ROTEIRO DE EXPERIMENTOS SOBRE MOVIMENTO CIRCULAR UTILIZANDO ROBÓTICA EDUCACIONAL
Luiz Clementino Neto
Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, no Curso de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física – MNPEF, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientador(es): Orivaldo Vieira de Santana Júnior
Natal 2019
Clementino Neto, Luiz.
Ensino de movimento circular através de roteiro de
experimentos utilizando robótica educacional / Luiz Clementino Neto. - 2019.
95 f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Escola de Ciências e Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Ensino de Física. Natal, RN, 2019.
Orientador: Orivaldo Vieira de Santana Junior.
1. Robótica educacional - Dissertação. 2. Movimento circular Dissertação. 3. Novas tecnologias Dissertação. 4. Física -Dissertação. I. Santana Junior, Orivaldo Vieira de. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 004.896:37
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
A Deus e a todos que, através Dele, me motivaram a continuar.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por tudo que tem feito por mim durante toda a minha vida.
A minha família; minha mãe, Francisca Solange de França, e meu pai (in memoram), José Clementino da Silva, que sempre me incentivaram e me ensinaram lições as quais sempre levarei comigo.
A minha esposa, Wégila Félix, que vem diariamente me apoiando e dando força para prosseguir durante todo esse processo de desenvolvimento do presente trabalho; também a ela dedico meu amor.
Aos meus irmãos, Miguel de França e Esther de França.
Aos meus amigos, sempre, mesmo de longe, presentes em minha vida.
Aos meus alunos, que por vezes me motivam a batalhar por um ensino diferenciado e de melhor qualidade.
Ao professor Orivaldo, meu orientador, pela dedicação, ajuda e incentivo, mesmo nos momentos mais desafiadores durante a produção deste trabalho.
Hilo Góes, por ajudar no desenvolvimento do código utilizado.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001, pelo apoio concedido para a realização deste trabalho.
RESUMO
ENSINO DE MOVIMENTO CIRCULAR ATRAVÉS DE ROTEIRO DE EXPERIMENTOS UTILIZANDO ROBÓTICA EDUCACIONAL
Luiz Clementino Neto Orientador:
Orivaldo Vieira de Santana Júnior
Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, no Curso de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física – MNPEF, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
O processo de ensino-aprendizagem vem se ajustando à realidade vivida por alunos e professores. Houve um período de ascensão das cartilhas, depois dos telecursos e outros tantos que marcaram a história pedagógica do Brasil, e então chegou a era digital, as pessoas se inseriram nesse meio e cabe à educação acompanhar o processo e se adequar a ele. Com este intuito, o presente trabalho foi desenvolvido: o de propor meios para adaptação do ensino às tecnologias vigentes. Sendo assim, é ofertado um roteiro a ser utilizado por professores do componente curricular Física no ensino médio. Esse roteiro possui uma abordagem com menos abstrações, tornando o ato de aprender mais lúdico, além de interagir com os experimentos realizados através de um pequeno robô. Foi realizado na Escola Estadual Antônio Gomes, localizada no município de João Câmara, estado do Rio Grande do Norte, com um total de 37 alunos entre 15 e 17 anos. Para sua execução, utilizou-se um robô elaborado com o apoio do projeto URA, desenvolvido por integrantes do Laboratório de Automação e Robótica da UFRN. Nesse trabalho ficou evidente a importância de métodos didáticos que tornem o aluno coautor do conhecimento, como também foi constatado um maior desempenho desses quando em aulas participativas e lúdicas. Dessa forma, o uso da robótica na educação mostrou-se promissora diante dos resultados favoráveis obtidos, ciente de que novas pesquisas devem ser realizadas para tornar ainda mais viável sua aplicação. Sendo assim, é delineada a inserção do uso das novas tecnologias no cotidiano das salas de aula, dando a elas um sentido mais construtivo.
ABSTRACT
EXPERIMENTAL ROUTE ON CIRCULAR MOVEMENT USING EDUCATIONAL ROBOTICS
Luiz Clementino Neto Supervisor:
Orivaldo Vieira de Santana Júnior
Master Thesis presented to Federal University of Rio Grande do Norte – UFRN, in the National Master Course Physics Education Professional – MNPEF, as part of the necessary requirements to obtain the title of Master in Teaching of Physical.
The teaching-learning process has been adjusting to the reality experienced by students and teachers. There was a period of rise of the booklets, after the telecourses and many others that marked the pedagogical history of Brazil, and then came the digital age, people inserted themselves in this environment and it is up to education to follow the process and adapt to it. To this end, the present work was developed: to propose means for adapting teaching to current technologies. Thus, a script is offered to be used by teachers of the curriculum component Physics in high school. This script has an approach with fewer abstractions, making learning more playful, and interacting with experiments conducted through a small robot. It was held at the Antônio Gomes State School, located in the city of João Câmara, state of Rio Grande do Norte, with a total of 37 students between 15 and 17 years old. For its execution, a robot developed with the support of the URA project, developed by members of the Automation and Robotics Laboratory of UFRN, was used. In this work it was evident the importance of didactic methods that make the student co-author of knowledge, as well as a higher performance of these when in participatory and playful classes. Thus, the use of robotics in education has shown promise in view of the favorable results obtained, aware that further research must be conducted to make its application even more viable. Thus, it is outlined the insertion of the use of new technologies in the daily life of classrooms, giving them a more constructive sense.
Sumário
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO...13
CAPÍTULO 2 – REVISÃO TEÓRICA SOBRE FÍSICA...16
2.1 Movimento Circular...16
2.2 Relação entre velocidade angular e velocidade linear...18
CAPÍTULO 3 – O ARDUINO...21
3.1 Especificações do Arduino UNO Rev 3...23
3.1.1 Alimentação...24
3.1.2 IDE do Arduino...25
CAPÍTULO 4 – ROBÓTICA EDUCACIONAL (RE)...28
4.1 Projeto Um Robô por Aluno (URA)...30
CAPÍTULO 5 – APLICAÇÃO DA ROBÓTICA NO MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME...31
5.1 Sobre a escola...33
5.2 Metodologia de aplicação...34
5.2.1 Os três momentos pedagógicos...34
5.2.2 O Produto e os Três Momentos Pedagógicos...37
CAPÍTULO 6 – APLICAÇÃO E RESULTADOS...38
6.1 Primeiro encontro...38
6.2 Segundo encontro...39
6.3 Terceiro encontro...41
6.4 Dificuldades...44
6.5 Aprendizagem dos alunos...45
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS...47
REFERÊNCIAS...48
APÊNDICES...49
APÊNDICE A – TEXTO DE PROBLEMATIZAÇÃO INICIAL...50
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Movimento circular: tratamento vetorial...18
Figura 2 - Arduino UNO rev3...23
Figura 3 - Especificações gerais sobre a pinagem do Arduino UNO...23
Figura 4 - IDE do Arduino...25
Figura 5 - Processo de leitura e execução dos códigos no Arduino...27
Figura 6 - Criança interagindo com a “turtle” desenvolvida por Papert...29
Figura 7 - Robô desenvolvido para experimentação...32
Figura 8 - Software utilizado para realizar comunicação entre o Arduino com celular...39
Figura 9 - Experimento para definir velocidade escalar média...40
Figura 10 - Experimento realizado na situação 2...42
Figura 11 - Cálculo da frequência de 5RPM dada em Hz...43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Demonstrativo do número de residências que possuem telefonia móvel ou fixa...14 Tabela 2 - Períodos contabilizados pelos alunos...43
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Lista de variedade de placas Arduino...22 Quadro 2 - Pinagem de alimentação do Arduino UNO rev.3...24
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
PNAD Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios Contínua
MCU Movimento Circular Uniforme
RE Robótica educacional
T Período
f Frequência
ϕ0 Ângulo inicial
ϕF Ângulo final
RPM Revolução por minuto
Hz Hertz s Segundos t Tempo v Velocidade a Aceleração ω Velocidade angular α Aceleração angular
IIDI Ivrea Interaction Design Institute
URA Um Robô por Aluno
CEPI Centro de Educação Popular Integrada IDE Integral Development Environment ECT Escola de Ciência e Tecnologia
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
Na atualidade, o processo de ensino e aprendizagem do componente curricular física no ensino básico sofre uma grande defasagem, visto que o principal papel do aluno na sala de aula é simplesmente ser um receptor e repetidor de informações e estratégias de resolução de exercícios. Ademais, por vezes, a falta de tempo e a necessidade de possuir outros vínculos empregatícios, leva os professores a transmitir informações embasados numa didática enfadonha que leva em consideração a sequência apresentada nos livros que, por sua vez, são apenas sugestões de escolha, negligenciando a realidade do cada estudante. Em consequência disso, as aulas se tornam mais cansativas e entediantes, fato este que propicia a falta de interesse massiva (MOREIRA, 2017).
