DESENVOLVIMENTO DE UM EXPERIMENTO REMOTO PARA O ENSINO DE FÍSICA: ONDAS ESTACIONÁRIAS

## DESENVOLVIMENTO DE UM EXPERIMENTO REMOTO PARA O ENSINO DE FÍSICA: ONDAS ESTACIONÁRIAS

## Henrique Ken Sawaguchi Iwamoto 1 , *Thiago Costa Caetano , Agenor Pina da 2 Silva 3

## Resumo

As atividades experimentais têm sido apontadas como um recurso didáticopedagógico capaz de fornecer bons resultados há várias décadas. Apesar de sua reconhecida importância, o desenvolvimento de atividades práticas dentro do Ensino de Física encontra diversos obstáculos no contexto educacional atual, e o avanço tecnológico observado nos últimos anos tem proporcionado uma alternativa a este problema. Tendo em mente tais desafios e conhecendo-se as vantagens de um experimento real, iniciou-se há cerca de um ano a construção de um laboratório didático de Física na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), com experimentação remota. Este trabalho apresenta um dos experimentos que está sendo desenvolvido para este laboratório, intitulado 'Ondas Estacionárias'. Embora se trate de um caso particular, as técnicas descritas são as mesmas que serão aplicadas a todos os outros experimentos do laboratório. O experimento foi desenvolvido com auxílio da plataforma Arduino e a interface foi desenvolvida em LabView. O acesso externo à interface é assistido por um WebServer com plataforma Windows©. O servidor está operando temporariamente sob um DDNS e por este motivo ainda apresenta instabilidade. Novas instalações estão sendo construídas no campus da UNIFEI para o Instituto de Física e Química (IFQ), onde um ambiente com cerca de 70 m foi reservado 2 para a colocação deste laboratório. Alguns equipamentos para o laboratório estão em processo de compra, entre eles novos experimentos. Quando o laboratório estiver em seu local definitivo e o servidor estiver operando adequadamente, o acesso remoto aos experimentos será disponibilizado para as escolas de educação básica da região.

Palavras-chave : Laboratório Remoto, Ensino de Física, Atividades experimentais.

## Introdução

As atividades experimentais têm sido apontadas como um recurso didáticopedagógico capaz de fornecer bons resultados faz algum tempo. Nas décadas de 60 e 70 do século passado tais métodos foram intensamente defendidos por conta da implementação de projetos de ensino nacionais e internacionais nas escolas brasileiras (HIGA e OLIVEIRA, 2012). Ainda hoje o uso de atividades práticas é apontado por professores dos vários níveis de ensino como um recurso com grandes potencialidades educacionais. As aulas puramente teóricas têm pouca eficiência no processo de ensino e aprendizagem e são incapazes de despertar o interesse dos alunos ou a sua motivação, o que parece ser um consenso diagnosticado através dos trabalhos relacionados ao tema nos últimos anos, com ênfase no Ensino de Física (BONADIMAN & NONENMACHER, 2007; SILVA, DE SOUZA & NOBRE, 2009).

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26 a 30 de janeiro de 2015

Apesar de sua reconhecida importância, o desenvolvimento de atividades práticas dentro do Ensino de Física encontra diversos obstáculos no contexto educacional atual. Alguns dos aspectos que aparecem de forma mais recorrente no discurso de pesquisadores e professores referem-se às condições de trabalho número elevado de alunos por turma, questões administrativas da própria instituição de ensino e espaço físico inadequado -; à formação dos professores, para que desenvolvam as habilidades necessárias à adequada articulação entre as atividades práticas e as suas aulas; e às questões técnicas como a manutenção do laboratório (PENA & RIBEIRO FILHO, 2009).

- O avanço tecnológico dos últimos anos tem proporcionado uma alternativa a este problema na medida em que introduz uma série de recursos midiáticos. Particularmente, verifica-se um crescimento no número de trabalhos relacionados ao uso de Laboratórios Virtuais. Se, por um lado, esse fato reflete o avanço e difusão das Novas Tecnologias de Informação e Comunicação (NTICs), também evidencia o potencial desse recurso como material didático. Exemplos do uso de simulações no ensino de Física podem ser encontrados nos trabalhos de Camargo et al . (2009), Schuck et al . (2004) e Nakamoto et al . (2005).
- É preciso ser cauteloso, contudo, ao se fazer um uso excessivo de simulações. Segundo Medeiros e Medeiros (2002), o
- '[...] excesso de entusiasmo acerca das novas tecnologias pode obscurecer o fato de que, com o seu uso, alguns conhecimentos e habilidades importantes estejam sendo inadvertidamente perdidos. Há um grande risco implícito na adoção acrítica das simulações no ensino da Física, pois elas apresentam certas desvantagens, algumas vezes negligenciadas. [...] um sistema real é frequentemente muito complexo e as simulações que o descrevem são sempre baseadas em modelos que contêm, necessariamente, simplificações e aproximações da realidade.' (p. 80)

