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A história da física em animações: Torricelli e o movimento das águas
João Luís Sampaio1
Ana Paula Bispo da Silva2
1. Introdução
A existência de materiais com abordagem histórica que conciliem o rigor historiográfico
com o contexto da sala de aula continuam a ser uma lacuna entre os trabalhos envolvendo a
aproximação entre a história da ciência (HC) e o ensino. Alega-se, de maneira geral, a
necessidade de uma transposição adequada da história da ciência para a sala de aula, de forma
a atender os anseios de professores e alunos (Forato et. al., 2011; Souza, 2014).
Nesse sentido, Seker (2012), destaca quatro níveis ou eixos em que a abordagem histórica
pode inserir-se: conceitual, epistemológico, sociocultural e motivacional. Entende-se que o
último desses níveis pode tornar a ciência mais “agradável” para os alunos, incentivando-os a
seguir carreiras científicas. Incluímos aí animações e desenhos envolvendo a história da ciência
e que tenham os alunos como sujeitos participativos no processo de construção.
No entanto, o motivacional precisa vir acompanhado do rigor historiográfico, mais
propriamente aquele correspondente à moderna historiografia da ciência, incluindo certos
parâmetros. A hipótese considerada é que, uma vez que o material atende aos pressupostos
historiográficos modernos, ele também permita a compreensão da natureza do trabalho
científico, evitando distorções e reproduções de uma perspectiva positivista da ciência
(Baldinato e Porto, 2008; Schmiedecke e Porto, 2015; Moura, 2014)
Assim sendo, este trabalho tem como objetivo suprir a demanda citada, com a criação de
animações que envolvam episódios históricos. A criação demanda a pesquisa histórica, a
construção do episódio histórico em forma de roteiro e as posteriores etapas de desenhos e
animações. Nos itens trataremos de alguns destes passos para a elaboração da presente
1 Professor do Instituto Federal da Paraíba/Mestrando em Ensino de Física – UEPB – Grupo de História da Ciência e Ensino (GHCEN) -
[email protected] 2 Departamento de Física, Universidade Estadual da Paraíba – UEPB – Grupo de História da Ciência e Ensino (GHCEN) –
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animação. Trata-se de projeto em andamento, que servirá como teste para a elaboração de
produto final associado à uma dissertação de mestrado profissional em ensino de Física.
2. A pesquisa historiográfica
Como a HC é um objeto de estudo entre as áreas de humanas e exatas, deve-se buscar por
obras que trazem tanto os aspectos relacionados com o contexto sociocultural dos personagens
envolvidos quanto àqueles relacionados com os conteúdos científicos que serão abordados. Na
elaboração do trabalho deve-se atentar em adotar uma perspectiva diacrônica, evitando a análise
das obras com o “olhar do presente” (Martins, 2005).
Ainda quanto aos aspectos a serem considerados, a moderna historiografia da ciência,
inclui entre seus pressupostos evitar “pais da ciência” e genealogias que caracterizem a ciência
como linear e progressista (Beltran et. al., 2014, p. 52)
Além disso, como uma animação requer a construção e um personagem num ambiente
devidamente caracterizado, é necessário a busca por imagens fidedignas do período em
destaque, evitando a distorção da imagem do filósofo natural ou cientista e possíveis erros
históricos.
2.1 O episódio histórico escolhido
A escolha do episódio histórico se deu enquanto era feita uma pesquisa sobre história da
ciência e fatores importantes que muitas vezes passavam desapercebidos durante a explicação
de conceitos durante uma aula de cinemática. Assim, determinou-se que um bom estudo de caso
seria o estabelecimento da “equação de Torricelli”, que é muitas vezes tomada como
proveniente de estudos da cinemática por grande parte dos professores da Educação Básica.
De fato, a primeira aparição desta expressão foi no trabalho de Torricelli sobre o
movimento das águas. Os professores, ao apresentar esta equação, tornam o momento
extremamente decorativo e o aluno associa sempre a equação com problemas de cinemática,
que não envolvem o tempo.