Outro ponto considerável no que diz respeito a fatores desencadeantes da falta de interesse dos estudantes em aprender Física, é a estrutura das escolas públicas brasileiras, que não favorece o desenvolvimento de um trabalho eficaz. Fato esse evidenciado na escassez de laboratórios de ciências, que impossibilita uma abordagem prática da teoria vista em sala. Como consequência, as aulas tornam-se mais matematizadas e seguem padrões pouco efetivos (SANTOS, 2005).
Concomitante ao abordado, a sociedade sofreu e sofre avanços nos seus costumes e hábitos decorrentes de descobertas científicas e tecnológicas, que foram crescendo e sendo disseminadas com rapidez em nosso meio. Ademais, os interesses de quem está em processo de aprendizagem serão condizentes com sua realidade; logo, o aluno se interessará por métodos de ensino que mais se adequarem às práticas tecnológicas.
De acordo com estudos realizados pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) no ano de 2017, podemos perceber que o quantitativo de pessoas que fazem uso do celular é considerável. No ano de 2016, através da Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios Contínua (PNAD), o levantamento feito por essa instituição mostrou que cerca de 92,6% das residências do país possuíam telefones celulares, incluindo zonas urbanas e rurais. Ao analisar a Tabela 1, abaixo, podemos perceber um aumento desse total no ano de 2017 para 93,2% das residências.
Tabela 1 – Demonstrativo do número de residências que possuem telefonia móvel ou fixa Grandes Regiões e existência de telefone fixo convencional e de telefone móvel celular
Domicílios particulares permanentes Valores absolutos (1000
domicílios) Valores relativos (%)
Total Situação do domicílio Total
Situação do domicílio
Urbana Rural Urbana Rural
Brasil 70 382 60 905 9 477 100,0 100,0 100,0
Existência de telefone fixo convencional
Havia 22 156 21 475 682 31,5 35,3 7,2
Não havia 48 226 39 430 8 795 68,5 64,7 92,8
Existência de telefone móvel celular
Havia 65 589 57 854 7 734 93,2 95,0 81,6
Não havia 4 793 3 051 1 743 6,8 5,0 18,4
Fonte: IBGE. 2017.
Percebe-se que o acesso a esses aparatos tecnológicos, independentemente de ser na zona rural ou na zona urbana, tem-se tornado cada vez mais fácil, e, junto dessa facilidade, tem-se o crescimento exponencial do uso de smartphones, tablets, softwares e microcomputadores com funcionalidades diversas e acesso à internet (que, segundo o IBGE, no intervalo de tempo de um ano, teve o acréscimo de 10 milhões de usuários). Tais dados revelam a facilidade de acesso a inúmeras informações em um curto intervalo de tempo, proporcionando o aumento do interesse dos jovens, em fase de desenvolvimento cognitivo, por fatos não correlatos ao seu processo de aprendizado do conhecimento científico.
No entanto, essas ferramentas importantes são utilizadas em atividades nas quais, geralmente, não há aproveitamento intelectual científico. Em decorrência disso, seu potencial, no tocante ao aprendizado e conhecimento, é negligenciado.
Sendo assim, uma provável medida para sanar essa problemática do ensino público, seria unir tecnologias acessíveis e palpáveis com a realidade dos alunos. Tal projeto pode ocorrer, de início, com a produção de materiais didáticos que levem os discentes para dentro da sala de aula, e assim dar uma aplicação educacional aos aparelhos celulares, através de
simuladores, aplicativos que sejam de possível acesso nos smartphones dos próprios alunos, para que não tenham acesso a esses materiais somente na escola, mas em qualquer lugar onde estejam. Além disso, também são necessárias algumas mudanças de paradigma nas escolas quanto ao uso de celulares, muito discriminado pelo regimento das instituições de ensino, o que se deve, em parte, à falta de capacitação dos professores (sem generalização), que sentem dificuldades em trabalhar com novas tecnologias aplicadas à sala de aula, devido à falta de conhecimento e prática nessa área.
Portanto, no decorrer deste trabalho, teremos como meta apresentar uma metodologia aplicada baseada nos três momentos pedagógicos, no intuito de auxiliar professores de física do ensino básico a inserir novas práticas e aplicações dessas tecnologias. Será apresentada uma breve cartilha voltada ao professor, a qual possui uma sequência de atividades experimentais que possibilitarão aos alunos desenvolver e aplicar conhecimentos relacionados ao movimento circular, bem como o passo a passo na confecção de um robô utilizando princípios simples, materiais acessíveis e uma mecânica fácil a partir do Arduino. Assim, estaremos atrelando a robótica educacional ao uso de smartphones como auxiliadora no processo de aprendizagem dos jovens estudantes.
CAPÍTULO 2 – REVISÃO TEÓRICA SOBRE FÍSICA 2.1 Movimento Circular
O movimento circular está enquadrado entre os movimentos bidimensionais. Nele, a trajetória do corpo, que realiza o movimento, descreve um círculo ou um semicírculo (um arco de circunferência).
Se durante a realização desse movimento sua velocidade em módulo for constante, ou seja, sem variar em função do tempo, em intervalos de tempos iguais ele irá percorrer arcos de comprimentos iguais, assim sendo caracterizado como Movimento Circular Uniforme.
Esse tipo de movimento está mais presente no nosso dia a dia do que se imagina, prestando atenção é possível identificá-lo, por exemplo, em relógios analógicos, no movimento de rotação da terra, entre outros.
No estudo do Movimento Circular Uniforme (MCU), podemos definir o que é período (T) e frequência (f). Período é definido como o tempo gasto para que o movimento circular seja realizado em sua totalidade, ao final dele terá início um novo ciclo de movimento. A frequência, por sua vez, é o número de vezes em que ocorre repetição desse movimento em um determinado intervalo de tempo.
A relação entre essas duas grandezas em questão é de natureza inversa, em termos de proporcionalidade. T =1 f ⇔
[
T]
=s Enquanto a frequência: f =1 T ⇔[
f]
=s⁻¹=RPM=HzQuando esse movimento é estudado no ensino médio, para chegar nas fórmulas utilizadas a fim de determinar velocidade e aceleração angular, são realizadas analogias com as equações da velocidade escalar média e da aceleração escalar média, nas quais se medem, respectivamente, a rapidez em que ocorre variação da posição de um corpo e a rapidez com que ele varia sua velocidade. Tais equações do movimento linear são representadas abaixo:
v =Δx Δt = xf− x0 tf− t0 (1) e a=Δv Δt= vf− v0 tf− t0 (2)
Para ser realizada uma análise quantitativa da velocidade e aceleração no movimento circular, denominadas de velocidade angular e a aceleração angular, que falam, nessa ordem, da rapidez com que o corpo está variando sua posição e sua velocidade em termos de ângulos, utilizamos expressões matemáticas análogas às do movimento retilíneo (1) e (2), conforme veremos a seguir: ω=Δθ Δt= θf− θ0 tf− t0 (3) e α=Δω Δt = ωf− ω0 tf− t0 (4)
A estrutura matemática utilizada é a mesma para quantificar essas grandezas, alterando apenas as variáveis a serem consideradas nesse novo caso.
