UMA PROPOSTA DE UTILIZAÇÃO DO ARDUINO E DO S4A NO ENSINO DE FÍSICA

## UMA PROPOSTA DE UTILIZAÇÃO DO ARDUINO E DO S4A NO ENSINO DE FÍSICA

## A PROPOSAL FOR THE USE OF ARDUINO AND S4A IN PHYSICS TEACHING

## Ana Flávia Amaral Silva , Clarice Parreira Senra 1 2

## Resumo

O surgimento do Arduino atrelado ao uso de sensores e componentes eletrônicos possibilitou um avanço significativo nos projetos educacionais que visam a difusão de conceitos e o entendimento de fenômenos físicos. Tais avanços se tornaram possíveis pelo fato do Arduino ser uma plataforma livre, ter baixo custo de prototipagem e uma infinidade de aplicações. Entretanto, um limitador do seu uso é a necessidade de usar uma linguagem de programação com nível de dificuldade médio. Visando driblar esse limitador, as linguagens de programação em blocos aparecem na tentativa de suprir essa necessidade. Este trabalho propõe, por meio de uma questão problematizadora, uma atividade que envolve a conversão entre escalas termométricas, tendo como público alvo estudantes do ensino médio. Como recursos didáticos utilizamos um software que faz uso de uma linguagem de programação em blocos, o S4A, o Arduino UNO e um sensor de temperatura. Os recursos: S4A e o Arduino se adequaram a proposta de ensino apresentada neste trabalho e o sensor de temperatura utilizado para o desenvolvimento desta atividade apresentou resultados satisfatórios. Atividades futuras relacionadas a esse e outros assuntos podem ser planejadas visando corroborar com o processo de construção do conhecimento relativo tanto ao Arduino e S4A, quanto aos conhecimentos físicos, sempre na busca de aprender sobre novos sensores, componentes e aparatos tecnológicos.

Palavras-chave : Ensino de Física, Arduino, atividades experimentais, tecnologias.

## Abstract

The emergence of Arduino linked to the use of sensors and electronic components has enabled a significant advance in educational projects aimed at the dissemination of concepts and the understanding of physical phenomena. Such advances were made possible by the fact that Arduino is a free platform, has low prototyping costs and a multitude of applications. However, a limitation of its use is the need to use a programming language with a medium level of difficulty. In order to circumvent this limiter, block programming languages appear in an attempt to meet this need. This work proposes, through a problematic question, an activity that involves the conversion between thermometric scales, targeting high school students. As teaching resources we use software that makes use of a block programming language, S4A, Arduino UNO and a temperature sensor. The resources: S4A and Arduino were adapted to the teaching proposal presented in this

work and the temperature sensor used for the development of this activity showed satisfactory results. Future activities related to this and other subjects can be planned in order to corroborate the process of building knowledge concerning both Arduino and S4A, as well as physical knowledge, always in the search to learn about new sensors, components and technological devices.

Keywords : Physics teaching, Arduino, experimental activities, technologies.

## Introdução

As tecnologias da informação e comunicação (TIC) podem auxiliar o ensino de Ciências, por meio de diferentes ferramentas que permitem uma maior interação dos alunos com diversos conceitos científicos, assim como possibilidades de simular diferentes fenômenos abstratos. Apesar do grande potencial das TIC para o ensino, seu uso no contexto escolar é reduzido devido a várias barreiras enfrentadas pelos professores, classificadas por Ertmer (1999) como barreiras de 1 a ordem e barreiras de 2 ordem. As barreiras de 1ª ordem são aquelas externas ao professor, como a falta de equipamentos, suporte, ausência de assistência técnica, falta de tempo para preparar as atividades, inexistência de programas de formação. Além das barreiras externas, os professores enfrentam barreiras internas (2ª ordem), as quais incluem conhecimentos e habilidades de como utilizar as tecnologias, como avaliar e selecionar os recursos tecnológicos.

No ensino de Física as TIC podem ajudar os alunos a compreender vários fenômenos por meio de simuladores, sensores, que permitem simular diferentes situações abstratas. As tecnologias aliadas às práticas experimentais investigativas (BORGES, 2002), onde o aluno é estimulado a buscar o conhecimento por meio de situações e problemas reais (SENRA & BRAGA, 2014), podem ser uma importante estratégia para o ensino de Física.

