USO DAS FERRAMENTAS SCRATCH E ARDUINO NO ENSINO DE ELETRICIDADE COM APLICAÇÃO TECNOLÓGICA EM TELAS TOUCH SCREEN RESISTIVAS

## USO DAS FERRAMENTAS SCRATCH E ARDUINO NO ENSINO DE ELETRICIDADE COM APLICAÇÃO TECNOLÓGICA EM TELAS TOUCH SCREEN RESISTIVAS

## Ramon Felipe Bertasi

Universidade Federal do ABC - UFABC, proramon@yahoo.com.br

## Resumo

O ensino de Física, apesar de apresentar diversas aplicações tecnológicas, parece, em muitos casos, distante das tecnologias presentes no cotidiano dos estudantes, fazendo com que a ciência e a tecnologia sejam vistas como coisas distintas e que não sofrem influência uma com a outra. Dessa forma, temos de um lado um ensino de ciências que não acompanha os avanços tecnológicos e, ao mesmo tempo, novas ferramentas tecnológicas que estão disponíveis aos professores e mesmo assim, na maioria dos casos, não é utilizada ora por desconhecimento da existência dessas ferramentas e ora por despreparo dos próprio professores. O presente trabalho tem como objetivo propor o uso do Arduino e do programa Scratch em aulas de eletricidade com o tema resistência equivalente e circuito misto para o segundo ano do ensino médio. O objetivo consiste em explicar o funcionamento das telas resistivas de celulares através de um dispositivo construído com materiais de fácil acesso e programado pelo professor ou pelos próprios alunos. Durante a apresentação do trabalho, são mostradas algumas formas de aplicar o experimento, desde o seu funcionamento, até o motivo dessas telas terem se tornado obsoletas, também é mostrado a possibilidade dos alunos criarem o próprio projeto de programação sobre o funcionamento de uma tela resistiva de celular.

Palavras-chave : Scratch, Arduino, Eletricidade, Física e Ensino.

## Introdução

Por diversas vezes os alunos se deparam com conteúdos em sala de aula que aparentemente não possuem aplicações nas tecnologias que os mesmos conhecem, tais como: a eletricidade, o magnetismo e o eletromagnetismo que soam distantes do contexto social e tecnológico dos alunos, o que consequentemente pode gerar estudantes desmotivados, que decoram fórmulas e postulados, muitas vezes sem sentido e que não serão aplicados em seu cotidiano (MARTINAZZO, TRENTIN, FERRARI & PIAIA, 2014).

Em paralelo a citação acima, inúmeras tecnologias servem de auxílio para que os professores consigam trabalhar o interesse dos alunos a estes assuntos, estimulando-os a criar seus próprios projetos. Entre estas diversas ferramentas existem o Arduino e o Scratch que são tecnologias acessíveis (ALVES, SILVA, PINTO & SAMPAIO, 2012) que podem ser utilizadas por estudantes de diferentes idades, gerando bons resultados (LIMA & FERREIRA, 2015) quando aplicados tanto em escolas públicas quanto particulares.

Dessa forma, esse artigo propõe uma experiência que simula o funcionamento de uma tela Touch Screen resistiva de um celular e propõe aplicações em sala de aula tanto para trabalhar a parte tecnológica como também para criação de projetos de programação e elétrica por parte dos alunos do segundo ano do Ensino Médio.

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## Materiais e Métodos

O experimento consiste em simular a função Touch Screen de um celular resistivo utilizando uma placa de MDF cortada a laser e com um circuito misto montado utilizando resistores de 100  e chaves de pressão liga e desliga. Esse circuito é conectado em série com outro resistor de 330  em uma protoboard e conectados em uma porta analógica de um Arduino Uno.

Ao pressionar um dos botões a resistência equivalente do circuito é alterada e o Arduino reconhece uma mudança no potencial da porta analógica. Essa mudança no potencial é interpretada pelo Scratch e o programa reconhece o botão acionado.