Partindo para uma análise um pouco mais aprofundada das equações (3) e (4), com a aplicação do cálculo diferencial para determinar a velocidade e aceleração angulares instantâneas, deve-se considerar que a variação do tempo Δt seja tão pequena a ponto de tender a 0. Fazendo isso, tem-se;
ω(t)=Δθ(t) Δt = θ(t +Δt)−θ(t) Δt ω(t )=Δθ(t ) Δt =Δt →0lim θ (t+ Δt )− θ (t) Δt (5)
Resultando na função expressa a seguir:
ω(t)=dθ(t)
dt (6)
O mesmo processo de analogia é feito nas funções horárias. Para o movimento linear, temos que:
x (t )=x0+v⋅t (7) e v (t )=v0+a⋅ t (8)
Nesse movimento, (7) é a equação horária das posições em função do tempo e (8) é a equação horária das velocidades em função do tempo. Analogamente, teremos que:
θ (t)=θ0+ω⋅t (9) e ω(t )=ω0+α⋅t (10)
Em que (9) é a função horária das posições angulares em função do tempo e (10) é a função horária das velocidades angulares em função do tempo. Como foi observado na equação (6), se derivada a função (9) em relação ao tempo, será encontrada a ω(t ) . Logo,
para encontrar o valor da aceleração, é necessário aplicar, mais uma vez, a diferenciação em (10), tendo como resultado:
α(t)=dω(t)
dt (11)
2.2 Relação entre velocidade angular e velocidade linear
No movimento circular é possível fazer relação entre a velocidade de rotação de determinado ponto com a sua velocidade linear. Assim, para efeito de demonstração, será realizada a dedução dessa correspondência. Para tanto, será utilizada a análise vetorial e o cálculo diferencial, com o objetivo de demonstrar as equações utilizadas para quantificar as grandezas relevantes nesse tipo de relação.
Figura 1 – Movimento circular: tratamento vetorial
Fonte: Elaborado pelo autor
Ao analisar a figura acima, na qual a origem do sistema de coordenadas coincide com o centro de curvatura da trajetória realizada por tal ponto, percebe-se que o raio R é igual ao módulo do vetor posição,
A partir dessa informação, pode-se considerar que, ao fazer uma análise de R em relação aos eixos x e y, ele será dado por:
x =Rcosθ y=Rsenθ (13) Sabendo que o vetor posição é
⃗
r (t)=x ^i+ y ^j (14) Substituindo a relação (13) em (14), obtém-se:
⃗
r(t)=Rcosθ ^i+Rsenθ ^j (15)
Quando o cálculo diferencial é aplicado na cinemática, pode-se, a partir da diferenciação e da integração, definir a posição, a velocidade e a aceleração. Se diferenciada a equação (15) em relação ao tempo, será encontrada a velocidade do ponto que a obedece, já que ela se trata de uma posição.
⃗v =d ( ⃗r)
dt =
d
(
Rcosθ ^i+Rsenθ ^j)
dt (16)
Uma das propriedades da diferenciação diz que “a derivada da soma é a soma das derivadas”. Logo, (16) será reescrita da seguinte forma:
⃗ v =d ⃗r dt= d
(
Rcosθ ^i)
dt + d(
Rsenθ ^j)
dt ⃗ v =R[
d (cosθ ) dt ⋅ dθ dt]
^i+R[
d (senθ ) dt ⋅ dθ dt]
^jSabendo que a derivada do cosθ é − senθ e que a derivada do ângulo θ (t) em relação ao tempo é a velocidade angular ω(t ) , é possível concluir que a velocidade linear no movimento circular será expressa vetorialmente como:
⃗
v =− Rsenθω ^i+ Rcosθω ^j (17) Para descobrir o módulo dessa velocidade;
|⃗v|=
√
v ²x+v ²y|⃗v|=
√
(− R) ² sen ² θω ² ^i+R ² cos ² θω ² ^j Ao pôr R e ω em evidência;|⃗v|=
√
R ² ω ²(sen² θ+cos ²θ) (18)Dentro da raiz existe uma identidade trigonométrica muito conhecida, sen ²+cos ²=1 , logo, a expressão (15) terá essa nova característica:
|⃗v|=
√
R ² ω ² |⃗v|=[
R ²⋅ω²]
1 /2 Assim, temos:v =R⋅ ω (19)
O processo realizado anteriormente resultou na famosa relação entre a velocidade angular e velocidade tangencial v =R⋅ ω . A partir dessa relação, pode-se definir como se comporta a velocidade tangencial (v), de acordo com a angular (ω) e seu raio de trajetória (R), bem como saber qual a velocidade de rotação de um corpo em movimento circular dado em m/s. Sendo assim, possui importância de aplicação, como ao proporcionar o desenvolvimento de trabalhos experimentais que fazem esse tipo de relação entre as velocidades.
CAPÍTULO 3 – O ARDUINO
Artigos que tratam das diversas aplicações do Arduino são frequentes, bem como sua aplicabilidade como facilitador do desenvolvimento de aparatos tecnológicos. Como exemplo, podemos citar projetos de automação de residências, como acendimento automático de lâmpadas ou por comandos realizados através de aparelhos celulares, irrigação de jardins programada, abertura de portões e até mesmo seu uso mais refinado em projetos científicos mais elaborados, além de muitas outras finalidades. Todas essas possibilidades explicitadas anteriormente são fortalecidas com um ótimo custo-benefício, tendo em vista que uma placa dessas é consideravelmente barata, se comparada a microcontroladores de empresas que trabalham com essas automações. As inúmeras aplicações nos mostram o quão versátil é esse produto. Mas o que é realmente o Arduino? Segundo o site oficial da plataforma Arduino na internet:
O Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. Placas Arduino são capazes de ler entradas – luz em um sensor, um dedo em um botão ou uma mensagem no Twitter – e transformá-lo em uma saída – ativando um motor, ligando um LED, publicando algo online. Você pode dizer à sua placa o que fazer enviando um conjunto de instruções para o microcontrolador na placa. Para isso, você usa a linguagem de programação Arduino (baseada em Fiação) e o Software Arduino (IDE), baseado em Processamento. (arduino.cc, 2019) O seu nascimento se deu no ano de 2005, pelo italiano Massimo Banzi (e outros colaboradores), no Ivrea Interaction Design Institute (IIDI). Foi criada para ser uma ferramenta de prototipagem destinada a estudantes que não possuíam conhecimento aprofundado em programação e eletrônica, com objetivo de ser utilizada em seus projetos. Por essa simplicidade proposta em sua operação e sua vasta usabilidade, em pouco tempo chegou a atingir uma grande gama de usuários fora dos espaços do IIDI se adaptando a novas propostas de aplicações.
O software e o hardware das placas Arduino são inteiramente de código aberto, possibilitando reprodução e modificação de acordo com as finalidades de seus usuários. Isso influencia diretamente na sua procura, que aumenta cada vez mais, já que em todo mundo os usuários dessa placa estão compartilhando trabalhos realizados e inspirando cada vez mais a inovação de ideias e melhorias das já existentes. Ademais, a reprodução livre delas resulta no barateamento de seus terminais e seus componentes, como shields, sensores, motores e módulos.
Existe um grande número de placas e cada uma delas pode ser escolhida de acordo com o projeto que se deseja realizar. No quadro abaixo será apresentada uma variedade de placas Arduino.
Quadro 1 – Lista de variedade de placas Arduino
VARIEDADE DE PLACAS Arduino UNO
Arduino Leonardo Arduino mega ADK Arduino mega 2560 Arduino lilypad Arduino lilypad USB Arduino lilypad simples Arduino lilypad SimpleSnap Arduino Arduino mini Arduino Micro Arduino Nano Arduino Fio Arduino PRO Mini Arduino Due Arduino Yun Arduino Robot Arduino Esplora Arduino Ethernet Arduino Pro Arduino Ter Fonte: Arduino.cc
A placa mais utilizada por aqueles que estão dando seus primeiros passos no manuseio desses microcontroladores é o Arduino UNO rev 3, presente na Figura 2. O rev 3 é referente à terceira revisão à qual a placa foi submetida para obter melhorias.