A atividade experimental é considerada uma importante estratégia didática para o ensino de Física, auxiliando os alunos na compreensão de conceitos e também como uma motivação para ensinar e aprender Física (ARAÚJO & ABIB, 2003). Muitas escolas não possuem laboratórios de Ciências, sendo um dos motivos pelos quais muitos professores não desenvolvem atividades experimentais em suas aulas. Como uma alternativa aos laboratórios, o Arduino pode ser utilizado pelos professores e alunos como um recurso didático motivador para o ensino de Física (MOREIRA et al , 2018). O Arduino é uma plataforma de desenvolvimento open-. source, ou seja, é uma plataforma livre baseada em hardware e software fáceis de usar, e de baixo custo. Por meio dessa ferramenta os professores e alunos podem construir diversos aparatos experimentais de baixo custo e que permitem trabalhar diferentes conceitos físicos.

Uma das limitações da utilização do Arduino no ensino é a sua programação; a linguagem de programação do Arduino é a C++ com algumas modificações. Como alternativa temos os ambientes de programação em blocos, nos quais o desenvolvimento dos projetos é feito através de uma linguagem visual, de forma lúdica, sem a necessidade de qualquer conhecimento prévio relacionado à programação (RIOS et al., 2019). Com essa proposta de desenvolvimento tem-se inúmeras opções, dentre elas: S4A (Scratch for Arduino), KittenBlock, Scratchduino.

A programação em blocos pode auxiliar bastante os professores e alunos no desenvolvimento de atividades e experimentos, visto que sua utilização é estruturada basicamente na lógica e não tem as formalidades de uma linguagem de programação em si. Uma vez apresentado o S4A, o Arduino e seus componentes aos alunos, futuras atividades, que podem abranger quaisquer outras áreas do conhecimento, serão mais facilmente implementadas e poderão ter maior grau de complexidade.

Neste trabalho apresentamos uma proposta de atividade experimental que aborda implicitamente os conceitos de calor, temperatura e equilíbrio térmico, com o objetivo de trabalhar com as escalas termométricas e suas conversões. Isso é feito por meio do Arduino e do software S4A.

## Desenvolvimento da atividade

Este trabalho foi desenvolvido para ser implementado nas aulas de física para alunos do 2º ano do Ensino Médio, podendo auxiliar no desenvolvimento de habilidades previstas na Base Nacional Comum Curricular (BNCC), como por exemplo: fazer previsões, construir protótipos e realizar cálculos com apoio às tecnologias digitais (Brasil, 2018).

A proposta de atividade consiste em apresentar a questão problematizadora abaixo para os alunos ao trabalhar os conceitos relacionados à termometria, com o objetivo de despertar a curiosidade dos mesmos e envolvê-los no assunto. A atividade foi pautada com a intenção de motivar e incentivar o aprendizado dos alunos, de uma forma simples e com recurso às tecnologias. Tais parâmetros podem ser avaliados pelo professor através da observação do aluno durante a realização da atividade, em conjunto com um relatório escrito e uma autoavaliação que deverão ser entregues ao término da atividade . Além do aprendizado previsto, relacionado à 1 disciplina, é importante destacar que a introdução dessas tecnologias no dia a dia do aluno traz melhoras no raciocínio crítico, no pensamento sistêmico, na resolução de problemas, além de estimular a criatividade e curiosidade intelectual (PEREIRA, 2016).

Uma forma de observação muito utilizada na pesquisa qualitativa é a observação participante, 'uma estratégia que envolve, pois, não só a observação direta, mas todo um conjunto de técnicas metodológicas pressupondo um grande envolvimento do pesquisador na situação estudada' (LUDKE & ANDRÉ, 1986, p.28). O professor pode realizar anotações logo após a realização da atividade. A observação do aluno como método de avaliação deve ser previamente planejada pelo professor, levando em consideração os recursos disponíveis para realização da atividade e a forma de organização dos alunos, que pode ser individual, em dupla ou grupos. Para orientar a observação pode-se criar fichas e/ou esquemas (FLICK, 2004) sobre os pontos a serem observados com relação aos seguintes aspectos: colaboração dos alunos, limitações e potencialidades do S4A e Arduino, montagem experimental, interesse e participação dos alunos, potencialidade da questão apresentada, entre outros aspectos.

## Questão problematizadora

Para o funcionamento de uma máquina de sublimação em tecidos, a temperatura do equipamento deve ser ajustada em sua escala própria, que chamaremos de TINTA. Mas, o software que faz essa conversão estragou e está disponível para o funcionário que opera a máquina apenas um sensor que informa a temperatura em graus Celsius. Como calcular a temperatura em graus TINTA, e programar a máquina para ela funcionar? Sabe-se que nessa escala a temperatura de fusão do gelo é 30ºT e a temperatura de ebulição da água é 160ºT.

