EXPERIMENTO CONTROLADO REMOTAMENTE PARA O ESTUDO DA CINEMÁTICA

## EXPERIMENTO CONTROLADO REMOTAMENTE PARA O ESTUDO DA CINEMÁTICA

Marco Aurélio Alvarenga Monteiro , Isabel Cristina de Castro Monteiro , José 1 2 Silvério Edmundo Germano 3 , Fretz Sievers Junior 4

- 1 UNESP/Departamento Física e Química /Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, marco.aurelio@feg.unesp.br
- 2 UNESP/Departamento Física e Química /Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, monteiro@feg.unesp.br
- 3 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA - ITA /Departamento de Física,

## silverio@ita.br

- 4 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA - ITA /Departamento de Física,

freetz@uol.com.br

## Resumo

Segundo dados do Educacenso realizado em 2007, há um grande déficit de professores no Brasil. Essa realidade é mais aguda quando analisamos a carência de docentes com formação adequada para ministrar a disciplina de física no Ensino Médio. Esse fato, aliado ao grande desenvolvimento dos recursos computacionais têm levado o Brasil a investir no oferecimento de cursos ministrados a distância, de formação inicial e continuada de docentes. Em Física, o desenvolvimento de atividades experimentais reais envolve a necessidade de encontros presenciais, geralmente concretizados na faculdade sede do curso, ainda que em alguns momentos isso possa representar uma limitação do espaço e tempo para professores e alunos. Também é possível a utilização de simulações computacionais, uma alternativa útil para o processo de ensino e de aprendizagem, mas que se constituem em idealizações do fenômeno estudado, simplificando por demais a realidade. Alternativas complementares dentro dessa área pode ser o uso de experimentos controlados remotamente. Em nosso trabalho propomos e construímos um protótipo que permite a realização de atividades experimentais à distância, por meio de um Laboratório Remoto. O dispositivo desenvolvido consiste no controle remoto de carrinhos em uma pista, possibilitando o estudo de conceitos de cinemática. Na atividade é possível coletar dados do experimento a partir de um computador conectado à Web. Nesse caso, podem ser utilizados tanto desktops como dispositivos móveis, tais como os PDAs, Pockets PCs, notebooks e smartphones. Os resultados obtidos evidenciam a viabilidade de implantarmos, com relativa facilidade, WebLabs para a realização de cursos de física experimental ministrados a distância. Ainda que trate de uma proposta inovadora na área, é um passo inicial que pode representar uma alternativa bastante útil para ampliar cada vez mais o vínculo do ensino à distância com o ensino experimental de física.

Palavras-chave : Ensino de Física; Experimentação; Laboratório remoto.

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20 a 25 de janeiro de 2013

## Introdução

O início do século XXI tem sido marcado pelas novas formas de socialização e de mediação realizadas em função do desenvolvimento e do uso das mídias disponíveis pela internet.

As comunidades em redes sociais são cada vez maiores e vêm possibilitando novas formas de interação social, de tal maneira que, como destacam Wellman e Gulia (1999), muitas pessoas se sentem mais à vontade para exporem suas identidades e intimidades e, por isso mesmo, percebem maior proximidade nas relações, apesar da distância física que as separam.

As consequências dessa revolução tecnológica atingiram o ensino: as bibliotecas digitais, as videoconferências, as simulações e as animações computacionais e a educação a distância.

No Brasil, sob o argumento da importância da democratização do ensino superior público e das dimensões continentais do país, é cada vez maior o número de cursos a distância que são oferecidos. A partir dos dados do Anuário Brasileiro Estatístico de Educação Aberta e a Distância - AbraEAD/2008 (SANCHES, 2008, p.123) - um em cada 73 brasileiros estuda a distância e, considerando o período de tempo compreendido entre os anos de 2003 e 2006 aumentou em cerca de 571%, os cursos em nível de graduação oferecidos a distância no país.

Segundos dados do último Educasenso, há um grande déficit de professores no Brasil, algo em torno de 800 mil docentes (MEC, 2008). Em relação ao ensino de Física, mais especificamente Angotti (2006) informa que até o ano de 2015 haverá a necessidade 40 mil professores de Física, contudo, as universidades brasileiras devem formar até lá, apenas 20 mil docentes. Nesse sentido, a Universidade Aberta do Brasil (UAB), criada em 2005, prioriza cursos de ensino a distância voltada à formação inicial e continuada de professores.

Uma das dificuldades enfrentadas por cursos a distância voltados à formação inicial e continuada de professores de Física é relativa à necessidade da prática de atividades experimentais.

Parece haver um consenso entre os pesquisadores em Ensino de Ciências sobre a importância da atividade experimental no processo de ensino e de aprendizagem de conceitos científicos.