Figura 2 – Arduino UNO rev3
Fonte: arduino.cc
As demais placas não serão abordadas aqui, pois o foco deste trabalho tem como base o uso desse modelo em questão e, portanto, a seguir será apresentada um pouco melhor sua estrutura da UNO Rev 3.
3.1 Especificações do Arduino UNO Rev 3
O objetivo desta seção é demonstrar um pouco o hardware da placa Arduino a ser utilizada neste trabalho, especificando as entradas e saídas dele e suas funções para melhor utilizá-lo. Observe a figura abaixo:
Figura 3 – Especificações gerais sobre a pinagem do Arduino UNO
Pode-se perceber que ela possui muitas portas digitais para efluxo e influxo de informações, algumas servem para prover a alimentação dos componentes externos de que necessitem, outras são usadas para que os sensores realizem as coletas de dados.
Esses pinos de entrada e saída totalizam quatorze, dentre eles, seis são usados como saídas PWM. Ademais, possuem seis entradas analógicas, uma conexão USB, uma entrada de alimentação, uma conexão ICSP e um botão de reset (sempre que necessário, pode-se reiniciar a programação que foi carregada na placa). Além do mais, contém o chip microcontrolador ATMega328P-PU. Vê-se que sua estrutura contém todos os elementos necessários para dar suporte ao microcontrolador.
3.1.1 Alimentação
A placa Arduino UNO rev.3 pode ser alimentada de três maneiras: pela conexão USB ligada a um computador ou num power bank, por uma fonte externa, por exemplo, uma pilha 9V através de um clip conector, e por uma fonte variável conectada a um de seus pinos.
A tensão mínima para funcionamento do Arduino é 5V. A partir do momento em que essa tensão ultrapassa o valor de 12V, o funcionamento da placa pode ser comprometido, ou devido aos possíveis danos que possam ocorrer ou devido a algum sobreaquecimento dos elementos que o compõem.
O circuito da entrada USB, e das demais, possui componentes que protegem a placa de algumas anormalidades na sua alimentação, evitando danos caso haja um aumento inesperado de corrente que acarrete perigo aos componentes, garantindo dessa forma segurança no funcionamento.
No Quadro a seguir, são exemplificadas as funcionalidades de alguns dos pinos que fazem parte dessa estrutura.
Quadro 2 – Pinagem de alimentação do Arduino UNO rev.3.
PINO FUNCIONALIDADE
IOREF
Fornece uma tensão de referência para que shields possam selecionar o tipo de interface apropriada, dessa forma, shields que funcionam com as placas Arduino e que são alimentadas com 3,3V, podem se adaptar para serem utilizados em 5V e vice-versa.
RESET
Pino conectado a pino de RESET do microcontrolador. Pode ser utilizado para um
reset externo da placa Arduino.
3,3 V
Fornece tensão de 3,3V. Para alimentação de shield e módulos externos. Corrente máxima de 50 mA.
5 V Fornece tensão de 5 V para alimentação de shields e circuitos externos.
GND Pinos de referência terra.
VIN
Pino para alimentar a placa através de shield ou bateria externa. Quando a placa é alimentada através do conector Jack, a tensão da fonte estará nesse pino.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Concluindo essa parte de noção básica do hardware da placa, será dado início ao entendimento sobre o software utilizado para que sejam desenvolvidos os comandos, sua linguagem de programação e ambiente de desenvolvimento dos softwares dos projetos realizados com o Arduino.
3.1.2 IDE do Arduino
O IDE do Arduino é uma plataforma na qual os comandos dados aos hardwares são desenvolvidos, podendo ser adquirido gratuitamente no site oficial do Arduino: www.arduino.cc. Lá, é possível encontrar um vasto conteúdo de aplicações e projetos com a placa Arduino.
Figura 4 – IDE do Arduino
É nesse espaço apresentado na Figura 4 que os programas – os comandos – são desenvolvidos para suprir as necessidades dos projetos a serem desenvolvidos.
Esse tipo de software desenvolvido para aplicação no Arduino, por ser voltado para a eletrônica, é um pouco diferente dos que são utilizados no desenvolvimento web ou sistemas operacionais. Quando o objetivo é eletrônica, o código desenvolvido necessita ser executado de forma contínua, ininterruptamente. Quanto ao outro tipo de programação, cada item desenvolvido terá uma função que lhe foi atribuída e que só será realizada quando solicitada.
Para realizar seu trabalho, o Arduino precisa das funções setup e loop. A função setup será a primeira leitura que ele realizará quando o software for executado, após isso todo o código desenvolvido dentro de seu espaço (processo que ocorrerá uma única vez) não será efetivado. Logo em seguida, o Arduino, automaticamente, irá iniciar a função loop, no qual todo código desenvolvido dentro dessa função será executado e reexecutado até o momento em que a placa for desligada, ou quando for reiniciada de forma forçada, através do botão reset presente nela.
Todo o processo de leitura e execução desse software para o funcionamento dos hardwares aplicados ao microcontrolador irá obedecer a essa sequência apresentada na Figura 5.
Figura 5 – Processo de leitura e execução dos códigos no Arduino
Fonte: Elaborado pelo autor
O interessante de sua utilização reside na maleabilidade de aplicações, e uma delas pode ser na educação básica voltada ao ensino de ciências naturais. Tal utilidade pode ser posta em prática através de sensores que façam leitura de temperatura, pressão, luminosidade, dentre outros, e logo após, serem feitas as análises dos dados coletados das respectivas grandezas.
Quando voltado para o movimento, no qual são analisadas as variações das posições, os intervalos de tempo, as suas trajetórias e o que os causou, é necessário que haja, além de sensores conectados à placa, algo que realmente se mova. Logo, podemos montar pequenos robores e utilizá-los para realizar o estudo desses movimentos e, como consequência, determinar velocidade, aceleração, entre outros.
INÍCIO
SETUP
CAPÍTULO 4 – ROBÓTICA EDUCACIONAL (RE)
A teoria construtivista de Piaget (1976) aborda o processo de formalização do pensamento, afirmando que a maturação biológica, é dada por faixa de idade, ocorre em paralelo ao amadurecimento temperamental, que, por sua vez, sofre interação do meio no qual a criança está inserida, originando, dessa forma, os estágios universais de desenvolvimento abordados na psicologia da educação. Partindo desse princípio, Seymour Papert (1986-1994), desenvolveu a sua própria teoria denominada Construcionismo, que aborda a criança como um indivíduo pensante, construtora de suas estruturas cognitivas sem a necessidade de sempre ser ensinada. Dessa forma, seu pensamento propõe criar condições para que o conhecimento possa ser adquirido pelo aluno, fazendo uma ponte entre a teoria adquirida na sala de aula com a educação tecnológica (NUNES; SANTOS, 2013).
A atitude construcionista implica na meta de ensinar, de forma a produzir o máximo de aprendizagem, com o mínimo de ensino. A meta do Construcionismo é alcançar meios de aprendizagem fortes que valorizem a construção mental do sujeito, apoiada em suas próprias construções no mundo (NUNES; SANTOS, 2013, p.2).
Assim, o aluno torna-se o construtor do conhecimento, através de atividades práticas, sem que os conceitos sejam trabalhados de maneira abstrata. Isso resultaria no início de um ensino tecnológico que procura fornecer um melhor processo de ensino e aprendizado, permitindo, assim, que aquilo que antes era trabalhado de forma mais impalpável – matematizada, fugindo um pouco da capacidade dos jovens estudantes de abstrair essas informações – acabe se tornando mais compreensível e acessível.
