Possibilidades e Desafios da Inserção da Computação Quântica no Ensino Médio

Possibilities and Challenges of Introducing Quantum Computing in High School Education

Resumo

A realidade atual exige conhecimentos científicos modernos para interpretar e participar das decisões sobre Ciência e Tecnologia. No ensino de Física, a Física Moderna e Contemporânea é pouco abordada na educação básica devido à desatualização curricular e falta de materiais, afetando a formação crítica dos estudantes. Mesmo quando abordada, a ênfase se limita aos primórdios da Mecânica Quântica, insuficiente para a compreensão dos problemas atuais. Este trabalho propõe explorar práticas de ensino de Computação Quântica no Ensino Médio, destacando sua relevância científica e industrial. Essas práticas se baseiam em ações realizadas no âmbito da presente pesquisa, assim como ações identificadas em um levantamento bibliográfico. Identifica-se três enfoques: Conceitual, Instrumental e Sociocientífico. O Enfoque Conceitual articula os conceitos da Computação Quântica; o Enfoque Instrumental aborda habilidades procedimentais e uso de tecnologias digitais e algoritmos quânticos; o Enfoque Sociocientífico foca na formação de atitudes e valores. A partir desses enfoques, elaborou-se uma matriz de orientação com três objetivos de aprendizagem: Informação, Questionamento e Tomada de Decisões. Essa matriz visa não apenas classificar, mas proporcionar uma compreensão abrangente das abordagens, possibilitando orientar práticas de ensino de Computação Quântica no ensino médio e como base para futuras investigações sobre a interseção entre práticas educacionais e discursos científicos.

Palavras-chave:
Física Moderna e Contemporânea; Computação Quântica; Ensino Médio; Matriz de Orientação

Abstract

The current reality requires modern scientific knowledge to interpret and participate in decisions about Science and Technology. In Physics teaching, Modern and Contemporary Physics is little covered in basic education due to outdated curriculum and lack of materials, affecting students’ critical training. Even when addressed, the emphasis is limited to the beginnings of Quantum Mechanics, which is insufficient for understanding current problems. This work proposes to explore Quantum Computing teaching practices in high school, highlighting its scientific and industrial relevance. These practices are based on actions carried out within the scope of this research, as well as actions identified in a bibliographic survey. Three approaches are identified: Conceptual, Instrumental and Socio-scientific. The Conceptual Approach articulates the concepts of Quantum Computing; the Instrumental Approach addresses procedural skills and the use of digital technologies and quantum algorithms; the Socio-Scientific Approach focuses on the formation of attitudes and values. Based on these approaches, a guidance matrix was created with three learning objectives: Information, Questioning and Decision Making. This matrix aims not only to classify, but to provide a comprehensive understanding of the approaches, making it possible to guide Quantum Computing teaching practices in high school and as a basis for future investigations into the intersection between educational practices and scientific discourses.

Keywords:
Modern and Contemporary Physics; Quantum Computing; High School; Orientation Matrix

1. Introdução

Desde o início do século XX, o mundo vem passando por um acelerado avanço científico e tecnológico, com profundas demandas e implicações sociais, científicas, culturais, industriais e econômicas em toda a humanidade. Saber se posicionar perante tais questões tem o potencial de possibilitar ao cidadão interpretar e transformar a sua realidade a partir do conhecimento científico articulado com outros campos [¹]. Logo, torna-se indispensável a inserção de discussões na Educação Básica que propiciem uma formação capaz de possibilitar a participação dos estudantes em tais questões.

Nesse contexto, diversas são as pesquisas que discutem a problemática da falta de inserção de tópicos contemporâneos no Ensino de Ciências no âmbito da Educação Básica. No Ensino Médio, especificamente na disciplina de Física, tem-se, por exemplo, a pouca inserção de tópicos relacionados à Física Moderna e Contemporânea (FMC), em especial à Mecânica Quântica [², ³, ⁴, ⁵, ⁶, ⁷]. Essa inserção se torna indispensável considerando que uma grande parcela dos dispositivos atuais, como aparatos digitais, sensores e a própria internet, não podem ser explicados a partir das leis da Física Clássica, mas pela FMC [⁸].

Em meio a essas demandas, surgem também pesquisas científicas referentes a práticas e propostas que buscam a inserção da FMC no Ensino Médio, discutindo suas potencialidades e limitações (a saber [⁹, ¹⁰, ¹¹, ¹²]). Entretanto, apesar do esforço, os currículos de Física da Educação Básica ainda são extremamente desatualizados, restringindo-se a discussões do início do século XX [², ³, ¹³]. Os tópicos discutidos nessas práticas pedagógicas se reduzem, em sua maioria, a conteúdos da Física semi-clássica, ignorando tópicos recentes e com grande poder de impacto na humanidade, podendo estimular o engajamento e participação dos cidadãos na tomada de decisões futuras associadas a eles.

Dentre esses tópicos, a Computação Quântica ganha destaque atualmente devido ao grande interesse da comunidade científica em explorar novas possibilidades de produção científica, tecnológica e industrial [¹⁴, ¹⁵]. Contudo, se tópicos básicos da FMC são pouco explorados nos currículos de Física do Ensino Médio, a Computação Quântica é praticamente inexistente. Em um levantamento realizado no presente trabalho, foram encontrados somente dois trabalhos no contexto brasileiro associados a práticas de implementação da Computação Quântica no Ensino Médio, ambos dos mesmos autores [¹⁶, ¹⁷].

Em um contexto de busca de trabalhos nacionais e internacionais, cabe salientar que uma parcela considerável deles tem ênfase na descrição ou proposição de novas práticas, restringindo-se à aprendizagem conceitual dos conteúdos, considerando as dimensões do conteúdo definidas por Zabala (2015) [¹⁸]. Esses resultados destacam a necessidade de trabalhos que discutam as ações considerando objetivos que exercitem um diálogo entre uma aprendizagem conceitual, procedimental e atitudinal, compreendendo as práticas no sentido amplo. Portanto, é preciso se pensar em um ensino de Computação que incorpore aspectos alinhados com as discussões da Alfabetização Científica e Tecnológica (ACT) capazes de propiciar um posicionamento crítico dos estudantes frente aos problemas da atualidade [¹⁹].

Considerando os aspectos discutidos, o presente trabalho busca investigar as potencialidades e limitações da inserção da Computação Quântica no Ensino Médio. Para tanto, considera-se como corpus de análise trabalhos encontrados em um levantamento bibliográfico e práticas de ensino realizadas pelos autores da presente pesquisa para estudantes do Ensino Médio. Como culminação desta investigação, destaca-se a construção de uma matriz com potencial de orientar práticas pedagógicas da área em termos de alcances formativos, contribuindo para uma percepção articulada acerca dos objetivos de aprendizagem da Computação Quântica no contexto da Educação Básica.

2. A Computação Quântica no Ensino Médio

A desatualização curricular referente ao cenário educacional brasileiro tem se mostrado um dos maiores problemas para o ensino da Física atualmente. Como já discutido anteriormente, faz-se necessária a inclusão de conteúdos mais recentes da Física nesses currículos de modo a superar algumas das limitações trazidas por essa problemática. Para a inserção da Computação Quântica na educação básica de forma dialogada com uma formação crítica-reflexiva dos estudantes, é importante que os docentes se apropriem de trabalhos que discutam aspectos conceituais da área focados no contexto da educação básica, exercitando concomitantemente aspectos da ACT.

Nesse sentido, a fundamentação teórica foi pensada em duas seções que discutem esses elementos, a saber: 2.1) Aspectos conceituais da Computação Quântica para o Ensino Médio, e 2.2) Alfabetização Científica e Tecnológica como possibilidade de inserção da Computação Quântica no Ensino Médio. Na primeira seção, serão apresentadas as discussões da área de Ensino de Física relacionadas ao atual cenário da FMC no Ensino Médio. Na segunda sessão, serão discutidos aspectos da ACT como um caminho para a inserção da Computação Quântica no Ensino Médio de forma mais significativa.

2.1. Aspectos conceituais da Computação Quântica para o Ensino Médio

A Computação Quântica é uma linha de pesquisa que vem sendo desenvolvida desde a segunda metade do século XX de forma concomitante aos avanços da Mecânica Quântica e Computação Clássica [²⁰]. Apesar de se popularizar apenas no século XXI, muitas foram as discussões acerca do tema, suas possibilidades de aplicação e resultados teóricos obtidos ainda no século passado. Tais discussões se associam às novas descobertas da Mecânica Quântica atreladas a sistemas de dois níveis, juntamente com as limitações inerentes à Computação Clássica [¹⁴]. Para compreender a origem e conceitos associados ao campo, faz-se necessária uma breve introdução em tópicos dessas bases teóricas.

Referente à Mecânica Quântica, sua origem é amplamente associada à Hipótese de Planck, em que, na tentativa de resolver a discrepância entre os resultados teóricos e experimentais da radiação de um corpo negro, considera a energia como quantizada. A hipótese permitiu a obtenção de resultados teóricos condizentes com as observações experimentais e abriu espaço para diversas discussões associadas aos primórdios da Mecânica Quântica, tais como o Efeito Fotoelétrico, o Átomo de Bohr, Experimento de Stern–Gerlach, Efeito Compton e Hipótese de De Broglie [²¹, ²²]. Dentre esses resultados, o mais notório para a Computação Quântica é o Experimento de Stern–Gerlach, que prova a existência de sistemas de dois níveis na natureza. No entanto, a teoria quântica passa a ter um tratamento generalizado apenas em 1926 com a formulação da Equação de Schrödinger, capaz de descrever o comportamento do estado quântico de um sistema físico fechado.

Em meio a esse contexto, os resultados da Mecânica Quântica começam a se relacionar diretamente com a Computação Quântica a nível lógico a partir da consolidação da Teoria da Informação Quântica proposta por Ingarden em 1975, ao afirmar que a teoria quântica deveria ser generalizada para a teoria geral da informação de Shannon [²⁰]. Já em 1980, Feynman e Paul Benioff provêm uma base teórica e modelo universal para a construção de um computador quântico, o que veio a se tornar o que é considerado atualmente o maior marco inicial da área. Eles propuseram que esses computadores poderiam oferecer uma melhor descrição de sistemas quânticos se comparado aos computadores clássicos, uma vez que operam a partir das “leis do mundo quântico” [²³].

Em se tratando da Ciência da Computação, é possível citar como grande marco teórico para a área a proposição da Máquina de Turing [²⁴]. Somado a isso, os primeiros computadores tiveram relevante progresso no período de guerras mundiais para a decodificação de informações secretas que eram transmitidas entre as diferentes bases militares [²⁵]. Na contemporaneidade, esses computadores progrediram a ponto de ser possível carregá-los no bolso com uma tecnologia superior à dos computadores do século passado. Isso se tornou possível devido a outro marco teórico da área: o modelo de circuitos eletrônicos, considerando componentes como transistores e portas lógicas [¹⁴].

