EXPERIMENTO REMOTO AQUÁRIO 1 PARTE CONCEITUAL

A diversidade da vida no mundo aquático é imensa, principalmente após do descobrimento do mundo microscópico por Antonie van Leeuwenhoek, o qual fascina os indivíduos desde os primeiros olhares. O interesse em explorar este mundo de numerosos organismos unicelulares e multicelulares, por questionar sobre o que vivem nestas amostras de água, como são as células destes organismos, qual o tamanho da vida ali presente, como os microrganismos se movem, e interagem com outros indivíduos e com o ambiente ao seu redor. Tudo isso desperta um grande encanto nos estudante frente aos aspectos da Ciência, como uma gota de água da lagoa possuir um "universo" de microrganismos no microscópio e nada presente a olho nu (BARBOSA, 2014).

Contextualizando o experimento aquário nas aulas de Ciências, esse pode auxiliar na abordagem de conteúdos do eixo temático “Vida e Ambiente”. De acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais (BRASIL, 1998) o eixo:

(...) busca promover a ampliação do conhecimento sobre a diversidade da vida nos ambientes naturais ou transformados pelo ser humano, estuda a dinâmica da natureza e como a vida se processa em diferentes espaços e tempos (BRASIL, 1998, p. 42).

Segundo os Padrões Nacionais de Educação Científica (National Science Education Standards) estabelecidos pelo programa Ciência para todos os americanos, programa este referência para o desenvolvimento de atividades para à promoção a Alfabetização Científica (AC), atividades que buscam compreender a vida microscópica, como a presente em lagos, rios e outro tipo de amostras de água, buscam incorporar evidências para o despertar científico (NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 1995). Neste sentido, este currículo propõe alguns padrões de ensino para promoção da AC, e alguns deles estão diretamente relacionados ao experimento remoto - Aquário, são eles:

Padrão 1: Ciência como uma atividade de investigação - na conclusão desta atividade proposta com aquário, o aluno realiza instruções dirigidas de observações baseadas em microrganismos.

Padrão 3: Ciências da vida - em relação a este padrão, o aluno terá a chance de ver organismos vivos de um ambiente e determinar suas características.

Padrão 5: Ciência e Tecnologia - na questão tecnologia para a promoção da Ciência, o experimento elaborado possibilita alterações nas condições ambientais dos organismos vivos, ampliação da visualização dos microrganismos, isso tudo em tempo real e ao vivo.

Padrão 6: Ciência nas Perspectivas Pessoais e Sociais - nesta perspectiva, podemos destacar a possibilidade de monitoramento por parte dos alunos, da qualidade dos ecossistemas de água doce, observando microrganismos indicadores desta qualidade.

Nesta perspectiva, da presença de organismos como indicadores da qualidade da água, podemos citar alguns exemplos de microrganismos que normalmente são encontrados em ambientes não perturbados, com água de boa qualidade - destacamos o filo de animais aquáticos os Rotíferos e as algas Diatomáceas, exemplos de microrganismos que podem ser encontrados em um ambiente eutrófico (presença de muitos nutrientes) - são as algas dos gêneros Espirogira e Chlamydomonas, e por último em águas poluídas, são comuns o aparecimento de bactérias dos gêneros Spirillum e as cianobactérias - Microcystis.

Segundo Botelho Filho e Oliveira (1984), a observação de um ecossistema artificial em aulas de Ciências, promove um maior envolvimento dos alunos em relação aos conteúdos de Ecologia, favorecendo a construção do conhecimento em relação ao meio ambiente. Desta maneira, justifica a utilização de aquários para o ensino de Ciências:

(...) o aquário ao ser utilizado como fonte educacional desempenha um importante papel, atuando como laboratório de Ciências Naturais, proporcionando o estudo de diferentes disciplinas a partir da observação dos seus fenômenos de causas e efeitos (BOTELHO FILHO; OLIVEIRA, 1984, p. 211).

5.6.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL

O experimento Aquário foi elaborado com o intuito de descobrir a presença dos microrganismos aquáticos e como as características fisico-químicas interferem na população destes.