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Também ajudou na escolha deste episódio o fato de encontramos a tradução da obra de
Torricelli em português (Bistafa, 2014), bem como uma análise do mesmo para o caso da
cinemática (Macêdo, 2010)
Biografia de Evangelista Torricelli3 (1608-1647)
Torricelli se encontra entre os filósofos naturais que, durante o século XVII, atribuíam à
geometria a capacidade de estabelecer verdades sobre a natureza. Seu domínio de geometria
tornou-o apto a tratar de vários assuntos, como o movimento de projéteis e também de
hidrodinâmica.
Filho mais velho dos três filhos de Gaspare e Caterina, Torricelli demonstrou talento
incomum muito cedo. Em Roma, sob a supervisão de Benedetto Castelli, Torricelli aprofundou
seus estudos de geometria de Apolônio, Arquimedes, Teodósio e tornar-se conhecedor das
obras de Brahe, Kepler e Galileu, do qual apoiava o sistema copernicano. Em 1641 Torricelli
pediu a opinião de Castelli e outros matemáticos sobre um tratado que expandia a doutrina sobre
o movimento de projéteis que Galileu havia exposto no terceiro dia dos Discorsi e dimistrazioni
matematiche intorno a due nouve scienze, publicado em Leiden em 1638. Castelli julgou o
trabalho excelente e falou a Galileu sobre ele. Galileu assentiu e convidou Torricelli a unir-se
a ele em Arcetri. Torricelli permaneceu com Galileu até sua morte em 1642, quando passou a
ocupar seu lugar junto ao grão-duque Ferdinando II da Toscana, com bom salário e alojamento
no palácio dos Médice. Torricelli permaneceu em Florença até falecer. Estes próximos anos
foram cheios de atividades científicas, inclusive, em 1644 sua única obra publicada em vida –
Opera Geometrica – na qual discute o movimento das águas, esta que é utilizada como parte
do episódio histórico na montagem da animação.
O movimento das águas
Conforme destaque Heilbron (2003), o período em que Torricelli desenvolveu seus
estudos encontra-se em torno de 1600. Segundo a Companion, este período é tratado de
revolução científica considerando seu início em 1500 onde tivemos uma série de movimentos
e descobertas tais como as mudanças na necessidade de novas tecnologias e a descoberta de
novos continentes. Nesse período ainda devemos considera-los como filósofos naturais já que
3 Para a biografia, nos baseamos em Gliozzi (2007)
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a palavra ciência aparece pele primeira vez nomeando algumas academias como, por exemplo,
a Academia de Ciências de Paris em 1665.
Em seus estudos de geometria, Torricelli buscava as relações contidas no escoamento da
água por pequenos orifícios em suas bases. Nos seus estudos determinou a relação entre a
velocidade de escoamento com parábolas nas quais, suas medidas, tinham relações com as
proporções das velocidades. No início de sua obra, na parte que se refere ao movimento das
águas, Torricelli começa por demonstrar uma relação simples de movimentação da água que
sai por um orifício no ponto mais baixo, e voltado para cima, e que a água ao sair forma uma
parábola que, se retirarmos a presença do ar, alcança a altura original de saída dentro de um
tubo que é mantido constantemente cheio na mesma altura (figura 1).
Figura 1 – original da Opera Geométrica
Fonte: Bistafa, 2010
Como Torricelli era um exímio geômetra pode relacionar as velocidades juntamente com
a parábola e fazer comprovações experimentais de seus escritos. As relações feitas por ele
puderam trazer a vinculação principal entre a velocidade de escoamento do líquido com a raiz
da altura na qual o líquido era mantido e essas relações se procederam de análises geométricas.