A robótica educacional teve início em um dos trabalhos mais importantes de Papert, mais conhecido como a tartaruga – tradução livre – que era controlada pela linguagem de programação denominada de LOGO, desenvolvida por ele. Por sua simplicidade de ser trabalhada, essa linguagem acabou tornando a programação mais acessível para ser assimilada/aprendida por leigos e, principalmente, por crianças, indivíduos de seu estudo. E, segundo Papert (1986, p. 25),
No ambiente Logo, a criança, mesmo em idade pré-escolar, está no controle – a criança programa o computador. E, ao ensinar o computador a “pensar”, a criança embarca em uma exploração sobre a maneira como ela própria pensa. O foco dos estudos de Piaget foi o “sujeito epistêmico”, ou seja, o estudo dos processos de pensamento presentes no indivíduo desde a infância até a idade adulta. Pensar sobre modos de pensar faz a criança tornar-se um epistemólogo, uma experiência que poucos adultos tiveram.
Mesmo tendo em mente que o instrumento em questão deve possuir cunho mais dinâmico, já que será usado na educação, assim como as demais tecnologias, é necessário que haja um planejamento bem fundamentado, no intuito de promover a possibilidade de os jovens alunos adquirirem a autonomia necessária para que ocorra a aprendizagem significativa.
Figura 6 – Criança interagindo com a “turtle” desenvolvida por Papert
Fonte: trelford.com, 2019
Após esse grande primeiro passo dado por Papert, hoje a robótica educacional está sendo mais difundida ao redor do mundo. Isso é possível graças ao auxílio de plataformas, como o Arduino, que, por ser open source (plataforma aberta, que pode ser utilizada e modificada livremente por seus usuários), facilitam a produção de projetos educacionais e o desenvolvimento de robôs que fazem uso de sensores diversos e auxiliam na obtenção de dados sujeitos a serem trabalhados com os alunos.
Muitos projetos utilizam essas ferramentas para auxiliar o aprendizado, e não seria diferente no Brasil. Diante das dificuldades e da insistência de ideologias que defendem a inviabilidade desse tipo de trabalho nas escolas, argumentando ser algo muito distante da realidade, é imprescindível citar o trabalho do projeto Um Robô por Aluno (URA), desenvolvido no Rio Grande do Norte.
4.1 projeto Um Robô por Aluno (URA)
O projeto URA ocorre na Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN e teve início em meados de 2013, com os pesquisadores do laboratório NatalNet, da UFRN. Hoje, o projeto tem continuidade com o Laboratório de Automação e Robótica (LAR) da Escola de Ciência e Tecnologia (ECT).
O URA tem como objetivo desenvolver ações integradas que contemplem o uso da robótica de baixo custo no ensino básico através de oficinas realizadas nas escolas públicas, a princípio, na cidade de Natal/RN, visando à propagação dos seus trabalhos posteriormente para os interiores. No decorrer do desenvolvimento desse trabalho, o aluno monta seu próprio robô que utilizará durante o progresso das oficinas, portanto, aprende desde a montagem, a programação e a utilização (URA, 2013). Estas são desenvolvidas por alunos do curso de Bacharelado em Ciências e Tecnologia.
Além desse trabalho com alunos do ensino básico de algumas escolas públicas da capital, o projeto promove a capacitação dos professores nessa área, que participam de cursos completos ofertados pelo projeto, para que mais à frente apliquem tais conhecimentos em suas salas de aula.
CAPÍTULO 5 – APLICAÇÃO DA ROBÓTICA NO MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME
Se durante o movimento de um corpo este realiza uma trajetória que tem forma de uma circunferência, ou de semicircunferência, diz-se que o movimento realizado por ele é um movimento circular. No dia a dia, diversos objetos/corpos que realizam esse tipo de movimento são encontrados, por exemplo, o ventilador, cujas hélices possuem aproximadamente esse tipo de movimento, o liquidificador, uma roda gigante no parque de diversões, um barco viking em seu movimento parcialmente circular e muitos outros.
Ao trabalhar esse tipo de movimento em sala de aula, é perceptível sua complexidade se comparado com os demais que são trabalhados anteriormente a ele (movimento retilíneo uniforme, velocidade escalar média, entre outros). Estes geralmente são abordados em uma única dimensão, as variáveis utilizadas possuem unidades de medida bastante conhecidas pelo discente no seu cotidiano, como as de comprimento (quilômetro, metro, centímetro), as de velocidade (quilômetros por hora, metro por segundo), fornecendo possibilidades de associações com várias situações vivenciadas por eles. Porém, o nível de dificuldade aumenta a partir do momento que se inicia a utilização das unidades de medida de ângulos (graus), com sua consequente necessidade de fazer a conversão para radiano (que, para tanto, exige do aluno conhecimentos de trigonometria do círculo, para que ele entenda o motivo dessa mudança e seus valores equivalentes). Logo, é evidente que os desafios encontrados nessa etapa do aprendizado são mais complexos, sendo necessário um maior arsenal de materiais didáticos que facilitem o ensino do professor e o aprendizado do discente.
É preciso ter um trabalho de preparação mais elaborado para poder abordar esse tipo de movimento em sala de aula, que por vezes é realizada de maneira muito matematizada, sendo repassada através de exemplos feitos com auxílio de uma lousa e pincel, sem que haja, por muitas vezes, o real entendimento dos conceitos ensinados pelo motivo de estar fora da capacidade de abstração dos discentes.
Para evitar essa problemática, é necessário que o professor seja capaz de adotar novas metodologias a fim de facilitar o entendimento do aluno sobre os conceitos trabalhados. Esse sistema deve propiciar experimentos que tenham a capacidade de interagir com os alunos, por meio dos quais possam enxergar de fato onde se encaixam todas aquelas variáveis abordadas pelo professor, construindo ao final uma ponte sólida e segura entre o conhecimento abordado e aquele que deseja adquiri-lo.
Para trazer essas informações do plano abstrato para o “palpável”, foram elaboradas aulas experimentais que fazem uso de pequenos robôs produzidos com materiais de simples acesso e facilmente reproduzíveis, como visualizado na Figura 7.
Esse robô foi desenvolvido com auxílio do projeto Um Robô por Aluno (URA), presente na Escola de Ciência e Tecnologia (ECT) da UFRN, através de seu coordenador Prof. Dr. Orivaldo Vieira. Trataremos desse projeto mais à frente.
Após a montagem do robô, foi desenvolvido um roteiro de aplicação da robótica educacional no estudo do movimento circular e de suas características. A execução do presente trabalho ocorreu na Escola Estadual Antônio Gomes, com a turma do 1º ano B vespertino, que possui 37 alunos frequentantes, turma essa escolhida mediante sorteio prévio.
Figura 7 – Robô desenvolvido para experimentação
Fonte: Elaborado pelo autor
O robô é composto por uma placa Arduino UNO revR3, por uma base principal, constituída de compensado de madeira cortado a laser, e por uma base que assegura que a placa não irá cair da estrutura, esta foi elaborada sob medida e impressa em 3D. Todo passo a passo do processo de montagem do robô, bem como os módulos e os sensores necessários para isso, estão presentes no roteiro elaborado para auxiliar o professor no processo de construção e aplicação, presente no Apêndice B. Esse material possui, além disso, uma introdução aos softwares desenvolvidos para tais experimentos e as formas de instalação do que for necessário nos computadores e celulares.
É através desses sensores, presentes no robô, que os alunos poderão trabalhar algumas das variáveis necessárias para a definição de uma velocidade angular, como o tempo. Essas informações serão enviadas para seus smartphones, pareados com o bluetooth presentes no robô. Dessa forma, pode-se chegar a valores que favorecem e ajudam simplificar o aprendizado.
5.1 Sobre a escola
A Escola Estadual Antônio Gomes está situada na rua Elza Bittencourt, 129, Bairro Bela Vista, João Câmara/RN. Essa escola possui aula nos três turnos, sendo matutino e vespertino nos níveis Fundamental (últimas turmas de nono ano) e Médio regulares e noturno Ensino médio diferenciado. Comporta aproximadamente 1.200 alunos ao longo do dia letivo.