Na montagem do experimento Aquário, como pode ser observado na Figura 38, utilizamos um microcontrolador Arduino Mega para controlar os sensores de oxigênio dissolvido, potencial Hidrogeniônico (pH) e temperatura, acoplado a um Shield Ethernet com a rede local, disponibilizando os dados no site do LTE (Quadros 13 e 14). Além do microcontrolador, há uma placa Raspberry Pi B conectada à uma câmera e uma lupa digital, disponibilizando o streaming das imagens em tempo real para o usuário.

Os procedimentos metodológicos utilizados para a construção dos dados envolveram as seguintes etapas: observação das imagens por 15 dias transmitida do experimento real, quanto a cor, presença de organismos, pH, oxigênio dissolvido e temperatura, estas observações permitiram que os alunos elaborassem hipóteses para o que estava ocorrendo, analisando as imagens juntamente com os dados fornecidos.

Figura 38 - Imagem do experimento remoto - Aquário com os seguintes componentes: a - circuito com a placa Arduino Mega e Ethernet Shield para controle dos sensores e transmissão das informações; b - webcam para transmissão da imagem do Aquário; c - lupa eletrônica para captar e aumentar a imagem dos microrganismos; d- bomba de oxigênio; e - aquecedor; f- sensor de oxigênio dissolvido; g - sensor de pH; h - sensor de temperatura; i- Raspberry para gerenciamento das imagens.

Fonte - o autor (2018).

Quadro 13 - Características dos sensores utilizados no experimento remoto - Aquário.

Sensor Função Saída Faixa de

operação Imagem Oxigênio Dissolvido Medir a quantidade de oxigênio dissolvido Porta serial 0.01 − 100 mg/L

pH Medir o pH da água Porta serial 0 a 14

DS18B20 Medir a temperatura do solo

Digital -55ºC a + 125ºC

Quadro 14 - Características dos componentes utilizados no experimento remoto - Aquário.

Componente Função Saída Característica Imagem

Arduino Mega 2560 Placa da plataforma Arduino, utilizada para controlar sensores e componentes - Portas digitais: 54 - Portas serial: 04 - Portas analógicas: 16 - ATMega 2560 - Tensão de Operação: 5V - Tensão de Entrada: 7-12V - Memória Flash: 256KB Bomba de oxigênio Bomba de oxigênio 220V Potência: 1.2W Aquecedor Aquecedor de água 220V Aquecedor com 1W de potência Fonte - o autor (2018). 5.6.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR

O experimento remoto - aquário, foi programado na plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Mega, utilizando a seguinte lógica de programação, representada pelo fluxograma da Figura 39. A interface de acionamento dos botões do aquecedor e da bomba de oxigênio disponibilizados no site do LTE, demonstra duas opções no sistema, cada uma com nome intuitivo com relação ao seu estado, facilitando assim o acionamento dos mesmos no site. O módulo central do Arduino realiza um loop constante, monitorando dessa forma todos os sensores conectados.

Quando um relé muda seu estado, o módulo atribui alguma mudança de evento e modifica o seu estado (mudando a cor do botão) na página do experimento no site do LTE. O sistema pode ser dividido em quatro partes fundamentais, lembrando que para o seu funcionamento é necessário uma fonte de alimentação e conexão com a Internet e todos os relés conectados nas portas especificadas pelo software desenvolvido. As quatro partes são:

- 1ª: Inicialmente tem-se a inclusão das bibliotecas, declaração de variáveis e definição de pinos. O Arduino assume um endereço válido na rede a qual foi conectado, sendo assim o endereço cadastrado no módulo deve estar contido no escopo de endereços válidos do servidor DHCP da rede. Essa regra deve ser respeitada uma vez que para o funcionamento adequado do sistema o endereço IP do mesmo é fixo. A conexão à rede é feita através do Ethernet Shield;

- 2ª: Recebimento no módulo dos valores dos sensores: pH, temperatura e oxigênio dissolvido, como também os estados dos relés (circuito fechado: estado padrão do

sistema, significa que o aquecedor e a bomba de oxigênio estão ligados; circuito aberto: significa que estes estão desligados), o sistema é independente;

- 3ª - Na sequência o sistema envia estes estados para a interface do site LTE, mostrando os valores dos sensores e refletindo na cor dos botões dos relés.

