5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.4 EXPERIMENTO REMOTO MICROSCÓPIOS E LUPAS ELETRÔNICAS
5.4.1 PARTE CONCEITUAL
No contexto da Biologia, compreender o conceito de célula é fundamental pois, esse conceito é chave na organização do conhecimento biológico, uma vez que “determina a estrutura e funcionamento de todo o mundo vivo” (PALERMO, 2000). Este é o princípio da Teoria Celular proposta inicialmente por Matthias Schleiden e Theodor Schwann, em 1838, onde todos os seres vivos são constituídos da unidade fundamental da vida - a célula. Constatação essa ocorrida somente no século XIX (ALBERTS et al., 2006).
As primeiras observações de materiais biológicos são atribuídas ao holandês, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Leeuwenhoek elaborou uma estrutura de metal e fixou uma lente de vidro, elaborando o primeiro microscópio simples, o qual permitiu aumentar a percepção visual em até 300x (ENCYCLOPAEDIA BRITANNICAa, 2018). O microscópio de Leeuwenhoek possibilitou-o a observar uma variedade de materiais biológicos, como os espermatozoides do sêmen de animais, glóbulos vermelhos do sangue humano e descobrir a existência dos micro-organismos presentes na água da chuva os chamados por ele de “animálculos” , provavelmente referindo-se a bactérias e protozoários que, na época, foram chamados genericamente de micróbios.
O inglês Robert Hooke (1635-1703), tomando conhecimento deste microscópio simples, o aperfeiçoou e construiu um aparelho com duas lentes, que ficou conhecido como microscópio composto, o que permitiu observações ainda mais ampliadas. Em 1665, Hooke publica suas observações em um livro intitulado "Micrographia" (ENCYCLOPAEDIA BRITANNICAb, 2018). Nesse trabalho pioneiro em reproduções microscópicas, possui o desenho da "primeira célula" - a cortiça, material vegetal de baixa densidade, que possui espaços vazios. Cada espaço vazio delimitado, o cientista chamou de "cell", que significa cela, cavidade, em inglês. Essa designação originou o nome célula em português - diminutivo de cela.
Com o avanço tecnológico dos microscópios e o desenvolvimento de técnicas de preparação e coloração de materiais, foi possível identificar e estudar várias estruturas celulares, em especial o núcleo. Aliado a esses avanços, a descoberta em 1953 da estrutura do ácido desoxirribonucleico (DNA), por James Watson e Francis Crick, estabeleceu um marco para a moderna Biologia Molecular, seção de estudo presente em nosso cotidiano, como por exemplo na área da Biotecnologia, em novos métodos de diagnóstico, tratamento e produção de medicamentos (ALBERTS et al., 2006).
Nesse contexto, de novos temas biológicos, difundidos por vários meios de divulgação, em especial a internet, o conceito chave do conhecimento biológico, a célula ainda é considerada essencialmente abstrata para os alunos. Segundo Palmero e Moreira (1999), isso ocorre devido ao fato de se tratar de uma estrutura de dimensões muito reduzidas, não visíveis macroscopicamente, presente somente no imaginário do aluno e, o qual precisaria de microscópios para possibilitar o seu estudo. Porém, como já caracterizado neste trabalho, a infraestrutura da grande maioria das escolas não é adequada para as atividades laboratoriais de ensino.
Dessa forma, o estudo da célula e tecidos são de difícil entendimento para os alunos que têm poucos recursos disponíveis, como a visualização de figuras de livros didáticos e a própria imaginação, o que dificulta o entendimento da importância destas estruturas e a sua organização nos organismos vivos. Alguns estudos como de Palmero (2000), Silveira e Amábis (2003) e Pedrancini e colaboradores (2007), relatam conceitos equivocados presentes em alunos sobre a célula e o seu nível de organização.
