PRODUÇÃO DE MATERIAIS PARA AS OFICINAS DE ROBÓTICA

## USO DE MATERIAIS DE BAIXO CUSTO PARA OFICINAS DE ROBÓTICA

## Laura Tissi¹, Gabriel Silva Santos², Lucas Soncim³, Marcella Kitzinger 4 , Danielle Martins Tostes 5 , Sidnei Percia da Penha 6

- 1 Instituto de Física - UFRJ, laura.tracierra@gmail.com
- 2 Instituto de Física - UFRJ, gbeilsantos15@gmail.com
- 3 Instituto de Física - UFRJ, soncimluc10@gmail.com
- 4 Instituto de Física - UFRJ, kitzinger.marcella@gmail.com
- 5 Instituto de Física - UFRJ, dmtostes@gmail.com

6 CAp-UFRJ/Mestrado Profissional em Ensino de Física - IF UFRJ, sidnei.percia@if.ufrj.br

## Resumo

Com o desenvolvimento das tecnologias, a robótica educativa tem desempenhado um papel cada vez mais importante nas salas de aula. Um dos desafios encontrados na implementação dessa atividade é o custo dos materiais utilizados. A principal motivação deste trabalho é buscar materiais alternativos, reduzindo os custos e buscando uma maior autonomia na execução dos projetos. Isso facilitaria a implementação destas atividades em escolas da rede pública. Apresentamos aqui alguns aspectos da confecção de materiais utilizados na elaboração das Oficinas de Acionamento e Robótica do CAp da UFRJ. Nestas oficinas, os estudantes são desafiados a trabalharem colaborativamente no desenvolvimento de projetos que exigem a utilização de microprocessadores para gerenciamento de componentes e circuitos eletrônicos e eletromecânicos bem como para montagem de sua estrutura e controle. Foram utilizados materiais de baixo custo, como objetos reciclados, sucatas e peças feitas pelos próprios monitores do projeto. O uso dessas peças adaptadas possibilitou uma maior criatividade e liberdade na criação dos protótipos e sua reutilização em um protótipo novo.

Palavras-chave : Robótica Educativa, Ensino por Investigação, Oficina de Robótica

## Introdução

Neste tempo em que temos um grande desenvolvimento e facilidade no acesso às tecnologias, torna-se cada vez mais propícia a utilização da Robótica Educativa como forma de despertar nos estudantes o interesse pelo conhecimento científico e incentivar a criação de um ambiente de pesquisa colaborativa. Neste tipo de atividade, é comum o uso de kits prontos de padrão comercial que, por seu custo, acabam tornando um desafio, a sua implementação principalmente em salas de aula da rede pública de ensino. Propomos, então, a utilização de materiais alternativos de modo a reduzir os custos associados às atividades de Robótica Educativa e buscar uma maior autonomia na execução dos projetos.

Esses materiais foram utilizados nas Oficinas de Acionamento e Robótica que vem sendo realizadas no Laboratório Didático de Ensino de Física (LaDEF), localizado no Colégio de Aplicação (CAp) da UFRJ. Elas têm como público alvo estudantes do nono ano do ensino fundamental e do ensino médio. Nestas oficinas os estudantes devem ter uma participação ativa na construção de conhecimentos físicos que envolvam a construção de protótipos robóticos e uso de

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microprocessadores para gerenciamento de componentes de circuitos eletrônicos e eletromecânicos bem como para montagem de sua estrutura e controle.

Neste artigo apresentaremos algumas características dos materiais e ferramentas utilizados nas oficinas bem como os referenciais que fundamentam as atividades desenvolvidas.

