Sistemas de aquisição automática de dados: não basta ser de baixo custo, tem que ser acessível ao professor

## Sistemas de aquisição automática de dados: não basta ser de baixo custo, tem que ser acessível ao professor

## Esdras Garcia Alves , Nicolas Paulo 1 2

1 IFMG-Congonhas/Departamento de Física, esdras.alves@ifmg.edu.br

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IFMG-Congonhas, nick.paulo@yahoo.com.br

## Resumo

As atividades experimentais constituem recursos altamente valorizados nos discursos de professores de Física e de alunos da Educação Básica. Com o desenvolvimento da tecnologia e dos computadores começaram a surgir no mercado os sistemas de aquisição automática de dados para experimentos didáticos. A utilização desses sistemas, quando comparados aos experimentos tradicionais, pode oferecer algumas vantagens, tanto para os professores, quanto para os alunos. Contudo, tais sistemas, geralmente produzidos e distribuídos por empresas privadas, possuem um alto custo no mercado, o que os torna inacessíveis a grande parte das escolas e dos professores brasileiros. Para transpor essa dificuldade, pesquisadores e professores têm se dedicado ao desenvolvimento de sistemas de aquisição automática de dados para experimentos, de baixo custo. No entanto esses sistemas continuam inacessíveis a grande parte dos professores que têm pouca, ou nenhuma, experiência com eletrônica e programação. Além disso, muitas vezes as propostas são voltadas para tópicos de conteúdo que não se encontram dentre aqueles comumente tratados no Ensino Médio, o que restringe as possibilidades de uso de tais sistemas. No sentido de tornar esses sistemas de aquisição automática de dados, de baixo custo, acessíveis a um maior número de professores, considerando principalmente aqueles que atuam na Educação Básica, desenvolvemos um projeto que visa buscar simplificações tanto no hardware, quanto no software, desses sistemas. Essa opção metodológica implica na perda de algumas funcionalidades, mas nos parece mais apta a alcançar um maior número de escolas e professores, sendo, portanto, mais condizente com a proposta de ampliar o acesso à tecnologia na sala de aula. Nesse trabalho, apresentamos um recorte do projeto mais amplo. Procuramos mostrar que, mesmo com as restrições de certas funcionalidades, impostas pelas simplificações, os resultados são bastante satisfatórios para atividades experimentais na educação Básica.

Palavras-chave : experimento, aquisição automática de dados, Arduino, Ensino de Física

## Introdução

Há um amplo debate sobre o modo como as atividades experimentais são conduzidas nas salas de aula e quais os resultados que se obtém com sua aplicação (ARAÚJO e ABIB, 2003; BORGES, 2002). Séré et al. (2003), bem como Araújo e Abib (2003), argumentam que o professor pode empregar diferentes enfoques ao propor um experimento aos alunos, o que implica em diferentes finalidades para a atividade experimental. Consideradas as finalidades, que devem estar alinhadas com os objetivos definidos pelo professor, não se questiona que a experimentação constitui uma rica estratégia de ensino que pode contribuir tanto para o aprendizado de conceitos, quanto para uma percepção de como a ciência produz e valida seus conhecimentos, bem como para o desenvolvimento de habilidades e posturas

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23 a 27 de janeiro de 2017

relacionadas ao fazer da ciência e à atuação do indivíduo na sociedade. A despeito disso, constata-se que muitos professores não utilizam esse recurso em suas aulas e, embora sejam oferecidas muitas justificativas para isso (BORGES, 2002; LABURÚ et al., 2007), há duas que nos parecem determinantes: aquelas relacionadas com a formação do professor e aquelas relacionadas com a falta de materiais e equipamentos adequados.

Laburú et al. (2007) apresentam uma pesquisa em que constatam que parte da ausência de atividades experimentais nas aulas de determinados professores se deve à relação que mantêm com o conteúdo e com as atividades pertinentes à profissão. Borges (2002) afirma que algumas concepções que os professores trazem acerca da experimentação no ensino de Física se mostram nocivas para o aprendizado de conteúdos e para uma percepção correta sobre o modo como a ciência constrói e valida os conhecimentos por ela produzidos.

Considerando as limitações na formação docente, entendemos que não basta disponibilizar a montagem experimental para o professor; é necessário muni-lo de ferramentas e orientações que o encorajem a implementar tais atividades na sala de aula.