Como unidade básica da informação para a Computação Clássica, considera-se os bits, que podem assumir apenas valores binários, a exemplo do 0 ou 1, VERDADEIRO ou FALSO, LIGADO ou DESLIGADO. Na prática, esses bits são operados via transistores, que, em conjunto com as portas lógicas, compõem circuitos computacionais que possibilitam a execução de algoritmos por meio de uma álgebra booleana¹[²⁶]. Nesse caso, cada algoritmo tem um parâmetro que define a sua complexidade computacional, denotada por um limite superior $𝒪$ (Big O). É importante ressaltar que, ainda que existam algoritmos com as mesmas funções, eles podem ter complexidades diferentes a depender de como foi estruturado.

Para além disso, outro ponto de suma importância para a Ciência da Computação é a lei de Moore, formulada por Gordon Moore em 1965 [²⁵], em que realiza uma previsão de que a cada dois anos os microchips terão sua capacidade de processamento dobrada, tendo em vista a diminuição no tamanho dos transistores. No entanto, os dados atuais têm mostrado que essas previsões podem chegar ao fim por conta do limite na diminuição desses transistores, trazendo limitações futuras para a Computação Clássica, mesmo com o uso de supercomputadores [¹⁴]. Com isso, ela seria incapaz de acompanhar o progresso tecnológico para tarefas que exijam um alto grau de processamento ou um processamento muito rápido [²⁷].

Por outro lado, a Computação Quântica tem se tornado uma área consistente à medida em que resultados teóricos têm sido confirmados e novos computadores quânticos têm sido desenvolvidos. Esses resultados estão associados às vantagens trazidas por esses computadores se comparados aos computadores clássicos, tendo em vista os qubits: a unidade de informação básica da Computação Quântica que se beneficia das propriedades de sistemas de dois níveis. Segundo Nielsen e Chuang (2010) [¹⁴], enquanto os bits podem assumir apenas valores binários 0 e 1, os qubits podem assumir outros estados a partir de uma combinação linear de dois estados, conhecida como superposição:

(1) $$|\psi \mathrm{\rangle }=\alpha |0\mathrm{\rangle }+\beta |1\mathrm{\rangle }$$

De maneira ainda mais específica, esses estados são, na verdade, conhecidos como vetores complexos de estados bidimensionais, que obedecem a relação de normalização ${\alpha }^2+{\beta }^2=1$, onde $\alpha$ e $\beta$ são números complexos. À nível de elucidação, é possível visualizar o vetor de estado a partir da representação da esfera de Bloch, que relacionam esses valores a funções trigonométricas, permitindo associá-los a ângulos $\phi$ e $\theta$ (ver eq. 2), conforme visualizado na Figura 1.

Figura 1
Esfera de Bloch.

(2) $$|\psi \mathrm{\rangle }=cos\left(\frac{\theta }{2}\right)|0\mathrm{\rangle }+e^{i\phi }sen\left(\frac{\theta }{2}\right)|1\mathrm{\rangle }$$

Assim como na Computação Clássica, a Computação Quântica também possui um conjunto de portas lógicas capazes de realizar operações nesses qubits, conhecidas como portas lógicas quânticas. Essas portas podem ser operadas em circuitos quânticos, que, por sua vez, compõem os algoritmos quânticos [²⁸]. Com vista à propriedade de superposição de estados inerentes aos qubits, esses algoritmos demonstram resultados teóricos e experimentais que denotam a sua vantagem computacional com relação aos algoritmos clássicos. São exemplos mais conhecidos o algoritmo de fatoração de números inteiros [²⁹], de busca em uma lista não estruturada [³⁰] e de solução de sistemas de equações lineares [³¹].

Com essas formulações, sempre foi de grande interesse para a comunidade científica a pesquisa na área da Informação e Computação Quântica, tendo em vista que é mais prático simular sistemas quânticos em computadores quânticos ao invés de computadores clássicos [²⁰]. No entanto, o atual investimento de empresas multimilionárias surgiu apenas após o impacto do trabalho de Shor, que propôs um algoritmo de fatoração de números inteiros com uma aceleração logarítmica, podendo quebrar criptografias RSA em instantes, o que jamais poderia ser feito de forma clássica [²⁷].

Atualmente, a IBM disponibiliza um pacote de desenvolvimento de softwares quânticos, conhecido como qiskit, além de uma plataforma IBM Quantum Experience que possibilita ao usuário acessar computadores quânticos reais de forma remota [³²]. A plataforma permite ao usuário desenvolver os circuitos por meio de uma interface ou por meio de códigos em python. Segundo Galvão et. al (2022) [³³], o python é uma linguagem que demonstra potencialidades para as aulas de Física frente a outras linguagens tendo em vista a sua robustez, sintaxe simples e um conjunto de bibliotecas com funções já conhecidas da Matemática e Física, o que pode indicar uma potencialidade de se trabalhar com programação quântica no Ensino Médio.

Com vista a essa popularização da Computação Quântica, alguns trabalhos, em sua maioria internacionais, têm sugerido a sua inserção no Ensino Médio em tópicos associados à FMC (a exemplo de [¹⁶, ¹⁷, ³⁴, ³⁵]). Isso porque o crescimento significativo do interesse pela área, tanto da comunidade científica, quanto de empresas multimilionárias, tem demonstrado a importância de inserir discussões sobre esse tópico nas diversas esferas sociais.

Nesse contexto, considerando o destaque da área no cenário atual de produção científica e tecnológica, aliado à ausência de tópicos contemporâneos da FMC no Ensino Médio, o ensino da Computação Quântica tem revela um potencial extremamente promissor. Para colocar essa relevância em perspectiva, é possível citar seu impacto nos avanços de tecnologias sustentáveis [⁵⁵, ⁵⁶, ⁵⁷, ⁵⁸]. Esses avanços são de suma importância considerando a transição para tecnologias menos nocivas ao planeta, como banimento planejado de motores a combustão interna até 2030, que impulsiona a pesquisa em células de combustível e tecnologias relacionadas [⁵⁴]. Complementar a isso, a computação quântica é vista como um pilar fundamental para avanços em criptografia, otimização de sistemas complexos, e desenvolvimento de novos materiais, potencializando progressos em diversas áreas da ciência e da indústria [⁵⁶].

Para além disso, um ponto adicional que reforça importância são as orientações presentes na Base Nacional Comum Curricular (BNCC), que estabelece competências e habilidades essenciais para a formação de cidadãos ativos e capazes de se inserir no cenário global e nacional atual. No capítulo referente às Ciências da Natureza, as três competências destacadas refletem esses aspectos, especialmente a terceira: “investigar situações-problema e avaliar aplicações do conhecimento científico e tecnológico e suas implicações no mundo, utilizando procedimentos e linguagens próprios das Ciências da Natureza, para propor soluções que considerem demandas locais, regionais e/ou globais […]” [³⁸]. Portanto, torna-se evidente a necessidade de inserir esses tópicos no Ensino Médio, conforme defendido ao longo deste trabalho.

Contudo, é também importante reconhecer a dificuldade dos estudantes da educação básica em assimilar conteúdos da Física. Segundo Moreira (2018), essa defasagem tem como uma das problemáticas a falta de interesse dos estudantes [⁵²]. Em um trabalho de revisão, Ostermann e Moreira (2000) destacam que o interesse dos discentes se relaciona, em geral, à relatividade restrita, partículas elementares, teoria quântica, astrofísica, Big Bang, estando intimamente ligados à própria FMC [²]. Ou seja, os tópicos que mais despertam o interesse dos professores e estudantes do EM são os menos trabalhados nas aulas de Física. A inserção de conteúdos como a Computação Quântica tem potencial de atrair o interesse dos estudantes. A nível metodológico, é essencial contextualizar esses tópicos com aplicações reais e interesses pessoais, utilizar métodos de ensino ativos e recursos didáticos mais próximos da realidade dos estudantes, de modo a integrar gradualmente os conceitos avançados revisando fundamentos, e promover debates e resolução de problemas para estimular o pensamento crítico [⁵², ², ¹³].

2.2. Alfabetização Científica e Tecnológica: um caminho para a inserção da Computação Quântica no Ensino Médio

Os desafios da contemporaneidade têm exigido de modo latente a necessidade de uma análise crítica dos problemas atuais, de modo a utilizar conhecimentos científicos e tecnológicos para propor soluções de forma socialmente responsável. Como exemplo, é possível destacar o recente período de pandemia acometida pelo novo coronavírus (SARS-CoV-2), responsável pela doença Covid-19, em que foi necessária a mobilização de conhecimentos da C&T para o seu enfrentamento. Em virtude dessas problemáticas, diversos autores no âmbito do Ensino de Ciências têm defendido a importância de promover uma Alfabetização Científica e Tecnológica (ACT) que prepare os estudantes para exercer uma cidadania mais participativa [¹⁹].

Segundo a UNESCO (2017), a sua importância reside na capacidade de utilizar o conhecimento e os processos científicos e tecnológicos para compreender as questões e tomar decisões sobre o mundo natural e o mundo antropoceno [³⁹]. Isso porque ela envolve o desenvolvimento de habilidades como observação, investigação, análise crítica e interpretação de informações científicas e tecnológicas. Além disso, é importante que as pessoas sejam capazes de aplicar esses conhecimentos em situações cotidianas, como na resolução de problemas ambientais, no uso responsável de tecnologias e na tomada de decisões informadas [¹, ¹⁹].

Em um trabalho de revisão bibliográfica, Sasseron e Carvalho (2011) apresentam algumas dessas discussões ao organizar os trabalhos da área a partir de eixos estruturantes associados à “compreensão básica de termos, conhecimentos e conceitos científicos fundamentais”; à “compreensão da natureza das ciências e dos fatores éticos e políticos que circundam sua prática’; e ao “entendimento das relações existentes entre ciência, tecnologia, sociedade e meio-ambiente” (p. 75) [⁴⁰]. Esses eixos denotam a pluralidade semântica da ACT, demonstrando que a sua abordagem nas aulas de Física não necessariamente implica no alcance de aspectos que dialoguem com uma formação genuinamente crítico-reflexiva.

Para Auler e Delizoicov (2001), a ACT pode ser pensada a partir de duas perspectivas: a ACT reduzida e a ACT ampliada. A primeira “desconsidera a existência de construções subjacentes à produção do conhecimento científico-tecnológico” (p. 122), fortalecendo mitos associados à C&T [⁴¹]. Essa perspectiva se aproxima do eixo estruturante associado à compreensão básica de termos, conhecimentos e conceitos científicos fundamentais [⁴⁰], mas se distancia dos demais, uma vez que ignora o contexto social ao qual os estudantes fazem parte e isola as Ciências da Natureza das demais áreas do saber.

Já na perspectiva ampliada, há um diálogo entre C&T e o contexto social em que o indivíduo está inserido para o alcance de propósitos formativos mais amplos, desmistificando as concepções equivocadas sobre C&T [⁴¹]. Esse diálogo se mostra de suma importância para o desenvolvimento de um posicionamento crítico quanto a tópicos da Física, visto que há uma aproximação do estudante do contexto social ao qual está inserido, oportunizando o desenvolvimento de habilidades e atitudes frente às transformações da sociedade [⁴²]. Para tanto, os autores apontam como caminho possível à ACT ampliada o diálogo com temas associados à Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS), tendo em vista a sua ênfase em questões sociais.

