INTERAÇÃO ENTRE LUZ E MATÉRIA: UM EXPERIMENTO COM ACESSO A DISTÂNCIA ATRAVÉS DA INTERNET

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Márlon Caetano Ramos Pessanhaa[marlonp@uenf.br]

Sabrina Gomes Cozendeya[sgcfisica@yahoo.com.br]

Marcelo de Oliveira Souzaa[mm@uenf.br]

a _{Laboratório de Ciências Físicas - Universidade Estadual do Norte Fluminense}

RESUMO

O PRESENTE TRABALHO APRESENTA UM EXPERIMENTO DESENVOLVIDO PARA DEMONSTRAR ASPECTOS QUALITATIVOS NA INTERAÇÃO ENTRE RADIAÇÃO LUMINOSA E CORPOS CLAROS E ESCUROS.

O EXPERIMENTO PODE SER ACESSADO A DISTÂNCIA, ATRAVÉS DA INTERNET, SENDO POSSÍVEL O CONTROLE E O ACOMPANHAMENTO DO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ATRAVÉS DE IMAGENS EM TEMPO REAL E DE DADOS COLETADOS COM A UTILIZAÇÃO DE SENSORES.

NO DESENVOLVIMENTO DO EXPERIMENTO, DUAS PLACAS METÁLICAS IDÊNTICAS FORAM PINTADAS DE CORES DIFERENTES, UMA DE COR ESCURA E OUTRA DE COR CLARA. A LUZ DE UMA LÂMPADA É INCIDIDA SOBRE ESTAS PLACAS, E COM A UTILIZAÇÃO DE SENSORES, É POSSÍVEL VERIFICAR A RELAÇÃO ENTRE RADIAÇÃO LUMIN OSA ABSORVIDA E REFLETIDA.

FORAM UTILIZADOS SENSORES PARA MEDIR A TEMPERATURA DAS PLACAS E A LUMINOSID ADE REFLETIDA. A TEMPERATURA DAS PLACAS É PROPORCIONAL A QUANTIDADE ABSORVIDA DA LUZ QUE É INCIDIDA SOBRE AS PLACAS.

ESTE EXPERIMENTO É CONECTADO, ATRAVÉS DE UMA PLACA DE AQUISIÇÃO E CONTROLE DE DADOS, A UM COMPUTADOR.

FORAM DESENVOLVIDOS TRÊS SOFTWARES PARA PERMITIR O CONTROLE, ENVIO E RECEPÇÃO DE DADOS DO EXPERIMENTO ATRAVÉS DA INTERNET. FOI UTILIZADO AINDA UM SOFTWARE ENCODER, QUE PERMITE A TRANSMISSÃO DE IMAGENS DO EXPERIMENTO ATRAVÉS DA INTERNET.

UM PRIMEIRO SOFTWARE DESENVOLVIDO, DENOMINADO “CLIENTE”, É DIRECIONADO AOS ESTUDANTES QUE IRÃO ACOMPANHAR E CONTROLAR O PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL. O ESTUDANTE PODE UTILIZAR ESTE SOFTWARE EM QUALQUER COMPUTADOR CONECTADO À INTERNET E QUE UTILIZE SISTEMAS OPERACIONAIS WINDOWS OU LINUX. OS DEMAIS SOFTWARES CRIADOS TÊM CARACTERÍSTICAS DE SERVIDORES. UM É O RESPONSÁVEL PELO GERENCIAMENTO DAS CONEXÕES, ENQUANTO O OUTRO É O RESPONSÁVEL PELA COMUNICAÇÃO DIRETA COM O EXPERIMENTO. ESTES SOFTWARES FUNCIONAM NO COMPUTADOR AO QUAL O EXP ERIMENTO É CONECTADO.

NOS TESTES REALIZADOS, TANTO O EXPERIMENTO COMO O SISTEMA DE SOFTWARES E HARDWARES ELABORADOS, APRESENTARAM UM FUNCIONAMENTO SATISFATÓRIO.

PALAVRAS-CHAVE

Experimentos Automatizados, Informática na Educação, Educação a Distância.

INTRODUÇÃO

A prática experimental é reconhecidamente uma eficiente ferramenta para o ensino de ciências. A experimentação é uma oportunidade de visualização da ação dos conceitos abordados em aula, e de conhecimento de algumas das ferramentas utilizadas na prática científica.

