ARDUINO E FERRAMENTAS DA WEB 2.0 NO ENSINO DE FÍSICA: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO EM AULAS DE ÓPTICA

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## ARDUINO E FERRAMENTAS DA WEB 2.0 NO ENSINO DE FÍSICA: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO EM AULAS DE ÓPTICA

## Elio Molisani , Rejane Maria Ribeiro Teixeira , Marisa Almeida Cavalcante 1 2 3

- 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul / Instituto de Física / molisani@hotmail.com
- 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul / Instituto de Física / rejane@if.ufrgs.br
- 3 GoPEF - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC-SP / marisac@pucsp.br

## Resumo

O presente trabalho tem como proposta apresentar algumas possibilidades para o uso do microcontrolador Arduino, uma plataforma de hardware e software livres, em conjunto com as tecnologias da informação e comunicação (TIC), especialmente com as ferramentas da WEB 2.0, na elaboração de atividades para o laboratório didático de Física do Ensino Médio. Como exemplo de aplicação, foi desenvolvida uma sequência de atividades com a intenção de ser potencialmente significativa para o estudo introdutório de óptica. Destaca-se o estudo qualitativo e quantitativo da reflexão, da refração e da absorção da luz e, também, das cores dos corpos. Essas atividades incluem roteiros de aula dinâmicos, onde estudante e professor desenvolvem seu trabalho e correção diretamente pelo computador. Deste modo o conteúdo fica disponibilizado na internet, por meio de aplicativos livres para armazenamento e compartilhamento de arquivos, como o Google Drive, o que torna sua impressão dispensável e sua acessibilidade possível de qualquer computador conectado à Web. Além dos roteiros, as atividades contam com equipamentos experimentais que foram desenvolvidos especialmente para a realização de coleta e análise de dados com o Arduino. Será objeto de discussão nesse trabalho os aspectos positivos da utilização desse instrumento, alguns cuidados que devem ser tomados para o bom desenvolvimento das atividades e os custos com a confecção dos equipamentos.

Palavras-chave : Arduino, Experimentos de Óptica, WEB 2.0, Tecnologias da Informação e Comunicação, Laboratório Didático.

## Introdução

A presença da informática nas escolas é um fato que não pode mais ser ignorado. O avanço tecnológico aliado à constante redução de custos tem permitido às instituições de ensino o acesso a equipamentos cada vez mais sofisticados, como notebooks , tablets , internet de alta velocidade via cabo ou wireless . Por um lado isso tem exigido dos educadores maior utilização dos computadores, por outro, tem propiciado um aumento significativo de pesquisas relacio Ainda assim, a implementação dos recursos computacionais em conjunto com as atividades de laboratório, principalmente para coletas e análises de dados, nas escolas do Ensino Médio tem sido pouco frequente. Em parte isto pode ser consequência da carência de material instrucional que dê condições para que professores e alunos possam construir e/ou trabalhar com esses sistemas automatizados [1]. Mas, em muitos casos, o uso de tais recursos é dificultado devido ao elevado custo dos softwares educacionais ou dos kits experimentais oferecidos por empresas que os desenvolvem.

Como solução alternativa a estes problemas, encontra-se na literatura vários artigos que propõem a construção de experimentos didáticos acoplados ao computador através de sistemas de aquisição de dados de baixo custo e que são processados e analisados por softwares livres [2-9].

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Grande parte desses projetos utiliza versões shareware ou freeware de programas de análise sonora disponíveis na internet para ler os dados que são capturados através da entrada da placa de som do computador. Como o funcionamento desse recurso é baseado na marcação de intervalos de tempo, experimentos relacionados a tomadas de medidas de frequência e velocidade são simples de serem realizados.

Entretanto, aqueles que requeiram medidas de intensidade de alguma grandeza física, como os de temperatura ou de capacitância elétrica, por exemplo, apresentam maior dificuldade na sua execução. Para estes, é necessária a construção de um circuito complementar com algum tipo de microcontrolador ou de uma interface de aquisição de dados, além da familiaridade com linguagens de programação [10].