## Materiais e Métodos

Para o desenvolvimento da proposta de atividade é importante ter uma breve noção dos softwares e materiais que serão utilizados, bem como suas formas de 2 funcionamento. Nesta atividade utilizamos os seguintes materiais: 1 Arduino UNO e um cabo de conexão; 1 protoboard; Jumpers macho-macho; 1 sensor de temperatura LM35DZ; 2 push buttons; 2 resistores de 10KΩ;

## Scratch for Arduino (S4A)

Software que será utilizado nesta proposta, surgiu de modificações feitas ao Scratch para estabelecer uma comunicação direta com o Arduino, mantendo a programação gráfica, em blocos. Sua interface (figura 1) é bem intuitiva, fácil de ser utilizada e seus comandos funcionam no método de clicar e arrastar.

<!-- image -->

## Sensor de temperatura LM35

O sensor de temperatura LM35, representado na figura 2, varia a tensão de saída conforme a variação da temperatura ambiente, dentro da faixa entre - 55ºC e 150ºC, com uma precisão de ± 0,5ºC.

Figura 2: Sensor de temperatura LM35

<!-- image -->

Sabendo que 10mV na saída representa 1º C, que o valor do pino A0 varia de 0 a 1023, e que a tensão máxima a ser ligada é de 5V, tem-se:

Tensão A0 = (valor lido em A0) * (5/1023)

Temperatura = Tensão A0 / 10mV

ou seja:

Temperatura = [(valor lido em A0)*500] / 1023

CONEXÃO: Com a parte lisa/reta para frente, o pino da esquerda é conectado ao 5V, o do meio ao A0 (saída analógica) e o pino da direita é conectado ao GND.

## Atividade

## Montagem

Para resolver a questão problematizadora proposta apresentamos as orientações para montagem e programação do software S4A. Com o Arduino desconectado do computador, monte o circuito apresentado na figura 3, abaixo:

Figura 3: A) Esquema de ligação LM35; B) Foto - circuito LM35;

<!-- image -->

<!-- image -->

## Programação

Abra o software S4A e faça a seguinte programação:

Figura 4: Blocos - programação LM35

<!-- image -->

O interessante é explicar o funcionamento do S4A e do sensor de temperatura para os alunos e deixar que eles tentem chegar a essa programação sozinhos. Feito isso, basta conectar o Arduino ao computador e esperar que a temperatura ambiente, em graus Celsius, apareça na tela do computador.

## Cálculos

Propor que os alunos usem a temperatura obtida pelo sensor, em graus Celsius, e calculem a temperatura em graus TINTA. Como exemplo, vamos utilizar a temperatura de 30,3 ºC registrada pelo sensor na figura 5 A. Sugere-se que os alunos calculem o valor da temperatura em graus TINTA, a partir da relação entre as duas escalas (figura 5 B), obtendo o valor de 69,69º T para essa situação.

Figura 5: A) Resultado da programação do LM35 da figura 7; B) Escalas Termométricas Celsius x Tinta; C) Cálculos para encontrar o valor da temperatura em Graus Tinta

<!-- image -->

A próxima atividade consiste na montagem de um conversor de escalas CELSIUS X TINTA. É importante compreender que a montagem desse conversor tem como objetivo aprofundar a atividade anterior. Nela, os alunos usavam a temperatura dada pelo sensor e calculavam a temperatura em graus Tinta. Agora, utilizando 2 push buttons (MOURÃO, 2018) eles irão montar o circuito e programá-lo de forma que ao apertar um botão, aparece na tela do computador a temperatura na primeira escala, e ao apertar o outro, aparece a temperatura na segunda escala.

A montagem do circuito pode ser auxiliada pelo professor, visto que estamos inserindo mais componentes ao circuito. Quanto à programação, os alunos devem perceber que ao fazer a conta da figura 5C, para resolver o exercício anterior, eles já têm praticamente a fórmula da programação dessa atividade. O crucial é entender o que cada valor da conta significa, e como ele é representado no S4A. Por exemplo: 30,3 é o valor dado pelo sensor da temperatura, em graus Celsius. Na programação, essa temperatura é representada pelos blocos da figura 6, que são praticamente os mesmos já usados na programação do sensor LM35, na figura 4.