Baseado na Teoria de Piaget (Piletti, 1999), a abordagem experimental se mostra como ótima ferramenta auxiliar no processo de construção do conhecimento. A apresentação de novos conceitos aos estudantes gera o que em sua teoria denomina -se desequilíbrio, e após isto, com a realização de práticas experimentais, é oferecido ao estudante uma oportunidade de confronto entre o que foi construído mentalmente e o que é real, ocorrendo então um reajuste mental ou construção de um novo esquema mental. Este reajuste mental ou construção de um novo esquema mental é o que ocasiona a aprendizagem.

Experimentos que possuam relações com situações cotidianas, ou propriedades de elementos já conhecido pelos estudantes, são ótimas ferramentas de contextualização. Em outras palavras, a experimentação pode ser utilizada como ponte entre os conceitos ensinados e o que é real e presente no cotidiano dos estudantes.

Com a autorização da modalidade de Ensino a Distância através da Lei de Diretrizes e Bases da Educação (Brasil, 1996) e de sua regulamentação (Brasil, 2005), instituições de ensino no país criaram cursos em diversas áreas, inclusive cursos em que se têm como uma importância considerável, o uso da experimentação.

O Ensino a Distânc ia é definido como uma modalidade educacional em que estudantes e professores estão separados em tempo ou espaço, e a mediação dos processos de ensino e aprendizagem ocorre através do uso de meios e tecnologias da informação e comunicação.

No Ensino a Distância há ainda uma carência de tecnologias eficientes que permitam a realização de procedimentos experimentais. Em muitos dos cursos a distância existentes, esta experimentação acaba ocorrendo em aulas presenciais.

Este trabalho apresenta o desenvolviment o e os testes de utilização de um experimento de Física com acesso a distância através da Internet. O experimento envolve a interação da luz com corpos claros e escuros. Foram desenvolvidos, além do experimento, as ferramentas necessárias para que o controle e acompanhamento do procedimento experimental pudesse ser efetuado através da Internet.

Tais ferramentas foram desenvolvidas para que pudessem ser utilizadas, não somente para o acesso ao experimento aqui apresentado, mas também que fosse adaptável ao acesso a outros experimentos.

MATERIAIS E MÉTODOS

A construção e automação do experimento, assim como os softwares desenvolvidos para permitir o acesso ao experimento, são descritos a seguir:

Experimento

O experimento aborda os processos de reflexão e absorção da luz visível em corpos claros e escuros. Materiais escuros absorvem uma quantidade maior desta radiação, re-emitindo na forma de radiação infravermelha (energia térmica). Já materiais claros, se comparados aos materiais escuros, possuem uma absorção menor e uma reflexão maior da luz.

O experimento construído permite que sejam realizadas medidas de temperatura e luminosidade de duas placas. Apesar de serem efetuadas medidas de grandezas físicas, e estas possuírem valores calibrados, o experimento foi planejado com um caráter qualitativo, buscando demonstrar as diferenças entre as relações de absorção e reflexão da luz, para materiais claros e escuros.

Na elaboração do experimento, duas placas metálicas idênticas foram pintadas de cores diferentes, um por uma tinta de cor preta, enquanto a outra com uma tinta de cor branca. As placas foram colocadas em uma caixa e uma lâmpada fluorescente de 9 Watts, de baixa radiação térmica, emite luz branca sobre estas placas.

Atrás das placas foram colocados sensores de temperatura (termistores), possibilitando verificar a absorção da energia luminosa. À frente de cada placa foram colocadas ainda sensores de luminosidade (LDRs), com o objetivo de verificar a intensidade de radiação luminosa refletida por cada placa. A Figura 1 apresenta o esquema de montagem e a Figura 2 uma foto do experimento:

Figura 1 - Esquema de Montagem do Experimento

Estes sensores são resistores com suas resistências variáveis em função das grandezas físicas que verificam (luminosidade e temperatura). Para que seja efetuada a leitura dos sensores, cada um destes deve ser alimentado por um circuito. Este circuito é simples, e possui como componentes um capacitor, um resistor e uma fonte de alimentação. O sensor é conectado a este circuito e através de dois pontos (“-“ e “+”) é possível coletar os dados sensoriados.