Desta forma, o conhecimento sobre o estudo das células deve ser trabalhado em diversos momentos e formas na educação básica, e com recursos adequados, a fim de subsidiar um entendimento da constituição básica dos organismos vivos, quanto a sua funcionalidade, estruturas e o seu nível de organização. Somente assim, os alunos conseguirão se posicionar de forma crítica quanto a outras questões mais complexas como transgênicos, clonagem, células-tronco, constantemente veiculadas pela mídia. De acordo com os PCNs:
Não tem significado para os estudantes do terceiro ciclo estudar funções e estruturas internas da célula, mas sim seu papel como componente fundamental dos tecidos de um modo geral. A observação direta dos tecidos e órgãos de outros animais poderá ajudar o estudante a imaginar órgãos e sistemas do corpo humano, auxiliado também por outros recursos de observação indireta. Antes que os estudantes possam sistematizar e dar significado à relação de inclusão entre sistemas, órgãos, tecidos e células, é necessário, em várias ocasiões, facilitar a comparação entre as dimensões dos sistemas, órgãos e tecidos visíveis a olho nu e porções de tecidos compostos por células só visíveis ao microscópio (BRASIL, 1998, p. 75).
5.4.2 MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL
Na construção dos experimentos remoto - Microscópio e Lupa Eletrônica, criamos um sistema de transmissão online das imagens fornecidas por dois microscópios óptico comum (Zeiss), duas lupas eletrônicas (modelo - Digital Microscope) e um microscópio invertido (modelo - Zeiss Axio Observer Z1) via site LTE. O sistema streaming de imagens é gerado pela placa de aquisição e transmissão de video - RaspberryPi 3, modelo B (Figura 06). Já a captura das imagens foram realizadas através de webcam do (modelo longitech) e câmeras digitais para microscópio (modelo celestron), todas com conexão USB, proporcionando assim facilidade na comunicação com a placa gerenciadora das imagens (Figura 20, 21 e 22).
Figura 20 – Arquitetura do experimento remoto - Microscópio Eletrônico
Figura 21 – Imagem das lupas eletrônicas (1) e do microscópio eletrônico remoto (2), com os seguintes componentes: a - Arduino e Ethernet Shield para controle do relé; b - Raspberry para gerenciamento das imagens; c - webcam para transmissão da imagem do microscópio; d - iluminação de led controlado pelo circuito Arduino-Relé; e- câmera para captar a imagem do microscópio; f - lupas digitais para captar e aumentar a imagem das lâminas e organismos.
Fonte - o autor (2018).
Figura 22 – Imagem do microscópio invertido, com os seguintes componentes: a - Arduino Mega e Ethernet Shield para controle da iluminação e do foco; b - webcam para transmissão da imagem do microscópio; c - iluminação de led controlado pela porta serial do microscópio; d- câmera para captar a imagem do microscópio.
Várias atividades de descobertas em amostras de lâminas, como também de organismos vivos foram realizadas nestes cinco experimentos remotos disponíveis. O propósito das amostras diversificadas foi de possibilitar um maior conhecimento para o aluno sobre os microrganismos presentes em amostras de água, diferenciar os tipos celulares, proporcionar a visualização e estudo dos tecidos histológicos, caracterizar morfologicamente os organismos invertebrados, além de curiosidades inerentes do dia a dia. Normalmente a atividade tinha duração de 3 dias, sendo trocadas as lâminas duas vezes na semana. Um questionário online estava disponível para preenchimento. Neste questionário havia perguntas que criavam uma situação de investigação, levando o aluno a refletir, discutir, explicar e relatar o que estava observando (Figura 23).
Todavia, o processo de descoberta ocorreu na tentativa dos alunos em descrever os materiais expostos, detalhando-os e analisando as imagens visualizadas com o seu conhecimento dos conceitos biológicos e do cotidiano.
Figura 23 – Formulário do Google Forms vinculado aos experimentos remotos - Microscópios Eletrônicos, Lupa Eletrônica e Microscópio Invertido.
Fonte - https://www.lte.ib.unicamp.br/portal/experiments.php?idExperiment=3 (2018).
5.4.3 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR
Nos experimentos remotos - microscópio eletrônico e lupa eletrônica, a programação da plataforma de prototipagem eletrônica Arduino UNO foi utilizada com a seguinte lógica de programação, representada pelo fluxograma da Figura 24. A interface de acionamento dos botões de luz disponibilizada no site do LTE demonstrava duas opções no sistema, cada uma
com nome intuitivo com relação ao seu estado, facilitando assim o acionamento do mesmo no site. O módulo central do Arduino realiza um loop constante, monitorando dessa forma todos os relés conectados. Os códigos aplicados no experimento remoto - Lupa Eletrônica e Microscópio estão disponíveis no APÊNDICE E.