## Referencial Teórico

## Ensino por Investigação

Todas as atividades destas oficinas foram desenvolvidas seguindo uma abordagem investigativa. Carvalho (2013) destaca que esta abordagem está fundamentada nos princípios de Piaget, Vygotsky e nas reflexões teóricas sobre a necessidade de promoção a Alfabetização Científica e Tecnológica dos estudantes. Segundo Piaget, ' qualquer novo conhecimento tem origem em um conhecimento anterior' e, portanto, é importante apresentar um problema para o início da construção de um novo conteúdo (Carvalho, 2013). Assim atividades que atendam estas recomendações devem criar condições para que o estudante possa, a partir de sua interação com os objetos da investigação, construir seu próprio conhecimento. Para Carvalho, Vygotsky destaca que os artefatos culturais exercem grande importância para o desenvolvimento de relações humanas. Segundo o autor, o maior artefato cultural é a linguagem, e o uso deste artefato é transformador e singular, já que ela é única em cada sala de aula. Como membro ativo da sociedade que compõe a turma, cada aluno tem uma forte ligação com esse artefato, logo, todas as hipóteses vindas de colegas de turma têm um grande peso no processo de aprendizagem. Por isso, as oficinas são sempre realizadas em trios.

Esta abordagem coloca o estudante no lugar de protagonista da construção do seu conhecimento. Cabendo ao professor promover situações nas quais os estudantes possam interagir com os objetos da investigação bem como envolvê-los em atividades dialógicas de argumentação para propor, defender e testar suas hipóteses.

## Robótica Educativa

A robótica educativa tem por objetivo utilizar a construção de protótipos robóticos como ferramenta do processo de ensino-aprendizagem. A partir disso, diversos conceitos de várias disciplinas podem ser abordados utilizando a parte técnica da robótica, o desenvolvimento da parte mecânica e eletrônica para associar aos conteúdos. A Robótica Educativa se torna mais efetiva e atraente porque além de se ampliar as possibilidades de recursos digitais associa-se a este processo o design, concepção, construção, e o controle via computador de dispositivos que os próprios alunos podem desenvolver e compartilhar com seus colegas via rede (d'Abreu et al , 2012)

Nesta abordagem, o estudante desenvolve teorias relacionadas ao assunto abordado, tem a possibilidade de interagir com os objetos para a construção dos protótipos, com os seus pares e seu professor. Nas etapas de planejamento e montagem os estudantes elaboram e testam suas hipóteses e tem a possibilidade de analisar outros protótipos desenvolvidos pelos demais grupos de estudantes fazendo uma discussão do que pode ter dado certo ou errado na construção dos protótipos.

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Assim, o estudante é parte ativa do processo, não agindo apenas de forma operacional mas relacionando a teoria e os conceitos abordados para a robótica. Com isso, o processo passa a dar um significado para o que está sendo feito, fazendo parte da inserção na cultura científica.

## Oficinas de Acionamento e Robótica

Iniciadas no ano de 2016, as 'Oficinas de Acionamento e Robótica' são desenvolvidas com estudantes do colégio de aplicação da UFRJ. Neste projeto, os estudantes são desafiados a elaborar atividades que envolvam o uso de materiais eletrônicos e eletromecânicos na elaboração de protótipos robóticos. Assim estas atividades podem exigir que os estudantes elaborem atividades relacionadas: a elaboração de circuitos eletrônicos e eletromecânicos, a construção das estruturas mecânicas de sustentação dos robôs e a programação necessária para seu controle. Estas atividades são consideradas o tripé da robótica. Assim cada nível das oficinas pode trabalhar conjuntamente essas três áreas. Atualmente estão sendo oferecidas duas oficinas e a terceira é um projeto ainda em construção.

Todas as atividades e conceitos abordados foram organizados em um material teórico apostilado que é fornecido aos estudantes. Através deste material os alunos devem acompanhar o andamento das aulas e fazer suas anotações durante as atividades, sendo elas teóricas ou práticas.

Para uma melhor análise dos acontecimentos da oficina, todas as aulas são filmadas. Com isso, podemos entender melhor os episódios de ensino que ocorrem na sala de aula para observar como os alunos interagem com os materiais e desafios da oficina a fim de melhorar não só as aulas, como também as propostas.

A primeira oficina tem ênfase maior nos conceitos físicos relacionados a robótica, como resistência elétrica, circuitos elétricos além de outras questões como equilíbrio que é algo que permeia todos os protótipos. Ainda na primeira oficina é apresentado ao estudante todas as ferramentas e peças mecânicas que serão manuseadas durante o projeto. Fios, interruptores, resistores, lâmpadas, porcas, parafusos, chaves de fenda e de boca são alguns dos elementos necessários para essas oficinas.