Figura 3 – Circuito de alimentação dos Sensores Estrutura Geral de funcionamento do acesso a distância

O acesso ao experimento consiste em um conjunto de elementos de Software e Hardware. Um esquema geral de funcionamento e a interação entre estes elementos é representado na Figura 4:

Figura 4 - Esquema Geral de Funcionamento do Acesso a Distância

Os sensores do experimento são conectados a um circuito de interface (placa de aquisição e controle de dados), que permite a comunicação entre experimento e computador.

O circuito de interface é conectado ao computador. Uma câmera também conectada ao computador, coleta imagens do experimento. Neste computador operam três softwares servidores, um responsável pelo gerenciamento das imagens coletadas pela câmera (Servidor Encoder), outro pelo gerenciamento de controle e coleta de dados (Servidor de Controle) e um último pelo gerenciamento das conexões de softwares clientes (Servidor de Comunicação).

Através do “Software Cliente” os estudantes podem controlar e acompanhar o procedimento experimental. O software cliente se conecta aos servidores de comunicação e encoder, recebendo e enviando dados. É possível a conexão simultânea de vários softwares do tipo cliente, o que torna possível que vários estudantes possam acompanhar simultaneamente o procedimento experimental. Circuito de Interface e circuito auxiliar de controle

Para permitir que os dados coletados no experimento possam ser interpretados pelo computador e que os dados enviados pelo computador possam ser direcionados ao controle do experimento, é utilizado um circuito de interface. O circuito de interface utilizado foi uma placa comercial com comunicação através da porta USB, a Placa R-Control30 (RogerCom.com, 2007). Uma foto desta placa é apresentada através da Figura 5:

Figura 5 – Foto da Placa R-Control30

Esta placa possui diversas funções de controle e coleta de dados, entre estas, a conversão A/D simultânea de 4 canais com resolução de medidas em 8 bits, e um conversor D/A de 1 canal, e resolução também de 8 bits.

Os quatro sensores do experimento são conectados ao conversor A/D da placa. Desta forma, os valores de diferença de potencia l fornecidos por cada sensor, que são valores analógicos, são convertidos para valores digitais, podendo ser transmitidos ao computador.

O controle do experimento, que consiste em ligar ou desligar a fonte de luz, também é feito através da Placa R-Control3 0. O conversor D/A da placa possui uma saída que fornece uma diferença de potencial entre 0 e 5 volts. Esta saída é conectada a um circuito auxiliar de controle que, de acordo com esta diferença de potencial, liga um entre 10 relés presentes no circuito. A fonte de luz do experimento é ligada ou desligada através de um destes relés.

Este circuito auxiliar de controle foi desenvolvido no projeto, e possui como principal componente eletrônico um circuito integrado, o Driver LM3914 (National Semiconductor, 2003). Este componente possui dez saídas, que são acionadas de acordo com uma diferença de potencial que é aplicada em dois pinos do componente. Um esquema de montagem e uma foto do circuito, são apresentados, respectivamente, nas Figuras 6 e 7:

Figura 7 - Foto do circuito auxiliar de controle Desenvolvimento dos Softwares e Configuração do Software Encoder

Exceto o software encoder, todos os demais softwares foram desenvolvidos na pesquisa. Para a criação dos softwares foi considerada a utilização dos ambientes de desenvolvimento (IDE) Delphi e C++Builder, os quais permitem a elaboração, programação e compilação de softwares.

O IDE Delphi foi utilizado no desenvolvimento dos softwares cliente e servidor de comunicação, enquanto o IDE C++Builder foi utilizado no desenvolvimento do software servidor de controle.

A comunicação entre os softwares é feita por protocolo TCP/IP, logo, foram incluídas na programação destes softwares, funções que dessem suporte a este protocolo de comunicação.

Outra função comum em todos os softwares desenvolvidos é a possibilidade que seja salva em um arquivo qualquer configuração ou informação fornecida aos softwares, como dados de conexão, de controle e coleta de dados, entre outros; sendo possível que estes arquivos sejam carregados quando necessários.

Software Cliente

No desenvolvimento do Software Cliente, foi adicionada uma região pela qual o usuário acessa as medidas experimentais e dados de controle, recebe informações enviadas pelo servidor e se comunica (chat) com outros estudantes ou professores, que estejam conectados ao sistema, também através de softwares do tipo cliente.

