OTIMIZANDO A APRENDIZAGEM DE CONCEITOS DE CINEMÁTICA POR MEIO DA ROBÓTICA EDUCACIONAL UTILIZANDO A PLATAFORMA ARDUINO

## OTIMIZANDO A APRENDIZAGEM DE CONCEITOS DE CINEMÁTICA POR MEIO DA ROBÓTICA EDUCACIONAL UTILIZANDO A PLATAFORMA ARDUINO

Francisco Roberto Oliveira da Silva , Luana Samara Paulino Maia , Mairton 1 2 Cavalcante Romeu 3

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará/ roberto.refex@gmail.com

## Resumo

O presente artigo tem como objetivo propor o uso de um dispositivo robótico, aplicado ao estudo da cinemática, compreendendo assuntos de MU (Movimento Uniforme) e MUV (Movimento Uniformemente Variado) relacionados a disciplina de Física 1. O trabalho é baseado na tecnologia de Identificação por Rádio Frequência (RFID), com ênfase na plataforma Arduino. Foram encontrados na literatura, estudos que demonstram a eficácia de se usar a robótica educacional aliada ao ensino de diversas áreas do conhecimento. Por meio de tal proposta é possível fornecer aos professores uma nova ferramenta que otimize o ensino da referida disciplina e sua aplicação em sala de aula, de forma a estimular a participação dos alunos e melhorar seu rendimento acadêmico. Por fim, conclui-se que é importante usar diferentes subsídios que possam despertar o interesse dos alunos para o aprendizado de tal disciplina nos seus mais distintos campos de aplicação, necessitando apenas de iniciativas que estimulem o seu uso em diferentes níveis da educação.

Palavras-chave : Dispositivo Robótico, Arduino, Robótica Educacional, Rádio Frequência.

## Introdução

- O ensino de Física é um instrumento bastante importante para o entendimento de fenômenos inerentes a cultura científica, fornece ao indivíduo um embasamento e interpretação de fenômenos e processos naturais, possibilitando uma melhor interação do ser humano com o espaço natural que ele vive, pois seu estudo coloca os alunos frente-a-frente com situações concretas, as quais possibilitam a compreensão da natureza da ciência e do conhecimento científico. A aplicação de tal ciência nas escolas seja de nível médio ou mesmo fundamental impõe aos alunos a possibilidade de explorar o senso de investigação a respeito da natureza e do universo incrível que nos rodeia.

No entanto, é necessário fornecer aos alunos condições reais para que possam estudar tal ciência e entender seu significado, ou seja, propiciar a aceitação

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de uma teoria científica que esteja baseada em evidências experimentais. A motivação é uma ferramenta importante e que já se mostrou eficaz para que o aluno desperte o interesse de participar das atividades em sala de aula e busque ainda mais o conhecimento. Utilizar um objeto palpável para que o aluno tenha uma interação direta e que este seja responsável pelo andamento da atividade proposta em sala de aula, é um dos motivos pelos quais a robótica educacional se mostra um elemento essencial e motivador não só para o aluno mas também para o professor.

## Robótica Educacional aliada ao ensino

A robótica educacional tem um caráter multidisciplinar, ou seja, é possível abordar assuntos que não sejam apenas das ciências exatas, como o histórico das aplicações da robótica na revolução industrial, por exemplo, e suas implicações na economia. Segundo Curcio (2008, p. 20), 'a robótica pode ampliar significativamente a gama de atividades desenvolvidas na escola e promover a interação entre as diferentes áreas do conhecimento'. Desta forma possibilitam-se a interação entre teorias do conhecimento científico e sua aplicação na vida real, mais precisamente, em sala de aula.

Encontra-se na literatura algumas iniciativas de auxiliar o ensino, seja de Física, Matemática ou em outras disciplinas através do uso da robótica em sala de aula, pelo fato da mesma se mostrar multidisciplinar.

Como exemplo, podemos citar o trabalho: 'Uma proposta de metodologia para o ensino de Física usando robótica de baixíssimo custo'. Norteado pelas idéias de Lev S. Vygotsky, onde acredita-se que o caminho que o indivíduo irá percorrer até desenvolver suas funções cognitivas e motoras é conhecido como Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP), segundo Araújo (2013, p. 37). A robótica se mostra um instrumento bastante eficaz no auxílio das práticas docentes, auxiliando no entendimento dos alunos em sala de aula.

(...) o objetivo de fornecer uma metodologia aos professores de Física que promova a interação dos indivíduos envolvidos, com robótica de baixíssimo custo vem fornecer uma nova ferramenta ao exercício docente, e gerar um aprendizado significativo para os alunos de forma pessoal e prazerosa, trazendo a prática para a sala de aula habitual. (ARAÚJO, 2013, p. 37).

