DESENVOLVIMENTO DE UMA UNIDADE DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA PARA O ENSINO DE ELETRODINÂMICA ORIENTADA POR UM PROTÓTIPO INTERATIVO QUE UTILIZA A PLATAFORMA ARDUINO PARA CONTROLE DE DISPOSITIVOS E MEDIDAS ELÉTRICAS.

## DESENVOLVIMENTO DE UMA UNIDADE DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA PARA O ENSINO DE ELETRODINÂMICA ORIENTADA POR UM PROTÓTIPO INTERATIVO QUE UTILIZA A PLATAFORMA ARDUINO PARA CONTROLE DE DISPOSITIVOS E MEDIDAS ELÉTRICAS.

*Silvia Costa Araujo , Bruno Gonçalves , Paulo Henrique Dias Menezes 1 2 3

2 Instituto Federal do Sudeste de Minas Gerais,Câmpus Juiz de Fora/Núcleo de Física, bruno.goncalves@ifsudestemg.edu.br

## Resumo

O presente trabalho tem por objetivo relatar o desenvolvimento de um produto educacional de baixo custo para o ensino de eletrodinâmica usando a plataforma Arduino como interface para simulações e aquisição de dados. Para a aplicação desse produto foi desenvolvida uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS) com base na Teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel (2000). O protótipo consiste em um conjunto de dispositivos, controlados pelo Arduino, desenvolvidos para simular os diversos circuitos de uma residência, demonstrando a potência elétrica e a energia consumida por diversos aparelhos eletroeletrônicos, além de permitir entender o funcionamento de diversos sensores eletrônicos. Pretende-se ainda que o dispositivo permita fazer medidas da corrente e da tensão elétrica através de uma gaveta interativa. Serão atribuídas licenças permissivas a todo o material desenvolvido para que estudantes, professores, pesquisadores e demais membros da sociedade possam utilizar, estudar, modificar e compartilhar livremente todo o material produzido. A proposta está sendo implementada em duas turmas do terceiro ano do ensino médio de uma escola pública estadual. Resultados preliminares indicam o aumento do interesse dos estudantes pelas aulas de física.

Palavras-chave : Ensino de Física, UEPS, Arduino, Eletrodinâmica.

## Introdução

De acordo com Ausubel (1968), a Aprendizagem Significativa é o processo em que novas informações são incorporadas e reorganizadas na estrutura cognitiva do aluno. Ainda segundo Ausubel, essa forma de aprendizagem permite aos alunos aplicar os conhecimentos adquiridos em seu cotidiano, partindo da análise dos dados disponibilizados na aprendizagem primária e transformando a apreciação e a absorção de tais informações em conhecimento útil, ou seja, em inteligência aplicada e compensatória.

Neste trabalho, partimos do pressuposto de que o aluno não precisa se restringir à premissa de descobrir para aprender, mas que, também, não deve apenas receber as informações prontas por parte do professor e ter somente a função de repeti-las, ou mesmo memorizá-las. Importa sim, desenvolver sua capacidade de raciocinar, de interagir e de interligar o novo saber disponibilizado com o conhecimento pré-existente e estruturante da sua aprendizagem. Postura

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essa que coaduna com Moreira (2006, p. 17), que afirma que 'nossa mente é conservadora, aprendemos a partir do que já temos em nossa estrutura cognitiva', permitindo, portanto, que se faça o intercâmbio entre o teórico e o textual, valendose do uso de práticas demonstrativas e comprobatórias - ou não - desse referencial pré-existente com foco tanto na aprendizagem quanto na extensão, em estímulo à descoberta e à pesquisa.

Ao ingressar na escola o aluno já apresenta algum conhecimento prévio, porém, muitas vezes, esse conhecimento é ignorado pelo professor, ou por não identificá-lo, ou por não conseguir estabelecer a interação entre o conhecimento já existente e o novo. A fim de contribuir para a diminuição da aprendizagem mecânica - não estimulativa, repetitiva e condicionante - e, por extensão, incentivar a existência de uma formação sólida e de condições viáveis para a aprendizagem, pode-se estimular a pesquisa aplicada ao ensino, tendo por base perspectivas metodológicas e atitudinais por meio de Unidades de Ensino Potencialmente Significativas (UEPS). As UEPS são sequências didáticas fundamentadas na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel, que segundo Moreira (2011, p. 10) 'são sequências de ensino fundamentadas teoricamente, voltadas para a aprendizagem significativa, não mecânica, que podem estimular a pesquisa aplicada em ensino, aquela voltada diretamente à sala de aula'.