Além disto, foram incluídas funções que permitem o acesso às imagens enviadas pelo software encoder. Desta forma, o estudante pode acompanhar o procedimento experimental através, não somente dos dados quantitativos coletados, mas também através de imagens em tempo real.

Foi implementada ainda a função de controle. O usuário pode enviar comandos ao servidor de controle através de texto (linhas de comando) ou através de botões de controle. É possível que seja efetuada a configuração de até vinte botões, atribuindo a cada um destes um comando, e desta forma, quando acessados (“clicados”), é enviado ao servidor de controle o comando cadastrado.

Figura 8 – Tela capturada do Software Cliente Software Servidor de Controle

No desenvolvimento do servidor de controle, for am adicionadas diversas funções. As principais são a de verificação de comandos enviados por usuários conectados ao sistema; a comunicação direta, através da porta USB, com a placa R-Control30, efetuando assim o controle e coleta de dados do experimento; e envio automático dos dados coletados.

Através deste software que são definidos quais os comandos que podem ser utilizados e qual a ação correspondente a cada um deles. É definido também neste software quem, entre os usuários conectados, pode efetuar o controle dos dispositivos. Isto facilita o gerenciamento do procedimento experimental, evitando que diversos estudantes queiram em um mesmo tempo efetuar o controle.

Devido a possibilidade de configuração de tipo de dados coletados e tipos de controle possíveis, este software é adaptável a várias aplicações, sendo possível que seja utilizado para o acesso a outros experimentos, controle de dispositivos eletrônicos e elétricos, entre outros.

A Figura 9, que se segue, apresenta uma imagem da tela capturada deste software:

Software Servidor de Comunicação

É ao servidor de comunicação que os demais softwares desenvolvidos se conectam. O servidor de comunicação gerencia e concentra as conexões.

No desenvolvimento deste software foram implementadas funções características de servidores de comunicação TCP/IP, como identificação e desconexão de usuários, envio de mensagens privativas, entre outros.

É possível ainda a configuração de mensagens de entrada, que são enviados aos softwares cliente no momento da conexão, e configuração de informações, como os comandos disponíveis para o procedimento em funcionamento, ou informações de ajuda do sistema.

A imagem de uma tela capturada deste software é apresentada na Figura 10.

Figura 10 – Tela capturada do Software Servidor de Comunicação Configuração do Software Encoder

O Software Encoder utilizado foi o Microsoft Windows Media Encoder 9.0 (Microsoft, 2007), de licença gratuita para versões originais do Windows XP e Vista.

Para permitir que estudantes acessassem as imagens em tempo real do experimento, foi necessário que se efetuasse a configuração deste software. Nesta configuração, inicialmente foi criada uma sessão de transmissão de eventos ao vivo, e definido a origem das imagens. As imagens são captadas por uma câmera (webcam) CLONE 11086, de resolução máxima de imagem de 350K Pixel. O software encoder identifica esta câmera e é possível definir esta como fornecedora das imagens.

A comunicação na inte rnet é feita por meio de portas virtuais de comunicação. Cada software que atua na internet utiliza uma ou mais destas portas virtuais para o acesso. No software encoder, foi configurada a porta virtual 1145 para a transmissão das imagens.

Por fim, foi configurada a taxa de transferência (bits) em 300Kbps, a taxa de atualização de imagens em 29,97 quadros/s, e o tamanho das imagens em 320x240 Pixels.

O software permite que esta configuração seja salva, e desta forma, não foi necessário que se efetuasse esta configuração sempre que o sistema fosse entrar em funcionamento, bastando que fosse feito o carregamento da configuração salva.

Execução de testes de funcionamento

Foram realizados testes com o intuito de efetuar uma avaliação do funcionamento do experimento e do sistema de instrumentação virtual desenvolvido.

Estes testes consistiram em quatro sessões em que o procedimento experimental esteve em operação durante cinco horas ininterruptas.

Nas duas primeiras sessões de testes, buscou-se observar possíveis falhas de funcionamento do sistema, com ênfase no controle e coleta de dados do experimento. Com as duas últimas sessões buscou-se verificar o tempo de atraso na transmissão dos dados e vídeo.

Os testes foram realizados com até dez softwares do tipo cliente conectados ao sistema. O software cliente esteve em operação em computadores com os sistemas operacionais Windows e Linux Ubuntu. Para a utilização do software cliente no ambiente Linux foi utilizado o emulador de softwares Wine.