O seu atendimento abrange alunos que residem na zona urbana da cidade e algumas comunidades presentes na zona rural do próprio e de municípios circunvizinhos, como Parazinho, Bento Fernandes, Poço Branco, algumas comunidades de Touros, entre outros. Observa-se, desse modo, que é bem extenso o alcance dessa escola em relação à comunidade onde está inserida.
Quanto à estrutura física, a escola em questão possui dez salas de aula, das quais seis possuem sistema de climatização, uma sala de planejamento dos professores, além de uma secretaria e uma diretoria, banheiros para os professores e alunos, cozinha, espaço para socialização entre alunos, quadra para prática de esportes, uma biblioteca e laboratório de computação com 10 computadores conectados à internet. É um espaço considerado amplo, porém, como as demais escolas estaduais, possui limitações no que se refere a laboratório de ciências (Química, Física e Biologia). Devido a esse desfalque, os professores realizam seus experimentos na própria sala de aula, improvisando bancadas nas mesas dos alunos. Tendo em vista o exposto, a aplicação do produto educacional não ocorreu de forma diferente das demais disciplinas, sucedendo, portanto, na própria sala de aula.
A região do Mato Grande, onde a Escola Antônio Gomes se localiza, tem seu sustento baseado no comércio local, possui a maior feira livre do estado e onde atua, também, além do comércio, um grande número de eólicas, empresas que trabalham com a produção de energia elétrica através da captação da energia cinética dos ventos frequentes na região. Fator importante para a possível contextualização dos conteúdos trabalhados em física com a realidade energética da região.
Todo esse contexto da região na qual a cidade está situada, a realidade dos alunos que fazem parte da escola e a realidade das comunidades atendidas por ela foram utilizados para realizar um estudo sobre metodologias que poderiam ser usadas para o ensino de física, especificamente do movimento circular, que ajudassem a desenvolver o conhecimento desses alunos com uma melhor qualidade e eficiência.
5.2 Metodologia de aplicação
A metodologia desenvolvida para a realização deste trabalho e aplicação do roteiro se baseia nos três momentos pedagógicos (3mps) – durante a aplicação do produto por terceiros, os professores terão a liberdade de aplicá-lo como bem entenderem, de acordo com as necessidades de sua realidade dentro de sala de aula.
5.2.1 Os três momentos pedagógicos
Os movimentos das práticas dos três momentos pedagógicos tiveram início em seu processo de desenvolvimento em 1975, no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), por Delizoicov e Angotti. Nesse período, surgiram as primeiras reflexões sobre o desenvolvimento de propostas para o ensino de ciências, baseadas nas concepções de ensino de Paulo Freire no ensino formal de ciências, que foram adaptadas e utilizadas.
Em meados de 1978, Demétrio Delizoicov e José André Angotti, sendo ambos estagiários do Instituto de Recherche, Formation, Education et Developpement (IRFED), foram a Guiné-Bissau para realizar observações e estudos no Centro de Educação Popular Integrada (CEPI). No ano seguinte, retornaram trazendo Nadir Castiho e Isaura Simões, que coordenariam o projeto de formação de professores de ciências naturais.
O CEPI tinha o modelo que supria a necessidade da comunidade rural, em um formato de escola de ensino fundamental que só trabalhava 5ª e 6ª séries (atuais 6º e 7º anos). Durante a formação de professores realizada por esse centro, não havia a divisão de disciplinas, como ocorre no atual modelo brasileiro. Ademais, o currículo era baseado nas vivências das populações. Os profissionais da educação formados aplicavam durante suas atividades nas escolas o roteiro pedagógico que era dividido em três grandes momentos: estudo da realidade, estudo científico e trabalho prático (DELIZOICOV, 1991).
No momento do estudo da realidade, ocorria o primeiro contato com o conteúdo a ser trabalhado, que se dava por meio de observações, debates, entre outros meios. No segundo momento, estudo científico, o objetivo era apreender aspectos necessários para entender o ambiente ao seu redor, e, como estavam inseridos numa realidade de zona rural, aprendiam as melhores maneiras de manusear ferramentas, bem como de aprimorar e realizar práticas matemáticas voltadas para as suas produções agrícolas e a utilizar língua portuguesa, devido ao grande número de dialetos locais. E, por fim, no terceiro momento, o trabalho prático, eram realizadas atividades associadas ao que foi trabalhado no segundo momento.
A partir desse roteiro pedagógico desenvolvido pelo CEPI, a equipe de trabalho tomou-o como base e após algumas modificações e adaptações, obtiveram a primeira versão dos três momentos pedagógicos, que, com anos de trabalho e muitas contribuições, realizadas por teóricos importantes da educação (como Cristina Dal Pian, Marta Pernambuco e até mesmo Paulo Freire, entre outros) chegaram ao fim do processo com as nomenclaturas e definições conhecidas na atualidade.
Os três momentos pedagógicos, que semelhantemente ao roteiro pedagógico do CEPI, é uma proposta didática composta por três eixos que são: a problematização inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento.
Cada um desses eixos possui objetivos bem específicos no processo de ensino e aprendizagem. A seguir, iremos discutir um pouco de cada um deles.
A problematização inicial: neste primeiro momento é exposta uma situação que os alunos presenciam e então são encorajados a expor seu pensamento quanto ao que foi vivenciado/demonstrado. A partir desse momento, o professor tem a possibilidade de analisar e perceber o que o aluno conhece, ou pensa conhecer, sobre o fato exposto a ele. Quando os alunos não têm a resposta à “pronta-entrega”, é utilizada a curiosidade que eles possuem, sendo essa uma curiosidade que não envolva o conhecimento científico em si. A partir dela, vai-se acrescentando a criticidade para moldá-la até que se torne mais fundamentada, tendo como consequência a aquisição de novos conhecimentos.
Como afirma Delizoicov (2002, p. 130), sobre a problematização, que é a
[...] escolha e formulação adequada de problemas [...] que devem ter o potencial de gerar no aluno a necessidade de apropriação do conhecimento que ele ainda não tem e que ainda não foi apresentado [...]”. Além de ser um processo em que o educador, concomitantemente, “[...] levanta os conhecimentos prévios dos alunos, promove a sua discussão em sala de aula, com a finalidade de localizar as possíveis contradições e limitações dos conhecimentos que vão sendo explicitados pelos estudantes.
O segundo momento seria a organização do conhecimento, no qual, com a orientação do professor, os conhecimentos que são necessários para a compreensão do fenômeno observado são estudados e fundamentados. É nesse momento que o professor será mais ativo, sua orientação não traz as repostas prontas nessa mediação, funcionando apenas como indicador de alternativas para organizarem o conhecimento adquirido.
E o terceiro e último momento, é a aplicação do conhecimento. É nesse momento que ocorrerá a aplicação do conhecimento que fora assimilado pelo aluno, conhecimento esse que será utilizado para interpretar as situações iniciais, as problematizações expostas pelo professor, bem como para analisar e explicar situações similares.
Essa forma de trabalhar o conhecimento através dos 3mps tem suas potencialidades. Percebe-se que através desse método o conhecimento não é simplesmente repassado do professor para o aluno, como presenciado na vivência de muitas escolas, mas sim criado através de um processo colaborativo. Nele, os conhecimentos levantados pelos alunos, através da problematização inicial, a partir do momento em que o professor auxilia na organização do conhecimento (ao apresentar os conceitos necessários para que o aluno reflita sobre o que foi repassado em sala), bem como os adquiridos através de seu cotidiano (senso comum), associados à aplicação do conhecimento posto em prática no terceiro momento, resulta numa experiência de ensino-aprendizagem realmente eficiente.
Esse método torna o aluno corresponsável pelo aprendizado, tirando assim os holofotes dos professores, que geralmente são vistos pelos alunos como detentores absolutos do conhecimento, assim, fazendo com que eles protagonizem todo o andamento do processo de aprendizagem.
5.2.2 O Produto e os Três Momentos Pedagógicos
O produto consiste em um conjunto de experimentos que são realizados com a ajuda da robótica educacional atrelados às teorias dos três momentos pedagógicos, que propõem uma maneira diferenciada de se construir o conhecimento, através de problematizações e da busca para a resolução delas.