A outra justificativa diz respeito à falta de materiais e equipamentos para a realização de experimentos na escola. Isso, de fato, é verdade, principalmente considerando o cenário educacional brasileiro. No sentido de modificar esse quadro, vários pesquisadores e professores passaram a produzir os chamados 'experimentos de baixo custo', que constituiriam uma alternativa à falta de equipamentos. Essas versões alternativas incluem não apenas experimentos qualitativos, como os sugeridos por Valadares (2000) e Gaspar (2003), mas também experimentos mais sofisticados, com interfaces controladas por computador, que permitem a realização de medidas por meio da aquisição automática de dados. Nesse trabalho voltamos nossa atenção para esse último tipo de proposta experimental.

## Sistemas de aquisição automática de dados e o Arduino

Para Rosa (1995) os sistemas de aquisição automática de dados para experimentos de Física oferecem algumas vantagens. Para esse autor, a utilização de experimentos controlados por computador contribui para que os estudantes tenham uma visão mais adequada da ciência experimental que é realizada nos laboratórios de pesquisa. Rosa (1995) também argumenta que por meio da aquisição automática de dados o estudante fica livre da tarefa, às vezes muito cansativa, de anotar os dados do experimento, podendo se dedicar mais à tarefa de análise e interpretação. Outro ponto que nos parece vantajoso quanto à utilização de um sistema de aquisição automática de dados é a qualidade das medidas em experimentos cujos fenômenos se desenrolam muito rápida, ou muito lentamente, no tempo.

Apesar das vantagens, esses sistemas são pouco acessíveis à maior parte dos professores e escolas, pois as empresas privadas que os comercializam praticam preços muito altos. No sentido de ampliar o acesso a esses sistemas de aquisição automática de dados diversos pesquisadores têm se dedicado à produção de versões de baixo custo desses materiais (SOUZA et al. 1998, FAGUNDES et al. 1995, AGUIAR e LAUDARES, 2001). As primeiras versões desses sistemas

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utilizavam a porta paralela ou a porta de jogos, mas com a evolução dos computadores, novas possibilidades de abriram. Em meados da década passada surgiu no mercado o Arduino. Posto de modo muito simples, o Arduino é uma pequena placa que contém todos os elementos de um computador. Ele possui diversas portas de entrada de sinais digitais e analógicos - o que o torna muito útil em experimentos. Seu custo é muito baixo, considerando os recursos e as potencialidades que oferece, e pode ser conectado diretamente à porta USB do computador. Soma-se a isso o fato de que o software usado em sua programação é distribuído gratuitamente na WEB.

Todas essas vantagens contribuíram para que diversos pesquisadores percebessem o grande potencial desse dispositivo e passassem a utilizá-lo no desenvolvimento de seus sistemas (SOUZA et al., 2011; CAVALCANTE et al., 2011; ALMEIDA Jr. et al., 2013; SANTOS, 2014; CAVALCANTE et al., 2014; ROCHA e GUADAGNINI, 2014; ROCHA et al., 2014; ROSA et al., 2014; PEREIRA et al., 2015). No entanto, como se pode constatar, o alcance de tais iniciativas ainda parece pequeno. Essa é a mesma percepção de Rocha e Guadagnini (2014), que comentam que as propostas para a produção de sistemas de aquisição automática de dados de baixo custo ainda são insuficientes para estimular os professores a utilizarem tais materiais.

Em nossa avaliação, a partir da leitura dos trabalhos citados no parágrafo anterior, parecem existir duas potenciais dificuldades para a inserção de atividades experimentais com o Arduino na sala de aula: a primeira tem relação com o fato de que várias propostas experimentais não figuram entre os conteúdos mais abordados no Ensino Médio; a segunda, que algumas delas fazem uso de hardware e/ou software sofisticados, considerando professores que têm pouca, ou nenhuma, familiaridade com eletrônica e programação. No sentido de superar essas limitações, desenvolvemos um projeto de pesquisa que visa a elaboração e a publicação de propostas experimentais utilizando o Arduino, onde se emprega o mínimo de eletrônica e de programação.

## Os resultados do projeto de pesquisa

As atividades sobre as quais falaremos a seguir são resultados parciais do projeto de pesquisa 'Desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados de baixo custo para experimentos de Física', atualmente em curso no IFMG - Campus Congonhas. O projeto conta com uma bolsa na modalidade PIBIC-Jr, concedida a um estudante do Ensino Médio, do curso Integrado de Mineração do IFMG Congonhas. O projeto encontra-se em sua fase final de execução, onde estamos buscando as últimas simplificações no hardware dos experimentos e escrevendo os textos sobre as atividades, com orientações sobre a montagem, a programação e as possibilidades de uso na Educação Básica. Essas informações serão publicadas em um site com vistas a tornar todo o acervo disponível para professores.