- 4ª - Interação do usuário com o acionando ou desligamento dos relés (aquecedor e bomba de oxigênio) por meio da interface gráfica do site, muda o estado do relé, muda na interface a cor do botão.

Figura 39 - Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino para o experimento remoto - Aquário

Os códigos aplicados no experimento remoto - Aquário estão disponíveis no APÊNDICE G.

5.6.4 INSTRUMENTAÇÃO

Na montagem do circuito utilizado para a coleta de dados de oxigênio dissolvido, pH e temperatura da água, como também do controle de acionamento da bomba de oxigênio e do aquecedor utilizamos a placa Arduino Mega acoplada a uma placa de Ethernet Shield, assim é fornecido acesso à internet a partir do circuito montado. Os sensores e componentes utilizados foram descritos nas Quadros 13 e 14 e estão ligados no microcontrolador de acordo com o circuito ilustrado na Figura 40. A alimentação é feita pela porta USB da placa com uma fonte de 5V.

Figura 40 – Circuito eletrônico utilizado para controlar a coleta e transmissão de dados do Aquário.

5.6.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

O experimento remoto - Aquário, proporcionou a análise e o monitoramento de amostras de água de diversos locais, como: tanque de psicicultura (Inconfidentes/MG), lago do Instituto de Biologia - UNICAMP, lago do Parque Hemógenes Leitão Filho (Campinas/SP) e do Rio Pirapora (Piedade/SP). Além da análise das amostras de água, foram também registradas as respostas dos usuários, mediante a aplicação de formulário eletrônico disponível na página do experimento site do LTE.

A fim de analisar as respostas dos usuários frente às mudanças observadas ao longo dos dias em relação ao aquário e as variáveis apresentadas do experimento. Verificamos o preenchimento, por parte dos usuários, do formulário eletrônico disponível na página do experimento. Neste formulário, perguntamos:

- Por quanto tempo você observou o experimento?

- Houve diferenças entre as variáveis (pH, temperatura, oxigênio dissolvido e os organismos) ao longo da semana?;

- Caso tenha respondido sim, responda quais foram as variáveis: pH; temperatura; oxigênio dissolvido; organismos presente na água; outra (existia a possibilidade de assinalar mais de uma variável);

- Quais as evidências justificam a sua reposta anterior?

Verificando as respostas dos usuários no formulário eletrônico, obtivemos 63 respostas. Em relação ao tempo de observação, foi bem diversificado, desde 1 dia até os 15 dias do experimento, porém a maioria das respostas relataram ter observado três dias, a presença da coletânea de imagens (Figura 41) como também do gráfico com os dados (Figura 42) de análises anteriores ajudaram a compreender o experimento, segundo relatos no momento da aplicação em sala de aula. Cerca de 95% dos usuários relataram que houve diferenças entre os dias do experimento, relatando principalmente como evidencia as diferenças da quantidade de organismos presente nas amostras, como também de oxigênio dissolvido. Foram selecionadas e analisadas algumas respostas dos alunos/usuários as quais exemplificam a presença dos indicadores de Alfabetização Científica (Quadro 15).

Figura 41 – Fotos tiradas em dias diferentes do aquário. A – 1 dia, B – 3 dias, C – 6 dias, D- 9 dias, E – 12 dias, F – 15 dias.

Fonte - o autor (2018).

Figura 42 – Valores coletados em 15 dias de experimento remoto - Aquário, para os parâmetros (temperatura, pH e Oxigênio Dissolvido).

