Aplicações da Robótica no Ensino Secundário: O Sistema LEGO MINDSTORMS e a Física

Aplicações da Robótica no

Ensino Secundário: O Sistema

LEGO MINDSTORMS e a Física

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Departamento de Física

José Cardoso Teixeira Coimbra, 2006

Sumário

A robótica e a Área de Projecto  A robótica

 A reforma curricular e a Área de Projecto  Utilização da robótica na Área de Projecto
Lego Mindstorms

 Constituição e funcionamento  Programação

Propostas de projectos a desenvolver na Área de

Projecto

 Veículo solar

 Estudo de motores DC  Outros projectos

Objectivos

Clarificação do conceito de robótica e conceitos

associados

Estudo das linhas orientadoras do trabalho a

desenvolver na Área de Projecto – 12º ano

Implementação da robótica no ensino  Robótica na Área de Projecto

Estudo do sistema Lego Mindstorms

Desenvolvimento de propostas de trabalho a para a

Área de Projecto

Preparação de trabalhos de robótica para acções de

A robótica

Noção essencial de robô:

Sensores

Unidade de Processamento

Percepção da robótica

Desinformação acerca do que é a robótica  Visão redutora

 Incorrecta

 Futebol robótico, Aibo, ficção científica, ...

Pode constituir um entrave à sua integração em

contexto educativo

Clarificação de conceitos

A Área de Projecto

Reforma do Ensino Secundário – 2003

Nova área curricular (12º ano)

Funcionamento a partir do ano lectivo

2006/2007

”espaço de confluência e integração de

saberes e competências adquiridas ao

longo do curso”

Objectivos da Área de Projecto

Cultura de liberdade, participação, reflexão, qualidade e

avaliação

Cidadania participada e aprendizagem ao longo da vida
Orientação escolar e profissional

Competências associadas a:

 concepção e desenvolvimento de investigações concretas e de qualidade

 articulação transdisciplinar de conhecimentos teóricos/práticos  recolha, selecção e análise de informação

 trabalho de grupo, resolução de problemas, tomada de decisão  comunicação escrita e oral

Robótica no ensino

Reforço de competências/sedimentação de conhecimentos
Promoção da interdisciplinaridade

Motivação para o estudo nas disciplinas ligadas à robótica

(Nagchaudhuri et al., Rogers e Portsmore)

 Motivação para a escola, de uma forma geral

Motivação para a opção por áreas ligadas à Ciência e à

Tecnologia (Nagchaudhuri et al.)

 Estímulo do interesse das alunas (Rogers e Portsmore)

Capacidade de resolução de problemas, persistência e

criatividade (Petre e Price)

Capacidade de abstracção: programação (Lau et al.)

Consciência da utilização de modelos e suas limitações
Desenvolvimento de capacidades de investigação

Lego Mindstorms: razões da escolha

Mérito e qualidades reconhecidas (LDAPS, NSF,

NASA, ...)

Não exigência de conhecimentos relevantes ao

nível da electrónica

Facilidade de construção, grau de familiaridade e

entusiasmo proporcionado

Capacidade de recolha e tratamento de dados
Software produzido especificamente para a

educação

Apoio prestado (Lego, CEEO)

Facilidade de aquisição e garantia de continuidade
Preço

LDAPS – LEGO Design and Programming System CEEO – Center fo Engineering Education Outreach

Lego Mindstorms na Área de Projecto:

possíveis constrangimentos

Perspectiva dos professores face à Área de Projecto
Visão desajustada do que é a robótica

Preconceito relativamente ao uso de “Legos”
Formação dos professores

 Critérios de escolha dos professores
Limitações financeiras

O Sistema Lego Mindstorms

1998: parceria Lego – MIT Media Laboratory

(Seymour Papert, Mitchel Resnick – Epistemology and Learning Group)

Vocacionado para o mercado educacional
Grande interesse por parte de adultos

Política de abertura da marca (SDK)
Utilizações diversificadas

Constituição

RCX

Sensores

RCX

Portas de entrada (sensores)

 ADC 10 bit

Sensores

Actuadores

Altifalante
Lâmpada
Motores DC

Modulação pulsada (125 Hz)

Programação

Robotics Invention System (RIS)
NQC (“Not Quite C”)

Robolab

 Programação através de ícones  “Low entry, no ceiling”

 Recolha de dados  Análise de dados

 Limitações (utilização do firmware convencional)  Ultimate Robolab

Propostas de projectos a

desenvolver na Área de Projecto

Abordagem de problemas efectivos

Forte presença de conteúdos de Física

Desenvolvimento de competências transversais
Flexibilização do grau de dificuldade

Professor como orientador de todo o processo
Carácter de investigação

Preparação de propostas abertas

Construção de um veículo solar

Energia solar (autonomia energética)
Fluxo energético/potência
Células fotovoltaicas  Funcionamento  Optimização (10º ano)  Limitações
Electricidade
Mecânica
Programação

 Abordagens progressivamente mais complexas

Estudo de motores DC

Electromagnetismo (11º ano)

 Funcionamento de um motor eléctrico DC
Forças e movimento; binário do motor
Potência

Rendimento

Trabalho e energia (E_m, E_c, E_pg, W_f, ...)

Recolha sistemática, tratamento e análise de

dados experimentais

Folha de cálculo (análise de dados)
Programação muito simples

Elevador vertical/oblíquo

Outros projectos

Maior peso de outras áreas  Biologia, Química, ...

 Sistemas de monitorização e controlo
Projectos articulados

Mergulhador cartesiano

Controlo de temperatura/estudo energético
Sistema de acompanhamento do Sol

“Aprender

Física

com

Mindstorms”

Sessões para alunos do 11º ano

Sensibilização para a Ciência e a Tecnologia
Actividades mãos na massa

Detecção e localização de uma fonte de IV
Três horas e meia

 Pré-montagem de blocos  Programação abreviada

Execução por “patamares”

 Todos os alunos deverão ser capazes de algum grau de sucesso

Sessões piloto

 Escola Sec. Henrique Medina

 Instituto Pedro Hispano

Resultados das sessões piloto

Motivação
Empenho

Superação das expectativas prévias (capacidades)  Professores: “E eles vão conseguir fazer isso?”

 Alunos (teste do carro na pista)

Reconhecimento do papel da Física na resolução

Conclusões

A integração da robótica no ensino (A. P.) é possível  Permite abordar problemas:

significativos

com forte carácter experimental

mobilizadores de competências diversas (Física, ...)

promotores de novas competências

 Boa resposta aos pressupostos da Área de Projecto

A integração noutros contextos é igualmente possível

e potencialmente proveitosa

 Preparação de materiais/metodologias

Trabalhos em curso

“Aprender Física com Mindstorms” (Dep. Física, U.C.)  Preparação de monitores e materiais

 Execução  Avaliação

Projecto “Robótica para todos” (ESEVC)  Física I

 Estudo do Meio Físico e Natural  Física II

Trabalhos futuros

Avaliação do impacto da utilização da robótica na

Área de Projecto

 Receptividade dos professores  Resultados nos alunos

 Resultados das sessões “Aprender Física com Mindstorms”
Utilização da robótica noutros contextos educativos

 Física - “Physics by Design”

 Clubes de robótica/clubes de ciência
Lego Mindstorms NXT