Quando um relé muda seu estado, o módulo atribui alguma mudança de evento e modifica a sua situação (mudando a cor do botão da lâmpada) na página do experimento no site do LTE. O sistema pode ser dividido em quatro partes fundamentais, lembrando que para o seu funcionamento é necessária 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 DHCP41 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 Shield42;
- 2ª: Recebimento no módulo do estado dos relés (circuito fechado: estado padrão do sistema, significa que a lâmpada está ligada; circuito aberto: significa que a lâmpada está desligada;
- 3ª - Na sequência o sistema envia estes estados para a interface do site LTE, refletindo na cor do botão das lâmpadas.
- 4ª - Interação do usuário com o acionando ou desligamento das lâmpadas por meio da interface gráfica do site, muda o estado do relé, muda na interface a cor do botão.
41DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol - Protocolo de Configuração Dinâmica de Endereços de Rede, é um protocolo utilizado em redes de computadores que permite às máquinas obterem um endereço IP automaticamente.
42Ethernet Shield - é uma placa eletrônica que encaixa a um Arduino e permite que este conecte-se a internet. É estruturada no chip ethernet W5100 que fornece acesso à rede (IP).
Figura 24 - Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino para os experimentos remotos - microscópio eletrônico e lupa eletrônica
Fonte - o autor (2018).
Na interface gráfica do site a cor verde indica relé ativado e cor vermelha indica que o mesmo está inativo. Na Figura 25 e 26 podemos observar a tela de interface do usuário, o qual por meio de um dispositivo eletrônico como um “Tablet”, “Smartphone” ou Computador, o usuário é capaz de controlar a iluminação dos experimentos, bastando clicar sobre o botão.
Figura 25 - Interface gráfica no site LTE, demonstrando a mudança na cor do botão de acionamento da lâmpada no experimento remoto - lupa eletrônica.
Figura 26 - Interface gráfica no site LTE, demonstrando a mudança na cor do botão de acionamento da lâmpada no experimento remoto - microscópio eletrônico.
Fonte - https://www.lte.ib.unicamp.br/portal/experiments.php?idExperiment=1 (2018).
Nos experimento remoto - microscópio invertido, a programação da plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Mega foi utilizada com a seguinte lógica de programação, representada pelo fluxograma da Figura 27. A interface de acionamento dos quatro botões disponibilizados na página do experimento, foram dois relacionados a iluminação - aumento e diminuição, e os outros dois são sobre o ajuste no foco - aproximar e afastar (Figura 28).
O módulo central do Arduino comunica com o microscópio por uma porta serial para o controle das variáveis, além disso o módulo realiza um loop constante, monitorando o estado destas e outras variáveis disponíveis, mas que não foram utilizadas no experimento, conforme a Figura 29.
O controle das variáveis é permitida dado à configuração da automação dos comandos do próprio programa do microscópio. O sistema de comunicação pode ser dividido em 4 partes fundamentais, divisão similar ao dos experimentos remotos anteriores. Para o funcionamento do Arduino Mega é necessário uma fonte de alimentação e conexão com a Internet via Ethernet Shield;
- 1ª: Inicialmente tem-se a comunicação das variáveis via porta serial. O Arduino assume um endereço válido na rede a qual foi conectado. A conexão à rede é feita através do Ethernet Shield;
- 2ª: Recebimento no módulo o estado das variáveis;
- 3ª: Na sequência o sistema envia estes estados para a interface do site LTE; - 4ª Interação do usuário com os botões por meio da interface gráfica do site.
Figura 27 - Fluxograma representativo do código utilizados na plataforma Arduino Mega para o experimento remoto - Microscópio Invertido
Figura 28 - Interface quanto ao controle e visualização do experimento remoto - Microscópio Invertido
Fonte - https://www.lte.ib.unicamp.br/portal/experiments.php?idExperiment=7 (2018).
Figura 29 - Interface de todas as variáveis do microscópio invertido.
5.4.4 INSTRUMENTAÇÃO
Para o controle do acionamento da lâmpada e a definição do seu estado (Microscópio Eletrônico e Lupas Eletrônicas), foi utilizado o circuito eletrônico (Figura 30), demonstrado na figura a seguir. O controle do módulo relé foi feito pela porta digital 7 do Arduino, e a alimentação do módulo foi feita pelo pino 5V. A conexão à rede é feita através do Ethernet Shield;
Figura 30 - Circuito eletrônico utilizado para controlar o acionamento da lâmpada do microscópio eletrônico
Fonte - elaborado pelo autor no software fritzing (2018).