Laburú (2006) chama atenção para o fato de atividades experimentais estimularem o interesse dos alunos em sala de aula, de forma a envolvê-los mais significativamente com as demais atividades propostas pelo professor. Jiménez Aleixandre et al. (1998), chamam a atenção para o papel das atividades experimentais como meio de possibilitar aos alunos oportunidades de construção e teste de hipóteses e elaboração de argumentação. Assim, é fundamental que os cursos de formação inicial e continuada de professores de Física possibilitem vivências com práticas experimentais a seus alunos.

Medeiros (2002) destaca que sendo a física uma disciplina voltada para o ensino de conceitos que exigem alto grau de abstração e complexidade, a utilização de simulações computacionais pode ser muito útil ao aluno. Isso porque as simulações não se limitam apenas a uma animação do fenômeno estudado, mas oferece uma interatividade no qual se pode visualizar uma série de situações a partir da entrada de diferentes parâmetros. Contudo, o autor chama atenção para as

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limitações desse recurso. Evidencia que as simulações descrevem situações consideradas ideais, pois são baseadas em modelos teóricos. A análise de uma situação real envolve considerações muito mais complexas do que as simplificações que oferecem as simulações.

Assim, há diferenças significativas entre as simulações computacionais e a realização de uma atividade experimental real. E ainda que as simulações computacionais sejam recursos complementares importantes ao ensino de Física que não devem ser substituir completamente a atividade experimental real.

O artigo primeiro do Decreto n 5622 de 2005 (BRASIL, 2005) determina que o os cursos a distância contemplem momentos presenciais para avaliações dos estudantes, estágios obrigatórios, apresentação do trabalho de conclusão de curso e para a realização de atividades voltadas às práticas relacionadas aos laboratórios de ensino. Tais práticas não devem ser confundidas com aulas de física experimental, mas como uma oportunidade de refletir e discutir sobre questões de ensino, inclusive laboratório, vinculadas à sala de aula.

Nesse sentido, as atividades presenciais em cursos a distância exigem uma diversidade de ações e reflexões que poderiam ter um espaço ainda maior se fosse possível a realização de parte das atividades experimentais de física também a distância. Visando oferecer um recurso que possibilite a realização de experimentos reais a distância esse trabalho propõe um aparato experimental que pode ser controlado remotamente.

## Definindo WebLab

Autores como Garcia-Zubia et.al. (2006), definem WebLab como um laboratório que pode ser acessado pela internet e controlado remotamente mediante recursos computacionais.

Dessa forma, ao acessar um laboratório remoto um usuário distante controla pela Web o computador do laboratório real que, por intermédio de interfaces, comanda um conjunto de equipamentos como, por exemplo: câmeras, de vídeo, sensores, motores de passo, entre outros.

Por meio desse recurso, uma atividade experimental real pode ser realizada a distância.

Na figura 1, a seguir, apresentamos o processo de acesso a um WebLab para realização de um experimento remoto.

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Figura 1 - Esquema de um WebLab

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Como destacam Alhalabi (2000) e Sivakumar et. al (2005), a estrutura de um WebLab conta com as ferramentas de comunicação e com os recursos do experimento propriamente dito.

As ferramentas de comunicação do LMS ( Learning Management System ), ou seja, Sistema de Gerenciamento do Aprendizado, conta com uma série de recursos, tais como: livro digital, vídeo-aula, simulações, animações, salas de batepapo, videoconferência, ferramentas para a construção de gráficos, tabelas, relatórios, etc., que visam dar suporte teórico para que os alunos entendam, obtenham, discutam e avaliem os resultados da atividade experimental que vão realizar.

Com relação aos recursos do experimento propriamente dito, os aparatos experimentais são controlados por um computador central (servidor) mediante interfaces de controle baseados em placas de controle e PIC, ou seja, um microcontrolador usado para a construção de um circuito que junto com um programa computacional, são capazes controlar e monitorar todos os parâmetros envolvidos pela internet. Utiliza-se também, câmeras de vídeo para captar as imagens do experimento em tempo real e as transmitir por tecnologia streaming.

Nesse sentido, a concepção de um WebLab, pode aliar o experimento real e as simulações computacionais oferecendo um suporte mais rico aos alunos que cursam o ensino a distância.

## Proposição e construção de um experimento simples controlado remotamente

Para o desenvolvimento do equipamento experimental que visa possibilitar o estudo da cinemática, utilizamos uma pista de autorama e seus carrinhos. Os controles tradicionais dos carrinhos foram substituídos por potenciômetros de carvão 30 Ω adaptados a motores de passo, para que pudessem ser controlados remotamente pela internet. O controle de cada motor de passo foi realizado a partir

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de um PIC, ou seja, um microcontrolador usado para a construção de um circuito que junto com um programa computacional, são capazes controlar e monitorar todos os parâmetros envolvidos pela internet.

Utilizamos, também, câmeras de vídeo para captar as imagens do experimento em tempo real e as transmitir a partir da tecnologia streaming , ou seja, uma técnica de transferências de dados no qual as imagens são processadas em fluxo contínuo, de forma a permitir que sejam vistas antes de serem completamente enviadas.