- O principal objetivo do projeto é a elaboração e a disponibilização de experimentos de Física, onde se utiliza a aquisição automática de dados, baseada no Arduino, que sejam de fácil construção e uso por professores. Para o alcance desse objetivo, selecionamos cinco experimentos que pudessem ser construídos com o mínimo de eletrônica e programação, mas que figurassem entre os principais tópicos de conteúdo da Física da Educação Básica. Os experimentos escolhidos

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foram: cronômetro de barreiras, sensor de pressão, voltímetro/amperímetro, termômetro digital e microfone com osciloscópio.

Nesse trabalho apresentamos um recorte do projeto mais amplo, onde abordamos em detalhes apenas os dois primeiros experimentos mencionados no parágrafo anterior. Procuramos evidenciar que as limitações impostas pelas escolhas em simplificar a eletrônica e a programação não implicam em dados de qualidade ruim do ponto de vista experimental. Por meio da apresentação de dados quantitativos, obtidos com a realização dos experimentos, procuramos mostrar que os resultados estão em boa concordância com os modelos teóricos subjacentes.

## Cronômetro de barreiras

Um cronômetro de barreiras é um dispositivo que permite a medição de intervalos de tempo de forma automática. Sua operação está baseada na interrupção de feixes de luz pelo corpo cujo movimento se está a estudar. Nossa versão do cronômetro foi elaborada com base na proposta de Galeriu (2013). Esse autor produziu um cronômetro muito simples, utilizando tubos e conexões de PVC para construir uma única barreira fotoelétrica. Em nossa avaliação tal proposta era muito limitada, pois permitia, apenas, estudar o movimento de uma régua com partes opacas e transparentes. Nossa versão, constituída por cinco barreiras (veja a Figura 1), permite estudar o movimento de vários tipos de corpos. Esse cronômetro pode ser usado tanto na horizontal, quanto na vertical e possibilita a medição de até quatro intervalos de tempo. Um aspecto importante de sua construção é o circuito sensor. Galeriu (2013) afirma que não observou diferenças nos resultados das medidas ao comparar dois circuitos, sendo um deles extremamente simples. Repetimos os testes com os dois circuitos e, de fato, não observamos diferenças. Condizente com nossa proposta, optamos pelo circuito mais simples. Cada sensor é composto apenas por dois resistores, um LED emissor de infravermelho e um fotodiodo receptor, conectados ao Arduino por meio de cabos.

Figura 1: c ronômetro de barreiras fotoelétricas .

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Além de nos preocuparmos em simplificar a parte eletrônica, buscamos também oferecer ao professor a possibilidade de compreender os programas usados para ler os intervalos de tempo. Essa opção fez com que nossas soluções não fossem tão elegantes, do ponto de vista de um programador. Por exemplo, para cada diferente experimento a ser realizado pelo professor é necessário carregar um programa específico no Arduino. Há um programa para ler os cinco sensores ao mesmo tempo, há um programa para ler apenas dois sensores, há um programa para ler um disco em rotação. Um programador optaria por fazer tudo isso em um

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único programa, mas isso tornaria as rotinas mais sofisticadas, dificultando a compreensão por parte do professor não iniciado em programação.

Embora tenhamos buscado o máximo de simplificação na parte eletrônica e na programação, os resultados obtidos com o cronômetro nos parecem bastante satisfatórios para atividades didáticas na Educação Básica. À esquerda da Figura 2 pode-se ver um gráfico do movimento do carrinho mostrado na Figura 1 e, à direita, um gráfico do movimento de queda de uma esfera com o cronômetro na posição vertical. Utilizamos o gráfico da direita para determinar o valor da aceleração gravitacional, supondo que a esfera se move em queda livre. O resultado obtido nos parece muito bom. As equações dos movimentos do carrinho e da esfera, bem como os valores dos coeficientes, foram obtidos por meio do software Excel. Pensando em contribuir com a disseminação do uso desse tipo de montagem experimental, além das orientações para a montagem dos experimentos e o código dos programas, também serão disponibilizados para os professores os tutoriais para a realização de análises gráficas utilizando o software Excel.

Figura 2: gráficos do movimento de um carrinho sobre uma mesa e de queda de uma esfera.

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## Sensor de pressão

Atualmente podem ser encontrados no mercado de componentes eletrônicos diversos sensores, baseados em materiais semicondutores, que apresentam uma tensão de saída proporcional à variação de uma grandeza de interesse físico, como por exemplo, pressão, temperatura, campo magnético, intensidade luminosa etc. Utilizamos um sensor de pressão na elaboração de dois experimentos distintos: i) verificação experimental da Lei de Boyle - que será abordado nesse trabalho; ii) medida da variação da pressão com a altura da coluna de um fluido.

