ROBÓTICA PEDAGÓGICA PARA O ENSINO DE FÍSICA SOB UM OLHAR DA TEORIA KELLYANA

## ROBÓTICA PEDAGÓGICA PARA O ENSINO DE FÍSICA SOB UM OLHAR DA TEORIA KELLYANA.

## José Roberto Tavares de Lima 1 , Renata Moreira Pires , Alberto Einstein Pereira 2 de Araujo 3

## Resumo

As Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC) se inserem no ambiente escolar e no mundo contemporâneo de forma intensa e veloz, muitos autores têm abordado formas de utilização das TICs no ensino de física, porém, observa-se ainda uma pequena quantidade de trabalhos abordando a robótica como instrumento de apoio ao ensino de física. A robótica pedagógica se apresenta como mais um avanço tecnológico capaz de desenvolver diversas habilidades cognitivas, com necessidade de reflexão, teste de validação de hipóteses e interação. Desta forma, nesse trabalho apresentamos uma investigação utilizando a Teoria dos Constructos Pessoais de George Kelly numa intervenção didática com o Kit Lego Mindstorms NXT 2.0, num ambiente de trabalho com grupos de aprendizes em cooperação. O objetivo da pesquisa é compreender como a robótica pode contribuir para o aprendizado de física e desenvolver metodologias para seu uso. A investigação foi realizada através de observações nas quais os alunos demonstraram a necessidade de conhecer diversos conceitos físicos, ainda não disponíveis em seus currículos escolares, a fim de possibilitar uma maior diversidade de hipóteses para a solução dos desafios.

Palavras-chave : Robótica, Ensino de Física, Constructos Pessoais, Lego.

## INTRODUÇÃO

O mundo contemporâneo está repleto de tecnologias, e seus avanços se manifestam em diversos setores da sociedade - na medicina, nos esportes, nas comunicações, na economia e na educação. Diversos recursos já foram inseridos no ambiente escolar com fins de instrumentos de aprendizagem, tais como o telefone, o fax, a televisão, o vídeo, os computadores com internet, as máquinas fotográficas e as filmadoras. Tais ferramentas no processo de ensino-aprendizagem se caracterizam pela recepção de informações e poucos recursos de construção de conhecimento. A robótica pedagógica surge como mais uma alternativa de avanço tecnológico que se insere no contexto escolar, porém com a possibilidade de desenvolver habilidades com reflexão, validação de hipóteses e interação.

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Houaiss (2001) define a robótica como sendo a ciência ou técnica da concepção, construção e utilização de robôs. O robô representa a automação de processos de produção e execução de tarefas. Segundo Jojoa (2010), a robótica é uma área multidisciplinar que é naturalmente atraente para os estudantes tanto por causa da sua relação clara de ficção científica e também porque geralmente se materializa em algo que podem ver, tocar e interagir.

A metodologia de uso do kit Lego para Robótica educacional possui seu referencial básico fundamentado nas pesquisas derivadas da Teoria de Piaget (1966) e revisados por seu aluno e discípulo Seymour Papert (1985) que sugerem que o centro do processo de aprendizagem consiste na participação ativa do aluno que amplia os seus conhecimentos por meio da construção e manipulação de objetos significativos. (FERREIRA, 2008)

Na robótica pedagógica vivenciamos de diversas formas processos de desequilibração em que os alunos ao projetarem seus modelos e interagirem com objetos concretos, procuram a ressignificação dos conhecimentos que antes lhe pareciam verdadeiros.

Ferreira (2008) apresenta Papert, um matemático sulafricano defensor do construcionismo , como sendo um precursor na valorização do uso de tecnologias na educação. Uma das hipóteses do matemático é a de que as crianças que ainda não se encontram no estágio de desenvolvimento operatório formal podem abstrair conhecimentos por meio de simulações concretas disponibilizadas pelo computador.