A abordagem de tópicos associados a essa tríade é de fundamental importância para evitar reducionismos no Ensino de Ciências, tais como: superioridade do modelo de decisões tecnocráticas, perspectiva salvacionista da Ciência-Tecnologia e o determinismo tecnológico [⁴¹]. Tais mitos não podem ser superados por meio de uma abordagem restrita de conceitos e pouco dialógica com outras áreas. Logo, abordagens de associação entre ACT ampliada implicam em uma formação para além da propedêutica e/ou mecanicista. Em outras palavras, a aproximação dessas abordagens no Ensino de Física pode possibilitar uma formação crítico-reflexiva.

Em uma outra perspectiva, Silva e Sasseron (2021) discutem a ACT a partir de três categorias, denominadas de Visão I, Visão II e Visão III [¹⁹]. Diferentemente da perspectiva de Auler e Delizoicov, em que a ACT reduzida e ampliada aparecem como opostas, as autoras interpretam as três visões como complementares. Na Figura 2, é possível visualizar essas relações, em que a Visão II utiliza dos conhecimentos e habilidades da Visão I, enquanto que a Visão III utiliza dos conhecimentos e habilidades da Visão I e II.

Figura 2
Conhecimentos e habilidades necessários às diferentes visões de Alfabetização Científica [¹⁹].

De modo geral, a Visão I e II são pensadas a partir da perspectiva de ACT discutida por Roberts (2011) [⁴³], em que buscava categorizá-la a partir de diferentes níveis. Desse modo, a Visão I tem como ênfase a aquisição de conhecimentos e habilidades científicas conceituais, refletindo a C&T em termos de produtos e processos internos, sendo, portanto conhecida como internalista. Nesse sentido, ela é vista como uma ferramenta que permite aos sujeitos compreender e aplicar conceitos científicos em situações cotidianas. Se comparada às perspectivas apresentadas anteriormente, essa visão se aproxima do eixo estruturante referente à “compreensão básica de termos, conhecimentos e conceitos científicos fundamentais” [⁴⁰] e à ACT reduzida [⁴¹].

Na Visão II, a ideia convencional da ACT é ampliada ao incorporar uma compreensão crítica da C&T e a sua relação com a sociedade. Nela, a ênfase não está apenas no conhecimento científico, mas também na capacidade de avaliar criticamente as implicações sociais, políticas e éticas da C&T, bem como reconhecer como fatores externos podem afetar a investigação científica. Desse modo, ela é também denominada de externalista, compreendendo a C&T como um “empreendimento social e a importância do seu ensino para a tomada de decisões na vida cotidiana” [¹⁹]. No entanto, ainda que seus objetivos se aproximem dos eixos estruturantes referentes à “compreensão da natureza das ciências e dos fatores éticos e políticos que circundam sua prática” e ao “entendimento das relações existentes entre ciência, tecnologia, sociedade e meio-ambiente” [⁴⁰]) e da ACT ampliada [⁴¹], ela não é suficiente para alcançar a transformação social discutida nessas perspectivas.

Com vista a essa limitação, a Visão III, discutida a partir do referencial [¹], vai além das duas perspectivas anteriores, destacando a ACT como ferramenta de transformação social. De acordo com este ponto de vista, a C&T está para além de apenas uma coleção de fatos; é também uma ferramenta poderosa para abordar questões globais, a exemplo das alterações climáticas, a poluição e as desigualdades socioeconômicas. Logo, o objetivo central dessa Visão é encorajar os sujeitos a usarem a C&T como um meio de promover mudanças socialmente responsáveis, participando ativamente em discussões e ações relacionadas com a C&T, a fim de alcançar uma transformação social significativa. Essa Visão se aproxima fortemente da perspectiva de ACT ampliada proposta por Auler e Delizoicov, mas, nesse caso, é revisitada como complementar às anteriores.

Neste trabalho, a definição adotada à ACT se refere a um processo fundamental para a formação de indivíduos críticos e capazes de compreender e participar ativamente da sociedade contemporânea [³⁹, ⁴³, ⁴⁰]. Para tanto, utiliza-se da perspectiva proposta por Silva e Sasseron (2021) para analisar a Computação Quântica no Ensino Médio a partir das diferentes visões propostas pelas autoras [¹⁹]. Nesse sentido, pode-se explorar seus aspectos conceituais a partir de problematizações a respeito do desenvolvimento científico e tecnológico, seus altos custos, suas vantagens com relação ao desenvolvimento de tecnologias quânticas sustentáveis e a desmistificação de alguns dos mitos de C&T associados a ela [¹⁵].

Esses tópicos podem ser trabalhados a partir de diversos temas associados aos impactos da Computação Quântica no desenvolvimento social, tais como: quebra de criptografia e suas implicações significativas na segurança de dados e informações pessoais [⁴⁴]; modelagem de moléculas complexas, o que pode ajudar no desenvolvimento de novos medicamentos [⁴⁵]; melhorias no desempenho da inteligência artificial, tornando-a mais rápida e eficiente [¹⁵]; modelagem climática mais eficiente, podendo prever desastres naturais de maneira mais acelerada; melhorias na eficiência e no desempenho de sistemas de energia renovável, como painéis solares e turbinas eólicas; otimização da produção agrícola e redução do desperdício de recursos naturais, como água e fertilizantes [⁴⁶, ¹⁵].

Portanto, defende-se neste trabalho que a inserção crítica da Computação Quântica no Ensino Médio está para além de uma abordagem de conceitos, sendo necessário o trabalho com conteúdos que propiciem aos estudantes um aprendizado mais relevante e transformador da realidade ao qual estão inseridos. A abordagem com vista à ACT denota potencialidades no aprendizado de conceitos e na formação de atitudes e valores próximas do perfil de formação cidadã crítico-reflexivo. Com vista a essas colocações, cabe destacar que a proposta do trabalho é também o seu maior desafio, tendo em vista as limitações associadas à inserção crítica da QC no Ensino Médio. Assim, o presente trabalho não busca respostas concretas ou algoritmos sobre essa inserção, mas sinalizar caminhos para que isso ocorra.

3. Encaminhamentos Metodológicos

Nesta seção, serão descritas as fases da investigação que culminaram na construção da matriz de orientação proposta no presente artigo. Em suma, os encaminhamentos metodológicos podem ser refletidos a partir de duas diferentes etapas da pesquisa: 3.1) Busca de Trabalhos Acadêmicos de Computação Quântica no Ensino Médio; 3.2) Ações Desenvolvidas na Pesquisa. Na primeira, objetivou-se situar a pesquisa no contexto das produções acadêmicas referentes ao tema. Na segunda, buscou-se descrever e refletir ações autorais de ensino de Computação Quântica aplicadas ao Ensino Médio.

Para ambas as etapas, foi adotado o método de Análise Textual Discursiva (ATD). A ATD é uma abordagem de pesquisa qualitativa que busca compreender o sentido dos textos, considerando seu contexto e a interação entre os sujeitos envolvidos. Assim, sua fundamentação se baseia em uma perspectiva construcionista, que entende a produção de sentido como um processo social e histórico, influenciado pelas experiências, valores e crenças dos indivíduos [⁴⁷, ⁴⁸]. Para realizar a análise, utiliza-se de técnicas de leitura atenta, codificação e categorização dos dados, buscando identificar padrões e relações entre os elementos presentes no texto [⁴⁹].

Segundo Moraes (2003), a ATD pode ser pensada a partir de quatro focos: desmontagem dos textos ou processo de unitarização, estabelecimento de relações, captando o novo emergente, e processo auto-organizado [⁴⁸]. No primeiro foco, a ênfase é dada na leitura e análise detalhada dos trabalhos, enquanto que no segundo foco busca-se estabelecer relações entre os elementos e características desses trabalhos para a categorização. No terceiro foco, a ênfase é dada à emergência de novos significados e interpretações a partir dos dois primeiros focos anteriores, possibilitando se pensar em novos horizontes a partir da análise. Por fim, o quarto foco denota o caráter para novas compreensões e, portanto, a imprevisibilidade dos novos resultados, ainda que o processo siga um processo racionalizado e planejado de coleta e análise dos dados.

3.1. Busca de trabalhos acadêmicos de Computação Quântica no Ensino Médio

O levantamento de trabalhos atrelados à presente pesquisa se caracterizam como uma revisão sistemática de literatura, visando analisar trabalhos de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio de modo comparativo com as ações desenvolvidas na pesquisa para posterior construção de uma matriz orientadora. Essa etapa de revisão busca responder questões específicas do trabalho, estando nesse caso associado ao próprio objetivo da pesquisa. Como resultado, o estado da arte foi organizado a partir de um quadro contendo a identificação do trabalho, seu título, autores, local de publicação, evento ou periódico e ano de publicação.

Para tanto, foram considerados para a pesquisa os trabalhos encontrados no banco de dados do Scholar (Google Acadêmico) e Web of Science de eventos e periódicos publicados até janeiro de 2023, data de realização da presente pesquisa². Como palavras-chave, foram consideradas: Computação Quântica ou Quantum Computing; ensino médio ou high school; Informação Quântica ou Quantum Information; Tecnologias Quânticas ou quantum technologies; educação em Física ou Physics education³.

Objetivando uma maior confiabilidade no levantamento, foi realizada uma busca manual nos acervos dos principais periódicos e eventos de Ensino de Física/Ciências do Brasil, a saber: Revista Brasileira de Ensino de Física, Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Revista Experiências em Ensino de Ciências, Simpósio Nacional de Ensino de Física, Encontro de Pesquisa em Ensino de Física. No processo de levantamento, obteve-se um número considerável de trabalhos sobre o ensino da Computação Quântica na graduação, que foram devidamente desconsiderados da análise devido ao objetivo da pesquisa ser atrelado ao Ensino Médio. Os trabalhos considerados na pesquisa podem ser visualizados na Tabela 1.

Tabela 1
Levantamento de trabalhos sobre Computação Quântica no Ensino Médio.