Em 2005, surgiu na Itália uma plataforma de hardware livre, baseada em um microprocessador de código aberto, denominada Arduino , que permite que usuários com pouco domínio de programação consigam efetuar tarefas bastante complicadas [11]. Diferenciado por conectar-se ao computador via porta USB , o Arduino pode fazer a leitura e o controle de sinais analógicos e digitais e, assim, se acoplar a diversos tipos de sensores, motores e outros equipamentos por meio de circuitos elétricos simples que podem ser construídos ou adquiridos por um custo relativamente baixo.

A facilidade de manuseio aliada ao fato de ser um sistema open source tanto em software como em hardware , compatível com diversos sistemas operacionais, como Windows , MacOSX e Linux , fez o Arduino ganhar reconhecimento mundial, tornando-se muito popular no meio artístico pela simplicidade em automatizar e controlar equipamentos.

Apesar de ainda ser uma ferramenta pouco explorada no campo educacional, as vantagens e benefícios do Arduino no ensino de Física, quando usado em conjunto com as atividades de laboratório, têm se mostrado muito promissoras [12]. Pois, essa ferramenta possibilita que o estudante, ao coletar e analisar os dados no desenvolvimento dos experimentos, compreenda os conceitos e interprete fórmulas associadas a fenômenos físicos concretos e apresentados de forma contextualizada, podendo levar a uma aprendizagem significativa.

Para divulgar e propiciar a utilização dessa ferramenta nos laboratórios didáticos de Física, foi desenvolvida uma proposta de atividades experimentais que inclui a elaboração de roteiros dinâmicos e a construção da aparelhagem experimental com o Arduino , a partir de uma sequência didática para o estudo qualitativo e quantitativo de conteúdos de óptica.

## Desenvolvimento do material

## Pensando que o computador

é um poderoso instrumento de aprendizagem e pode ser um grande parceiro na busca do conhecimento, podendo ser usado como uma ferramenta de auxílio no desenvolvimento cognitivo do estudante, desde que se consiga disponibilizar um ambiente de trabalho, onde os alunos e o professor possam desenvolver aprendizagens colaborativas, ativas, facilitadas, que propiciem ao aprendiz construir a sua própria interpretação acerca de um assunto, interiorizando as informações e transformando-as de forma organizada, ou seja, sistematizando-as para construir determinado conhecimento. [13]

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todo o material instrucional produzido teve como premissa a intenção de ser potencialmente significativo, com o objetivo de auxiliar de forma marcante o processo educacional.

As atividades foram pensadas de forma a tornar o estudante um participante ativo durante todo o processo de aprendizagem, estimulando-o a 'fazer uso dos significados que já internalizou, de maneira substantiva e não arbitrária, para poder captar os significados dos materiais educativos' [14].

Mesmo havendo a possibilidade de promover atividades individuais no laboratório didático por meio de computadores pessoais e tablets , sugere-se que sejam organizados grupos de trabalho.

Ao realizar uma atividade experimental dividindo tarefas com colegas, é iniciado um processo de compartilhamento de dúvidas, ideias e divergências. O fato de nem sempre todos os membros de um grupo compartilharem dos mesmos significados sobre um determinado assunto propicia momentos em que surgem discussões no grupo. Estas discussões são extremamente positivas para o desenvolvimento cognitivo de cada um. O professor surge, então, como aquele que já detém os significados considerados corretos e que orienta estas discussões de forma que os alunos possam vir a compartilhar dos mesmos. Neste processo o aluno acaba por construir o seu próprio conhecimento, sem ficar na dependência de respostas prontas e rápidas a qualquer questionamento por parte do professor. [15]

É nítida a fundamental importância que o professor possui nesse processo pois, ao deixar de lado a postura de transmissor do conhecimento e passar a ser um mediador, é capaz de fazer com que seus estudantes, através da interação com eles e entre eles, sejam capazes de compartilhar novos significados.

## A elaboração dos roteiros dinâmicos

Denominamos roteiros dinâmicos aqueles que se caracterizam por sua interatividade, ou seja, aqueles que podem ser trabalhados diretamente no computador e que permitam acesso a textos e vídeos explicativos, applets , simuladores, compartilhamento de informações, entre outras ações pertinentes à WEB 2.0 .

