EXPERIMENTO REMOTO FOTOSSÍNTESE

5.7.1 PARTE CONCEITUAL

A fotossíntese é um tema complexo dentro dos conteúdos de Biologia, devido aos diversos processos bioquímicos envolvidos e envolver outros conteúdos como a ecologia, fisiologia, química e física. Outro fato que ajuda a dificultar a compreensão do processo pelos alunos, é a abordagem dada em livros didáticos e por docentes, priorizando as reações químicas e margeando a importância do processo para os seres vivos, por ser a fonte de vida vegetal da nutrição autótrofa e fonte de energia para a cadeia alimentar (KAWASAKI; BIZZO, 2000).

Em estudos sobre o ensino de Ciências, com foco nas concepções e noções da fotossíntese, autores constataram que os alunos não conseguem atribuir a essência deste processo para a vida vegetal e animal, como também há uma foco no ensino da nutrição vegetal, "do que entra e o que sai da planta”, além da confusão com o processo de respiração (KAWASAKI, 1998; KAWASAKI; BIZZO, 2000; ALMEIDA, 2005; BASSOLI, RIBEIRO; GEVEGY, 2014).

Os parâmetros curriculares apontam para o desenvolvimento de habilidades dos alunos para a identificação das relações entre as características físicas e químicas do meio e as características dos comportamentos dos seres vivos, sugerindo experimentos sobre a germinação de sementes, identificando os fatores do ambiente que condicionam a vida vegetal, como: água, ar, luz, temperatura e solo.

5.7.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL

O experimento remoto - Fotossíntese foi elaborado com o intuito de compreender os fatores relacionados a germinação e o desenvolvimento de plantas em tempo real, podendo assim o usuário visualizar o desenvolvimento e correlacionar os fatores.

Na montagem do experimento Fotossíntese (Figura 43), utilizamos um microcontrolador Arduino Mega acoplado a um Ethernet Shield para coleta dos dados dos sensores de: carga, umidade e temperatura do ar e do solo, CO2 interno e externo e luminosidade (Quadros 16 e 17). O microcontrolador está ligado a um display para visualização dos dados coletados, e uma placa Raspberry Pi B conectada à uma câmera para o streaming das imagens em tempo real para o usuário.

Os procedimentos metodológicos utilizados para a construção dos dados envolveram as seguintes etapas: observação do desenvolvimento da planta, referente ao tamanho, peso, quantidade da umidade no solo e no ar, relacionando com a taxa de CO2, temperatura e luminosidade. O acompanhamento das imagens e análise das variáveis, permitiram que os usuários elaborassem hipóteses para o que estava ocorrendo, respondendo o formulário eletrônico disponível.

Figura 43 - Imagens do experimento remoto - Fotossíntese, com os seguintes componentes: a - webcam; b -; c - sensor de umidade do solo; d- sensor de temperatura do solo; e - sensor de CO2; f- sensor de luminosidade; g - sensor de temperatura e umidade do ar; h - sensor de carga (piezômetro); i- luminária; j - Raspberry para gerenciamento das imagens; l - circuito com a placa Arduino Mega e Ethernet Shield para leitura dos sensores e transmissão das informações; m - botão de tara do piezômetro (balança).

Fonte - o autor (2018).

Quadro 16 - Características dos componentes utilizados no experimento remoto - Fotossíntese.

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 Ethernet Shield W5100 Comunicar a placa Arduino Mega com a rede de internet 3,3V , 5V - Chip WIZnet ethernetW5100

-Acesso à rede (IP) protocolos TCP ou UDP Display Lcd 1604 Mostrar os valores coletados pelos sensores 5V - 16 colunas/ 04 linhas - Dimensões: (CxL): 85x42mm - Fundo azul Fonte - o autor (2018).

Quadro 17 - Características dos sensores utilizados no experimento remoto - Fotossíntese.