Nesta perspectiva, um experimento real oferece toda a complexidade de um sistema Físico, qualquer que seja. Além disto, dependendo da maneira que o experimento é utilizado (ARAÚJO & ABIB, 2003), o aluno pode desenvolver um conjunto de habilidades técnico-investigativas e analíticas úteis em qualquer experimentação. Observa-se que estas habilidades se relacionam com a elaboração e a compreensão de teorias capazes de explicar o fenômeno em questão.

Tendo em mente os desafios que enfrentam a realização de atividades experimentais no Ensino de Física e as vantagens de um experimento real, iniciouse há cerca de um ano a construção de um laboratório didático de Física na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), com experimentação remota. A proposta do laboratório remoto foi bem aceita, sobretudo pelo fato da universidade oferecer o curso de Licenciatura em Física na modalidade Educação a Distância (EaD).

Este trabalho descreve um dos experimentos que está sendo desenvolvido para este laboratório. Embora se trate de um caso particular, as técnicas descritas são as mesmas que serão aplicadas a todos os outros experimentos.

## O curso de Física na UNIFEI (EaD)

A EaD na UNIFEI iniciou suas atividades em dezembro de 2000 consorciada à UniRede - Universidade Virtual Pública do Brasil. Com a criação da Universidade Aberta do Brasil (UAB) em 2005 e a disponibilidade de toda uma infraestrutura adequada à prática da EaD, a UNIFEI encontrava-se diante de todas as condições favoráveis à criação de um projeto para o oferecimento do curso de Licenciatura em

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Física na modalidade a distância. O curso foi então oferecido pela primeira vez no segundo semestre de 2007 em cinco cidades no estado de Minas Gerais: Alterosa, Boa Esperança, Bicas, Cambuí e Itamonte (CAETANO & REZENDE JÚNIOR, 2009).

As cidades são chamadas 'pólos' e cada uma possui um laboratório físico com os experimentos utilizados em todas as disciplinas do curso, basicamente, as disciplinas de Física Geral e de Química. O pólo possui também laboratórios de informática, obviamente.

Os laboratórios didáticos são utilizados no contexto de cada disciplina aos finais de semana, normalmente. Os alunos se deslocam até o pólo e lá são auxiliados pelos tutores. Alguns dos alunos moram muito longe das cidades e por esse motivo é difícil se deslocar com frequência até os pólos. Este fator é levado em consideração no planejamento do curso e de cada disciplina individualmente. O resultado é que poucas atividades experimentais são oferecidas e tenta-se concentrar da melhor maneira possível as atividades práticas em um único final de semana. Assim é possível reduzir o número de vezes que o aluno precisa ir até o pólo.

Ao ser indagado sobre a importância das atividades práticas em sua formação, o aluno A1 declara:

'Para minha formação, as atividades práticas auxiliam muito, pois como também sou professor do ensino médio na rede estadual a nossa maior dificuldade é ter em nossa escola um laboratório com equipamentos sofisticados principalmente o eletrônico. Muitas vezes temos que improvisar na própria sala de aula e com materiais simples.'

A fala do aluno reforça alguns dos aspectos citados anteriormente como empecilhos à realização de atividades práticas nas escolas. A declaração torna evidente a utilidade de um laboratório compartilhado e com acesso remoto.

De acordo com os professores que utilizam a estrutura dos laboratórios nos pólos:

'a questão mais grave [...] é sobre o cronograma da disciplina. Em um curso presencial, tipicamente podemos trabalhar até sete experimentos em um semestre, enquanto na modalidade EaD, este número é reduzido, digamos quatro experimentos. Além disto, quase sempre os alunos têm dificuldade em cumprir os prazos estabelecidos'. (P1)

O desenvolvimento de um laboratório com experimentação remota constitui um recurso complementar que poderá ser utilizado no curso de Licenciatura em Física - EaD da UNIFEI. Os alunos poderão ter acesso a um conjunto de experimentos - muitos deles diferentes daqueles que o pólo possui - em qualquer tempo e em qualquer local, fortalecendo o conceito de Educação a Distância no curso. Isto contribuirá para que mais experimentos possam ser utilizados durante a oferta de uma disciplina e de maneiras diferentes. Uma vez que o laboratório remoto for utilizado no curso e estiver completamente implementado, o acesso poderá ser concedido às escolas da região. A partir deste ponto, a democratização do acesso deverá ser acompanhada pela expansão da sua estrutura.