Ao elaborar um roteiro experimental, o professor deve ter claro os objetivos que deseja alcançar com a atividade e o tempo que disponibilizará para aplicá-la.

Uma das principais vantagens dos roteiros dinâmicos é a possibilidade de deixá-los disponíveis na internet e evitar desperdícios com a impressão. Assim, professores e estudantes podem ter acesso ao conteúdo de qualquer computador conectado à rede, permitindo que todos os membros do grupo de trabalho visualizem o material, para correções comentadas do professor, análise e revisão do conteúdo.

A criação de campos de formulário em arquivos com formatos pdf, doc, entre outros, a partir de editores de texto como o Microsoft Word e similares, permite ao estudante anotar apenas nos lugares apontados, evitando qualquer alteração na formatação do roteiro. A correção do professor pode ser feita no próprio roteiro entregue pelo estudante por meio da inserção de comentários.

Para aumentar o grau de interatividade podem ser incluídos links com chamadas para outros arquivos de texto, música, vídeos, applets , simuladores que possam estar presentes no próprio computador ou, então, disponibilizados na

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internet. A utilização de serviços on-line gratuitos, como o do Google Drive ou do SkyDrive permitem o armazenamento e compartilhamento de arquivos. Com o compartilhamento de uma planilha de dados, por exemplo, os grupos de estudantes realizarão menos repetições de um mesmo experimento, em contrapartida serão capazes de operar muitos valores, obtendo resultados estatisticamente mais precisos. A redução do tempo de coleta de dados acarretará em maior tempo para a interpretação e discussão dos resultados obtidos.

Sugerimos que os roteiros didáticos possuam:

- a) Introdução ao tema que será trabalhado, apresentada por meio de um texto ou um vídeo motivador ou gerador de questionamentos.
- b) Objetivos apresentados de forma clara para o estudante.
- c) Alternância dos procedimentos com questionamentos, que levem o estudante a pensar e discutir sobre suas ações durante a atividade.
- d) Curiosidades ou acontecimentos que contextualizem o tema e incentivem o estudante a revisitar o roteiro.

## As atividades experimentais

Os equipamentos que serão apresentados a seguir fazem parte de uma sequência para o estudo de introdução à óptica e uma descrição mais detalhada dos mesmos pode ser obtida através do link http://labduino.blogspot.com.br/p/experimentos-em-optica.html.

## Equipamentos para análise de transmitância e refletância luminosa

## Análise quantitativa usando o Arduino

- O equipamento experimental descrito a seguir, pode ser usado de duas maneiras distintas, serve para medir a taxa percentual tanto de transmissão como de reflexão luminosa. Seu princípio de funcionamento é baseado na comparação entre a intensidade luminosa incidente em um sensor de luz antes e depois de passar por um filtro ou de refletir em uma placa opaca.

Na Figura 01 é possível observar o experimento denominado 'Sensor de Luz'. Na parte interna da caixa, em uma de suas laterais, observa-se LEDs de alto brilho, um é emissor de luz branca e o outro é do tipo RGB (abreviação do inglês para Red Green , e Blue ), capaz de emitir as cores primárias da luz: vermelha, verde e azul. Na lateral oposta e na outra foram colocados LDRs ( Light Dependent Resistor ), resistores que variam sua resistência de acordo com a intensidade luminosa e funcionam como sensores de luz.

O Arduino não está medindo diretamente nem a intensidade luminosa nem a resistência do LDR, mas a queda de tensão entre seus terminais. O esquema completo do circuito elétrico está descrito na Figura 02.

Para a coleta dos dados e análise dos resultados foi desenvolvido um curto programa baseado em linguagem C/C ++ no ambiente de desenvolvimento do próprio Arduino. A análise de transmissão luminosa é feita colocando-se um filtro no suporte entre o LED e o LDR (Figura 03). Toma-se uma medida de tensão no LDR sem o filtro e outra com o filtro, o programa, então, faz a comparação dos valores e lança na tela o resultado percentual de transmissão luminosa das cores correspondentes aos LEDs. A análise de reflexão é realizada com a introdução de uma placa refletora posicionada como ilustra a figura 04. Nesta nova situação, utiliza-se o LDR que se

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encontra na parede lateral superior, pois o feixe de luz refletido na placa forma um ângulo de 90º com o feixe de luz incidente.