## Construção do teclado Touch Screen

O teclado Touch Screen foi construído utilizando o programa inkscape . Nesse programa foi desenhado uma caixa de 30 cm de largura, 5 cm de altura e 5 cm de profundidade. O tamanho da caixa pode variar, nesse caso foi construída em tamanho maior para facilitar a visualização da demonstração, porém nada impede que caixas individuais de tamanhos menores sejam construídas, inclusive para aparentar o tamanho de um celular. Os orifícios, para o encaixe dos botões, devem possuir tamanho suficiente para seu encaixe, isso também pode variar levando em consideração os botões que serão utilizados.

Os botões utilizados para este projeto são do tipo pressão, ou seja, quando pressionado possuem a função chave fechada e quando solto a função chave aberta. A figura 1 mostra alguns exemplos desses botões.

Figura 01: Exemplos de botões de pressão. Ambos podem ser usados para montar o circuito (DREAMIINC, 2018).

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Para se manter a firmeza dos botões foi utilizado cola quente aplicada com uma pistola apropriada sendo possível alterar este material por algo mais acessível. O circuito foi inspirado em uma questão de segunda fase da Fuvest 2017. Como se trata de um circuito simplificado a leitura será feita apenas em linha, ou seja, só será possível fazer a leitura unidimensional e não bidimensional como o Touch Screen de um celular.

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Figura 02: Circuito esquemático do simulador de Touch Screen (FUVEST 2017).

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A Madeira utilizada para fazer a caixa foi o MDF de 3 mm, sendo seu corte produzido em uma cortadora a laser. Na cidade de São Paulo é possível o acesso a este maquinário em locais conhecidos como FabLab Livre SP, bastando agendar um horário e comparecer com o material e o arquivo para a realização dos cortes, assim como os outros matérias já descritos, nada impede a utilização de materiais mais acessíveis tais como o papelão, sendo os cortes feitos com o auxílio de um estilete e /ou uma tesoura.

Figura 03: Caixa montada com os botões de pressão conectados (ACERVO PESSOAL 2018).

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Com as partes da caixa montada é necessário soldar os resistores como mostra o circuito da figura 2. Sendo recomendado soldar todos os resistores e botões antes da montagem da caixa para facilitar o manuseio da solda. Nesse experimento foram utilizados 10 resistores de 100  individualmente soldados nas chaves de acordo como mostra o circuito da figura 2. O resultado do circuito soldado pode ser visto na figura 4.

Figura 04: Caixa montada com os botões de pressão conectados (ACERVO PESSOAL 2018).

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É possível a substituição dos resistores de 100  , por resistores de valores da mesma ordem de grandeza sem alterar o funcionamento do experimento. Podese observar que dependendo da chave que é pressionada é alterado o valor da resistência equivalente. Em se tratando dos resistores utilizados de 100  se nenhuma chave for pressionada a resistência equivalente será de 500  e se a chave cinco for pressionada a resistência equivalente será de 250  .

## Conexão com o Arduino

A conexão com o Arduino deve ser feita através da porta analógica. Assim ele fará a leitura do potencial da porta que irá variar dependendo do botão que for

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pressionado. Mas para isso é necessário colocar um resistor em série com o circuito da caixa (resistor externo). A escolha do resistor externo que será colocado em série com a caixa dependerá da sensibilidade desejada na leitura. Quanto maior a diferença entre a resistência equivalente da caixa e a resistência externa, maior a chance de erro na leitura. Então o ideal é utilizar um resistor externo com resistência próxima a resistência equivalente da caixa. No caso, como a resistência da caixa varia de 500  (nenhum botão pressionado) para 250  (botão 5 pressionado), foi utilizado uma resistência externa de 330  .

A conexão deve ser feita como mostra a figura 5. Um cabo do tipo jumper deve ser conectado na porta 5 V do Arduino. A outra extremidade deve ser conectada em uma das colunas de cinco plugs da protoboard como indicado na figura 5 selecionado com o retângulo de cor vermelha, na mesma coluna será plugado um dos terminais do circuito da caixa, já o plug da outra extremidade da caixa deve ser conectada em outra coluna da protoboard (retângulo azul).

Na mesma coluna do retângulo azul conectamos outro jumper , a outra extremidade é conectada em uma das portas analógicas do Arduino, nesse caso o cabo foi conectado na porta A1. Ainda na mesma coluna, foi conectado uma das extremidades do resistor externo. A outra extremidade é conectada em outra coluna (retângulo verde). Finalmente um último Jumper deve ser conectado dessa coluna para o Arduino na porta GSM (terra).