Se o tubo AB cilíndrico ou prismático é perfurado no fundo B (figura 2) para
que flua, sem que outro líquido seja derramado por cima, as velocidades da
superfície oculta mais elevada do líquido decrescerão com a mesma razão,
como decrescem as linhas regularmente aplicadas na parábola BD que tenha
o eixo BA e de fato o vértice B. Isto é manifestado. Na verdade, quando a
superfície mais elevada da água for C, a velocidade será CD e quando a
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superfície mais elevada for E, a velocidade será EF, desde já demonstrados; e
sempre deste modo. (Bistafa, 2010, p. 114)
Figura 2 - original da Opera Geométrica
Bistafa, 2010
Nesse trecho da tradução (Bistafa,2010) Torricelli denota a relação entre as razões entre
a velocidade e as linhas (CD e EF) que ligam o eixo (AB) à parábola e no restante de sua obra
denota que essas linhas são proporcionais a raiz da altura que se tomam estas linhas. Para se
compreender melhor é ideal que se leia toda a tradução e seus pormenores inclusive vemos que,
por esta obra, Ernest Mach considera Torricelli o fundador da hidrodinâmica.
Trazendo esse episódio histórico para a animação, primeiro se fez uma pesquisa para
desenvolver o aspecto biográfico de Torricelli e na sequencia o episódio a respeito do
movimento das águas. A animação tem como motor de trabalho o fato de ser interessante assisti-
las, e não somente o professor falando e mostrando na lousa elementos de aula. Na animação
espera-se dar um caráter um pouco engraçado na história, para atrair a atenção daquele que
assiste a mesma. Com isso trazer os próprios alunos para a confecção da mesma traz a visão
daquele que quer assistir e o que ele quer assistir.
3. O desenrolar do projeto
Inicialmente como um projeto no campus Guarabira do Instituto Federal da Paraíba
escolheu-se uma equipe de 5 alunos de diferentes áreas técnicas para compor o grupo da
pesquisa. Dentre os alunos foram distribuídas tarefas para desenvolvimento. Como professor
tutor do projeto busquei informações a respeito de como se construir animações. Atualmente
temos na Internet uma série de vídeos e sites específicos de animação 2D, 3D, etc. Dentre as
opções foi escolhida a animação 2D por ser mais prática e acessível no sentido de não demorar
a aprender as ferramentas necessárias para o desenvolvimento da animação. Juntamente a isso
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pensou-se em buscar um programa gratuito que possibilitasse a aplicar o projeto, dentre tantos
foi escolhido o programa Inkscape 0,914 para a produção dos desenhos vetorizados.
Nas pesquisas a respeito da animação foi definida uma sequência inicial de trabalho que
era:
Etapa 1: Produção do texto inicial para narração – episódio histórico
Etapa 2: Produção de cenas a partir do texto inicial
Etapa 3: Desenhos a mão das cenas
Etapa 4: Vetorização dos desenhos
Etapa 5: Dar movimento básico aos desenhos já vetorizados
Etapa 6: A animação propriamente dita que é a junção dos desenhos já movimentados e da
narração.
3.1 Etapa 1 – Produção do texto para a animação - Episódio histórico
Um dos alunos foi encarregado da produção das cenas que foram discutidas
posteriormente com os demais para verificarmos o quanto daria para melhorar. Nesse ponto
buscamos textos biográficos de Torricelli e a partir dele foi retirada uma sequência básica que
forneceria argumentos para a construção de cenas e também a narração.
3.1.1 Texto produzido (narração):
Filho de um pai artesão têxtil de condições financeiras modestas Torricelli desde criança
ele demonstrava talentos incomuns e assim seu pai o entregou aos cuidados de seu tio, um
monge Camaldolese, para cuidar de sua formação Humanística. Entre 1625 e 1626 estuda
matemática e filosofia na escola jesuíta de Faenza. Seu desempenho era tamanho que faz seu
tio o enviar para Roma para estudar com Benedetto Castelli - um amigo de Galileu. Jovem tão
promissor que fez com que Castelli o convidasse para ser seu secretário particular! Uma de suas
funções era responder as correspondências de Castelli e numa delas de 11 de set de 1632
endereçada a Galileu, Torricelli aproveita a oportunidade e se apresenta como matemático e
4 Inkscape 0,91 é um software livre para editoração eletrônica (Portugal: edição electrónica) de imagens e documentos
vetoriais
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que também tinha lido várias obras dos grandes geômetras gregos (apolonius, Arquimedes,
Theodósius e Ptolomeu e praticamente tudo a respeito de Brahe, Kepler e do próprio galileu se
convencendo da teoria heliocêntrica de Copérnico.