Desta forma é possível proporcionar ao professor um mecanismo que possa auxiliar suas aulas, e fazer uma ligação entre aluno e conhecimento, oferecendo a oportunidade para propor e solucionar problemas em vez de ser um mero observador e repetidor de soluções.

Para Gomes (2007) existem cinco vantagens aliadas ao ensino de robótica em termos educativos:

- · Transforma a aprendizagem em algo motivador;
- · Permite aos alunos testarem em um equipamento físico o que aprenderam utilizando programas modelos que simulam o mundo real;
- · Faz com que os alunos verbalizem seus conhecimentos, experiências e desenvolvam a capacidade de argumentar e contra argumentar. Essa vantagem pode ser utilizada como uma ajuda na superação de limitações na comunicação;

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- · Desenvolve o raciocínio e a lógica na construção de algoritmos e programas para controle de mecanismos;
- · Favorece a interdisciplinaridade, integrando conceitos de diferentes áreas, tais como: Matemática, Física, Eletrônica, Mecânica e Arquitetura.

É necessário que os docentes venham a criar condições reais para que os alunos possam aprender e compreender aquilo que lhes é ensinado dentro da sala de aula, partindo desta premissa, o presente trabalho tem por objetivo usar a robótica como ferramenta aliada ao ensino dos mais variados assuntos de Física.

## Proposta

A utilização da robótica como forma de se enriquecer o ambiente de aprendizagem nas mais diferentes áreas de conhecimento tem se constituído em um recurso bastante utilizado em todos os níveis de ensino (CHELLA, 2002). Porém, as dificuldades ainda existem como o alto preço dos kits empregados nas escolas, e a abstração ainda presente nas atividades com os artefatos robóticos aliados a um determinado assunto da Física, por exemplo.

Propomos aqui o uso de uma plataforma robótica em forma de veículo de esteiras, aliada a uma placa Arduino Nano (Figura 1), onde temos acesso aos pinos do microcontrolador de forma que podemos encaixar e retirar diferentes módulos que nos possibilitam o estudo prático de determinados assuntos da ondulatória, como a frequência e o comprimento de onda. Os módulos que são facilmente encaixados na plataforma nos dão a possibilidade de abordar diversos outros tópicos da Física, bastando apenas o referido módulo ser acoplado a placa que compõe a plataforma robótica.

Neste trabalho usamos um módulo RFID ligado ao Arduino Nano para acionar os motores da plataforma utilizando diferentes tag's onde cada uma destas, informará à plataforma que movimento desempenhar, seja ele uniforme ou uniformemente variado. A tecnologia RFID se mostra bastante versátil para esse uso pelo fato de podermos inserir no mesmo código do Arduino vários tipos de movimentos a serem desempenhados pela plataforma robótica, apenas aproximando a referida tag do leitor RFID. Podemos explorar outros subitens como movimento acelerado e movimento retardado apenas utilizando a tag específica.

## Arduino

Arduino é uma plataforma aberta ( open-source ) baseada em software e hardware flexíveis e simples de usar (Arduino, 2016). O hardware é composto por uma placa com um microcontrolador, que tem entradas e saídas para sensores. A placa é programada usando a linguagem de programação Arduino e o ambiente de desenvolvimento Arduino. As placas Arduino existem em diferentes versões cada uma pensada para um objetivo diferente, a que é usada nesse projeto se chama Arduino Nano (Figura 01). As placas Arduino podem ser construídas ou compradas já prontas e o custo para comprar as placas prontas é bastante acessível, havendo versões comercialmente disponíveis no Brasil por volta de R$ 30,00.

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Figura 01: Arduino Nano

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## RFID

Um sistema RFID ( Radio Frequency Identification ), é composto basicamente por antenas, etiquetas (Tags) e leitores. Sua frequência de operação se situa entre 135 kHz e 5,8 GHz. Tal tecnologia é baseada nos estudos de Rádio Frequência (RF), no caso do RFID, o leitor é conectado a uma antena, gerando ambos um sinal RF. Cada etiqueta possui um circuito que se energiza ao se encontrar na área de cobertura deste sinal, pois o campo magnético é detectado pelo leitor que por sua vez receberá os dados que irão responder a um estímulo programado.