É importante notar que o jumper conectado na porta A1 mede o potencial dessa porta, o qual será alterado se a resistência equivalente da caixa for alterada. Inverter as conexões, ou seja, conectar o resistor na porta 5V e a caixa na porta GND não causa grandes diferenças. Apenas inverte a leitura no Scracth .

Figura 05: Protoboard com o circuito em série conectada ao Arduino (ACERVO PESSOAL 2018).

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## Programação no Scratch

A programação depende diretamente da demonstração. Se o objetivo é apenas mostrar a detecção dos botões, a programação é simples, mas é possível ir muito além, criando ícones de mensagem, música, jogos ou outros aplicativos que podem transformar a experiência dos alunos em algo mais prazeroso.

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Figura 05: É possível fazer ícones, onde cada um é ativado pressionando um dos botões da caixa (ACERVO PESSOAL 2018).

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Para programar o Arduino é necessário, inicialmente, observar a leitura feita pela porta A1 sem nenhum botão pressionado, esse valor pode variar de 0 à 1023 e o valor lido pode variar dependendo dos resistores que forem utilizados na montagem. Assim vamos supor que o valor seja 550.

Em seguida pressione o botão 1 da caixa e observe novamente o valor na porta A1, suponhamos que agora ele diminua para 470. Lembrando que a conexão inversa dos cabos nas portas 5V e GND fará com que o valor aumente ao invés de diminuir.

Repita o procedimento para os outros botões, sempre anotando o valor observado. Depois dessas observações é possível fazer a programação, para isso clique no ícone variáveis no canto superior esquerdo e em seguida crie uma variável que chamaremos de 'tela'.

Figura 06: Caixas de blocos do Scratch (ACERVO PESSOAL 2018).

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Agora que a variável foi criada faremos a programação da leitura dos botões. Em controle clique na caixa 'sempre' para que o programa sempre teste se algum botão é pressionado. Em seguida, ainda em controle, encaixe a função 'se'. Essa função faz o teste lógico para saber se há algum botão pressionado.

Clique no ícone movimento e pegue a caixa valor do sensor analógico. Não se esqueça de colocar a porta analógica que está sendo utilizada, ,por exemplo, a porta A1.

Clique no ícone operadores e pegue o operador maior ou menor. Encaixe os blocos de maneira que fique da seguinte forma:

490 - maior - valor sensor analógico A1 - maior 450

Colocando esse conjunto de blocos dentro da caixa do controle 'se' o Scrach entenderá que quando a leitura da porta estiver entre 450 e 490, que é o caso do botão 1, algo deve acontecer. Esse algo será alterar o valor da variável 'tela' para tela 1, fazendo com que o primeiro ícone do celular seja pressionado. Para isso clique em variáveis e depois em alterar variável 'tela' para 1. Esta ideia pode ser utilizada para os outros botões da caixa fazendo com que cada um mude a

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tela do celular. A figura 7 mostra a programação de leitura dos botões e a figura 8 um exemplo de programação para o jogo 'Pong Master'.

Figura 07: programação da mudança de telas através dos botões da caixa (ACERVO PESSOAL 2018).

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Figura 08: programação da tela de jogo (ACERVO PESSOAL 2018).

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## Resultados

Como dito anteriormente existem algumas interfaces importantes que ajudam o aluno a se conectar diretamente com o ensino e seu cotidiano,

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transformando o estudante em um agente de construção do conhecimento, interpretando e internalizando a linguagem simbólica tão importante na Física (CAVALCANTE, TAVOLARO &amp; MOLISANI, 2011). A partir desta citação nosso projeto se baseia em um trabalho com o Arduíno que é baseado num micro controlador muito versátil que potencializa suas funções para além de uma simples interface passiva de aquisição de dados, podendo operar sozinha no controle de vários dispositivos e tendo assim aplicações em instrumentação embarcada e robótica. Todo o projeto eletrônico, incluindo a plataforma para o desenvolvimento dos programas de controle é de acesso público e gratuito (SOUZA et al. , 2011).