Sensor Função Saída Faixa de operação Imagem

Célula de carga - 303 (piezômetro)

Medir a carga aplicada na superfície Porta Serial 0 − 200g Mq-7 Medir a quantidade de CO e CO2 Analógica 0 a 14

DS18B20 Medir a temperatura do solo Analógica -55ºC a + 125ºC

LDR Medir a luminosidade Analógica 45 a 140 Ohms

Higrômetro Medir a umidade do solo Analógica 0 a 100 *

DHT11

Medir a temperatura e

umidade relativa (UR) do ar Analógica 0º a 50ºC (temp) 20 a 90% UR* * sensibilidade ajustável com potenciômetro

Fonte - o autor (2018).

5.7.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR

O experimento remoto - fotossíntese, foi programado na plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Mega, utilizando a seguinte lógica de programação, representada pelo fluxograma da Figura 44. A interface do experimento no site do LTE, apresentava a imagem em tempo real da germinação e do desenvolvimento da planta na balança com os sensores, como também os gráficos gerados pela plataforma Thingspeak. O módulo central do Arduino realiza um loop constante, monitorando dessa forma todos os sensores conectados. O sistema pode ser dividido em quatro partes fundamentais, são elas:

- 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 os valores dos sensores de carga, umidade e temperatura do ar e do solo, CO2 interno e externo e luminosidade;

- 3ª - Na sequência o sistema envia estes dados para o canal cadastrado na plataforma Thingspeak, que transforma os números em gráficos.

- 4ª - A interface do site LTE acessa os gráficos e mostra na página do experimento para os usuários.

Os códigos aplicados no experimento remoto - Fotossíntese estão disponíveis no APÊNDICE H.

Figura 44 - Fluxograma representativo dos códigos utilizados na plataforma Arduino para o experimento remoto - Fotossíntese.

5.7.4 INSTRUMENTAÇÃO

Na montagem do circuito utilizado para a coleta de dados dos sensores de carga, umidade e temperatura do ar e do solo, CO2 interno e externo e luminosidade, utilizamos a placa Arduino Mega acoplada a uma placa de Ethernet Shield, que fornece acesso à internet do circuito montado. Os sensores e componentes utilizados foram descritos nas Tabelas 15 e 16 e estão ligados no microcontrolador de acordo com o circuito ilustrado na Figura 45. A alimentação é feita pela porta USB da placa com uma fonte de 5V.

Figura 45 – Circuito eletrônico utilizado para controlar a coleta e transmissão de dados do experimento remoto fotossíntese.

5.7.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

O experimento remoto - Fotossíntese, proporcionou uma sequência de imagens (Figura 46) que demonstraram o desenvolvimento das sementes de aveia e milheto plantadas. Inicialmente, quando montamos o experimento, a expectativa era de aumento da massa medida na balança com o desenvolvimento das plantas. Mas o gráfico de massa do vaso decresceu, desde o primeiro dia. Compreender esse dado surpreendente, foi importante para os pesquisadores e também para os usuários, pois ajudaram a construir a concepção de que experimentos reais podem ter resultados inesperados, esse é o processo de "fazer ciência", e investigar o que ocorreu tornou-se mais interessante do que o resultado ideal, pragmático.

Com o intuito de coletar as respostas dos usuários frente às mudanças observadas ao longo dos dias em relação ao experimento remoto da fotossíntese e as variáveis apresentadas no experimento. Analisamos os dados adquiridos pelo 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 no monitoramento ao longo do experimento?;

- Caso tenha respondido sim, responda quais foram as variáveis: umidade do ar, umidade do solo, temperatura do ar, temperatura do solo, massa do vaso, intensidade luminosa, outra (era para assinalar, podendo assinalar mais de uma variável);

- Após ter observado os gráficos da execução deste experimento em tempo real, quais são as explicações para o que pode estar ocorrendo?