## Desenvolvimento do experimento remoto

Os experimentos para o laboratório remoto de Física estão sendo desenvolvidos aos poucos. Até o momento tem-se um experimento para medidas do campo elétrico entre eletrodos e o experimento de Anel de Thomson (CAETANO et

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- al ., 2014). Neste trabalho descreveremos o experimento chamado 'Ondas Mecânicas' ou 'Ondas Estacionárias'

## O experimento de Ondas Estacionárias

- O experimento de ondas possui três componentes principais: i) um conjunto de gerador de frequência e atuador. Em alguns casos estes dois itens são substituídos por um único elemento que tem as duas funções. O importante é que haja uma ação mecânica sobre uma corda e que esta ação possua frequência ajustável. ii) O fio ou corda, e iii) um tensor que mantém o fio tracionado enquanto oscila. Este componente pode ser um corpo pendurado ou um dinamômetro, por exemplo.
- O experimento permite que os parâmetros - frequência de oscilação e tensão na corda - sejam ajustados. Normalmente é utilizado apenas um tipo de corda, mas outros materiais, com densidades diferentes, poderiam ser testados também. Desta forma seria possível investigar a relação entre a densidade do fio e o aspecto da onda formada.
- O experimento é mostrado de forma esquemática na Figura 1. A região intitulada Experimento convencional corresponde ao conjunto que é utilizado em uma prática presencial típica. O item A é um dinamômetro. É o elemento responsável por manter o fio tracionado e o valor da tensão no fio pode ser lido diretamente na sua escala, com o fio em repouso. Para variar o valor da tensão basta variar a altura do ponto de apoio do dinamômetro. O item B é uma polia e serve apenas para mudar a direção do fio. O item C é um atuador mecânico que oscila na frequência determinada por um gerador de frequência ajustável.

Figura 01: Representação esquemática do experimento 'Ondas Estacionárias'

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## Automação do experimento

A automação do experimento foi feita com auxílio da Plataforma Arduino 1 (item D da Figura 1). Este dispositivo possui um conjunto de portas de entrada e de saída de sinais, analógicos e digitais. Um servo motor foi utilizado conectado a estas portas, para regular a tensão no fio. Para isto o servo desloca o ponto de apoio do dinamômetro na direção vertical. Um circuito gerador de frequência foi elaborado e integrado ao Arduino e conectado ao item C da Figura 1. Todo o circuito está conectado a um computador e a comunicação é feita através da porta serial.

É interessante mencionar que o projeto inicial deste experimento foi modificado para que o aluno tivesse acesso às variáveis do experimento. Inicialmente a tensão no fio era aplicada diretamente pelo servo motor. Com isto perdia-se a informação da tensão que era aplicada ao fio. Apesar de ser possível fazer uma calibração de modo que haja uma conversão da posição do servo motor para a tensão no fio, esta não foi considerada uma boa estratégia dentro de uma perspectiva de uso do experimento em que o aluno teria liberdade de elaborar os seus métodos investigativos. As técnicas de calibrações são muito semelhantes àquelas utilizadas em simulações para retornar indiretamente as variáveis de um problema Físico. O objetivo dos objetos desenvolvidos para o laboratório remoto é que os alunos possam desenvolver suas habilidades técnico-investigativas e desenvolvam a capacidade de analisar os dados. Daí a importância atribuída a utilização dos instrumentos de medidas.

Juntamente com o circuito primário, que é aquele mostrado na figura, um circuito secundário foi desenvolvido para fins de proteção. Este circuito não está representado na figura e opera involuntária e ciclicamente. No caso específico deste experimento, um sensor de temperatura está posicionado próximo aos elementos resistivos do experimento. Ao atingir o valor limite estipulado pelo manager , o circuito interrompe a corrente.

Duas webcams foram colocadas no experimento. A primeira deve monitorar a escala do dinamômetro, através da qual o usuário faz a leitura da tensão aplicada ao fio, com o experimento desligado. A segunda deve mostrar a onda formada no fio. As câmeras estão conectadas ao servidor, bem como a plataforma Arduino. A comunicação, no entanto, é via Universal Serial Bus (USB).