Assim, quando o aluno se questiona e avalia as soluções implementadas no projeto, ele começa a entender seu próprio pensamento e refletir sobre suas idéias e, conseqüentemente, toma consciência de sua aprendizagem. (FERREIRA, 2008, p.06)

Piaget apresentou, em sua teoria, subsídios para uma linha metodológica do construtivismo , enquanto Papert (1990) enuncia uma dinâmica do construcionismo . No construtivismo , o conhecimento é construído pelo estudante, e não provido pelo professor, enquanto no construcionismo , se expressa a ideia complementar de que esta construção ocorre de forma especialmente alegre quando o aluno está empenhado na construção de algo externo. (ANTUNES, 2003)

[...] a idéia construcionista constitui uma síntese da teoria epistemológica de Piaget, auxiliada pela tecnologia para propiciar embasamento ao estímulo das inteligências e competências, onde os alunos são desafiados à construção de entidade inteligível ao invés de uma aquisição de saberes e fatos sem um contexto material. (ANTUNES, 2003)

Antunes (2003), como educador, manifesta que os kits Lego traduzem uma ótima forma de se facilitar e concretizar a aprendizagem, ao propor para o desenvolvimento, o desafio de um suporte material.

- O Lego® Mindstorms® NXT 2.0 é um controlador inteligente computadorizado que permite que um robô ganhe vida e execute operações diferentes. Ele possui três portas de saída para a fixação de motores e quatro portas de entrada para a fixação de sensores, além de permitir a conexão através de um cabo da porta USB do computador para transferir programas para o NXT. Assim como também possibilita o uso de conexão sem fio, Bluetooth , para upload e download de instruções. (MINDSTORMS,2010)

Como verificamos, já existem várias pesquisas que dão uma fundamentação teórica cognitiva à metodologia da robótica educacional no processo de ensino-

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aprendizagem. Desta forma, o nosso objetivo neste trabalho foi investigar a aproximação da Teoria dos Constructos Pessoais de George Kelly numa intervenção didática com o Kit Lego num ambiente de trabalho em grupos de aprendizes em cooperação.

O psicólogo George Kelly lança a ideia de que as pessoas em seu ambiente de aprendizagem trabalham semelhantes a um cientista em que elaboram hipóteses e as submetem as validações durante suas construções pessoais. (HALL, LINDZEY e CAMPBELL, 2000)

Hall, Lindzey e Campbell (2000) definem o constructo como sendo a forma como o indivíduo constrói, interpreta, compreende o mundo, representa a realidade e antecipa eventos a partir de suas experiências e de seus conceitos prévios similares.

George Kelly compôs a Teoria dos Constructos Pessoais (TCP) na forma de um postulado fundamental, que propõe que o entendimento que o ser humano tem da realidade e o seu comportamento são dirigidos pelas suas expectativas em relação ao que vai acontecer se ela agir de determinada forma, é o que chama de antecipar eventos. (HALL, LINDZEY e CAMPBELL, 2000)

Além do postulado fundamental, a TCP é complementada com onze corolários que detalham o processo de interpretação, da estrutura de construção dos sistemas pessoais. Dos onze corolários, iremos nos restringir ao estudo do corolário da experiência o qual Kelly declara que o conjunto de interpretação de um indivíduo varia conforme interpreta sucessivamente as réplicas de eventos. Neste corolário, a sua teoria ao enunciar que aprender da experiência por meio da confirmação ou refutação de hipóteses - a metáfora do cientista - propõe um ciclo de construção de eventos, chamado de Ciclo da Experiência de Kelly (CEK), o qual é mostrado na Figura 01. (ROCHA, TENÓRIO e BASTOS, 2008)

Figura 01: Ciclo da Experiência de Kelly

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- O CEK é composto de cinco fases: Antecipação do acontecimento (instante para pensar, arrumação dos conhecimentos em suas mentes), Investimento no resultado (momento da busca pelo que não sabe em livros e/ou com colegas e professores), Encontro (o evento para o qual se preparam, a execução da atividade), Confirmação ou refutação da hipótese (momento de tomada de decisão, com aceitação ou não dos resultados obtidos) e Revisão Construtiva do Sistema de Constructos (momento em que os aprendizes sedimentam seus conhecimentos). (ROCHA, TENÓRIO e BASTOS, 2008)

## METODOLOGIA

Os dados da intervenção de utilização do Kit de Robótica educacional para o nosso estudo foram obtidos a partir de duas observações, realizadas em um laboratório de informática de uma escola particular na cidade do Recife em Pernambuco no bairro de Casa Forte. Cada observação teve a duração média de 1h e 40 min com 36 estudantes do 7º ano do Ensino Fundamental tendo média de idade em torno de 12 anos.