Nesse produto é ensinado, a princípio, a montagem do robô (desde seus componentes aos seus comandos e funcionamento), que será utilizado para a aplicação dos experimentos. Logo depois, inicia-se a descrição de como deve ser aplicado por meio de um roteiro. Dessa forma, é sugerido que o professor realize três encontros:
No primeiro encontro – ocorrido em dois momentos – realizadas as atividades sugeridas, busca-se alcançar os objetivos do primeiro momento pedagógico, que aborda a problematização inicial. Para tanto, propõe-se a leitura de um texto e posterior discussão para que ocorra o levantamento de questões referentes ao movimento circular uniforme e o reconhecimento dos conhecimentos prévios dos alunos.
No segundo encontro – dividido em três momentos – inicia-se, com o auxílio exclusivo do professor, a realização dos experimentos utilizando o robô para a introdução dos conceitos relacionados ao movimento a ser estudado. Abrange-se, dessa forma, o que propõe o segundo momento pedagógico, ao possibilitar a organização do conhecimento. Sendo assim, o professor realiza suas orientações procurando sempre relacionar o que foi construído no primeiro encontro, junto aos alunos, com o que se pretende alcançar em termos de conhecimento, mostrando as novas medidas que podem ser tomadas para que seja solucionada a problemática lançada anteriormente.
No terceiro encontro – três momentos – propõe-se aos alunos que se dividam em grupos para que possam realizar as atividades 1 e 2 contidas no roteiro. Consequentemente, aplicam o conhecimento adquirido no segundo encontro através da coleta e análise de dados, assim fazendo jus ao terceiro momento pedagógico que é a aplicação do conhecimento para a resolução do problema inicial.
CAPÍTULO 6 – APLICAÇÃO E RESULTADOS
A aplicação deste trabalho ocorreu em três encontros, cada encontro foi equivalente a duas aulas de 50 minutos, que ocorreram nos horários de aula com a turma escolhida. Como já explanado anteriormente, a turma na qual houve a aplicação foi o 1º ano B do turno vespertino, com 37 alunos matriculados e que frequentam as aulas. Esses alunos estão na faixa etária de 15 a 17 anos. Para preservar a imagem dos alunos envolvidos nos experimentos, não foram efetuados registros fotográficos no momento da aplicação. Todas as fotos dos experimentos presentes neste trabalho foram reproduzidas fora do ambiente da sala de aula.
6.1 Primeiro encontro
Este primeiro encontro é constituído por dois momentos:
1° momento – No primeiro momento do encontro realizado (2 aulas de 50 minutos cada), inicia-se a problematização inicial. Com o intuito de realizar uma aula contextualizada com a realidade, foi escolhido um texto informativo sobre aerogeradores – presente no Apêndice A – onde são demonstradas as suas especificações, sua composição, a velocidade da rotação das hélices em rpm (revoluções por minuto), entre outras informações, como altura das torres e comprimento das hélices levando em consideração seus rotores.
Além de ser possível realizar a contextualização do conteúdo movimento circular com a realidade do lugar onde os alunos vivem, o texto ainda possibilita que sejam abordados os conceitos desse tipo de movimento. A partir de todas essas possibilidades e após a leitura do texto, a problematização foi encontrar a velocidade angular de rotação dessas hélices de acordo suas frequências de rotação, dadas no texto em RPM, descobrir como se comporta a relação entre frequência (f) e período (T), e analisar se o uso de uma metodologia diferenciada com a utilização da robótica traz resultados satisfatórios em termos de aumento de interesse e participação das aulas.
2° momento – após a leitura do texto, foi dado início ao diálogo sobre ele, com o objetivo de propiciar a assimilação de algumas informações, o levantamento de questões referentes ao que foi trabalhado e identificar os conhecimentos prévios dos alunos.
Logo em seguida, o professor realizou suas orientações, procurando sempre relacionar o que foi construído no primeiro momento junto aos alunos com o que se pretende alcançar
em termos de conhecimento e mostrando as novas medidas que podem ser tomadas para a resolução da problemática lançada anteriormente.
6.2 Segundo encontro
1° Momento – Aqui, os alunos tiveram o seu primeiro encontro com o robô. Foi necessário que interagissem com ele logo após a instalação do software Arduino Bluetooth controller – podemos vê-lo na Figura 9. O último é indicado para fazer o controle do robô a partir dos seus celulares, entender os comandos de movimento e como será realizada a marcação do tempo. No geral, foi testado e ensinado o funcionamento do robô e suas funcionalidades.
Figura 8 – Software utilizado para realizar comunicação entre o Arduino e o celular
Fonte: Elaborado pelo autor
2° momento – O robô foi utilizado para que, a partir do movimento retilíneo, chegassem às definições do movimento circular, através de analogias entre ambas, definindo simultaneamente alguns conceitos necessários, como a mudança de graus para radianos.
Primeiro, foram definidos dois pontos com a distância de 1,5m, nos quais colocou-se um pedaço de fita isolante que serviu para o acionamento do sensor de marcação do tempo e em seguida foi dado início ao experimento. Assim que o tempo foi marcado e exposto no celular do professor, foi iniciada a análise das variáveis necessárias para determinar a velocidade daquele movimento em linha reta, conforme representado na Figura 9.
Figura 9 – Experimento para definir velocidade escalar média
Fonte: Acervo do autor.
Após a conversa, concluiu-se que era necessário conhecer a variação das posições do robô e o tempo gasto com tal deslocamento, para só então determinar a velocidade escalar média.
Ainda no segundo momento, foi prendida uma pequena corda inextensível a uma extremidade da estrutura do robô, para que no instante de início do movimento ele fosse forçado a realizar um movimento circular. Feito isso, foi realizada a análise de quais seriam as variáveis nesse “novo” tipo de movimento a ser estudado. Para aprimorar essa visualização, foi utilizado um transferidor 360º. Assim, chegou-se à conclusão de que no movimento circular, ao invés de serem levadas em consideração as posições ocupadas pelo robô em metros, deve-se ater a sua posição em termos de ângulos.
Por consequência das observações, foi elaborada uma relação matemática para determinar o valor da velocidade angular em graus por segundos com a seguinte analogia:
ωm=ϕf−ϕ0
tf−t0
Esse processo de análise do movimento circular do robô foi tomado como ponto de partida para introduzir os conceitos trabalhados.
3º momento – Neste terceiro momento, foi dada uma pequena aula para fornecer o embasamento teórico dos conceitos, os quais foram deduzidos através das experimentações e discussões realizadas. Como também uma pequena lapidação das informações levantadas, tais como os conceito de período e frequência. Ademais, foram abordados alguns conceitos básicos da matemática que seriam utilizados nos próximos passos a serem dados no trabalho.
6.3 Terceiro encontro
1º momento – No terceiro encontro os alunos foram orientados a gruparem-se em número de cinco, visando melhor aproveitamento de debates entre o grupo e melhor interação de todos os componentes com a ferramenta utilizada (o robô). Também teve início a resolução das atividades propostas no roteiro de experimentos presente no produto desenvolvido (vide Apêndice B). Algumas dessas atividades o aluno poderá realizar livremente, propondo seus valores para as variáveis e tirando suas próprias conclusões ao fazer as análises dos resultados obtidos.
Dependendo da quantidade de robôs, esse momento pode tomar muito tempo da aplicação, então é necessário que haja um planejamento, no que se refere à quantidade de materiais e alunos envolvidos nas experimentações.
2° momento – Logo depois que a sequência de experimentos foi realizada, retornou-se à problematização inicial, para que, de acordo com os conhecimentos adquiridos no segundo e início do terceiro encontro, resolvessem e descobrissem quais eram os valores da velocidade angular da hélice dos aerogeradores e entender seus máximos e mínimos de rotação.