Fonte - o autor (2018). 0   2   4   6   8   10   12   14   16   18   20   22   24   22/ ab r   23/ ab r   24/ ab r   25/ ab r   26/ ab r   27/ ab r   28/ ab r   29/ ab r   30/ ab r   01 /ma i   02 /ma i   03 /ma i   04 /ma i   05 /ma i   06 /ma i   Temperatura  ºC   pH   Oxigênio   Dissovido  

Segundo as 63 respostas dos usuários coletadas do formulário eletrônico (Google Forms) disponível no site, o experimento proporcionou uma análise quantitativa e de diversidade dos microorganismos presentes na água do lago, percebendo-se que era maior no início do experimento. Além disso, os usuários observaram as alterações dos fatores físico-químicos na população dos organismos com o passar dos dias, como uma diminuição da porcentagem de oxigênio dissolvido e pH, como também uma prevalência de organismos maiores, os rotíferos. Estas considerações podem ser verificadas nas respostas dos alunos (Quadro 15).

Quadro 15 - Identificação dos indicadores de Alfabetização Científica, segundo Sasseron e Carvalho (2008), nas respostas do experimento remoto - Aquário

Categorias dos indicadores de AC Frase do usuário Dados

empíricos

Estrutura do pensamento

Entendimento da situação

Pergunta: Quais são as evidências que justificam a sua reposta anterior (Houve diferenças entre as variáveis - pH, temperatura, oxigênio dissolvido e os organismos, ao longo do experimento?). 1º Classificação de Informações 2º Raciocínio proporcional

- * "Na primeira vez que vi tinha mais bichinho pequenos, e eles ficavam nadando. Ai foi só diminuindo e apareceu uns maiores, mas tinha poucos".

Indícios do indicador:

1º - O usuário relata os dados atribuindo importância, em relação a quantidade e tamanho dos microorganismos;

2º - Ele cria uma relação espaço temporal, dizendo que dependencia de água e desenvolvimento da planta e associa ao fato do terrário estar aberto ou não;

1º Organização de Informações 2º Raciocínio proporcional 3º Levantamento de hipóteses; 4º Explicação

"As algas alimentaram os outros microrganismos presentes na água, e quando as algas chegaram ao fim, os indivíduos começaram a se alimentar dos outros".

Indícios do indicador:

1º - Há uma sequência dos dados que refere-se aos acontecimentos;

2º - Ele cria uma relação de dependencia da presença de algas e microorganismos;

3º - Há a hipótese de que os microorganismos pequenos chegaram ao fim pela falta de algas;

4º - Há uma construção de uma explicação baseado na hipótese levantada. 1º Organização de Informações 2º Raciocínio proporcional 3º Levantamento de hipóteses; 4º Argumento

"De acordo com o gráfico o total de oxigênio dissolvido decaiu um pouco, por conta da falta de fotossíntese que as algas realizaram, e notando pelas imagens, o números de organismos e algas foi diminuindo."

Indícios da presença do indicador:

1º - Há uma sequência dos dados que refere-se aos acontecimentos;

2º - O usuário cria uma relação de dependência da quantidade de oxigênio, fotossíntese, presença de algas e microorganismos;

3º - Ele afirma que há o decaimento do oxigênio dissolvido por conta a falta de fotossíntese;

4º - Há uma explicação baseada nos dados do gráfico (diminuindo a quantidade de oxigênio dissolvido) correlacionando com a produção desse pelas algas e a manutenção dos organismos.

* não foi identificado Fonte - o autor (2018).

Os resultados produzidos nas respostas dos usuários indicam que a interação entre a metodologia utilizada (aquário) e os recursos tecnológicos, especificamente no que se refere ao uso do experimento remoto, favoreceu a aprendizagem do conteúdo “Relações Ecológicas”, bem como promoveu o desenvolvimento dos alunos no que se refere aos conhecimentos, procedimentos e atitudes científicas. Algumas frases presentes nos formulários, demonstraram uma compreensão dos fenômenos de sucessão ecológica acontecendo no experimento. As percepções e análises coerentes dos usuários com o processo ocorrido, reforçam a presença de alguns indicadores de Alfabetização Científica.