- O grupo de alunos foi agrupado em equipes de quatro componentes, os quais ficaram trabalhando em suas mesas com um kit educacional com o processador NXT e diversos encaixes, além de motores e sensores.
- A intervenção se iniciou com a entrada dos alunos no ambiente e a mobilização das crianças a sentarem no chão em disposição circular. A professora descreveu as orientações iniciais e coordenou a execução de uma leitura coletiva em que alguns alunos leram um parágrafo do texto de um fascículo sobre o tema, explorando o contexto do aplicativo e o seu histórico de uma forma provocadora e estimulante. Neste momento foi sugerido o desafio de montagem do robô.

Na sequência os aprendizes foram às mesas e definiram as funções de cada componente do quarteto. Na metodologia Lego Zoom, os alunos trabalham em equipe, assumindo em rodízio quatro funções especializadas: construtor (incumbido da montagem), organizador (responsável pela busca, manuseio e guarda de peças, encaixes, motores e sensores na caixa do kit), programador (executor da programação lógica virtual em um software - Lego Mindstorms Education NXT - no computador registrando as instruções de funcionamento do robô) e o líder de equipe/apresentador (coordena, media as ações dos trabalhos e registra em bloco de anotações os procedimentos e percepções na tarefa). Embora as funções sejam previamente definidas, em vários momentos, quando algum membro da equipe já cumpriu a sua missão, o componente se incorpora ao grupo auxiliando colegas em outras etapas da montagem.

Após a montagem, os alunos fazem a conexão do kit com o computador para registro das instruções de programação e execução dos testes de funcionamento. Durante os testes, as equipes vivenciam e detectam problemas de execução que provocaram alterações e realizam ajustes para atender os objetivos da tarefa.

Ao final do tempo da intervenção, os aprendizes fizeram a desmontagem, guarda das peças e organização dos materiais.

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Na observação 1, os alunos tiveram o desafio de montar uma Catapulta que lançasse uma bola de uma extremidade à outra da mesa, como pode ser observado na figura 02. Nesta aula, os alunos utilizaram os fascículos de Educação Tecnológica produzidos pela Lego Education Zoom com textos motivacionais e desafiadores, contendo no final os esquemas de orientação de montagem dos projetos.

Figura 02: Esboço da montagem de uma Catapulta.

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A observação 2 funcionou como uma aula mais aberta à construção, na qual os aprendizes não teriam acesso aos guias de orientações, e fariam suas montagens a partir de sua experiência com modelos previamente construídos. O desafio desta observação foi construir uma Roda Gigante na posição vertical (Figura 03), onde foi solicitado que a cadeira fosse instalada de forma a manter um funcionamento seguro do brinquedo. Para tanto, os estudantes utilizaram um motor, vigas, conectores e um sensor de toque para acionamento de giro e inversão de sentido.

Figura 03: Esboço da montagem de uma Roda Gigante.

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## RESULTADOS E DISCUSSÕES

Durante as observações observamos quais fases incluídas no processo de construção dos sistemas podem ser associada a uma etapa do Ciclo da Experiência

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Kellyana. Na metodologia do Lego Zoom, tudo se inicia com um momento em que os alunos são instigados, convidados e motivados a realizar o evento, que seria o desafio de montar um robô que executasse uma dada tarefa - nas observações acompanhadas, a construção de uma Catapulta e uma Roda Gigante. Os estudantes buscaram as suas concepções, idéias relevantes para implementar o projeto proposto. Esta etapa inicial foi associada à fase descrita pela TCP como a Antecipação . Conseguimos detectar que na observação 2, os aprendizes tiveram mais liberdade para utilização de seus modelos prévios e constructos pessoais, enquanto na observação 1, o guia de montagem pré-formatado descaracterizou essa fase da TCP criando uma inferência sobre o modelo a ser construído, inibindo a criatividade e diversidade de montagens. Apenas na fase de testes de funcionamento foi que possibilitou o surgimento das necessidades de modificações no modelo pré-formato a fim de atender os desafios propostos.