	Título	Autores/as	Ano	Breve Descrição
T1	Quantum Computing for High-School Students an Experience Report	Prashanti Priya Angara; Ulrike Stege; Andrew MacLean	2020	Workshop aberto para estudantes do Ensino Médio no Canadá
T2	Teaching Quantum Computing to High-School-Aged Youth: A Hands-On Approach	Prashanti Priya Angara; Ulrike Stege; Andrew Maclean; Hausi A. Müller; Tom Markham	2021	Workshop aberto para estudantes do Ensino Médio no Canadá
T3	Quantum Computing for high school: an approach to interdisciplinary in STEnsino Médio for teaching	Sara Satanassi; Paola Fantini; Roberta Spada; Olivia Levrini1	2021	Curso extra-curricular para estudantes do Ensino Médio na Europa
T4	Piloting a full-year, optics-based high school course on quantum computing	Joel A Walsh; Mic Fenech; Derrick L Tucker; Catherine Riegle-Crumb; Brian La Cour	2021	Curso aberto com duração de um ano para estudantes do Ensino Médio nos Estados Unidos
T5	Teaching High School Quantum Computing Scenario	Junbin Sun	2019	Proposta de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio
T6	Designing and implementing materials on quantum computing for secondary school students: The case of teleportation	Sara Satanassi; Elisa Ercolessi; Olivia Levrini	2022	Curso aberto de curta duração para estudantes do Ensino Médio na Itália
T7	Quantum Computing as a Topic in Computer Science Education	Stefan Seegerer; Tilman Michaeli; Ralf Romeike	2021	Estudo teórico de ideias que viabilizem ensinar Computação Quântica para o Ensino Médio
T8	A Computer Science-Oriented Approach to Introduce Quantum Computing to a New Audience	Özlem Salehi; Zeki Seskir; Ilknur Tepe	2022	Estudo de práticas de ensino de para o Ensino Médio
T9	Entanglion: A Board Game for Teaching the Principles of Quantum Computing	Justin D. Weisz; Maryam Ashoori; Zahra Ashktorab	2018	Proposta de jogo digital para ensinar conceitos de Computação Quântica para estudantes de Ensino Médio
T10	Introducing Quantum Key Distribution to High School Students	Zeynep Gonca Akdemir; Muhsin Menekse; Mahdi Hosseini; Arindam Nandi; Keiichiro Furuya	2021	Curso aberto de curta duração para estudantes de Ensino Médio dos Estados Unidos
T11	A Survey of Educational Efforts to Accelerate a Growing Quantum Workforce	Thomas Plunkett; Terrill Frantz; Hamida Khatri; Praveen Rajendran; Sunny Midha	2020	Estudo teórico de esforços globais dedicados ao ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio
T12	Hardware and software tools for teaching the basics of quantum informatics to students of specialized (high) schools	Liudmyla V. Lehka; Svitlana V. Shokaliuk;Viacheslav V. Osadchyi	2021	Estudo teórico de plataformas disponíveis para ensino de Computação Quântica para estudantes do Ensino Médio
T13	Educação problematizadora no ensino de Computação Quântica: um caminho para a Alfabetização Científica e Tecnológica	Andiara Pereira dos Santos Cardoso; Paulo Celso Ferrari; Norton Gomes de Almeida	2019	Curso aberto de curta duração para estudantes do Ensino Médio no Brasil
T14	Potencialidades Da Computação Quântica Problematizada para Discutir Ciência, Tecnologia e Sociedade	Andiara Pereira dos Santos Cardoso; Paulo Celso Ferrari; Norton Gomes de Almeida	2019	Curso aberto de curta duração para estudantes do Ensino Médio no Brasil

Visando situar o leitor no contexto das práticas de ensino de Computação Quântica destinadas a estudantes do Ensino Médio, será feita uma breve descrição do corpus de análise. No trabalho 1 (T1), essa abordagem é apresentada por meio de ações pontuais. Os autores compartilham suas experiências na organização e realização de workshops de dois dias, em que introduzem conceitos básicos do campo de maneira interativa. Os workshops usam uma variedade de atividades, incluindo jogos, quebra-cabeças e simulações para auxiliar na compreensão de princípios fundamentais da Mecânica Quântica, Ciência da Computação e Computação Quântica, bem como a sua aplicação em problemas do mundo real. Assim, são discutidos os desafios de ensinar Computação Quântica a estudantes com pouca ou nenhuma experiência no campo, de modo a propor estratégias para superar esses desafios.

No Trabalho 2 (T2), de mesma autoria, é apresentada uma abordagem complementar ao T1, adicionando uma segunda etapa ao workshop para discutir elementos com ênfase na matematização da Computação Quântica. O objetivo da prática é introduzir os estudantes nessa área e mostrar como ela pode revolucionar diversos ramos da indústria. Para tanto, são apresentados seus conceitos com uma abordagem algébrica e estatística. O objetivo final é fornecer aos estudantes uma compreensão sólida da Computação Quântica e suas aplicações, preparando-os para futuras carreiras em áreas relacionadas.

No Trabalho 3 (T3), os autores descrevem as ações objetivando nortear as futuras práticas de professores que pretendem introduzir a Computação Quântica em suas aulas do Ensino Médio. O trabalho apresenta uma abordagem que combina conceitos de MQ, Matemática e CC para ensinar os fundamentos do campo, assim como uma breve contextualização histórica dessas áreas. Em seguida, é apresentada uma abordagem em três níveis para o ensino de Computação Quântica: uma introdução aos conceitos básicos, seguida por uma discussão mais completa da MQ e, finalmente, uma exploração de suas aplicações práticas.

No âmbito do trabalho 4 (T4), descreve-se o desenvolvimento e implementação de um curso de Computação Quântica direcionado ao Ensino Médio, no qual a óptica clássica serve como fundamento para a introdução de conceitos da MQ por meio de experimentos com polarização da luz. O curso foi concebido com o propósito de instruir os estudantes nos princípios fundamentais da área antes de adentrar formalismos matemáticos mais intrincados. Na metodologia empregada, os estudantes conduziram experimentos reais e virtuais utilizando simuladores de óptica quântica e computadores quânticos. Assim, os resultados evidenciaram que a adoção da óptica clássica proporcionou uma abordagem acessível para representar estados quânticos e portas lógicas quânticas, facilitando, assim, o processo de aprendizagem e assimilação de conhecimento.

No trabalho 5 (T5), o autor realiza uma análise em formato de proposta acerca da implementação da Computação Quântica para estudantes do Ensino Médio. Em resumo, o projeto defende a necessidade de uma abordagem mais técnica no processo de ensino, sugerindo a aplicação da álgebra linear para ensinar conceitos fundamentais como qubits, portas lógicas quânticas e circuitos quânticos. Além disso, é recomendável incorporar essas intervenções a atividades extracurriculares.

No sexto trabalho (T6), também de autoria do mesmo pesquisador, são delineados três níveis de ensino de Computação Quântica (Computação Quântica) no Ensino Médio: o nível lógico, o nível técnico-experimental e o nível narrativo. A lógica fundamental da Computação Quântica é apresentada no primeiro estágio. Os experimentos e métodos utilizados na disciplina são apresentados no segundo estágio. O nível narrativo, por outro lado, examina as consequências culturais e sociais da Computação Quântica, incluindo seu impacto no mercado econômico, criptografia e outros domínios. Como conclusão, o autor afirma que o interesse e envolvimento dos estudantes com os materiais educacionais relacionados à área pode indicar um resultado positivo para a abordagem.

No trabalho 7 (T7), é realizada uma análise didática inicial do assunto, de natureza teórica e propositiva, identificando termos e conceitos centrais, bem como questões relevantes com base na literatura existente. Os autores conduziram uma entrevista em grupo com especialistas para determinar os candidatos para as ideias centrais da Computação Quântica, relacionando-as com trabalhos publicados sobre práticas de ensino do campo para diferentes níveis. Como conclusões, os autores argumentam que essas ideias tornam a educação em Computação Quântica mais acessível e estruturam o campo com foco em princípios fundamentais pertinentes a longo prazo.

O trabalho 8 (T8), apresenta seções que abrangem desde os conceitos básicos de sistemas clássicos e probabilísticos até a implementação de algoritmos quânticos avançados, como o algoritmo de busca de Grover. Cada seção contém uma série de tarefas práticas que os participantes devem realizar usando a biblioteca qiskit, permitindo que eles experimentem e visualizem os conceitos teóricos na prática. Outrossim, o trabalho também inclui uma pesquisa para avaliar a eficácia da abordagem de ensino proposta, tendo 22 workshops organizados em 10 países diferentes como corpus de análise. Esses workshops tiveram como instrumento de avaliação de desempenho dos estudantes formulários de pré e pós teste, que pode ser uma abordagem significativa para trabalhos que objetivam obter análises quantitativas de desempenho dos participantes. Os resultados da pesquisa mostraram que a abordagem de ensino baseada em programação quântica foi eficaz na melhoria do conhecimento dos participantes sobre Computação Quântica. Além disso, a abordagem foi bem recebida pelos participantes, que relataram que a programação quântica tornou o aprendizado mais interessante e envolvente.

No trabalho 9 (T9), a abordagem da prática de ensino se baseia no Entanglion, um jogo de tabuleiro desenvolvido por pesquisadores da IBM com o objetivo de ensinar os princípios da Computação Quântica. Durante os testes, o jogo recebeu feedback positivo de estudantes e profissionais, sendo considerado uma forma interativa e educativa de introduzir conceitos complexos aos jogadores de todas as idades. O estudo utilizou uma abordagem mista, coletando dados quantitativos e qualitativos para avaliar a experiência dos jogadores. Os profissionais da indústria avaliaram o jogo com base em suas impressões qualitativas gerais e o consideram valiosos como ferramenta educacional. Já os estudantes responderam a um questionário que avaliou sua experiência de jogo com base em sete dimensões, como desafio, competência e imersão sensorial e imaginativa.

No trabalho 10 (T10), é abordada a utilização da distribuição quântica de chaves (QKD) como uma aplicação prática da tecnologia quântica. Os autores discutem os desafios de ensinar conceitos de criptografia quântica para estudantes do Ensino Médio e apresenta um plano de aula e uma atividade prática para auxiliar nesse processo. O planejamento da ação inclui discussões sobre conceitos fundamentais da MQ, como dualidade onda-partícula, superposição quântica, entrelaçamento quântico e criptografia quântica. Outrossim, a atividade prática com o kit de demonstração de criptografia quântica permite que os estudantes experimentem na prática os princípios da QKD, ajudando-os a compreender melhor essa tecnologia e seus benefícios em termos de segurança da informação. Complementar a isso, estratégias de diferenciação também são apresentadas para atender às necessidades de estudantes com planos de educação individualizados.

No trabalho 11 (T11), de natureza teórica e propositiva, a ênfase é dada aos esforços educacionais para acelerar a formação de profissionais na área da Computação Quântica. O estudo identifica abordagens atuais para educar estudantes de diferentes grupos de aprendizado, incluindo profissionais que desejam aprimorar suas habilidades, estudantes do Ensino Médio que estão explorando seus interesses e indivíduos que buscam um mestrado formal na área. Além disso, são discutidos os desafios enfrentados na formação de uma força de trabalho qualificada em Computação Quântica e são apresentados programas e iniciativas específicas para o desenvolvimento de habilidades em computação quântica.

O trabalho 12 (T12), de natureza teórica e propositiva, aborda a seleção de plataformas de hardware e software para o ensino de Computação Quântica em escolas especializadas. São apresentados critérios para a escolha de uma plataforma baseada em nuvem, como interface intuitiva, acesso gratuito, suporte ao desenvolvimento do ambiente e suporte para algoritmos quânticos em modo gráfico. São analisadas as opções da Microsoft, QuTech, Amazon Braket e IBM, sendo esta última escolhida como a plataforma mais adequada. O artigo descreve o trabalho no IBM Quantum Composer (Figura 3) e IBM Quantum Lab, fornecendo informações sobre operações e portas quânticas. Também é apresentado um exemplo de implementação de teletransporte quântico.

Figura 3
Interface do IBM Quantum Composer. Para a construção do circuito, basta mover as portas lógicas quânticas (localizadas à esquerda) para os qubits no circuito (à direita).