## Desenvolvimento da interface computacional

A interface computacional foi construída com auxílio do LabView 2 . O programa foi escolhido inicialmente para a fase de testes, mas pode-se perceber logo que ele oferece diversos recursos interessantes para este tipo de trabalho, quais sejam, facilidade na comunicação com a porta serial, integração com uma enorme variedade de hardwares disponíveis no mercado, inclusive com o Arduino; suporte para o controle remoto das interfaces, uma rica biblioteca de rotinas de aquisição de dados onde a maioria das rotinas necessárias a este trabalho já estão prontas, etc.

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As imagens das webcams do experimento são mostradas na própria interface , evitando que o usuário tenha que transitar entre programas diferentes em sua área de trabalho. Os comandos do servo motor e do gerador de frequência também encontram-se na interface, na forma de botões. As variáveis do circuito de proteção são mostradas também e luzes indicadoras informam o estado do experimento: 'Pronto', 'Aguardando resfriamento', entre outros.

O acesso externo à interface é assistido por um WebServer com plataforma Windows©. Este servidor está operando temporariamente sob um DDNS (acrônimo de Dynamic Domain Name Server) e por este motivo ainda apresenta instabilidade. O DDNS é responsável por tornar o servidor visível para usuários de uma rede externa à universidade, até que um endereço IP especial seja disponibilizado. A previsão é que toda infraestrutura esteja disponível no início de 2015.

## Perspectivas futuras

Conforme foi dito anteriormente, a montagem do experimento de ondas estacionárias foi feita de modo que o usuário, mesmo operando a montagem remotamente, possa utilizar livremente os instrumentos de medidas disponíveis na interface, possibilitando um processo investigativo mais completo. A intenção é que os usuários possam, de fato, experimentar a montagem e explorar todas as funcionalidades que o sistema oferece. Oferecer a eles o controle de todas as variáveis do problema, mesmo àquelas que não aparentam uma conexão imediata com a tomada de dados, permite um processo de elaboração e verificação de hipóteses equivalente ou até mesmo superior ao que ocorre na experimentação presencial em laboratório.

O laboratório remoto funciona atualmente com restrições de acesso e as instalações físicas dispõem de um ambiente com cerca de 20 m , onde alguns 2 experimentos estão concluídos e outros em fase de desenvolvimento. Novas instalações estão sendo construídas no campus da UNIFEI para o Instituto de Física e Química (IFQ), onde um ambiente com cerca de 70 m foi reservado para a 2 colocação do laboratório. Toda a infraestrutura está sendo preparada especificamente para isto, o que significa uma rede elétrica estável com nobreaks e conexões extras para cabos ethernet , ambiente com boa iluminação e arejado.

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Figura 02: Interface gráfica do experimento 'Ondas Estacionárias' construída em LabView

Alguns equipamentos para este laboratório entraram em processo de compra recentemente, entre eles uma impressora 3D, para a confecção de itens personalizados ou componentes difíceis de encontrar no mercado; e novos experimentos que permitirão medidas como a razão carga/massa do elétron, os padrões de difração de elétrons em cristais, linhas de emissão do Hélio e de outros gases, potenciais de ionização do mercúrio (Hg), etc.

Posteriormente, quando o laboratório estiver em seu local definitivo e o servidor estiver operando adequadamente, o acesso remoto aos experimentos será disponibilizado às escolas da região. A ideia é que o número de conexões cresça até o limite suportado pela estrutura que existe. A partir deste ponto, novas estratégias serão pensadas a fim de que regiões cada vez maiores sejam alcançadas. Isto implica, evidentemente, em um plano de crescimento para a estrutura física que foi mencionada. Existe hoje uma ideia de integração de núcleos dispersos em um único sistema, o que ampliaria a capacidade de oferta. Contudo, esta discussão é considerada prematura antes que toda a estrutura anterior esteja funcionando satisfatoriamente.

## Referências

ARAÚJO, M. S. T., 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. 176-194, jun. 2003.

BONADIMAN, H.; NONENMACHER, S. E. B. O gostar e o Aprender no Ensino de Física: Uma proposta metodológica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 24, n. 2, p. 194-223, 2007.

CAMARGO, F. et al . Physlab: Laboratório Virtual de Física: um Pack de Modelos Computacionais 2d Para o Ensino de Física. In: XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, Vitória, 2009. Anais... Vitória, 2009.

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