Num segundo momento, os alunos vão às mesas e começam a planejar o modelo de montagem, a partir da discussão entre os componentes do grupo sobre a melhor forma de execução. Observa-se neste momento o surgimento de dificuldades/conflitos de ideias; e em algumas situações, faz-se a consulta aos fascículos ou ao professor, o que caracteriza a fase do Investimento descrito pelo CEK. Na observação 2, surgiu a necessidade do modelo de constructo substituto da roda circular e o que a professora sugeriu foi a figura do hexágono, ilustrado na Figura 04. Neste instante, foi discutido o conceito de hexágono - já que alguns não possuíam o conceito construído. A fase de planejamento possibilitou que um grupo adotasse a estrutura octogonal.

Figura 04: Posicionamento da engrenagem no centro para comunicação com o motor.

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A sequência da aula, ilustrada na figura 05, evidencia os preceitos da terceira etapa do CEK que denominamos de Encontro com o evento , no qual os grupos manipulam as peças, motores e encaixes, montando e experimentando os seus robôs. Neste momento é desenvolvido o algoritmo de aços do robô em termos da linguagem de programação visual utilizada pela LEGO. Foi observado que durante a montagem, os alunos apresentam a reflexão sobre os efeitos vividos e as suas concepções, comparando e analisando os diversos conflitos cognitivos que vão surgindo.

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Figura 05: (A) Início do trabalho de montagem. (B) Montagem da estrutura hexagonal. (C) Uso de conectores para fixação das vigas. (D) Fixação das treliças diagonais para estabilidade da estrutura. (E) Posicionamento da engrenagem no centro para comunicação com o motor. (F) Encaixe do motor. (G) Teste de equilíbrio da estrutura da Roda Gigante. (H) Etapa de teste de funcionamento. (I) Detalhe da cadeira da criança.

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Na observação 2, os alunos passaram pela dificuldade de posicionar a roda gigante no plano vertical sem haver o contato desta com o solo durante a rotação, ou seja, a necessidade da fixação de uma base de sustentação não foi pensada na fase de planejamento, registrado na figura 06.

Figura 06: Fase de testes de funcionamento da montagem de uma equipe de trabalho na qual destaca-se a preocupação com a base de sustentação da Roda Gigante.

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Após a montagem e execução do funcionamento dos projetos, a qual se configura como sendo a fase de Confirmação ou refutação das hipóteses do ciclo de Kelly, percebemos que o aluno é levado a refletir a respeito de suas concepções e sobre as suas expectativas de sucesso, confirmando-as ou não. O grupo foi levado a rever ou não idéias anteriores, sempre através de comparação com as informações adquiridas antes e após os eventos experimentados. Presenciamos, na observação 1 que o modelo da Catapulta proposto pelo guia de orientação não conseguia lançar a bola até um ponto tão distante quanto o desafiado. Desta forma, os grupos tiveram que modificar o modelo - elaborar um novo constructo. Aflorou a necessidade de conceitos físicos para melhorar o desempenho do robô, os quais em grande parte foram utilizados de forma intuitiva agregadas a aumentar a força (colocando mais peso na alavanca, ou aumentando a força do motor pela instrução de programação), porém por desconhecimento do conceito de alavanca não atinaram pela alteração do braço da alavanca da montagem. Seria um valioso momento, diante da necessidade de solucionar o problema concreto, a vivência de um trabalho conjunto com um professor de Física. Os alunos poderiam ter mais opções de levantar hipóteses e testá-las, através do robô montado, se dispusessem da construção dos conceitos de equilíbrio, associados ao conceito de força, de braço de alavanca e de torque de uma força. Lembramos, também, que este projeto incluiu uma necessidade de conceituação sobre os parâmetros físicos que influenciam no lançamento da bola.