A cada 30 minutos, um usuário efetuava o controle do experimento, ligando ou desligando a fonte luminosa do experimento. O envio de dados coletados no experimento foi configurado para ocorrer a cada 20 segundos.

RESULTADOS

Os softwares demonstraram um bom funcionamento nestas avaliações. Foi possível determinar o início e término dos procedimentos experimentais e ter acesso aos dados coletados, além do acompanhamento da experiência realizada, através da visualização de imagens do experimento.

Durante estes testes o experimento operou em uma das salas da universidade. O experimento foi conectado a um computador que possuía em funcionamento os softwares servidor de controle e servidor de comunicação.

O software servidor de controle funcionou conforme o esperado, recebendo coma ndos de controle dos usuários e executando-os nos experimentos, e coletando e enviando dados dos experimentos. O mesmo pode -se dizer sobre o funcionamento do software servidor de comunicação, que conforme se esperava, permitiu a comunicação entre os demais softwares desenvolvidos.

Assim como nos demais softwares, foi verificado um funcionamento perfeito para o software cliente. Os usuários puderam acessar os dados coletados e efetuar o controle dos experimentos, através da Internet, de computadores de fora da universidade. O software possibilitou ainda a interação entre os usuários conectados ao sistema. Todas as informações trocadas entre os usuários, ou mesmo informações sobre o uso do sistema, foram transmitidas aos usuários através do próprio software cliente.

O tempo entre o envio e recebimento dos dados foi em um nível muito satisfatório, não superando 0,5 segundos.

Já para a transmissão de imagens, que é uma transmissão com um pacote de dados maior, esperava-se também um tempo maior. O tempo verificado entre o envio e recebimento das imagens foi sempre menor que 8 segundos, com uma média de 5 segundos. A transmissão de vídeos pela internet ainda vem sofrendo avanços, e levando-se isto em conta, este valor é satisfatório e dentro de uma margem que e ra esperada.

Cabe ainda ressaltar, que estes tempos, principalmente o tempo na transmissão de imagens, podem variar em função da velocidade de internet que esteja sendo utilizada pelo estudante que acessa remotamente o experimento.

CONCLUSÃO

Os resultados obtidos permitem concluir que o experimento proposto é adequado para a análise qualitativa e, apesar de não ser um dos objetivos, a análise quantitativa, do fenômeno de interação entre radiação luminosa e corpos claros e escuros.

É possível concluir ainda, a partir dos resultados e da utilização do sistema, que este é, não somente adequado para a finalidade que levou ao seu desenvolvimento, mas também é versátil, podendo ser adaptado para o acesso a outros experimentos a distância.

A experimentação é, sem dúvidas, uma das práticas mais eficientes para promover um confronto entre o que o estudante constrói mentalmente, e aquilo que ele visualiza no mundo real. Tal confronto é de vital importância no processo de aprendizagem de novos conceitos.

No ensino da Física, pela própria natureza desta ciência, os variados conceitos envolvidos possuem uma considerável aproximação com o mundo real. Tendo em vista a importância da prática experimental no processo ensino-aprendizagem, esta deve ser privilegiada em cursos EaD. Experimentos que possam ser acessados pela internet, se apresentam como interessantes opções para a realização das práticas experimentais nos cursos EaD.

REFERÊNCIAS

Brasil (1996), Lei nº 9.394, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as diretrizes e bases da educação nacional.

Brasil (2005), Decreto nº 5.622, de 19 de dezembro de 2005, Presidência da República, Casa Civil, Subchefia de Assuntos Jurídicos.

Microsoft, (2007), Windows Media Encoder 9 Series, 2007. Disponível em: http://www.microsoft.com/windows/windowsmedia/pt/9series/encoder/default.aspx. Acesso em 9 de set. 2007.

National Semiconductor (2003), Data Sheet LM3914: Dot/Bar Display Driver. Disponível em: http://www.national.com/green/pdf/LM3914VNOPB.pdf. Acesso em 15 de jul. 2008.

Pilleti, N. (1999) Psicologia educacional. São Paulo: Ática.

Rogercom.com (2007), Manual da Placa R-CONTROL 30, 2007. Disponível em: http://www.rogercom.com/Produtos/PlacaRcontrol30/Manual-RCONTROL30.pdf. Acesso em 9 de set. 2007.