## A Plataforma Robótica

Foi usada na construção da plataforma robótica um chassi Rover 5 (Figura 02) por se tratar de um veículo de esteiras que veio para suprir a necessidade de abranger ainda mais assuntos estudados em Física, como torque, força de atrito e movimento circular seja uniforme ou não. O chassi tem versões com dois e quatro motores DC de 7.2V cujo torque de cada motor é de 10kg/cm se obedecidas as especificações do fabricante. Há um compartimento no interior do chassi para um suporte para seis pilhas AA para alimentação dos motores. Ressaltamos a importância da alimentação dos motores ser separada do microcontrolador, pois a corrente fornecida pelos pinos do Arduino Nano não é suficiente para acionar os motores.

A placa onde é acoplado o Arduino e os componentes da plataforma, tem dimensões de 9 cm x 17 cm e foi construída de fibra de vidro dupla face, ou seja, há trilhas na parte de baixo e na parte de cima da placa, as duas faces são interligadas através de furos metalizados. Na placa foram soldados barras de pinos do tipo 'fêmea' para serem encaixados os módulos, os quais obedecem a uma pinagem similar para que não haja inversão no encaixe (Figura 03).

Figura 02: Chassi Rover 5

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Figura 03: Visão 3D da placa base

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Na placa ainda constam um circuito integrado para controle da direção dos motores, capacitores para desacoplamento do circuito, um buzzer para sinalização sonora, um regulador de tensão externo ao Arduino, um LED indicador com seu respectivo resistor limitador de corrente elétrica e um interruptor duplo.

Figura 04: Plataforma montada com a placa base e o módulo RFID

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## Proposta de Aplicação

Como citado, a placa base permite a inserção de vários módulos que desempenham diversas funções de acordo com a necessidade do tópico a ser estudado. Neste trabalho propomos a aplicação da plataforma robótica para o ensino de cinemática. Para isso iremos usar o RFID para acionar os motores de uma forma pré-estabelecida pelo código armazenado na tag. Usaremos uma pista com marcações de intervalos de distancias iguais. A plataforma robótica será acionada através das tag's onde cada uma informará a plataforma um movimento diferente. Nesse momento o professor fará uma divisão de tarefas entre os alunos em que um deles seja responsável por acionar a plataforma usando as tag's e um outro aluno

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## XXII Simpósio Nacional de Ensino de Física - SNEF 2017

será responsável por marcar o tempo quando a plataforma passar pelas marcações, no exemplo exposto usamos marcações de 0,2 metros em folhas de papel A4. Um terceiro aluno terá a função de anotar os tempos em uma tabela para posterior plotagem de um gráfico. Sugerimos que a marcação do tempo seja repetida pelo menos três vezes para que o erro humano seja diminuído.

Figura 05: Exemplo de pista para ser usada na aplicação

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## Considerações Finais

Este trabalho abordou o uso de uma plataforma robótica para a constatação de um determinado movimento usando a tecnologia RFID, que inclusive pode ser abordada futuramente, já que os assuntos envolvidos nessa tecnologia fazem parte dos conteúdos vistos no ensino médio. A plataforma tem um potencial facilitador e motivador para os alunos no que se refere a estimular a participação na atividade proposta pelo professor. Com a divisão de tarefas e os dados colhidos pelo próprio aluno pode se dizer que a atividade passou de uma simples demonstração para uma efetiva interação entre o professor e aluno. Nota-se também que as possibilidades de usos posteriores para a plataforma são enormes, visto que se pode abordar assuntos na área da ondulatória, por se tratar de um artefato que pode ser controlado remotamente, na área da eletrodinâmica pode-se verificar as grandezas elétricas, e na mecânica já que é visível a força que as esteiras desempenham, entre outros assuntos.

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## Referências bibliográficas

ARAÚJO, A. V. P. R. Uma proposta de metodologia para o ensino de Física usando robótica de baixíssimo custo . Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte; Centro de Tecnologia. 2013.

Arduino. Disponível em: http://www.arduino.cc. Acesso em: 14 abril 2016.

CURCIO, Christina Paula de Camargo. Proposta de Método de Robótica Educacional de Baixo Custo . Dissertação de Mestrado. Instituto de Tecnologia Para o Desenvolvimento (LACTEC); Instituto de Engenharia do Paraná (IEP). 2008.

CHELLA, M. T., Ambiente de Robótica Educacional com Logo. In: XXII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação - SBC2002, Florianópolis, SC, 2002.

Gomes, M. C. (2007). Reciclagem Cibernética e Inclusão Digital: Uma Experiência em Informática na Educação.

Ramos, J.J.G., Neves Jr., O.R., d'ABREU, J. V. V. Iniciativa para Robótica Pedagógica Aberta e de Baixo Custo para Inclusão Social e Digital no Brasil . In: VIII SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2007, Florianópolis. Anais do VIII SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2007. v. 01. p. 01-06.

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