Após isso pouco se sabe o que fez Torricelli mas continuou a secretariar outros pares na
época. Em 1641 estando em Roma pediu a Castelli uma opinião sobre um tratado a respeito do
movimento que ampliava as ideias sobre lançamentos de projéteis que galileu já tinha descrito.
Castelli ficou maravilhado com o trabalho. Em 2 de março de 1641 escreveu a Galileu avisando
que logo estari apor Florença e visitaria o amigo e levaria consigo um manuscrito de um
discípulo seu. Em abril de 1641 entregou o manuscrito a Galileu e propôs que ele aceitasse
Torricelli como seu assistente e após ler o trabalho Galileu o aceitou prontamente!
A sua ida para Acerti aconteceu alguns meses depois por problemas particulares, mas em
10 de outubro de 1641 torricelli chega a Arcetri para se juntar a Galileu e a Vicenzo Viviani,
seu outro assistente. A pena que essa reunião tenha durado somente tres meses pois Galileu
morreu em janeiro de 1642. Torricelli é nomeado a ocupar a cátedra de Galileu até 1647 ano de
sua morte. Em 1644 Torriceli publica a obra Opera Geométrica onde apresenta ideias
interessantes que serão utilizadas na cinemática.
São elas:
- No estudo dos movimentos parabólicos dos projéteis se a força que acelera o corpo cessar em
algum ponto da trajetória, o projétil se moverá numa direção tangente à trajetória;
- Num gráfico da distância em função do tempo, a tangente do ângulo horizontal em qualquer
ponto da trajetória mede a velocidade instantânea do corpo;
- Parece demonstrar o princípio de Galileu que pesos possuem, tanto em queda livre quanto
através de um plano inclinado de mesma altura de queda, a mesma velocidade imediatamente
antes de tocar o solo.
Uma das questões estudadas por Torricelli foi o movimento de um jato d’água jorrando
de um pequeno orifício para determinar sua velocidade. Ele verificou que se o jato fosse
direcionado para cima ele alcançaria uma altura menor que o nível do líquido no recipiente.
Segundo ele isso era devido as forças de resistência ao movimento e sem elas o jato alcançaria
a mesma altura.
A partir dessa hipótese ele deduz o teorema que leva o seu nome:
...a "velocidade de efluxo de um jato é igual à que uma única gota do líquido teria de pudesse
cair livremente no vácuo do nível acima do líquido em relação ao orifício do efluxo". Torricelli
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aponta que o fenômeno de queda livre de uma gota do líquido se assemelha ao efluxo de um
jato. Portanto a proporcionalidade entre velocidade de efluxo e a raiz quadrada altura do nível
do líquido em relação ao orifício, pode ser estendida para a medição da velocidade de um corpo
em queda livre. Aí está a verdadeira origem da "equação de Torricelli"
Vemos então que a origem da famigerada equação de Torricelli vem do estudo do
escoamento de fluidos!!
3.1.2 A divisão de cenas
A partir do texto anterior que servirá de narração para a montagem da animação, um dos
alunos do projeto ficou com o encargo de separar os momentos importantes que seriam
transformados em desenho, gerando uma sequência para que o aluno desenhista pudesse
trabalhar.
CENA 01
O pai de Torricelli observa da janela seu filho observando o céu diurno com uma luneta
enquanto outras crianças brincam ao redor. (Alterado posteriormente a luneta por observações
do céu com astrolábio)
CENA 02
O pai, o tio e Torricelli estão sentados à mesa.
