilidade, por adquirir mais significados agregados a ela, evoluindo sem perder a própria identidade. Os significados estabelecidos anteriormente não são eliminados, continuam presentes na concepção que se desenvolve, embora possam permanecer em forma residual.
A exploração dos limites dos modelos clássicos, na perspectiva da aprendizagem significativa, foi uma das escolhas metodológicas efetuadas na organização do software hipermídia considerado no presente trabalho. Consoante tal opção, os textos do material didático incluíram cotejos entre conceitos clássicos e modernos, buscando explicitar semelhanças, diferenças e limitações, e procurando facilitar o estabelecimento de pontes entre idéias já estudadas e novas concepções. Ainda com esse intuito, foram preparados textos com uma breve exposição do desenvolvimento histórico da Teoria da Relatividade e da Mecânica Quântica, e contendo uma visão epistemológica introdutória sobre essa evolução.
A segunda vertente metodológica, representada pelos trabalhos de Helmut Fischler e Michael Lichtfeld, traduz-se por evitar referências a modelos semiclássicos na apresentação de conceitos, modelos e teorias da Física Moderna, particularmente no caso da Mecânica Quântica, assumindo-se o ponto de vista de que tal enfoque interfere de modo desfavorável no entendimento das idéias modernas.
Fischler e Lichtfeldt (1992) defendem que a introdução do modelo de Bohr, no qual os elétrons se movem em órbitas circulares ao redor do núcleo, estabelece um obstáculo adicional ao entendimento apropriado da Mecânica Quântica. Embora o modelo seja de fácil assimilação pelos estudantes e proporcione explicações para muitas observações, seu ensino é criticado por ter um caráter histórico que levaria a destacar em excesso concepções da Física Clássica, tornando difícil a modificação necessária para a compreensão dos conceitos quânticos aceitos atualmente. A situação seria agravada pelo fato de conceitos que encontram fácil correspondência no cotidiano serem bastante atraentes para os estudantes, gerando resistência para seu abandono posterior. Para Fischler e Lichtfeldt, reduzir conceitos difíceis a termos mais simples pode ser necessário, principalmente no ensino da Mecânica Quântica, mas isso deve ser feito de tal forma que o modelo construído possa ser estendido posteriormente e os estudantes não sejam forçados a redirecionar suas concepções básicas.
Fischler e Lichtfeldt recomendam que as bases para o entendimento desejado sejam estabelecidas o mais cedo possível, desviando-se de conceitos capazes de produzir contradições em um estágio seguinte. Desse modo, na introdução da Mecânica Quântica, sugerem evitar referências à Física Clássica; iniciar a unidade de ensino com elétrons, ao invés de fótons, na apresentação do efeito fotoelétrico; utilizar a interpretação estatística dos fenômenos observados, evitando-se descrições dualistas; introduzir a relação de incerteza de Heisenberg para conjuntos de objetos quânticos nos estágios iniciais da unidade didática; desconsiderar o modelo de Bohr no tratamento do átomo de hidrogênio. Segundo Terrazzan
(1994), tal proposta é interessante por levar em conta a dificuldade manifestada pelos estudantes em modificar idéias prévias ou conviver com conceitos novos na aprendizagem da Física Quântica.
A abordagem alternativa elaborada por Fischler e Lichtfeldt (1992) para a introdução da Física Quântica mostrou ganhos no que concerne à concepção de átomo mantida pelos estudantes. Entretanto, isso não implica a impossibilidade de se tratar o assunto de modo diferente, mostrando-se a relevância do modelo de Bohr na condição de marco na história do desenvolvimento da Física Moderna, cujo conhecimento pode contribuir para ampliar o entendimento sobre a evolução do conhecimento científico. Pode-se sustentar que uma condição mais adequada não seja simplesmente omitir as informações sobre o modelo de Bohr, mas atuar para promover a discriminação entre as concepções associadas a essa visão e os conceitos atuais.
A terceira vertente metodológica constitui-se em escolher tópicos essenciais, seguindo a diretriz de Arnold Arons de que poucos conceitos de Física Moderna devem ser ensinados nas escolas de nível médio, pelo fato de os estudantes não poderem realmente compreender a maior parte desses temas.
Na visão de Arons (1990 apud Terrazzan, 1994), um curso introdutório de Física Moderna deveria limitar-se a permitir alguma percepção sobre os conceitos de elétrons, fótons, núcleos, estrutura atômica e outros dessa natureza, e talvez apresentar alguns aspectos qualitativos da Teoria da Relatividade. Caso se opte por ensinar o modelo de Bohr, por exemplo, a programação curricular seria estabelecida identificando-se tópicos essenciais, tanto da Física Clássica quanto da Moderna, indispensáveis para se entender os experimentos e argumentos que definem elétrons, núcleos atômicos e fótons, deixando-se de incluir os assuntos não-fundamentais.
Pode-se concordar com Arons sobre a inevitabilidade de lacunas na programação escolar e a necessidade de se selecionar conteúdos, devido à grande quantidade de assuntos cuja abordagem é possível e ao elevado nível matemático exigido em certos temas. Uma divergência encontra-se no critério para definir quais os tópicos essenciais, que não precisam se limitar aos sugeridos por Arons, a fim de proporcionar uma idéia coerente e global da Física (TERRAZZAN, 1994).
A questão da escolha dos conteúdos prioritários para o Ensino Médio foi estudada por Ostermann e Moreira (1998 apud OSTERMANN; MOREIRA, 2000b) com a utilização da técnica Delphi. Nessa pesquisa, obteve-se uma lista consensual de quais tópicos de Física Moderna deveriam ser ensinados nas escolas ou serem objeto de atenção especial na formação de professores, a partir da consulta a físicos, pesquisadores em Ensino de Física e professores de Física do Ensino Médio.
A relação final incluiu os seguintes assuntos: efeito fotoelétrico; átomo de Bohr; leis de conservação; radioatividade; forças fundamentais; dualidade onda-partícula; fissão e fusão nuclear; origem do universo; raios-X; metais e isolantes; semicondutores; laser; supercondutores; partículas elementares; Teoria da Relatividade Restrita; Teoria do Big Bang; estrutura molecular; fibras ópticas.
O estudo realizado não encerra a discussão sobre a escolha dos conceitos a serem ensinados, mas fornece uma idéia dos temas de Física Moderna mais importantes a serem considerados, com base na opinião de integrantes da comunidade envolvida com a pesquisa e o ensino da Física.
Na proposta didática examinada neste trabalho, o estudo de Ostermann e Moreira com a técnica Delphi auxiliou na seleção dos conceitos físicos incorporados. Da lista obtida por esses investigadores, foram abordados o efeito fotoelétrico, o átomo de Bohr, as leis de conservação da energia e do momento linear, a radioatividade, as forças fundamentais, a
dualidade onda-partícula, a fissão e fusão nuclear, os raios-X e a Teoria da Relatividade Restrita. Além disso, julgou-se apropriado fazer uma discussão de caráter introdutório à Teoria da Relatividade Geral, explorando-se o princípio da equivalência, a noção de curvatura do espaço-tempo e algumas implicações dessas concepções para a pesquisa astronômica. Entretanto, devido à delimitação do foco da pesquisa sobre a construção de conceitos relatada no presente texto, foi conferido um grau diferenciado de aprofundamento a essas idéias, com maior detalhamento da Teoria da Relatividade Restrita e dos fenômenos de fissão e fusão nuclear, existindo inclusive algumas noções que foram somente muito brevemente comentadas.