Na última etapa da aula, na fase de conclusão das atividades de aula e término dos trabalhos, o professor visualiza a execução ou não dos desafios e dialoga sobre as dificuldades dos montadores e infere sobre outras possibilidades de solução destes obstáculos, tal momento caracteriza a etapa da Revisão construtiva do ciclo de Kelly. No caso da observação 1, através do aluno com função de líder de equipe/apresentador foi registrado por escrito as seguintes questões propostas pelo professor: Explique o funcionamento da montagem. A sua programação funcionou bem? Como sua equipe trabalhou?

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A robótica pedagógica utilizando os kits da Lego tem se apresentado como um valioso instrumento de construção e aplicação de conceitos físicos, além de motivador para o processo de ensino-aprendizagem. Diante das experiências observadas conseguimos concretizar a expectativa da teoria dos constructos pessoais de que o aprendiz participa do processo de manipulação e planejamento como um aluno inventor, criando hipóteses e as verificando em constante ressignificação de seus constructos.

Uma das grandes evidências que as ações dos alunos demonstraram na fase de montagem, planejamento e teste de funcionamento foi a necessidade de conhecer conceitos físicos, ainda não disponíveis em seus currículos escolares, a fim de possibilitar uma maior diversidade de hipóteses para a solução dos desafios.

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## AGRADECIMENTOS

Para a realização das observações foi necessária a colaboração de vários segmentos, desde o Colégio Apoio, localizado na cidade do Recife - PE, pela disponibilização da infraestrutura pessoal e física com consentimento do corpo diretivo, da professora Vancleide Jordão e dos estudantes que se mostraram bastante receptivos. Diante disto, agradeço a todos que contribuíram de forma significativa para a realização desta análise teórico-metodológica. Os autores agradecem também o apoio financeiro da Fundação de Amparo a Ciência e Tecnologia de Pernambuco - FACEPE e ao Conselho Nacional de Pesquisa CNPq.

## Referências

ANTUNES, Celso. Que é uma escola construcionista . Artigo da Revista ZOOM, 2003. Disponível em &lt;http://www.revistazoom.com.br/educadores/index. asp?conteudo = espaco\_artigos\_novembro2003&gt;. Acesso em 23 jun. 2010

FERREIRA, Alan Silva. A contribuição da Robótica para o desenvolvimento das competências cognitivas superiores, no contexto dos projetos de trabalho. Artigo do site Webartigos, 2008 . Disponível em &lt;http://www.webartigos. com/articles/11161/1/ a-contribuicao-da-robotica-para-o-desenvolvimento-das-com petencias-cognitivas-superiores-no-contexto-dos-projetos-de-trabalho&gt;. Acesso em 23 jun. 2010

HALL, Calvin S.; LINDZEY, Gardner; CAMPBELL, John B. Teorias da personalidade . Trad. Maria Adriana Veronese. - 4. ed. - Porto Alegre: Artes Médicas Sul, 2000. p.334-339

HOUAISS, Antonio; VILLAR, Mauro de Salles. Dicionário Houaiss . Rio de Janeiro: Objetiva, 2001. 3008 p.

JOJOA, Jiménez E.M; BRAVO, E.C.; BACCA CORTES, E.B. Tool for experimenting with concepts of mobile Robotics as applied to Children's Education. IEEE Xplore Digital Library , Cali, Colombia, p.88-90, 2010.

MINDSTORMS. Lego® Mindstorms® NXT 2.0 , 2010. Disponível em &lt; http: //mind storms.lego.com/&gt;. Acesso em 23 jun. 2010

ROCHA, Laurentino G. da; TENÓRIO, Alexandro C.; BASTOS, Heloisa F.B. Nóbrega. O Ciclo da Aprendizagem Kellyana e o Movimento Retilíneo Uniforme: de Aristóteles para Galileu . Disponível em &lt; http://www.sbf1.sbfisica.org.br/ eventos/ snef/xvi/cd/resumos /T018 4-1.pdf &gt;. Acesso em 03 jun. 2010

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