- É a partir dessa concepção de construção de conhecimento que propomos a elaboração de uma UEPS orientada por protótipos que utilizam a plataforma Arduino como recurso didático-metodológico, incorporando o uso de novas tecnologias no ensino de física. Já faz tempo que as tecnologias de informação e comunicação estão à disposição dos alunos, porém, são poucos os recursos didáticos que fazem uso dessas tecnologias. Dentre os problemas mais comuns detectados nesse caso, em particular, estão a falta de informações sobre o potencial educativo desses recursos e a falta de habilidade de lidar ou se valer deles em sala de aula.
- O Arduino é uma plataforma de código aberto que estimula o seu uso em diferentes áreas e pode ser aplicada em diferentes recursos educacionais. Iniciativas como OLPC ( One Laptop per Child ) e projetos governamentais brasileiros, como UCA (Um Computador por Aluno), Mais Educação e Proinfo [FNDE], incentivam o seu uso em plataformas de robótica educacional.

Neste trabalho, que ainda se encontra em fase de desenvolvimento, pretendemos incentivar a criação de protótipos construídos com uso do Arduino em sala de aula a partir de dispositivos orientados por UEPS, que estimulem os alunos na aprendizagem de conceitos físicos.

Ainda na perspectiva da aprendizagem significativa, pretendemos utilizar o mapa conceitual como um dispositivo que permita ao professor fazer a revisão de linhas de programação do Arduino a fim de melhor adaptá-lo à realidade das turmas e ao conteúdo em questão. Pretendemos, com isso, que o material de aprendizagem seja potencialmente significativo e estimule no aluno a predisposição para aprender, atendendo as condições necessárias para a ocorrência de uma aprendizagem significativa (MOREIRA, 2012).

## Metodologia

As Unidades de Ensino Potencialmente Significativas, estão sendo organizadas em cinco etapas, que passaremos a descrever a seguir. Utilizaremos

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como exemplo uma UEPS que está sendo elaborada para o ensino de eletrodinâmica.

## Etapa 1 - Situação Inicial

Na situação inicial pretende-se acessar o conhecimento prévio do aluno a partir de uma ou mais perguntas sobre o tema que será estudado, por exemplo: Que elementos você relaciona à palavra eletricidade?

Sugere-se que todas as palavras ou expressões ditas pelos estudantes sejam anotadas no quadro. Nesta etapa é importante valorizar e explorar as concepções dos alunos, solicitando esclarecimentos adicionais, quando necessários, e procurando articular o conteúdo de ensino com as ideias apresentadas por eles. Essa forma de agir tende a despertar o interesse dos alunos e minimiza o receio em participar das atividades. De acordo com Ausubel (1980, p. 78), aquilo que o aluno já sabe parece ser o fator isolado que mais influencia a aprendizagem subsequente.

## Etapa 2 - Situações-problema

Numa segunda etapa, sugere-se ao professor propor uma situaçãoproblema, em nível bem introdutório, que leve em conta os conhecimentos prévios dos alunos. É importante buscar situações que possibilitem estabelecer correlações entre o conhecimento prévio e o novo conhecimento que se pretende inserir. Para isso, o aluno deve percebê-las como problemas autênticos e deve ser capaz de modelá-las mentalmente. Vejamos a seguir um exemplo de situação-problema.

- ' A esposa de João reclamou que o chuveiro da casa está esquentando muito pouco. João vai até a loja de material elétrico disposto a trocar o chuveiro. Chegando lá, o vendedor lhe convence que não precisa trocar o aparelho, basta trocar a 'resistência' por outra 'mais potente'. Convencido pelo argumento do vendedor, João compra a resistência 'mais potente' que tinha na loja. Chegando em casa, faz a troca e liga o chuveiro. Instantaneamente, o 'relógio desarma' e a casa fica toda no escuro. O que poderia ter causado tal fato? '

Organize os alunos em pequenos grupos e peça que discutam com seus colegas os possíveis motivos de tal ocorrência. Incentive-os a elaborar hipóteses e sugerir formas para testá-las.