Rocha e Guadagnini (2014) utilizaram o sensor MPX5700 para acompanhar variações na pressão do gás no interior de um balão de festas. Naquele trabalho, os autores relataram que esse sensor, quando comparado a um sensor comercial de uma empresa internacional, apresentava resultados bastante semelhantes. Incentivados pelo resultado obtido por Rocha e Guadagnini (2014) e pelo fato de esse sensor ser encontrado em lojas brasileiras, optamos por testar seu uso em um experimento para verificar a Lei de Boyle.

Todas as informações para a correta ligação do sensor são fornecidas pelo fabricante no datasheet do componente. Por se tratar de um componente integrado,

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pouquíssimos componentes externos são necessários à sua operação, o que facilita enormemente a construção do hardware . Realizamos os testes com o circuito sugerido pelo fabricante e também uma versão mais simples, em que utilizamos apenas o sensor. Não observamos diferença alguma entre as medidas com as duas versões, de modo que o hardware final foi composto apenas pelo sensor, conectado a um reservatório de gás - uma seringa de plástico, com volume igual a 60 ml.

Assim como no caso do cronômetro, descrevemos para o professor a possibilidade de realizar o experimento com uma montagem feita em uma protoboard , ou utilizando uma base de madeira, como se pode ver na Figura 3, à esquerda. Procuramos frisar que a robustez mecânica da montagem em madeira pode ser útil na sala de aula. No entanto, se o professor não possuir experiência suficiente com construções e montagens, ele não precisa deixar de realizar o experimento. Ele pode utilizar a versão mais simples, desde que esteja atento às conexões elétricas para garantir o bom funcionamento.

Figura 3: à esquerda a montagem experimental para verificar a Lei de Boyle, ao centro o gráfico de uma transformação realizada com a montagem e, à direita, o produto PV obtido com os valores de pressão e volume utilizados na elaboração do gráfico.

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Embora a montagem seja extremamente simples, e o programa elaborado para a tomada de dados também, no centro da Figura 3 podemos observar que a curva reproduz o comportamento inverso entre a pressão e o volume do gás, conforme previsto pela Lei de Boyle. À direita da Figura 3 mostramos que o produto PV, para cada par de valores da pressão e do volume do gráfico, é aproximadamente constante. Esses resultados nos parecem bastante satisfatórios para os propósitos didáticos da Educação Básica.

Os valores do produto PV mostrados na Figura 3 não são precisamente constantes, mas esse problema pode ser contornado tornando o sensor mais preciso. O Arduino oferece recursos para isso, mas essa ação implica em uma maior complicação do projeto, o que foge às nossas orientações inicias. Além disso, discutir a pequena variação observada no produto PV pode ser uma estratégia didática do professor para tratar com seus alunos o significado da realização de medidas reais quando comparadas aos modelos teóricos.

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## Considerações finais

A aquisição automática de dados pode oferecer algumas vantagens para professores e alunos que realizam atividades experimentais em sala de aula. No entanto, o custo das interfaces disponibilizadas por empresas comerciais é muito alto, impedindo a utilização desses sistemas em larga escala. Para suprir essa lacuna, diversos pesquisadores e professores têm se dedicado à produção de versões de baixo custo dos sistemas de aquisição de dados em experimentos. Porém, conforme constatamos em alguns trabalhos, nem sempre há uma preocupação em simplificar a elaboração desses sistemas de modo a torna-lo compreensível para aqueles professores que não possuem vivência com as áreas de eletrônica e programação.

Nesse sentido, julgamos necessária a implementação de propostas que visam simplificar os sistemas de aquisição automática de dados. Essa orientação tem por objetivo proporcionar o encorajamento de muitos professores que não se sentem à vontade para lidar com eletrônica e programação. Na medida em que disponibilizamos sistemas de fácil construção, que possam ser compreendidos e, portanto, dominados pelos professores, contribuímos para disseminar o uso de tais recursos.

Defendemos que a utilização desses sistemas automatizados em sala de aula pode contribuir para o engajamento e a motivação dos estudantes para o estudo da Física. Esse pode ser um recurso extremamente útil para os professores que atuam na Educação Básica das escolas públicas. Sabemos que esses professores enfrentam enormes dificuldades, desde a falta de recursos, até a desmotivação dos alunos. Tomamos para nós a tarefa de cooperar com eles no sentido de oferecer propostas que tenham mais chances de serem aplicadas, de fato, na sala de aula.

## Referências

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