Figura 01: ' Sensor de Luz'

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Figura 03: Esquema para análise da transmissão luminosa

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## Análise qualitativa da reflexão luminosa

O experimento 'Caixa de Cores' (Figura 05) é constituído por uma câmara que possui em seu interior LEDs de alto brilho nas cores vermelha, verde, azul e branca e podem ser acionados individualmente por interruptores presentes do lado externo da caixa e estão cobertos com papel vegetal para difundir a luz. A alimentação é feita por duas pilhas pequenas de 1,5 V ligadas em série, totalizando uma tensão de 3 V. Como essa tensão é muito elevada para o LED vermelho, fez-se necessária uma ligação em série com uma resistência de 100 Ω para garantir seu perfeito funcionamento. É importante verificar o manual do fabricante e as especificações técnicas dos LEDs antes de construir sua câmara, a fim de determinar a necessidade de um resistor acoplado ao circuito elétrico (Figura 06).

Em um dos lados da câmara existe um orifício para visualizar as figuras coloridas que são colocadas do lado oposto, em seu interior. Sugerimos que para uma primeira discussão sejam colocadas figuras com formas geométricas distintas nas cores vermelha, verde, azul e branca. Este experimento abre possibilidades para a discussão sobre a percepção das cores dos objetos.

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Figura 02: Esquema elétrico do 'Sensor de Luz'

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Figura 04: Esquema para análise da reflexão luminosa

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Figura 05: ' Caixa de Cores'

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Figura 06: Esquema elétrico da 'Caixa de Cores'

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Equipamento para comparação da variação de temperatura de corpos coloridos submetidos à mesma exposição radiativa

Este experimento tem como objetivo fomentar a discussão sobre absorção luminosa ou, de um modo mais amplo, radiativa e a variação da temperatura de um corpo gerada pela transformação de energia radiativa em térmica. O experimento descrito aqui permite essa verificação em tempo real.

O aparato experimental (Figura 07) é constituído de duas semiesferas metálicas pintadas internamente com cores distintas, e uma lâmpada acoplada entre elas. O Arduino está conectado a dois sensores de temperatura do tipo LM35 que estão fixados atrás das semiesferas e, também, a um painel de LCD que informa em tempo real os valores da temperatura registrados. Um programa simples que foi criado no ambiente próprio do Arduino e gravado no microcontrolador, permite que os dados sejam enviados e visualizados diretamente através do computador (Figura 08).

Figura 07: ' Sensor de Temperatura'

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Figura 08: Dados de temperatura registrados no computador

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O quadro a seguir apresenta uma estimativa de custos para a construção dos equipamentos 'Sensor de luz', 'Caixa de cores' e 'Sensor de temperatura'.

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Quadro 01: Estimativa de dos custos dos equipamentos.

## Alguns cuidados para o bom desenvolvimento das atividades

Ao trabalhar as aulas com propostas diversificadas, em especial as que utilizam recursos tecnológicos, o professor deve ficar atento a possíveis imprevistos, que podem comprometer o desenvolvimento da atividade. Com o intuito de minimizar tais acontecimentos, listamos algumas ações preventivas:

- 1. Testar previamente o funcionamento de todos os computadores, incluindo o acesso à internet ou à rede interna da escola.
- 2. Verificar a configuração dos roteiros de aula quando abertos nos computadores usados pelos estudantes.
- 3. Testar o funcionamento dos links existentes nos roteiros. Se houver problemas de acesso a vídeos, simuladores ou outros arquivos disponíveis na rede, verificar a possibilidade de instalá-los diretamente no computador não se esquecendo, então, de alterar o caminho do link .
- 4. Verificar a instalação do software Arduino em todos os computadores testando o funcionamento das placas Arduino e demais equipamentos em cada um.
- 5. Ter alguns pen drives à mão com todos os arquivos de sua atividade, incluindo roteiros, vídeos e outros relacionados direta ou indiretamente ao tema da aula.
- 6. Planejar-se para fatos como: estudantes com dificuldades para manipular os equipamentos, problemas de acesso à rede (velocidade, qualidade de sinal).