As resoluções das atividades no segundo e terceiro encontro tiveram equivalência ao segundo momento pedagógico, nos quais, com a orientação do professor, os conhecimentos necessários para a resolução do problema inicial foram adquiridos. E o segundo momento do terceiro encontro equivaleu ao terceiro momento pedagógico, no qual é realizada a aplicação do conhecimento para só então resolver o problema e poder aplicar esse conceito nas demais situações que necessitarem para serem solucionadas.
Os exercícios que foram feitos junto com os experimentos estão presentes no produto educacional no Apêndice B, neles estão contidas duas atividades. A primeira atividade está dividida em duas situações:
Primeira situação: prender o robô em sua extremidade, mandar o comando para a realização de movimento, utilizando o software instalado no aparelho celular, e em seguida identificar o tipo de movimento. Todos os grupos o identificaram como movimento circular, assim como esperado.
Segunda situação: solicitava para marcar, com auxílio de uma trena e um transferidor, dois pontos a 40 cm do centro de curvatura, sendo um deles a 15º e o outro a 45º, de acordo com o transferidor. Após esse procedimento inicia-se a experiência para a coleta de dados, para em seguida calcular a velocidade angular em rads/s, como no experimento representado na Figura 10.
Figura 10 – Experimento realizado na situação 2
Fonte: Acervo do autor.
Após a realização desse experimento, o intervalo de tempo (dado em segundos) gasto para essa variação de ângulo apresentou-se na interface do aplicativo, com isso foi possível encontrar o valor da velocidade. Porém, dos 5 grupos de alunos, somente 2 conseguiram realizar os cálculos.
Devido às limitações referentes à quantidade de robôs, foram postos fora da sequência de aplicação os exercícios 2 e 3 da Atividade 1 e o exercício 4 foi realizado em conjunto, pois possuía a mesma estrutura do exercício 1, variando apenas o raio. Dessa vez, a resolução foi efetuada no quadro, todos juntos.
Na Atividade 2 foram trabalhados os conceitos de Período e Frequência. Esta possui a mesma estrutura da segunda situação da Atividade 1. Nela, foram feitas as comparações entre o período marcado pelo robô, através de seu sensor, e o período marcado pelos alunos, com auxílio do cronômetro do celular.
Tabela 2 – Períodos contabilizados pelos alunos
GRUPO PERÍODO SENS. ROBÔ PERÍODO CRONOMETRO
1 11,91 12,01
2 11,92 12,23
3 11,91 12,15
4 11,90 12,17
5 11,93 12,05
Fonte: Elaborado pelo autor.
Vale ressaltar que essa atividade foi realizada sem o auxílio do professor, evidenciando que os alunos conseguiram assimilar o conceito de período que lhes foi apresentado. O mesmo ocorreu no experimento seguinte.
Utilizando o cronômetro do celular, eles deveriam encontrar a frequência de rotação do robô em um intervalo de tempo de um minuto e determinar essa frequência em RPM e Hz. O resultado alcançado em relação à frequência dada em RPM foi satisfatório, todos conseguiram determinar o valor de 5RPM, e apenas um grupo conseguiu definir a frequência em Hz sem ajuda do professor.
Figura 11 – Cálculo da frequência de 5RPM dada em Hz.
Fonte: elaborado pelo autor
Em seguida, após a definição da frequência tanto em RPM quanto em Hz pelos alunos, foi lançada a seguinte indagação: “O que ocorrerá com a frequência e o período de movimento realizado pelo robô, se aumentada a rapidez com que ele se move?”. Após três minutosdados para que eles discutissem entre si, 4 dos 5 grupos chegaram à conclusão que “o
período iria diminuir e a frequência aumentar”, assim determinando a relação inversamente proporcional entre as duas grandezas.
E o último exercício foi o da problematização inicial concebida através da leitura do texto (Apêndice A), no qual deveriam definir o valor da velocidade de rotação dos aerogeradores em rads/s e em m/s de acordo com toda a base teórica adquirida nos experimentos realizados.
Como era de se esperar, eles sentiram dificuldade de resolver essa problematização sozinhos, assim, foi necessária a presença do professor para auxiliá-los na resolução.
6.4 Dificuldades
As dificuldades encontradas foram surgindo durante o planejamento da aplicação do produto. Uma vez que foi vislumbrado um número maior de robôs e a quantidade em mãos era insuficiente (apenas 1) para a realização do projeto, os demais foram solicitados e montados com uma nova placa que já possuía o Bluetooth integrado, porém surgiram alguns contratempos na sua programação, não sendo possível a finalização a tempo da execução. Consequentemente, o número de alunos foi incompatível com a quantidade de robôs, impossibilitando a execução dos experimentos com o êxito esperado. O ideal seriam cinco robôs, para que o trabalho abrangesse todos os alunos e que eles pudessem realizar os experimentos sozinhos.
Outra dificuldade encontrada foi o domínio da matemática para a realização das atividades propostas no roteiro. Mesmo que tenha havido uma explicação prévia de como realizar as operações necessárias, a maior parte da turma sentiu esse bloqueio. Vale salientar que esse revés é cotidiano e não necessariamente relacionado ao conteúdo trabalhado com eles neste produto.
O tempo também comprometeu a realização do trabalho, pretendía-se colocá-lo em prática no contra turno de aula, porém parte dos estudantes trabalham nesse período para ajudar a família, ou moram no interior, inviabilizando, dessa forma, sua participação em turno diferente aos de suas aulas. Logo, o tempo de trabalho foram os próprios horários de aula já disponibilizados pela escola que estavam sujeitos a alterações pelas atividades na própria escola.
6.5 Aprendizagem dos alunos
A realidade das escolas públicas brasileiras no que concerne ao método de ensino, se baseia em técnicas que possuem seu valor didático, mas que não desperta muito interesse nos jovens estudantes, tornando o ato de aprender algo obrigatório e não prazeroso.
Tal assertiva foi vivenciada durante a aplicação do produto proposto neste trabalho, pois no decorrer de outras aulas teóricas os alunos se mostraram apáticos aos assuntos. No entanto, ao se falar em uma aula diferente na qual seria utilizada robótica, constatou-se uma certa empolgação. Esse entusiasmo esteve presente durante toda a aplicação, desde a leitura do texto (que já explanava o conteúdo dentro da realidade deles) até a resolução das atividades aplicada no terceiro momento, que, para tanto, fizeram uso do robô. Ademais, os discentes interagiram e se integraram ao processo que ocorria, o que fica evidente com o fato de que todos faziam preguntas, ficavam atentos ao que era realizado e procuraram resolver as atividades, evidenciando o grande nível de participação. Outro ponto que merece destaque foi terem conseguido associar os conceitos abordados ao experimento, no entanto, quando direcionados à resolução das questões que envolviam conceitos matemáticos, foi constatada a dificuldade em resolver tais problemas sozinhos.
Na Atividade 1, primeira situação, pedia-se para, após a montagem da estrutura necessária, determinar a trajetória descrita pelo robô em movimento. Nessa atividade todos os grupos conseguiram identificar que o movimento seria circular.
Como já exposto anteriormente no presente trabalho, devido às limitações referentes à a quantidade de robôs, foram postos fora da sequência de aplicação os exercícios 2 e 3 da Atividade 1 e o exercício 4 foi realizado em conjunto, pois possuía a mesma estrutura do exercício 1, variando apenas o raio. Dessa vez, a resolução foi efetuada pelo professor no quadro, todos juntos, assim determinando o valor solicitado e demonstrando matematicamente que a velocidade angular sofreria variação devido à diminuição do raio da trajetória.
Seguindo para a Atividade 2, nos experimentos realizados foram trabalhados os conceitos de Período e Frequência. No primeiro exercício solicitado, os grupos realizaram experimento para determinar o período do movimento de rotação do robô e, que também fosse realizada a comparação com o tempo marcado no cronômetro do celular com o tempo marcado pelo robô, como demonstra a Tabela 2. Todos os grupos conseguiram realizar essa atividade. Assim, deram indícios que tais conceitos foram entendidos.