5.4.5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os cincos experimentos remotos disponibilizados pelo LTE sobre microscopia (duas lupas eletrônicas, dois microscópios eletrônicos e o microscópio invertido) apresentaram resultados semelhantes, quando analisamos as respostas dos alunos nos formuários do Google Forms, ainda que os experimentos possuíssem interatividades diferentes.
Disponibilizamos para as atividades de microscopia várias lâminas e seres vivos nos cinco experimentos (Figura 31), assim os alunos puderam realizar as atividades descrevendo e interpretando suas observações. Nos formulário, perguntamos:
- Qual a data da observação;
- Descreva o que você está visualizando e baseado na sua descrição o que pode estar sendo mostrado?
Foram registradas 117 respostas dos usuários sobre os experimentos de microscopia, algumas destas foram organizadas no Quadro 09, para exemplificar os objetos mostrados e o indicador de habilidade científica.
Por se tratar de um experimento descritivo, as respostas dos usuários foram similares quanto a descrição do que foi observado. Consequentemente a presença dos indicadores também foram semelhantes. Algumas características em comum dos experimentos de microscopia, são: ser atividades desenvolvidas pelo aluno, e este possui contato direto com o objeto mostrado em níveis diferentes de aumento, tendo como atividade principal observar, descrever, e interpretar o objeto - exemplos clássicos do tipo de experimentos descritivo.
Laursen e colaboradores (2007), analisaram intervenções de curta duração para a promoção de Alfabetização Científica e verificaram que resultados positivos foram encontrados quando os professores trabalhavam com equipamentos e materiais que permitiram experiências reais e novas no aprendizado em Ciências. A maioria dos professores e alunos relataram um destaque maior para atividades práticas com microscópios.
Autores como Krasilchik (2008) e Gaspar (2009), dizem que no Ensino de Ciências, a utilização adequada do microscópio estimula a participação, aumenta o interesse dos alunos e permite construir conhecimentos mais aprofundados sobre a realidade. Diante desta realidade, a equipe do RexLab desenvolveu a construção de um microscópio remoto, o qual permite a visualização e interação com partes de plantas (ANTÔNIO et al., 2016).
A importância da observação direta de objetos e fenômenos naturais é inegável para a formação científica em todos os níveis de ensino. Contudo, o professor necessita promover atividades para os alunos irem além de uma simples observação e descrição. Neste tipo de experimento observamos serem necessárias atividades, indagações que apurem a diferença entre descrever e interpretar, muitas vezes trabalhada como sinônimos por docentes e alunos.
Os PCNs acrescentam ainda que os experimentos precisam estabelecer um estudo contextualizado dos microorganismos e das células, para assim despertar a compreensão destes como estrutura viva e não isolada, com delimitação e funções no organismo.
[...] A observação direta dos tecidos e órgãos de outros animais poderá ajudar o estudante a imaginar órgãos e sistemas do corpo humano, auxiliado também por outros recursos de observação indireta. Antes que os estudantes possam sistematizar e dar significado à relação de inclusão entre sistemas, órgãos, tecidos e células, é necessário, em várias ocasiões, facilitar a comparação entre as dimensões dos sistemas, órgãos e tecidos visíveis a olho nu e porções de tecidos compostos por células só visíveis ao microscópio (BRASIL, 1998, p. 75).
Figura 31 - Imagens exibidas nos experimentos de microscopia : a) Tecido Epitelial; b) Asa de borboleta; c) Paramecium; d) Mitose; e) Aspergillus; f) Amostra de água de piscicultura, nos experimentos remotos de microscopia.
Quabro 09 - Relação do material exposto, o experimento remoto e os indicadores de Alfabetização Científica, segundo Sasseron e Carvalho (2008), em algumas respostas.
Objeto exposto Experimento Remoto
Indicador de AC
Frases dos usuários para as perguntas: "Descreva o que está visualizando e baseado em sua descrição, o que pode estar sendo mostrado?"*
Lâmina - Tecido Epitelial Lupa Eletrônica 1º Seriação de Informações; 2º Justificativa; 3º Explicação.
"Tecidos com camadas com cores diferentes, na superfície é mais colorido, parece com a figura pele do livro, tem camadas!"