O experimento então foi aplicado em sete turmas do segundo ano do Ensino Médio de um Colégio Particular em São Paulo. Inicialmente foi feita uma demonstração do funcionamento da caixa e como ela seria utilizada para fazer o celular funcionar. Em seguida os alunos começaram a utilizar o experimento por conta própria. Ouviram músicas na pasta 'música', jogaram o jogo na pasta 'jogos'. Então o interesse dos alunos em questionar o funcionamento daquele dispositivo começou.

Em seguida foi discutido algumas das desvantagens da tela resistiva, isso pode ser feito no jogo 'pong master' para dois jogadores. Os alunos perceberam que o pressionamento de um botão impedia o funcionamento do outro botão quando eles eram pressionados ao mesmo tempo. Esse é um dos principais problemas das telas resistiva, já que não é possível fazer a leitura da tela em dois lugares ao mesmo tempo tornando impossível algumas funções dos celulares modernos como o zoom. Alguns alunos altamente interessados questionavam como as novas telas funcionam e se era possível fazer um dispositivo que simulasse esse tipo de tela.

Finalmente a discussão terminou com a proposta dos alunos montarem a própria tela de duas dimensões ou de criar novas funções para o celular pela programação. Alunos interessados em uma possível carreira na área de ciências da natureza se mostraram altamente receptivos a continuar o projeto tendo como base este experimento.

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## Conclusão

O ensino de Física por meio de novas tecnologias permite a aproximação do conhecimento científico com a prática (ARAUJO &amp; BRAGA, 2017). Nessa perspectiva o uso do Arduino e do Scratch são essenciais, pois permitem não só que as demonstrações de experimentos se tornem mais lúdicas, como também possibilita que os próprios alunos criem novas ferramentas ou recursos tecnológicos utilizando o conhecimento científico visto em sala de aula. Com a aplicação do experimento foi possível verificar que os alunos se sentiam com mais curiosidade por perceber o funcionamento de uma ferramenta presente no cotidiano. A discussão sobre as telas resistivas não serem mais utilizadas por inúmeras desvantagens comparadas às capacitivas mostra que a tecnologia, assim como a ciência, está em constante mudança e aprimoramento. Já a possibilidade de criar o próprio programa e outras possibilidades de circuitos possibilita a capacitação de habilidades importantes como a lógica e a criatividade. A experiência não só teve um bom resultado como também abriu novos horizontes para a aplicação do conhecimento científico.

## Referências

ALVES, R. M.; SILVA, L. C., PINTO, M. C. Uso do Hardware livre em ambientes de ensino-aprendizagem. Jornadas de atualização em informática na educação , 2012.

ARAÚJO, H. A. B.; BRAGA, M. L. Ensino de ciências da natureza e arduino: Uma proposta de interface para facilitar práticas experimentais. Revistas de tecnologia na Educação , v. 21, n.21, 2017.

CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C.; MOLISANI, E.. Física com Arduino para iniciantes. Revista Brasileira do Ensino de Física , v. 33, n. 4, 2011.

DREAM INC. Interruptores - Mini Botão de Pressão. Disponível em http://www.dreaminc.com.br/sala\_de\_aula/9b-interruptores-mini-botao-de-pressao/ . Acesso em 09 de setembro de 2018.

FUVEST 2017. Disponível em

http://acervo.fuvest.br/fuvest/2017/fuv2017\_2fase\_dia3.pdf . Acesso em 09 de setembro de 2018

LIMA, J. R. T.; FERREIRA, H. S. Uma revisão das produções científicas nacionais sobre o uso da robótica no ensino de Física. Tecnologias de informação e comunicação na educação em ciências, 2015.

MARTINAZZO, C. A.; TRENTIN, D. S.; FERRARI, D Arduino: uma . tecnologia no Ensino de Física. Perspectiva , Erechim, v. 38, n. 143, p. 21-30 , 2014.

SOUZA, A. R.; PAIXÃO, A. C.; UZÊDA, D. D A placa Arduino: uma opção . de baixo custo para experiências de Física assistidas pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 33, n.1, 1702 , 2011.

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