Como últimos trabalhos, T13 e T14, ambos sob a mesma autoria e centrados em uma prática comum, é apresentada uma pesquisa preliminar que investiga as potencialidades da Computação Quântica (Computação Quântica) no ensino médio, visando abordar as interações entre ciência, tecnologia e sociedade. Adotando uma sequência didática fundamentada na filosofia educacional de Paulo Freire, os pesquisadores problematizam o conceito de computador quântico em uma turma de primeiro ano do ensino médio em uma instituição pública. Os dados obtidos revelaram que a abordagem problematizadora do computador quântico não apenas contribui para a compreensão de conceitos técnicos e científicos, mas também oferece oportunidades para atenuar perspectivas excessivamente otimistas sobre inovações tecnocientíficas, incentivando discussões que transcendem os impactos puramente pós-produção. Conforme apresentado na Tabela 1, somente esses trabalhos foram práticas realizadas com estudantes brasileiros.

3.2. Ações desenvolvidas na pesquisa

As ações desenvolvidas na pesquisa tem um caráter de intervenção, pois a pesquisa se trata de uma investigação social realizada a partir de atividades de aplicação planejada. Em um recorte específico, essa atividade pode ainda ser caracterizada como do tipo pesquisa de aplicação, que faz parte da pesquisa interventiva. Segundo Teixeira e Neto (2017), essas pesquisas são “investigações baseadas em projetos nas quais as prioridades de investigação são definidas integralmente pelos pesquisadores” (p. 1069), ou seja, toda a intervenção segue objetivos e estruturação inteiramente delimitados pelos pesquisadores durante o seu planejamento para aplicação posterior.

As delimitações da pesquisa são pensadas a partir de duas configurações de ações: (A1) oficinas realizadas em escolas públicas da Educação Básica e (A2) projeto de Iniciação Científica Júnior, que reuniu quatro estudantes do Ensino Médio. No caso das ações do tipo A1, foram realizadas 5 oficinas com duração variando de 1 hora a 4 horas. Em todos os casos, as oficinas foram realizadas em eventos de escolas estaduais (4 oficinas) e federais (1 oficina), recebendo estudantes do primeiro ao terceiro ano do Ensino Médio. Para tanto, foram utilizadas as seguintes estratégias metodológicas: aulas expositivas-dialogadas com conceitos fundamentais da Ciência da Computação e Mecânica Quântica; introdução aos conceitos iniciais da Computação Quântica; utilização do IBM Quantum Composer para trabalhar os conceitos de qubits, portas lógicas e circuitos quânticos de maneira qualitativa. O aprofundamento em cada estratégia metodológica está intrinsecamente associado à duração de cada oficina. Em oficinas mais curtas, os conceitos são explorados de maneira breve, aproximando-se de trabalhos como T1 e T9. Já as oficinas de 4 horas tiveram o maior potencial de explorar os conceitos, de forma teórica e prática, aproximando-se de trabalhos como T2, T4 e T10.

Para as ações do tipo A2, foram organizados estudos orientados para quatro (4) estudantes bolsistas de Iniciação Científica, todos cursando o segundo ano do Ensino Médio, com 3 matriculados em um instituto federal e 1 matriculado em um escola estadual. A organização do estudo orientado pode ser visualizada na Tabela 2. A Etapa 1 concentrou-se nas implicações sociais da Computação Quântica em termos de quebra de paradigma com a Computação Clássica para a iminente revolução tecnológica, visando estimular o interesse contínuo dos participantes nas ações subsequentes. Paralelamente, são apresentadas as ferramentas computacionais essenciais para o desenvolvimento do projeto, tais como o IBM Quantum Composer para a elaboração de circuitos quânticos, a linguagem de programação Python e o Qiskit da IBM Quantum Experience. Nesse sentido, desafios foram propostos, permitindo que os estudantes adquirissem proficiência no uso dessas ferramentas ao longo das fases subsequentes.

Tabela 2
Descrição das Etapas das ações do tipo A2.

Etapas	Descrição
1	Importância da Computação Quântica para futura revolução tecnológica explicitando seus impactos na sociedade. Apresentação das ferramentas computacionais necessárias para o desenvolvimento do projeto: 1) qiskit da IBM Quantum Experience; e 2) linguagem de programação python e suas bibliotecas numpy e matplotlib.
2	Introdução às bases teóricas da Computação Quântica: 1) Álgebra Linear; 2) Teoria da Probabilidade; 3) Primórdios da Mecânica Quântica; 4) Postulados da Mecânica Quântica; 5) Teoria da Computação. Justificativas e implicações da Computação Quântica no atual contexto social e de desenvolvimento científico e tecnológico.
3	Tópicos gerais de Computação Quântica: 1) Qubit; 2) Portas lógicas quânticas; 3) Circuitos quânticos; e 4) Operações básicas. Aplicações da Computação Quântica em áreas do conhecimento e seus impactos na humanidade.
4	Tópicos específicos de Computação Quântica: nesta etapa, os estudantes irão focar no estudo de algoritmos quânticos designados para eles, pesquisando seu funcionamento e aplicações, sejam científicas, sejam industriais.
5	Desenvolvimento dos próprios algoritmos quânticos baseados no estudo da Etapa 4.

Na Etapa 2, a pesquisa se concentrou nas bases teóricas da Computação Quântica. Isso incluiu o estudo de Álgebra Linear, Teoria da Probabilidade, Primórdios da Mecânica Quântica, Postulados da Mecânica Quântica e Ciência da Computação. Para essa etapa, foi possível explorar esses conceitos com maior ênfase na matematização. Essa etapa também aborda a justificativa da necessidade em se ter pesquisas contínuas na área e suas implicações no desenvolvimento tecnológico, científico e socioeconômico atual.

Em se tratando de tópicos específicos da Computação Quântica, como qubits, portas lógicas quânticas, circuitos quânticos e operações básicas, sua abordagem teve como ênfase a Etapa 3, em que foram introduzidas essas noções gerais por meio de algoritmos. Como um passo a mais nessas práticas, a Etapa 4 concentrou-se na aplicação desses conceitos para algoritmos quânticos específicos, como o algoritmo de teleporte ou algoritmo de busca de Grover. Feitas essas explicações mais técnicas, os estudantes recebem como atividades de pesquisa buscar aplicações futuras dos algoritmos estudados no mundo real.

Na Etapa 5, os estudantes tiveram como atividade final o desenvolvimento de algoritmos quânticos próprios, baseado em trabalhos da área. Essa progressão estruturada tem como objetivo fornecer aos estudantes do Ensino Médio uma compreensão abrangente e prática da Computação Quântica. E ainda, outro fator importante foi o aceite dos trabalhos desenvolvidos pelos estudantes no XXXVII Encontro de Física do Norte e Nordeste, caracterizado como um dos maiores eventos regionais de Física no país. Desse modo, os estudantes conseguiram, de fato, se engajar em atividades de produção do conhecimento científico e de difusão desses conhecimentos.

Considerando as etapas delineadas, busca-se chegar a asserções de conhecimentos e de valores que possibilitem (re)pensar a inserção da Computação Quântica no Ensino Médio sob a ótica de diferentes objetivos formativos. Para tanto, o trabalho propõe a organização de diferentes enfoques relacionados a dimensões de formação crítica dos estudantes, assim como uma matriz orientadora capaz de relacionar esses enfoques com diferentes objetivos de aprendizagem. Tendo em vista que os resultados demarcam a construção dos enfoques e da matriz orientadora, as suas especificidades são discutidas na próxima seção.

4. Resultados e Discussão

Nesta seção, os resultados do estudo serão apresentados no tocante às contribuições para as discussões no campo em ascensão, enfatizando as potencialidades e limitações identificadas durante a pesquisa. Como resultado da análise do corpus de pesquisa apresentado nos encaminhamentos metodológicos, será apresentada uma categorização das práticas de ensino de Computação Quântica no Ensino Médio considerando três enfoques: Conceitual (EC), Instrumental (EI) e Sociocientífico (ES). Para o EC, a ênfase é dada nos conteúdos da Computação Quântica e de suas bases teóricas. Para o EI, a ênfase é dada nas ferramentas computacionais utilizadas nas práticas. Para o ES, destaca-se a formação de valores e atitudes nos estudantes para uma participação social mais significativa.

Como desdobramento conclusivo desta pesquisa, considerando o método de Análise Textual Discursiva adotado, emergem, a partir de distintos enfoques, novos significados no que tange às práticas de ensino em termos de objetivos de aprendizagem para os estudantes. Tais significados são sistematizados em uma matriz orientadora que estabelece relações entre os objetivos de aprendizagem e os diversos enfoques analisados. Doravante, serão apresentadas as seções referentes a esses resultados seguindo a sequência descrita.

4.1. Enfoque conceitual

A Computação Quântica emerge como uma interface entre duas disciplinas fundamentais: a Mecânica Quântica e a Ciência da Computação. Seu desenvolvimento encontra-se intrinsecamente ligado aos princípios fundamentais do comportamento de sistemas quânticos de dois níveis (qubits) e à evolução da computação desde a proposição da Máquina de Turing, em 1936. Diante desse contexto, uma abordagem conceitual apropriada se destaca pela integração de conceitos provenientes de ambas as áreas basilares, visando uma introdução gradual e abrangente dos conteúdos da Computação Quântica. Segundo Nielsen e Chuang (2010), enquanto a Mecânica Quântica viabiliza a descrição de circuitos quânticos, a Ciência da Computação é a chave para compreensão da construção e análise dos algoritmos. Por consequência, abordagens que negligenciam a Mecânica Quântica, ainda que possam implicar na reprodução de algoritmos quânticos, são insuficientes para permitir uma interpretação teórica desses resultados; abordagens que negligenciam a Ciência da Computação, ainda que permitam uma interpretação dos circuitos quânticos, são insuficientes para compreensão de elementos procedimentais do campo. Nesses casos, a Computação Quântica é apresentada de modo incompleto, restringindo-se a uma evolução da computação, ou a uma aplicação da Física. Esse tipo de abordagem é definida no presente trabalho como proveniente de um Enfoque Conceitual Restrito, ou ainda, Enfoque Conceitual de Etapa 1 (EC1).

No levantamento de trabalhos realizado na primeira parte da pesquisa, os trabalhos T5 e T8 são caracterizados pelo EC1, uma vez que enfatizam aspectos procedimentais da área atrelados à utilização de tecnologias para a reprodução de algoritmos quânticos, negligenciando elementos da Mecânica Quântica. Em ambos os casos, os trabalhos apresentam uma fragilidade em termos de introdução da FMC no Ensino Médio, uma vez que não há ênfase nos conceitos da Física Quântica. Outrossim, foram também caracterizados como de EC1 os trabalhos T13 e T14, em que a ênfase dos autores foi no ensino de conceitos da Mecânica Quântica a partir de aplicações na Computação Quântica, como noções de sobreposição e emaranhamento. No entanto, esse aprofundamento conceitual parece restringir o aprofundamento conceitual em Ciência da Computação. Nesse caso, ainda que o trabalho tenha como ponto forte a inserção da FMC no Ensino Médio, a sua abordagem se reduziu a uma simples exemplificação da Computação Quântica ao invés de abordagem genuína de seus conceitos.