O pai se despede de Torricelli e este deixa a casa com seu tio.
CENA 03
Torricelli no quadro negro em frente a outros alunos com seu tio e o professor a observá-lo.
Castelli e o tio conversam e Torricelli parte junto a este.
CENA 04
Torricelli e Castelli sentados numa escrivaninha cheias de papel, com velas ao redor.
Torricelli está escrevendo, então no papel pode ser ler “Caro Galileo Galilei” ou “Galileo
Galilei, Carissimi”.
CENA 05
Torricelli explica seu trabalho a Castelli numa lousa.
CENA 06
Castelli se encontra com Galileu e lhe entrega o manuscrito “Circa i proiettili” ou “De proiecta”.
Castelli noticia a Torricelli que Galileu o aceitou como discípulo.
CENA 07
Torricelli se encontra com Galileu e Vicenzo Viviani. Velório de Galileu.
Gran Duque de Toscana Ferdinando II concede a Torricelli o posto de matemático da corte.
CENA 08
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- No estudo dos movimentos parabólicos dos projéteis se a força que acelera o corpo cessar em
algum ponto da trajetória, o projétil se moverá numa direção tangente à trajetória; slide de uma
lousa desenhando e explicando a tese.
CENA 09
- Num gráfico da distância em função do tempo, a tangente do ângulo horizontal em qualquer
ponto da trajetória mede a velocidade instantânea do corpo; slide de uma lousa desenhando e
explicando a tese.
CENA 10
- Parece demonstrar o princípio de Galileu que pesos possuem, tanto em queda livre quanto
através de um plano inclinado de mesma altura de queda, a mesma velocidade imediatamente
antes de tocar o solo. Slide de uma lousa desenhando e explicando a tese.
CENA 11
Torricelli faz a experiência do jato d’água.
CENA 12
Novamente numa lousa? Explicar sobre o teorema concluindo com a Equação de Torricelli
CENA 13
A morte de Torricelli.
A partir da cena 8 ainda estamos tentando elaborar algo de forma simples e compreensível
sobre as explicações geométricas a respeito das relações entre a velocidade de escoamento e as
parábolas. Esse momento tem sido, para os alunos, complicado em termos de compreensão do
texto traduzido, corroborando a hipótese de que o trabalho com fontes primárias no ensino
médio, mesmo que traduzidas, precisa ser melhor elaborado.
3.2 Etapa 2 - O desenho das cenas
Com o texto definido e as cenas divididas o próximo passo era a produção dos desenhos
que ficou a cargo de outro aluno que iria produzir o storyboard (desenhos das cenas uma a uma
como história em quadrinhos). Nesta etapa, foram feitos desenhos das cenas na forma
simplificada que posteriormente ganharão movimentos. Os desenhos foram elaborados tanto
pelo aluno quanto por mim, e discutidas as formas de apresentação dos envolvidos na história
baseados em pesquisas de suas imagens quando houvessem e deixando sempre um caráter
engraçado nos desenhos.
Exemplos dos Desenhos:
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Figura 3: Desenhos expressando Torricelli ainda menino.
Fonte: arquivo próprio.
Figura 4: Desenhos expressando o tio de Torricelli com Benedetto Castelli.
Fonte: arquivo próprio.
Figura 5: Desenhos expressando Torricelli.
Fonte: arquivo próprio.
Figura 6: Desenhos expressando Torricelli, Galileu e Vicenzo Viviani.
Fonte: arquivo próprio.