Ao longo da pista foram posicionados sensores que permitem o acionamento de cronômetros.

Figura 2 - Projeto do autorama automatizado .

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Para o controle dos parâmetros iniciais do experimento, como ilustrado na interface mostrada na Figura 3 a seguir, o usuário pode o controlar as acelerações que devem ser impostas aos carrinhos. Após o término do experimento, o sistema apresenta ao usuário uma planilha com dados relativos à: distância percorrida, o tempo gasto para percorrê-la, o número de voltas dadas pelos carrinhos entre outras informações.

Figura 3 - Tela do programa computacional desenvolvido para o controle do experimento.

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O usuário pode também controlar as câmeras, podendo aproximar a imagem (dar z oom ), ou afastá-la, de maneira a acompanhar, em detalhes, o movimento dos carrinhos. A partir da coleta de dados que o sistema disponibiliza, os alunos poderão elaborar tabelas, construir gráficos, calcular a velocidade média e etc.

Nas tabelas 1 e 2 apresentamos alguns resultados que obtivemos a partir dos testes que realizamos com o protótipo desenvolvido.

Tabela 1 - Dados do carrinho vermelho que percorreu a pista interna.Tabela 2 - Dados do carrinho azul que percorreu a pista externa.

A partir da construção de gráficos, da posição pelo tempo para cada um dos carrinhos, é possível prever a posição em que eles vão se encontrar e verificar se essa previsão, segundo o modelo teórico, se confirma. A análise dos erros pode permitir uma discussão interessante a respeito das limitações do modelo teórico para estudar determinadas situações do movimento.

- O ajuste da pista para realizar apenas o movimento numa trajetória circular, permite o estudo de parâmetros como: frequência, período, velocidade angular, velocidade linear e aceleração centrípeta.
- O experimento remoto pode ser controlado não apenas por computadores fixos, como é o caso dos desktops, mas também mediante o uso de dispositivos móveis como notebooks, tablets e smartphones, o que confere mais facilidades para o usuário.

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## Conclusão

A questão da grande demanda por professores de física e a dificuldade dos cursos de licenciatura presenciais em supri-la tem levado ao crescimento de cursos oferecidos a distância como uma solução rápida para superar o déficit de cursos de formação inicial e continuada de professores.

Nesse sentido, parece-nos útil discutirmos alternativas a elaboração da atividade experimental em física nesses cursos a distância. A prática experimental em física tem sido alvo constante de pesquisas na área, que destacam a importância de sua utilização em sala de aula, mas ainda são inúmeras as indicações que esta prática pedagógica ainda está distante dos alunos da Educação Básica, por diferentes fatores, como falta de laboratório, de tempo, de técnicos, material, entre outros. Assim, novas perspectivas para o laboratório podem refletir, no futuro, inclusive para os alunos do Ensino Médio, como forma alternativa de inserir cada vez mais a atividade experimental no cotidiano das escolas.

Acreditamos que o protótipo que idealizamos e construímos pode significar uma contribuição possível em cursos de física à distância.

## Referências

ALHALABI, B. Remote labs: an innovative leap in the world of distance education. Proc. 4th Multi Conf. on Systemic, Cybern and Informatics, and 6th Int. Conf. on Information Syst ., Anal. and Synthesis (Orlando, FL) pp 303-307, 2000.

ANGOTTI, J. A. P. Desafios para a formação presencial e a distância do físico educador. Revista Brasileira de Ensino de Física . São Paulo, v. 28, n. 2, p. 143150, 2006.

GARCÍA -ZUBIA, J., LÓPEZ - DE IPÑA, D., and ORDUÑA, P. . Remote Control of Web 2.0 enabled laboratories from Mobile Devices. In Conference on E-Science and Grid Computing. Proceeding of the Second IEEE International . IEEE, 2006.

JIMÉNEZ ALEIXANDRE, M. P; REIGOSA CASTRO, C.; ÁLVAREZ PÉREZ, V., Argumentación en el Laboratorio de Física. Trabalho apresentado no VI Encontro de Pesquisa em Ensino de Física , 26 a 30 de outubro, Florianópolis, 1998.

LABURÚ, C.E. Fundamentos para um experimento cativante. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 23, n. 3, p. 382-404, 2006.

MEDEIROS, A. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da Física. Rev. Bras. Ensino Fís . vol.24 n. 2. São Paulo, Junho, 2002. o

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SANCHEZ, Fábio. Anuário brasileiro estatístico de educação aberta e a distância. 4.ed. São Paulo: Instituto Monitor, 2008.

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WELLMAN, B.; GULIA, M. Net Surfers don't Ride Alone: Virtual Communities as Communities. Association for computing machinery : advancing computing as a science &amp; professior. 1999. Disponível em &lt;http://www.acm.org/~ccp/references/wellman/wellman.html&gt;. Acesso em

22/05/2012.

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