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário relata várias características do objeto visualizado; 2º Ele afirma que é um tecido com camadas, basedo na figura do livro;
3º - Há uma construção de uma explicação para citar a pele a imagem visualizada, baseado na justificativa, parecido com a figura do livro. Lâmina - Asa de borboleta Lupa Eletrônica 1º Seriação de Informações; 2º Explicação
"Algo transparente com listras marrons e espinhos o fio preto e pontos marrom. Uma asa de borboleta".
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário relata várias características da imagem visualizada; 2º Ele afirma que é uma asa de borboleta, dado as características descritas por ele.
Lâmina - Paramecium Microscópio Eletrônico 1º Seriação de Informações; 2º Explicação
"Parece ter cor verde, consistência mole, apresenta: membrana plasmática, citoplasma, núcleo e perninhas. Alguma célula de rios e lagos"
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário relata várias características da imagem visualizada; 2º Ele afirma que é alguma célula de rios e lagos, dado as características descritas por ele ser parecida com os microoganismos aquáticos. Lâmina - Mitose em raiz de cebola Microscópio Eletrônico 1º Organização de Informações; 2º Explicação
"Várias células vegetais em momentos diferentes de divisão. Mitose".
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário relata em sequência as células vegatais e que estão em momentos diferentes de divisão;
2º A atribuição do processo de mitose, baseia-se nas características descritas por ele.
Lâmina - Aspergillus
Microscópio Eletrônico
1º Seriação de Informações;
2º Explicação "Observei que a imagem era azul e tinha vários "fios" saindo de uma superfície, como uma grama. Segundo minha descrição acho que são fungos."
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário relata várias características da imagem visualizada; 2º A atribuição de ser fungos, esta relacionada as características apresentadas anteriormente.
Água de tanque de piscicultura
Microscópio Invertido
1º Seriação de Informações; "Sim, na terça dava para ver melhor e
tinha alguma coisa comprida que se movimentava, na quarta não tinha foco estava dificil para enxergar, hoje tem alguns pontinhos, mas sem movimento".
Indícios da presença do indicador:
1º - O usuário somente relata algumas características do que esta visualizando.
* O tipo de pergunta elaborado, já proporciona o indicador - levantamento de hipótese e o teste do mesmo. Fonte - o autor (2018).
Desta maneira, o uso da microscopia remota desenvolvida no LTE, por meio das lupas eletrônicas, microscópios eletrônicos e o microscópio invertido, mostrou ser um recurso didático importante aos alunos e professores, por contribuir diretamente com atividades práticas de descoberta aos usuários. Visualizamos nos acessos e nas respostas dos usuários que a experimentação pela microscopia remota possibilitou uma aproximação dos alunos frente a aspectos importantes da Ciência, como o engajamento no desenvolver das atividades e o aprimoramento de algumas habilidades científicas.
Moran (2009), já descrevia que ambientes e suportes virtuais de ensino, proporcionam uma emancipação no processo de ensino-aprendizagem aos alunos, dada a autonomia de tempo e horário e o desenvolvimento de habilidades e competências. Assim, o vínculo criado da tecnologia como suporte ao Ensino de Ciências, favorece o aperfeiçoamento de algumas habilidades, como as detectadas - observação, descrição e interpretação.
5.5 EXPERIMENTO REMOTO - TERRÁRIO
5.5.1 PARTE CONCEITUAL
O Terrário é um microambiente contendo pequenas plantas, microorganismos e até animais que se desenvolvem em um recipiente que pode ser fechado ou aberto. Ele é usado para ilustrar como funciona um ecossistema natural (teoria dos ecossistemas ou ecológica), o qual possui um conjunto de fatores bióticos e abióticos de uma determinada localidade.
Nesse sentido, atividades práticas de construção e acompanhamento da dinâmica dos terrários pode favorecer o ensino de Ciências, por possibilitar aos discentes um processo de descoberta, através de observações e análise. Além disso, a atividade torna o processo de ensino mais atrativo e investigativo, fazendo-se de maior autonomia ao aluno.
Botelho (2008) e Rosa (2009), relatam o Terrário como um dispositivo experimental que reproduz um ambiente natural, um "micro-ecossistema". Esse como meio natural e manipulável, permite evidenciar diferentes condições de variações ambientais que podem ser estudadas, previstas, e observadas pelos discentes. Dessa forma, e como uma solução alternativa para o processo de ensino e aprendizagem, o Terrário propõe-se a auxiliar o