Com vista à análise desses trabalhos, faz-se necessário destacar um aspecto importante do EC1: a sua abordagem não necessariamente implica em explorar de modo superficial os conteúdos das áreas basilares, mas em sua desarticulação. Assim, conteúdos complexos e basilares podem ser vistos nessa abordagem sem ênfase na construção de uma base teórica sólida para estudantes, o que limita uma introdução adequada à Computação Quântica. Nesses trabalhos identificados como pertencentes a essa categoria, os autores destacam a falta de tempo como justificativa para a falta de aprofundamento.

Contudo, considerando a definição de EC1 do presente trabalho, cabe destacar que a escassez de tempo para a realização das práticas de ensino não necessariamente implica nesse enfoque, uma vez que é possível introduzir conceitos basilares da Computação Quântica sem restrições de áreas específicas mesmo em ações pontuais. Como exemplo, é possível citar os trabalhos T1 e T9, em que a abordagem dos conteúdos da área não envolve elementos complexos da Álgebra Booleana, Álgebra Linear ou Estatística, mas conseguem introduzir os conceitos-chave das áreas de modo gradual em ações de curta duração. Práticas de ensino com essa abordagem são definidas no presente trabalho como ações de Enfoque Conceitual Qualitativo, ou Enfoque Conceitual de Etapa 2 (EC2). No entanto, é crucial ressaltar que, apesar da terminologia utilizada, as práticas associadas a essa abordagem não resultam na exclusão integral de elementos matemáticos, mas sim na sua utilização limitada. Conteúdos como superposição de estados quânticos e paralelismo computacional, comparação entre arquiteturas de computadores clássicos e quânticos, simulação de portas lógicas clássicas são exemplos possíveis de serem abordados de maneira qualitativa em práticas com esse enfoque.

No que se refere às práticas realizadas nas escolas da região, é possível caracterizar essas ações pontuais como pertencentes a um EC2. Isso porque o pouco tempo destinado a essas ações não possibilitou um maior aprofundamento em elementos matemáticos na Computação Quântica. Logo, as apresentações se baseiam na exploração de conceitos da Ciência da Computação, Mecânica Quântica e introdução qualitativa à Computação Quântica. Para tanto, utilizou-se também de analogias e do IBM Quantum Composer para a explicação dos qubits, portas lógicas e algoritmos quânticos, utilizando como elementos matemáticos apenas as representações vetoriais dos qubits e as representações matriciais das portas.

Todavia, ainda que o EC2 permita uma introdução adequada de conteúdos do campo de modo gradual, há também limitações na prática, uma vez que a interpretação de algoritmos quânticos mais complexos necessita de uma abordagem matemática mais avançada. Nesse sentido, práticas de ensino que utilizam o EC2 pouco avançam em termos de aprendizagem e aplicações. Já as ações que discutem elementos da Matemática na Computação Quântica, caracterizadas no presente trabalho como práticas de ensino de Enfoque Conceitual Analítico, ou ainda, Enfoque Conceitual de Etapa 3 (EC3), conseguem resultados mais significativos. Nesse caso, conteúdos como complexidade computacional de algoritmos, emaranhamento e estados de Bell construídos usando portas quânticas, algoritmo de teleporte, código superdenso e algoritmo de Grover tem um maior potencial de serem trabalhados com maior detalhamento.

Os trabalhos do levantamento caracterizados por essa abordagem são: T2, T3, T6 e T7. Cada trabalho destaca a integração do ensino de Computação Quântica com ênfase na matematização, fornecendo uma compreensão mais aprofundada dos fundamentos e aplicações da Computação Quântica. No T2, a adição de uma segunda etapa ao workshop aprofunda a discussão dos elementos matemáticos da Computação Quântica, proporcionando aos estudantes uma compreensão mais sólida dos fundamentos. O T3, por outro lado, fornece orientação aos professores do Ensino Médio sugerindo uma abordagem interdisciplinar que incorpora elementos de Física, Matemática e Ciência da Computação. A progressão em três níveis inclui conceitos básicos e aplicações práticas, enquanto a contextualização histórica enriquece a aprendizagem.

No âmbito das práticas realizadas no presente trabalho, as atividades do tipo A2 se caracterizam como uma classificação EC3, visto que houve mais tempo para explorar elementos com ênfase na matematização. Nesse caso, é preciso ressaltar que uma abordagem EC3, deve obrigatoriamente passar pela abordagem EC2. Nesse sentido, a prática teve como ponto de partida uma abordagem inteiramente qualitativa da Computação Quântica, utilizando analogias e o IBM Quantum Composer. As etapas seguintes foram baseadas na exploração das representações matemáticas de qubits e portas lógicas, explorando as suas operações matriciais. A meta principal do EC3 é a transposição desses conceitos para a linguagem de programação python, permitindo a construção e desenvolvimento de algoritmos quânticos.

Considerando a análise de trabalhos referente ao Enfoque Conceitual, é possível agrupá-los três principais sub categorias: EC1 – Enfoque Conceitual restrito; EC2 – Enfoque Conceitual Qualitativo; EC3 – Enfoque Conceitual Analítico. Conforme descrito anteriormente, cada subcategoria têm uma ênfase específica, permitindo explorar diferentes aprendizagens. Essa relação pode ser visualizada na Tabela 3, que engloba os enfoques, sua descrição e os trabalhos pertencentes a cada categoria.

Tabela 3
Caracterização de trabalhos referentes a diferentes níveis referentes aos enfoques conceituais.

EC	Descrição	Trabalhos
Restrito	Abordagem incompleta Computação Quântica, introduzindo conteúdos de suas áreas basilares de modo restrito.	T8, T5, T13, T14
Qualitativo	Abordagem introdutória da Computação Quântica, explorando conceitos da área de modo qualitativo.	A1, T1, T4, T9, T10, T11, T12
Analítico	Abordagem mais abrangente da Computação Quântica, explorando os conceitos da área de modo qualitativo e quantitativo.	A2, T2, T3, T6, T7

4.2. Enfoque instrumental

A produção do conhecimento científico tem experimentado avanços significativos, demandando um crescimento tecnológico concomitante. Na contemporaneidade, grande parte das ciências básicas necessitam de ferramentas computacionais para o desenvolvimento de suas pesquisas, como o caso da Física. Por outro lado, campos do conhecimento mais recente emergem já possuindo tecnologias digitais de informação e comunicação (TDIC) entrelaçadas em suas bases teóricas, a exemplo da própria Computação Quântica. Em virtude disso, a abordagem de conteúdos da área presente em práticas de ensino (Enfoque Conceitual) está intrinsecamente atrelada às habilidades procedimentais da área, denominada no presente trabalho de Enfoque Instrumental.

De modo análogo aos Enfoques Conceituais, é possível classificar esse tipo de enfoque em diferentes etapas relativas ao contexto de cada prática (ver Tabela 4). Uma primeira etapa consiste na utilização de ferramentas computacionais sem o propósito de construir circuitos quânticos, denominada de Enfoque Instrumental Ilustrativo, ou Enfoque Instrumental de Etapa 1 (EI1). Nesse caso, a ênfase é dada à ilustração de conceitos iniciais da área utilizando TDIC. Como exemplo, é possível citar o trabalho T9, em que explora o tema utilizando o jogo Entanglion: os estudantes podem aprender conceitos de Computação Quântica, mas não desenvolvem aprendizagens procedimentais referentes à construção dos circuitos. Os trabalhos T13 e T14 também são identificados nessa categoria, uma vez que utilizam TDIC apenas para ensino de conceitos de Mecânica Quântica e confecção de materiais de divulgação científica. Softwares como PhET Interactive Simulations [⁵⁹], Entanglion [⁶¹] e QMTools [⁶⁰] podem ser utilizado para atender as demandas desse enfoque, uma vez que englobam simulações que auxiliam na compreensão de conceitos da área.

Tabela 4
Caracterização de trabalhos referentes a diferentes níveis referentes aos enfoques instrumentais.

EI	Descrição	Trabalhos
Ilustrativo	Utilização de TDIC sem o propósito de construir circuitos quânticos.	T9, T13 e T14
Representativo	Utilização de TDIC com o propósito de construir circuitos quânticos sem a programação.	A1, T1, T2, T4, T5, T10, T11, T12
Algorítimico	Utilização de TDIC com o propósito de construir circuitos quânticos com a programação.	A2, T3, T6, T7, T8, T12

Para além disso, há ainda outras duas possibilidades de Enfoque Instrumental: uma delas possibilita a criação de circuitos sem a necessidade de programação, denominada Enfoque Instrumental Representativo, ou Enfoque Instrumental de Etapa 2 (EI2), e a outra utiliza linguagem de programação para esse propósito, sendo identificada como Enfoque Instrumental Algorítmico, ou Enfoque Instrumental de Etapa 3 (EI3). Enquanto o EI1 se distingue por não incorporar TDIC na construção de circuitos quânticos, o EI2 e EI3 se diferenciam em relação à profundidade no desenvolvimento procedimental da abordagem.

No que se refere ao EI2, as ferramentas computacionais empregadas possibilitam efetivamente a construção de algoritmos quânticos sem a necessidade de os estudantes interagirem diretamente com linguagens de programação. A título de exemplo, por meio do IBM Quantum Composer (Figura 3), os estudantes conseguem elaborar circuitos, adicionando qubits, bits clássicos e portas lógicas mediante sua interface gráfica. Outra plataforma que possibilita essa construção é a classiq, em que é possível alterar o circuito com comandos na interface [⁵¹]. Os trabalhos identificados na revisão, a saber T1, T2, T4, T5, T8, T10, T11 e T12, abordam a potencialidade do uso desse tipo de ferramenta para introduzir conceitos fundamentais de Computação Quântica, sendo categorizados como pertencentes à Ênfase Instrumental Representativa (EI2). Outrossim, as ações do tipo A1, desenvolvidas no escopo deste estudo, também se enquadram nesse enfoque, uma vez que incorporam o IBM Quantum Composer para a criação desses circuitos.

Em geral, as práticas com esse enfoque elencam como potencialidade mais significativa o fato de não necessitar introduzir noções de lógica de programação para os estudantes devido ao curto tempo das ações. De fato, a falta de proficiência dos estudantes em linguagens de programação pode ser um obstáculo significativo para as práticas de ensino de Computação Quântica, tendo em vista as dificuldades associadas ao ensino de programação (Galvão et al., 2022). Assim, EI2 possibilita enfatizar outros aspectos da prática, como visualização e interpretação dos circuitos por meio da Esfera de Bloch (Figura 1), vetores de estado e histograma como resultados do circuito quântico.

Contudo, a adoção de interfaces gráficas para o desenvolvimento de algoritmos quânticos impõe limitações às suas aplicações, uma vez que a construção de algoritmos robustos, ou aqueles que demandam etapas de pré ou pós-processamento para o tratamento adequado de dados, torna-se inviável. Nessa conjuntura, a incorporação de algoritmos híbridos⁴, os quais representam uma categoria de grande impacto na indústria contemporânea, torna-se impraticável em tais discussões. Nesse sentido, o EI3 possibilita explorar aplicações mais práticas. Como exemplos de instrumentos que auxiliam essa prática, é possível citar as plataformas IMB Quantum Lab, Pennylane e Classiq.