## Etapa 3 - Situações-problema mais complexa

Uma vez trabalhadas algumas situações-problema iniciais, o professor deve retornar aos aspectos mais gerais do conteúdo de ensino, por meio de situações com um grau mais alto de complexidade. Para isso, devem-se utilizar dispositivos que permitam uma maior interação dos alunos com o conteúdo de ensino. No exemplo a seguir, mostramos a proposta que utiliza um potenciômetro de grafite, construído com fios, parafusos, tubo plástico da caneta, soquete com lâmpada de farol de carro (12V), dois grafites retirados do lápis de pedreiro e uma fonte de 12V, que foi montado em uma base de madeira, conforme mostra a Fig.1 abaixo. Havendo a possibilidade de um protótipo para cada grupo de alunos, pode-se sugerir, como situação-problema inicial, que eles próprios montem o dispositivo de forma a fazer a lâmpada acender. Na sequência, podem ser acrescentados outros desafios e questões, como, por exemplo: testar materiais isolantes e condutores;

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explicar a variação do brilho da lâmpada; estabelecer relações entre o comprimento e a espessura do grafite com o brilho da lâmpada e, consequentemente, com a corrente elétrica e a potência dissipada.

Figura 1: Potenciômetro de grafite - resistor com resistência variável

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De acordo com Vergnaud (1990), são as situações-problema que dão sentido a novos conhecimentos e, por isso, elas devem ser criadas para despertar a intencionalidade do aluno para a aprendizagem significativa. Nesta proposta os conteúdos de ensino vão sendo trabalhados e sistematizados na medida em que vão surgindo e não numa sequência dada a priori.

## Etapa 4 - Aprofundando conhecimentos

Depois de trabalhadas as etapas anteriores é possível um aprofundamento do conhecimento adquirido explorando as instalações elétricas residenciais. Para isso, estamos elaborando roteiros para construção de protótipos que utilizam a plataforma Arduino, não só como controlador de processos, mas também como dispositivo de aquisição de dados que permitem o estudo dos fenômenos já explorados de uma forma mais qualificada.

Os protótipos controlados pelo Arduino podem ser utilizados para explorar diversos temas, tais como:

- · Dispositivos elétricos (chaves, fusíveis, disjuntores)
- · Circuito Elétrico e Transformações de energia nos circuitos elétricos.
- · Associação de Resistores em Série, em Paralelo e Mista.
- · Medidores Elétricos
- · Potência Elétrica e Energia Elétrica

O protótipo que estamos desenvolvendo é constituído por uma casa dividida em cômodos com alguns sensores eletrônicos e uma tela de LCD ligada ao Arduino para a verificação da corrente elétrica em tempo real. Para isso, estamos utilizando a estrutura de uma casa em madeira mdf, fios, LEDs, jumpers, resistores, potenciômetros, fonte de 12 V, módulo relé, cooler, placa protoboard, botões, sensores elétricos tais como o PIR, buzzer, LDR e LED RGB, tubo de termo retrátil para isolamento de fios, conectores e interruptores. As Fig.2 e 3 mostram as instalações eletrônicas do protótipo com o Arduino controlando diversos LEDS e sensores [GONÇALVES,BRUNO]. A Fig.4 mostra o dispositivo controlando um LED RGB que funcionará como um simulador do chuveiro elétrico em que as cores estarão representando a temperatura da água. O produto está em fase final de testes e calibração no laboratório. A fase de montagem mecânica é simples e rápida. Mesmo sem o acabamento, e ainda na protoboard , já é possível despertar o interesse dos estudantes para o funcionamento de componentes eletrônicos simples, como interruptores, condutores e LEDs conectados ao microprocessador e

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seus periféricos. O produto final será uma estrutura rígida com acionamento feito por dispositivos de entrada com interface humana. Não se pretende montar um kit com acionamento indireto ou que exija tempo do professor para montá-lo em sala de aula.

Figuras 2 e 3: Ligações elétricas do protótipo junto ao Arduino

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Figura 4: LED RGB em funcionamento

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Utilizamos alguns roteiros educacionais [GONÇALVES,Bruno], que constam instruções sobre como instalar o Arduino, explicações sobre cada sensor, sua finalidade, sua ligação eletroeletrônica, seu código fonte e suas referências. A ideia é que qualquer pessoa possa utilizar, estudar, modificar e compartilhar livremente todo seu conteúdo.

Pretendemos ainda, estimular aqueles alunos que demonstrarem interesse em ir além dos conceitos-foco das atividades a se tornarem desenvolvedores de outros protótipos em atividades extraclasses.

## Etapa 5 - Mapa Conceitual

Para finalizar a UEPS, sugerimos a construção pelos alunos de mapas conceituais (Fig.5) que indiquem as relações entre os conceitos estudados, como instrumento de avaliação da aprendizagem.