## Considerações finais

Apresentamos neste trabalho algumas sugestões para o uso do Arduino como ferramenta para automação de experimentos e aquisição, coleta e análise de dados.

Diferentemente dos kits comercializados no mercado, a plataforma Arduino é aberta, permite a conexão de um enorme número de sensores, é de fácil manuseio e pode ser utilizada em experimentos diversos. Isso ocasiona uma redução de custo ainda maior na construção dos equipamentos experimentais.

No laboratório são inúmeras as possibilidades de atividades experimentais a serem desenvolvidas. Talvez, por uma dificuldade procedimental muitos temas da Física são abordados apenas de forma teórica. A partir dos equipamentos e das

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propostas sugeridas mostramos experimentos que permitem uma análise quantitativa de fenômenos ópticos, difíceis de serem explorados até então, em laboratório didático.

Esperamos com esta proposta, alimentar as discussões acerca dos recursos tecnológicos no Ensino de Física, incentivar a produção de mais experimentos dessa natureza e apontar diferentes caminhos para que a positiva inserção desse novo instrumento no laboratório didático seja possível.

## Referências

- [1] Silva, L. F.; Veit, E. A. Uma experiência didática com aquisição automática de dados no laboratório de Física do Ensino Médio. Experiências em Ensino de Ciências , v. 1, n. 3, p. 18-32, dez. 2006.
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- [3] Bezerra Jr., A. G.; Merkle, L. E.; de Souza, E. S.; Spolaore, L. S; Ricetti, R.; Giménez-Lugo, G. A.; Saavedra Filho, N. C. Tecnologias livres e ensino de física: uma experiência na UTFP. In: XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, Vitória ES, 2009.
- [4] Cavalcante, M. A.; Tavolaro, C. R. C. Projete você mesmo experimentos assistidos por computador: construindo sensores e analisando dados. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 22, n. 3, p. 421-425, 2000.
- [5] Cavalcante, M. A; Bonizzia, A.; Gomes, L. C. P. Aquisição de dados em laboratórios didáticos de física; um método simples, fácil e de baixo custo: experimentos em mecânica. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 30, n. 2, p. 2501, 2008.
- [6] Cavalcante, M. A.; Bonizzia, A.; Gomes, L. C. P. O ensino e aprendizagem de física no Século XXI: sistemas de aquisição de dados nas escolas brasileiras, uma possibilidade real. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 31, n. 4, p. 4501, 2009.
- [7] Dionisio, G.; Magno, W. C. Photogate de baixo custo com a porta de jogos do PC . Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 29, n. 2, p. 287-293, 2007.
- [8] Haag, R. Utilizando a placa de som do micro PC no laboratório didático de física. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 23, n. 2, p. 176-183, 2001.
- [9] Magno, C. W.; Montarroyos, E. Decodificando o controle remoto com a placa de som do PC. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 24, n. 4, p. 497499, 2002.
- [10] Cavalcante, M. A.; Tavolaro, C. R. C.; Molisani, E. Física com Arduino para iniciantes. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 33, n. 4, p. 4503, 2011.
- [11] Arduino. Disponível em: &lt;http://www.arduino.cc&gt;. Acesso em: 25 de julho de 2012.
- [12] Souza, A. R.; Paixão, A. C.; Uzêda, D.; Dias, M. A.; Duarte, S.; Amorim, H. S. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 33, n. 1, p. 1702, 2011.

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- [13] Heckler, V.; Saraiva, M. F. O.; Oliveira Filho, K. S. Uso de simuladores, imagens e animações como ferramentas auxiliares no ensino/aprendizagem de óptica. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 29, n. 2, p. 267-273, junho 2007.
- [14] Moreira, M. A. Aprendizagem significativa crítica. Versão revisada e estendida de conferência proferida no III Encontro Internacional sobre Aprendizagem Significativa , Lisboa (Peniche), 11 a 15 de setembro de 2000.
- [15] Sias, D. B.; Ribeiro-Teixeira, R. M. Ensino de física térmica na escola de nível médio: aquisição automática de dados como elemento motivador de discussões conceituais. Textos de apoio ao professor de Física , Porto Alegre: Instituto de Física, UFRGS, v. 19, n. 1, 2008.

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