3.3 Etapa 4 - Vetorização dos desenhos
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Depois de definido o programa que seria utilizado na vetorização dos desenhos (Inkscape 0,91),
os mesmos foram passados a uma equipe de tres alunos que tiveram como objetivo vetorizar5
as imagens para facilitar a movimentação destas para a formação da animação. Esta fase parece
a mais demorada devido a alguns fatores. A própria manipulação do programa, por si só, já gera
alguma dificuldade inicial em se dominar suas ferramentas. Como professor tutor estudei as
ferramentas de forma a trazer o básico que precisaríamos para poder desenvolver nossos
trabalhos. Isso feito, juntei os alunos em alguns encontros para que pudesse ensiná-los as
ferramentas básicas. Pretendo posteriormente formatar uma pequena sequência ensinando o
básico para se poder vetorizar e iniciar trabalhos como o descrito neste material.
Imagem vetorizada e algumas alterações de movimento:
Figura 7: Desenho original de Benedetto Castelli e desenhos já vetorizados pelo professor e com movimentos.
Fonte: arquivo próprio.
Desenho já vetorizado por aluno:
Figura 8: Desenho original e desenho já vetorizado por aluno
Fonte: arquivo próprio.
Até então estamos nesta fase de montagem dos desenhos vetorizados. Os alunos indicados
para trabalhar neste ponto são ligados ao curso técnico integrado de informática, ou seja, já
possuem certa habilidade com ferramentas e softwares. Ainda assim, pensando numa
5 A vetorização corresponde à transformação de linhas e contornos de uma foto ou imagem em representações numéricas. A
vetorização ajuda na movimentação e animação de imagens em programas específicos de editoração de imagens. Com
imagens vetorizadas, facilmente podemos mover os objetos e mudá-los de posição, criando assim o movimento.
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perspectiva atual de que os alunos de hoje têm acesso à tecnologia, e são rápidos em
aprendizado das mesmas, o projeto pode ser executado em escolas não necessariamente
técnicas. As dificuldades se passam como em qualquer projeto no qual os envolvidos não tem,
ou até mesmo nunca tiveram, contato com ferramentas de desenho na informática. No momento
estão todos voltados para o desenvolvimento de cenas que foram divididas e após a vetorização
das mesmas, haverá um encontro onde poderemos avaliar quais cenas estão bem-feitas e quais
as cenas que deverão ser melhoradas.
4. Considerações finais
No projeto passamos por diversas dificuldades, desde a produção de um texto que atenda
a uma narrativa que venha a ser colocada em uma sequência de animações e até mesmo a
questão do trabalho junto aos alunos quando se trata de pesquisa em história da ciência.
Tentamos nos ater a construção do texto de forma a abordar situações internalistas e
externalistas (Martins, 2005), como por exemplo, mostrar a biografia de Torricelli e nela
denotar a condição diferenciada desde menino até sua formação e sua trajetória, até chegar
enfim, as suas obras nas quais trazem todo o pensamento científico de sua época que estão
presentes nos dias atuais, mas de forma diferente como de fato se procedeu. No processo da
elaboração da animação a pretensão é demonstrar a construção do conceito e de onde ele partiu
mostrando, até mesmo, suas dificuldades de sua época.
No que se refere ao trabalho computacional deve-se ter consciência de que há muito
trabalho pela frente e que, como professores, devemos sempre nos atualizar nas novas
tecnologias para que possamos trazê-las para sala de aula com a certeza que a mesma estará
inserida no processo da elaboração da animação.
As animações são, em geral, bem aceitas entre os alunos. O grande problema é colocar a
“mão na massa” para a produção de trabalhos desse tipo, sabendo das dificuldades inerentes as
novas tecnologias. Passadas as dificuldades iniciais, o trabalho em si é satisfatório em todos os
aspectos, tanto para professores quanto para alunos envolvidos no projeto. Para posterior
trabalho tenho a expectativa de refazer este projeto agora com um volume maior de alunos. É
perfeitamente possível trabalhar uma sala toda escolhendo um tema para a sala e dividindo-a
em grupos de trabalho. No aspecto motivacional para a ciência é importante sempre se manter
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as discussões sobre o episódio histórico que está sendo desenvolvido e, a partir das opiniões
dos alunos, podemos ter mais elementos de pesquisa para o trabalho.
5. Referências bibliográficas
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