Figura 5 : Exemplo de um mapa conceitual

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A extensão da aplicação da UEPS irá depender da disponibilidade de tempo do professor. Porém, cabe ressaltar que a proposta permite uma articulação mais eficiente dos conteúdos de ensino, tendo em vista que não há uma ordenação clássica que implica em sequências de ensino orientadas, quase que exclusivamente, pela lógica histórica do desenvolvimento do conhecimento físico. Na proposta em questão, diversos conteúdos se inter-relacionam por meio da atividade

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e o conhecimento é construído junto com os alunos de acordo com as demandas que vão surgindo na execução das diversas tarefas.

## Resultados Parciais

Resultados preliminares, de algumas aplicações em sala de aula, indicam que o conhecimento prévio do aluno tem sido um elemento importante para dar origem a novos conhecimentos e que esse tipo de investigação, aliada a uma atividade prática para o desenvolvimento da teoria, tem potencializado um maior interesse do aluno pelos conteúdos de ensino de física.

A título de exemplo, na situação problema mais complexa (Etapa 3 da UEPS), o potenciômetro de grafite foi apresentado aos alunos inicialmente desligado e, sem que houvesse qualquer explicação anteriormente sobre o conteúdo de resistência elétrica, todos os alunos concluíram que o grafite é um material condutor e que a lâmpada acende quando encostamos a haste no grafite. Além disso, praticamente 70% dos alunos chegaram à previsão de que o brilho da lâmpada sofreria alteração quando a haste fosse deslocada sobre o grafite, estabelecendo relação entre a variação do comprimento da haste com a variação da resistência elétrica e da corrente elétrica.

A discussão sobre o potenciômetro de grafite provocou ainda reflexões sobre o uso correto da energia elétrica e a identificação da presença do dispositivo em diversas tecnologias e suas aplicações em diferentes situações-problema. Além disso, o processo da motivação dos alunos trouxe mudanças comportamentais em relação ao estudo, com uma melhoria significativa na qualidade dos processos de ensino e de aprendizagem.

Destaca-se ainda que o uso da plataforma Arduino irá qualificar ainda mais a atividade proposta, permitindo uma interconexão entre a teoria e a prática materializada numa nova metodologia de ensino, que pode vir a possibilitar a apreensão de conceitos físicos que até então apresentavam grandes dificuldades de compreensão e notória desvinculação com a realidade prática dos alunos.

Com relação à elaboração dos mapas conceituais, esta se dá de forma processual, acompanhando o ritmo da aprendizagem dos alunos, conforme podemos acompanhar na Fig. 6. Esses mapas vão se materializando de acordo com o acúmulo de conhecimento de forma significativa que permite a junção dos dados de etapas intercambiadas, possibilitando uma leitura mais efetiva, realista e fática de todo o contexto de aprendizagem pautado em ganhos cognitivos e qualitativos.

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Figura 6: Sequência de Mapas Conceituais (ainda em processo de construção) traçados por alunos que estão estudando o conceito de Eletricidade antes, durante e após a instrução.

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## Considerações Finais

A pesquisa que ora desenvolvemos demonstra que a mudança se dá na interatividade entre universos de conhecimentos concorrentes, na troca de informações e de saberes entre professores e alunos, possibilitando que as relações de aprendizagem fluam com maior naturalidade, objetividade e produtividade.

Com essa proposta de ensino, espera-se que os alunos aprendam a observar, organizar informações e argumentar sobre acontecimentos e fenômenos do seu cotidiano, que demonstrem habilidades com o trabalho em equipe, e que consigam elaborar hipóteses por meio de raciocínios lógicos, relacionar grandezas físicas e até mesmo propor soluções para os problemas apresentados com criatividade e autonomia.

Com base no estudo piloto já realizado, pode-se afirmar que a aula se tornou muito mais atrativa, participativa e potencialmente significativa, uma vez que os alunos tiveram a pré-disposição para aprender, bem como apresentaram uma

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evolução conceitual e cognitiva, que possibilitou interagir com o conteúdo teórico e prático, relacionando situações-problema cada vez mais complexas e promovendo seu aprofundamento temático.

## Agradecimentos

Agradecemos a CAPES e a FAPEMIG pelas bolsas e recursos que viabilizaram o desenvolvimento deste trabalho.

## Referências

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VERGNAUD, G. La theórie des champs conceptuels. Récherches en Didatique dês Mathématiques , v.10, n.23, p 133-170, 1990.

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