Verificando as 26 respostas dos usuários no formulário eletrônico, cerca de 60% conseguiram relacionar o resultado inesperado, de diminuição da massa do vaso e da umidade do solo, com o aumento da umidade do ar e evaporação desta umidade. Assim, é tangível essa relação de diminuição da umidade do solo e aumento da umidade do ar, chegando até a embaçar o vidro da balança no final do experimento (Figura 47). Próximo a 80% dos usuários que responderam o formulário, assinalaram que houve diferenças nas variáveis umidade do solo e do ar, e a massa do vaso. Quando perguntado quais explicações para o que estava ocorrendo no experimento, 16 usuários responderam sobre a perda de água do vaso por evaporação, algumas destas frases estão disponíveis no Quadro 18.

Para conferência do ganho de massa pela incorporação do carbono no processo da fotossíntese, a plântula foi retirada do substrado, lavada e secada para cálculo da matéria seca,

segundo método de secagem de Lima e colaboradores (2011). O valor da matéria seca foi de 19,9 gramas, descontando 10,0 do peso inicial das sementes. Houve um ganho total de carbono no experimento de 9,9 gramas. Em contrapartida, a perda de água presente no substrato por evaporação foi cerca de 30 ml, podendo ser estimado pelo valor final determinado na balança mais o ganho de massa.

A atividade prática desenvolvida para o ensino do tema fotossíntese, utilizando a experimentação remota como recurso didático, buscou proporcionar uma maior motivação, entendimento e compreensão do tema fotossíntese. Alguns destes quesitos podem ser visualizados nos indicadores de AC coletados do formulário eletrônico disponível na página do experimento site do LTE (Quadro 18).

Figura 46 – Fotos tiradas em dias diferentes do experimento: A – 3º dia, B – 5º dia, C – 7º dia, D- 9º dia, E – 11º dias, F – 13º dia.

Figura 47 – Valores coletados em 13 dias do experimento remoto - Fotossíntese para os parâmetros (umidade do ar e do solo, temperatura do ar e do solo e massa do vaso).

Quadro 18 - Identificação dos indicadores de Alfabetização Científica, segundo Sasseron e Carvalho (2008), nas respostas do experimento remoto - Fotossíntese

Categorias dos indicadores de AC Frase dos usuários Dados

empíricos

Estrutura do pensamento

Entendimento da situação Pergunta: Após ter observado os gráficos da execução deste experimento em tempo real, quais são as explicações para o que pode estar ocorrendo.

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

" a água que estava umedecendo o solo e fazendo peso sobre o vaso evaporou e aumentou a umidade do ar".

Indícios da presença do indicador: 1º - O usuário sequencia as informações;

2º - Apresenta uma lógica na exposição do pensamento e relaciona as variáveis (sólido unido, massa do vaso e umidade do ar);

3º - Ele afirma que a água que estava fazendo peso no vaso evaporou, aumentando a umidade do ar.

4º - Há uma construção de uma explicação, a diminuição da massa do vasoo baseado na hipótese criada.

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

" O peso do vaso diminuiu porque ao longo do tempo a planta necessita de nutrientes e água para se desenvolver (absorvendo os mesmos) e o peso do vaso ficou menor mesmo com o crescimento da planta."

Indícios da presença do indicador:

1º - Há uma preparação dos dados (diminuição do peso do vaso, absorção da água pela planta) para a hipótese criada;

2º - Apresenta uma lógica na exposição do pensamento e relaciona a diminuição do peso do vaso e absorção da água pela plantaas;

3º - A hipótese é a diminuição do peso do vaso pela absorção de água pela planta;

4º - A explicação é fundamentada pela hipótese criada. 1º Classificação de Informações 2º Raciocínio proporcional 3º Levantamento de hipóteses 4º Explicação

" A temperatura no solo e ar não se alteraram, porém a água presente no solo evaporou quando a planta pode fazer trocas gasosas. Isso fez com que a massa no vaso ficasse menor por conta da água perdida."

Indícios da presença do indicador:

1º - Há uma organização dos dados, com maior importância para o dado de quantidade de água;

2º - Apresenta uma lógica na exposição do pensamento e relaciona a evaporação com a diminuição do peso do vaso;

3º - A hipótese apresentada esta no decaimento da massa do vaso pela perda da água por evaporação;

4º - Há um explicação baseada na hipótese criada. Fonte - o autor (2018).