<!-- image -->

O valor que representa a temperatura em graus Tinta já foi calculado usando a expressão matemática da figura 5C. Passando tal expressão para a programação no S4A, temos os blocos da figura 7.

Figura 7: Blocos do S4A - Temperatura em Graus Tinta

<!-- image -->

Agora, basta atentar-se ao que foi solicitado pela atividade. Algumas perguntas podem ser feitas para ajudar na montagem de um esquema e por conseguinte na programação:

SE BOTÃO 2 pressionado, o que eu quero que aconteça? Apareça na tela a temperatura em Graus Celsius.

SE BOTÃO 3 pressionado, o que eu quero que aconteça?

Aparece na tela a temperatura em Graus Tinta.

Na figura 8 podemos observar o esquema da montagem e na figura 9 a programação do conversor e o resultado obtido. O professor pode solicitar que os alunos montem diferentes conversores de escalas como: conversão CELSIUS X FAHRENHEIT, CELSIUS X KELVIN, CELSIUS X TINTA, e assim por diante, visto que a lógica para sua implementação será a mesma.

Figura 8: Esquema da ligação LM35 + push button

<!-- image -->

Figura 9: Programação e resultado da programação

<!-- image -->

<!-- image -->

<!-- image -->

## Considerações Finais

O Arduino e o S4A permitiram desenvolver uma atividade para trabalhar conceitos relacionados à termometria, por meio de um sensor de temperatura. Espera-se que com essa atividade os alunos tenham contato com softwares e ferramentas que auxiliam em cálculos e construções de protótipos, e que abra caminho para projetos futuros, pesquisa e desperte maior interesse dos estudantes pela ciência.

- O Arduino e o sensor de temperatura apresentam baixo custo, o que potencializa o uso destes recursos nas escolas públicas. O S4A se mostra muito importante como um passo inicial na inserção ao mundo do Arduino e suas aplicações, devido a sua facilidade de programação. Entretanto, ele apresenta algumas limitações, como o fato do seu não funcionamento offline e da obrigatoriedade de conectar os componentes a pinos específicos.

O sensor LM35 trouxe bons resultados ao analisar a facilidade de seu uso e a precisão em suas medidas, mas apresentou algumas oscilações na temperatura. Outras possíveis aplicações desse sensor é associá-lo a componentes eletrônicos

para montar equipamentos que acionem motores, acenda LEDs, ou emita sons, caso certa temperatura seja atingida. E através disso é possível montar novos aparatos para trabalhar outros conceitos relacionados à termometria.

## Referências

ARAÚJO, M. S.; ABIB, M. L. V. S. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 25, n. 2, p.176194, 2003.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular . Brasília, 2018.

BORGES, A.T. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física . , v.19, n.3: p.291-313, dez.2002.

ERTMER, P. A. Addressing First- and second-order barriers to change: strategies for technology integration. Educational Technology Research and Development , v. 47, n. 4, p. 47-61, 1999.

FLICK, U. Uma introdução à Pesquisa Qualitativa . 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2004.

LUDKE, M.; ANDRÉ, M. E. D. A. Pesquisa em educação: abordagens qualitativas . São Paulo: EPU, 1986.

MOURÃO, O. S. Uso da Plataforma Arduino como uma Ferramenta Motivacional para a Aprendizagem de Física. 2018. Dissertação (Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física) - Universidade Estadual Vale do Acaraú e Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Sobral, 2018.

MOREIRA, M. M. P. C.; ROMEU, M. C.; ALVES, F. R. V.; SILVA, F. R. O. Contribuições do Arduino no Ensino de Física: uma revisão sistemática de publicações na área. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 35, n. 3, p. 721-745, dez. 2018.

PEREIRA, M. M. Os benefícios do uso do Scratch no quinto ano do ensino fundamental. 2016. 43 f. Monografia (Licenciatura em Informática - Núcleo de Educação a Distância) - Universidade Federal de Roraima, São João da Baliza, 2016.

RIOS et al. Uma Análise Comparativa entre Ambientes de Programação em Blocos para a Interação com o Arduino. III Simpósio Ibero-Americano de Tecnologias Educacionais, p.128-136, jun. 2019.

SENRA, P. C.; BRAGA, M. Pensando a natureza da ciência a partir de atividades experimentais investigativas numa escola de formação profissional. Caderno Brasileiro de Ensino de Física . , v.31, n.1, p. 7-29, abr. 2014.