Como pertencentes ao EI3, os trabalhos T3, T6, T7 e T12 discutem que o desenvolvimento das práticas concretizou-se utilizando a ferramenta IBM Quantum Lab⁵ para o desenvolvimento de algoritmos por ser uma plataforma online, ou seja, não há necessidade de instalar pacotes específicos no computador. Nesses casos, os trabalhos não apontaram limitações para o desenvolvimento dos algoritmos com os estudantes, ainda que o tempo destinado para algumas dessas práticas tenha sido relativamente curto. No entanto, é importante ressaltar que os algoritmos desenvolvidos foram, em sua maioria, algoritmos já amplamente utilizados, o que impossibilita analisar se houve uma aprendizagem significativa ou apenas a reprodução de seus códigos fonte.

No contexto das atividades designadas como A2 no escopo da pesquisa, foi possível familiarizar os estudantes com conceitos de lógica de programação da seguinte maneira: i) inicialmente, recorreu-se ao IBM Quantum Composer (Figura 3) para a elaboração do circuito; ii) procedeu-se à análise desses circuitos com acesso ao código-fonte, uma vez que a plataforma permite essa visualização; iii) de forma sistemática, foram apresentados os princípios fundamentais de comandos de entrada e saída, condicionais e de repetição com ênfase na linguagem python. Dessa forma, buscou-se uma introdução progressiva ao conteúdo de programação, visando posterior exploração de algoritmos mais sofisticados. Como resultado, os estudantes conseguiram desenvolver seus algoritmos, indicando uma possível aprendizagem significativa de aplicação na área.

De modo geral, é possível categorizar o Enfoque Instrumental em três subcategorias principais: EI1 – Enfoque Instrumental Ilustrativo; EI2 – Enfoque Instrumental Representativo; EI3 – Enfoque Instrumental Algorítmico. Como previamente delineado, cada subcategoria apresenta uma ênfase específica, possibilitando a exploração de diferentes modalidades de aprendizado. Essa relação pode ser visualizada no quadro abaixo, que engloba os enfoques, sua descrição e os trabalhos pertencentes a cada categoria.

4.3. Enfoque sociocientífico

A Computação Quântica é amplamente representada como um pilar para a segunda revolução tecnológica, desencadeando transformações práticas e impactos sociais significativos (Jaeger, 2018). As práticas de ensino destinadas à abordagem de conceitos nessa área precisam incluir a interface entre a Computação Quântica e as questões sociais. Diante desse cenário, as ações educativas não devem se restringir à simples construção e interpretação de circuitos quânticos, mas devem também englobar a compreensão dos potenciais impactos da área na sociedade. Em primeiro plano, apresentar a importância da quebra de paradigma da Computação Clássica para a Computação Quântica, visando discutir como isso pode influenciar a humanidade em escala global deve ser a motivação inicial de toda a prática de ensino da área, instigando os estudantes a aprender os seus conceitos fundamentais.

No contexto do corpus de análise desta pesquisa, os trabalhos T1, T5, T8, T10 e T12, assim como ações A1, concentraram-se de modo proeminente nessa temática. Em linhas gerais, esses trabalhos são caracterizados por ações que priorizam conteúdos de maneira mais objetiva, especialmente em termos da reconfiguração de paradigmas na área, devido à restrição de tempo das práticas. Conteúdos de dimensão sociocientífica relacionados ao impacto da aceleração computacional para resolução de problemas práticos em aplicações industriais são potenciais exemplos abordados nessas práticas, visto que dialogam objetivamente com as vantagens da Computação Quântica para a sociedade. Diante disso, as abordagens com ênfase nessa motivação inicial foram designadas neste trabalho como Enfoque Sociocientífico Introdutório, ou Enfoque Sociocientífico de Etapa 1 (ES1). Como exemplificação de possíveis conteúdos pertencentes a essa categoria, é possível citar

Dado que a motivação dos estudantes para prosseguir com os estudos em Computação Quântica decorre dos potenciais impactos futuros da área na sociedade, alguns trabalhos tendem a aprofundar-se em aspectos sociocientíficos, concentrando-se especialmente nas possibilidades de geração de emprego e nos seus impactos industriais e científicos. Assim, os aspectos da Computação Quântica são abordados de maneira integrada aos elementos internos à C&T, englobando o questionamento de problemas fundamentais da Ciência, a produção de conhecimento científico e a socialização do conhecimento produzido com a comunidade científica. Nesse contexto, práticas com esse tipo de ênfase internalista são categorizadas como pertencentes ao tipo Enfoque Sociocientífico Internalista, ou Enfoque Sociocientífico de Etapa 2 (ES2).

Com relação ao levantamento realizado, os trabalhos caracterizados por esse enfoque são: T2, T3, T4, T6, T7, T9, T11, T13 e T14. Conforme dito anteriormente, as práticas tendem a enfatizar esses aspectos sociocientíficos, de modo a motivar os estudantes no estudo da área. Todavia, os trabalhos têm um aprofundamento diferente mesmo caracterizados por um mesmo enfoque: T4 e T11 abordam aspectos internos da C&T apenas em termos de possibilidades de carreiras de trabalho; T2, T3, T6, T10 abordam em termos de aplicação industrial; T4, T7, T9, T13 e T14 conseguem, para além disso, explorar aplicações genuinamente científicas.

Dentro do escopo das atividades realizadas, as ações designadas como A2 também se enquadram nessa categorização, uma vez que visam desenvolver atitudes e valores intrínsecos à dinâmica da produção do conhecimento científico. Segundo Silva e Sasseron (2021), aspectos internalistas da Ciência envolvem o questionamento, argumentação e divulgação do trabalho desenvolvido com a comunidade científica. Esses objetivos foram alcançados na prática, uma vez que os estudantes conseguiram desenvolver seus projetos e socializar esse conhecimento em eventos de Física, por meio de trabalhos aceitos em um evento científico. Nesse sentido, aspectos como o impacto da quebra da criptografia RSA na segurança da informação ou da simulação de moléculas complexas na indústria farmacêutica são exemplos amplamente abordados em trabalhos com esse enfoque, uma vez que, para além de discutir somente as vantagens da área, discutem também os desafios e as possíveis vulnerabilidades associadas à implementação prática dessas tecnologias.

Contudo, uma abordagem exclusivamente internalista da Computação Quântica, focada apenas nas questões técnicas, pode apresentar muitas limitações. Considerações éticas, sociais e culturais não levadas em consideração podem resultar em problemas como desafios éticos não resolvidos, desigualdades no acesso à tecnologia quântica, resistência pública, efeitos econômicos desconsiderados e falta de contextualização cultural. Um método externalista é necessário para garantir que o desenvolvimento da Computação Quântica seja inclusivo e socialmente responsável. Isso poderia evitar os efeitos negativos e promover a aceitação mais ampla e sustentável da tecnologia. No presente trabalho, uma abordagem preocupada com essa formação é denominada de Enfoque Sociocientífico Integrado, ou Enfoque Sociocientífico de Etapa 3 (ES3).

Para esse último enfoque, nenhum trabalho presente no corpus de análise da pesquisa é identificado por esse tipo de enfoque. Entre os trabalhos, aqueles que mais se aproximaram dessa perspectiva são o T13 e o T14. Contudo, ao caracterizá-los como EC1 e EI2, há um afastamento do ES3. De fato, não é viável compreender as interações sociocientíficas no domínio sem uma abordagem conceitual e instrumental que explore aspectos mais intrínsecos à C&T. Conforme argumentam Silva e Sasseron (2022), uma abordagem externalista requer uma abordagem internalista preexistente. Para essa abordagem, conteúdos referentes à sustentabilidade tem forte potencial de articular dimensões internalistas e externalistas. Como exemplos, é possível citar o impacto da Computação Quântica na redução de custo energético de supercomputadores e a possibilidade de simular efeitos quânticos utilizados em tecnologias sustentáveis, como baterias quânticas, para redução de poluentes [⁵⁵, ⁵⁶, ⁵⁷, ⁵⁸].

Esse resultado pode ser o resultado de várias características distintas da Computação Quântica. Para começar, os estudantes podem encontrar desafios ao usar abordagens que exigem um entendimento mais completo e contextualizado das consequências sociocientíficas do campo por ser relativamente novo. Outrossim, isso também pode ser resultado das dificuldades de estabelecer conexões significativas entre os tópicos quânticos e questões sociais mais abrangentes. O foco predominante dos estudantes em seus objetivos acadêmicos e profissionais também pode ser um fator relevante, pois pode tornar os estudantes menos interessados em métodos que vão além da Computação Quântica. Em geral, esses elementos têm o potencial de influenciar a preferência por abordagens conceituais e instrumentais, desviando-se de uma ótica externalista que exige uma compreensão prévia dos conteúdos.

Considerando a discussão efetuada, é viável categorizar o Enfoque Sociocientífico em três subcategorias principais: ES1 – Enfoque Sociocientífico Introdutório; ES2 – Enfoque Sociocientífico Internalista; ES3 – Enfoque Sociocientífico Integrado (ver Tabela 5). Conforme delineado anteriormente, cada subcategoria apresenta uma ênfase específica, permitindo a exploração de distintas modalidades de aprendizado. Essa relação está representada de forma clara no quadro abaixo, que abarca os enfoques, suas descrições e os trabalhos associados a cada categoria.

Tabela 5
Caracterização de trabalhos referentes a diferentes níveis referentes aos enfoques sociocientíficos.

ES	Descrição	Trabalhos
Introdutório	Abordagem introdutória dos impactos da Computação Quântica na sociedade.	A1, T1, T5, T8, T10, T12
Internalista	Abordagem da Computação Quântica em termos de elementos internos à produção do conhecimento científico.	A2,T2,T3, T4, T6, T7, T9, T11, T13, T14
Integrado	Abordagem da Computação Quântica em termos de elementos internos e externos à produção do conhecimento científico.	-

4.4. Matriz de orientação

Realizadas as discussões dos enfoques em termos de alcances de conteúdo (Tabela 3), exploração de ferramentas computacionais (Tabela 4) e articulação com o contexto social (Tabela 5), esta seção tem o objetivo de traçar novos significados a partir desses resultados, considerando aspectos da ATD. Para tanto, busca-se articular esses enfoques diferentes considerando a demarcação das suas etapas: os enfoques da etapa 1 (EC1, EI1, ES1) visam apresentar aos estudantes discussões iniciais da área; os enfoques da etapa 2 (EC2, EI2, ES2) oferecem recursos abrangentes para uma compreensão geral da área; os enfoques da etapa 3 (EC3, EI3, ES3) proporcionam uma aprendizagem genuinamente efetiva aos estudantes, seja em termos de conteúdos, habilidades procedimentais e atitudes.

Nesse sentido, a delimitação das etapas auxilia na identificação de práticas em uma perspectiva mais abrangente. No entanto, é crucial ressaltar que, ainda que os diferentes enfoques sejam agrupados em etapas que melhor descrevem suas características, as práticas de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio não necessariamente devem ser interpretadas como inteiramente pertencentes a essas etapas, uma vez que podem ter enfoques diferentes de etapas distintas. Assim, as etapas não devem ser interpretadas como extremos que definem o processo de aprendizagem dos estudantes em sua totalidade, mas como pontos de referência em um contexto de análise dos objetivos formativos delimitados.

No caso dos enfoques pertencentes à etapa 1, seus objetivos enfatizam o caráter informativo das práticas, uma vez que a abordagem dos conteúdos é insuficiente para uma apresentação consistente da Computação Quântica. Se comparados aos objetivos de ACT apresentados no trabalho de Silva e Sasseron (2021) (Figura 2), trabalhos nessa etapa alcançam apenas parcialmente aspectos conceituais da Visão I, visto que conseguem sequer alcançar parâmetros formativos tradicionalmente discutidos, como uma formação mais técnica. Nesse contexto, enfoques pertencentes a essa etapa são caracterizados por um objetivo de Aprendizagem para Informação.

No que se refere aos enfoques de etapa 2, é possível alcançar elementos da Visão II, visto que conseguem introduzir os conteúdos da Computação Quântica de modo satisfatório, proporcionando reflexões sobre as potencialidades e limitações da área. Nesse caso, as práticas conseguem introduzir os conteúdos da FMC, assim como a abordagem da temática, a partir de um panorama geral inicial, desenvolvendo habilidades procedimentais de construção de circuito e trabalhando aspectos sociais mais amplos. Em conjunto, esses elementos são capazes de cumprir com um objetivo de Aprendizagem para Questionamento: os estudantes conseguem refletir sobre a área articulando as características de diferentes enfoques.

Referente aos enfoques de etapa 3, ainda haja o alcance pleno dos aspectos conceituais da Visão II, eles não necessariamente implicam em um alcance completo dos elementos da Visão III. Conforme discutido anteriormente, isso pode ser o resultado de características específicas da área. Primeiramente, os estudantes podem encontrar desafios ao usar abordagens que exigem um entendimento mais completo e contextualizado das consequências sociocientíficas da Computação Quântica porque esta é uma área relativamente nova. Em geral, esses elementos têm o potencial de influenciar a preferência por abordagens conceituais e instrumentais, desviando-se de uma ótica externalista que exige uma compreensão prévia. Todavia, ainda que não haja um alcance genuíno dessa visão, essa etapa é capaz de promover uma Aprendizagem para Tomada de Decisões de modo significativo.

Considerando esses aspectos e significados emergentes da análise, foi construída uma matriz para organizar as relações discutidas no presente trabalho em termos de objetivos da aprendizagem e diferentes enfoques (Figura 4). A matriz representa a consolidação das pesquisas em termos de parâmetros e objetivos formativos referentes à perspectiva do autor do presente trabalho.

Figura 4
Matriz de Orientação de práticas de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio.

A matriz articula os enfoques com diferentes objetivos de aprendizagem, agrupando-os com relação às suas respectivas etapas. Conforme discutido anteriormente, é importante destacar dois elementos na interpretação da matriz: 1) as etapas não necessariamente são níveis a serem alcançados; 2) práticas de ensino de Computação Quântica não necessariamente são pertencentes a uma mesma etapa, uma vez que podem atingir diferentes enfoques em etapas distintas. No primeiro ponto, é importante perceber que o alcance de enfoques de etapa 3 não implica em dizer que o trabalho perpassou pelas etapas anteriores. Cada estágio possui características singulares únicas, e o progresso não é necessariamente sequencial. No entanto, conteúdos de etapas anteriores podem estar presentes nas etapas posteriores, visto que, em alguns casos, elas se diferenciam em termos de aprofundamento em aspectos de cada enfoque.

No segundo ponto, é possível citar as ações do tipo A1 e A2 como exemplos. No caso das ações A1, ainda que os enfoques EC2 e EI2 tenham sido atingidos, não é possível afirmar a prática alcançou genuinamente uma aprendizagem para tomada de decisões, uma vez que não foram articuladas questões sociais mais amplas da área (ES2) que poderiam contribuir para o desenvolvimento de um pensamento reflexivo. Já as ações do tipo A2, ainda que tenham atingido o EC3 e EI3, não podem ser caracterizadas como inteiramente promotoras de uma aprendizagem para participação, tendo em vista que a falta de problematizações pertencentes a um ES3. No entanto, é importante afirmar que ambas se aproximaram mais das etapas 2 e 3, respectivamente, do que de etapas anteriores, visto que alcançaram um maior número de enfoques pertencentes a elas.

Portanto, a matriz resultante desta pesquisa emerge como um instrumento abrangente para orientar as práticas de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio na perspectiva dos autores do presente trabalho. Assim, ela não apenas organiza de maneira sistemática os enfoques conceitual, instrumental e sociocientífico em consonância com objetivos específicos, mas também enfatiza a complexidade e interconexão inerentes a essas abordagens. Ao superar uma interpretação linear, a matriz oferece uma visão dinâmica do processo educacional, destacando a importância única de cada etapa e a possibilidade de atingir enfoques diversos em momentos distintos. Nesse sentido, a matriz não apenas encerra este estudo como uma conclusão analítica, mas também se apresenta como um instrumento orientador de práticas, proporcionando parâmetros e propósitos para a inserção da Computação Quântica no contexto do Ensino Médio.

5. Considerações Finais

As discussões realizadas na presente pesquisa emergiram de um processo de identificação de diferentes alcances das práticas em termos de potencialidades e limitações exploradas em diferentes contextos de aprendizagem. Como ponto de partida, constatou-se que as práticas de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio tinham diferentes enfoques associados a três dimensões: Conceitual, Instrumental e Sociocientífica. Isso porque esses enfoques compõem habilidades de aprendizagem referentes a características específicas das práticas. Para cada enfoque, foram elencadas etapas, de modo a caracterizar a abordagem dessas dimensões a partir de parâmetros de referência.

Esses aspectos foram, então, categorizados como a base, ou eixos, de uma matriz de orientação, construída a partir de um estudo de natureza teórica de diferentes referenciais da área de Ensino de Ciências e Educação, bem como de natureza prática da análise de ações de ensino de Computação Quântica para o Ensino Médio. Em função disso, articularam-se diferentes enfoques, que levaram à definição de três objetivos de aprendizagem. O primeiro, associado a uma Aprendizagem para a Informação, contribui para apresentar aos estudantes elementos básicos da Computação Quântica. O segundo, referente a uma Aprendizagem para Questionamento, fornece aos estudantes o conhecimento básico necessário para refletir a área em termos de impactos na indústria, ciência e mercado de trabalho. O terceiro, relativo a uma Aprendizagem para Tomada de Decisões, implica em uma formação genuinamente crítica dos estudantes em termos de aprendizagem conceitual, procedimental e de reflexão social da prática.

Salienta-se que esses enfoques e objetivos de aprendizagem devem ser compreendidos como complementares no âmbito da formação científica, correspondendo a diferentes situações, contextos escolares e possibilidades de atuação, ou mesmo a momentos sucessivos de apropriação de intenções. Dessa forma, visa-se viabilizar o resgate de aspectos e discussões negligenciadas ao longo da trajetória das pesquisas em ensino de Computação Quântica no Ensino Médio desenvolvidas nesse contexto.

Contudo, a caracterização apresentada não deve ser interpretada como apenas mais uma forma de classificar trabalhos relacionados às práticas pedagógicas no Ensino Médio. Assim, sua contribuição está ligada à capacidade de reconhecer as várias dimensões que estão sendo consideradas ou que podem vir a ser consideradas em diferentes práticas. Ao mesmo tempo, esse reconhecimento permite uma compreensão mais ampla dos significados e perspectivas das abordagens no contexto do ensino de Física, mais especificamente de Computação Quântica para o Ensino Médio, no Brasil. Isso tem o potencial de auxiliar a definir e escolher quais elementos devem ser priorizados nas práticas, sejam elas em ações de divulgação, sejam elas em práticas escolares.

Em particular, pretende-se que esse quadro possa fornecer orientações em que os trabalhos e propostas possam situar-se, reconhecendo suas especificidades. Simultaneamente, acredita-se que, por meio dessa organização sistematizada, seja possível expandir as possibilidades das abordagens de Computação Quântica para o Ensino Médio. Em outras palavras, essa matriz de abordagens permite identificar e posicionar intenções, buscando coerência entre as considerações em si. A partir dela, torna-se viável elucidar razões para escolhas, direcionamentos, limitações e potencialidades de diversas propostas. Espera-se que seja um instrumento relevante para reflexão sobre tais práticas e suas conexões com os discursos, um aspecto a ser aprofundado em investigações futuras.

Portanto, a matriz orientadora auxilia nas reflexões das práticas de ensino da Física/Ciências, de modo a alinhar os seus objetivos com os alcances formativos buscados desde o planejamento das ações. Nesse sentido, considera-se os diferentes enfoques e os seus objetos de conhecimento para a promoção de uma prática que se aproxima de uma aprendizagem para informação, questionamentos ou tomada de decisões. Aspectos como tempo de duração das práticas, conteúdos abordados, TDIC disponíveis contribuem de forma significativa no processo de repensar as práticas. Desse modo, suas contribuições residem tanto em uma perspectiva de orientações para pesquisa no campo de Ensino de Ciências, quanto em termos de orientações para práticas de ensino na Educação Básica.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Lucas G. Barros pelos valiosos comentários no trabalho. Clebson Cruz e Lucas Q. Galvão agradecem a Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia (FAPESB) pelo apoio financeiro (Termos de outorga APP0041/2023 e PPP0006/2024). Lucas Q. Galvão agradece ao apoio financeiro Projeto de formação iNOVATeQ Lato Senso Especialização em Computação Quântica – Pesquisador, apoiado pelo QuIIN – Centro de Competência EMBRAPII CIMATEC em Tecnologias Quânticas, com recursos financeiros do PPI IoT/Manufatura 4.0/PPI HardwareBR da bolsa MCTI número 053/2023, assinado com EMBRAPII.

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• 1
  Álgebra com operações binárias embasada em operações lógicas efetuadas apenas com os valores 0 e 1.
• 2
  Essa escolha se justifica, pois a plataforma tem a autorização de praticamente todas as editoras para a divulgação dos trabalhos em rede, uma vez que esses eles ganham uma maior popularização nesses acervos [⁵⁰].
• 3
  A utilização de termos em inglês é justificada tendo em vista a ausência de trabalhos no contexto brasileiro – somente dois, ambos de mesma autoria e sobre a mesma prática.
• 4
  Algoritmos que não são construídos utilizando somente operadores quânticos, mas processamento clássico.
• 5
  Recentemente, a empresa anunciou a retirada dessa plataforma do ambiente remoto.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Nov 2024
• Data do Fascículo
  2024

Histórico

• Recebido
  08 Jun 2024
• Revisado
  23 Ago 2024
• Aceito
  11 Set 2024