A oficina 1 é muito importante porque a maioria dos estudantes nunca tiveram contato com mecânica e/ou eletrônica. Tanto em seu manuseio, quanto em seu funcionamento. Não é exigido nenhum conhecimento prévio dos estudantes para participarem nestas oficinas. Então, considerando-se tudo isso, eles vão progredindo a cada tarefa. Nesta oficina os alunos utilizam ferramentas e diversos equipamentos eletromecânicos (Ver figura 01) para o desenvolvimento de projetos tais como: ventiladores de mesa, guindastes e, na última atividade, o carro que participará de uma grande competição envolvendo todos os conceitos até então estudados.

Para a oficina 2, é necessário que o estudante tenha passado pela oficina 1, mas não é exigido dele nenhum contato prévio com programação. Neste momento, esta chega aos trabalhos dos estudantes a fim de automatizar e possibilitar funções e ações para os protótipos que até então não eram possíveis. Sendo assim, é preciso iniciar com os elementos mais básicos. As oficinas começam com atividades simples, como por exemplo, fazer um LED piscar, e avançam até atividades mais

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complexas como desenvolver e controlar um protótipo de um robô seguidor de linha capaz de identificar obstáculos (Ver figura 02), contorná-los e voltar a seguir a linha.

Para a execução desta oficina é necessária a utilização de placas microprocessadoras controladoras de elementos eletrônicos. A placa escolhida no projeto foi a Arduino Uno, porque é um dos modelos mais baratos com as funções requeridas que permitem a reutilização da mesma placa em vários projetos, gerando uma economia a longo prazo. Além da Arduino Uno, também são usados os computadores do LaDEF, onde os estudantes fazem a programação da placa, os kits de eletrônica e mecânica do projeto.

Figura 01: Kits de eletrônica e mecânica.

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Figura 02: Robô seguidor de linha, capaz de desviar de obstáculos.

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## Os materiais utilizados

As oficinas necessitam de elementos eletrônicos e mecânicos já citados para a realização das atividades. Porém, devido ao custo do material de robótica educativa, decidiu-se que os materiais poderiam ser barateados. Considerando isso, o material de mecânico é produzido a partir de perfis de alumínio (Ver figura 03), que é uma matéria prima mais barata e mais maleável para o processo necessário. Esse movimento foi preciso, principalmente, para que se possa atingir o público-alvo que são os estudantes e professores das redes públicas de ensino. Nem tudo na oficina pode ser barateado, então parte dos materiais continua sendo comprada, como earl rings, parafusos e porcas, porém estes têm um valor bem mais baixo que o resto das peças. Além disso, outros componentes são reaproveitados de outros dispositivos, como as ventoinhas retiradas de computadores velhos do colégio que servem de pás para o protótipo do ventilador de mesa, projeto da oficina 1. Os estudantes quando pensam em seus trabalhos através da robótica educativa têm a disposição os materiais do projeto, e estes são reutilizados após a finalização de cada projeto.

Os objetos como cantoneiras, hastes, eixos, barras e chapas metálicas (cada um com quantidades variadas de furos) são os produzidos na oficina mecânica. Para esta tarefa foi utilizada uma furadeira de mesa na qual são confeccionados as peças depois de fazer marcações nos perfis e uma serra para determinar o comprimento de cada cantoneira.

O processo (Ver figura 04) consiste em furar os perfis, já cortados em seus tamanhos específicos, com 3 tipos de brocas diferentes. As brocas não precisam ter tamanhos específicos e sim apenas uma ordem crescente entre si. A primeira broca é a menor de todas e tem a função de puramente atravessar o perfil. A segunda broca precisa ser maior que a primeira e ela vai determinar o tamanho final de cada furo. Nós usamos a segunda broca de mesmo diâmetro que nossos parafusos para que as peças possam se comunicar com perfeição. E a terceira broca é a maior de todas, ela não vai atravessar o perfil e sim dar um acabamento nos dois lados dos furos. Além disso, ela serve para retirar as rebarbas do alumínio que são geradas durante o uso das duas últimas brocas. Dessa forma a superfície de cada furo fica lisa e não machuca as mãos de quem está utilizando as peças.

O processo, pode ter algumas falhas, já que a marcação nos perfis é feita manualmente. Durante a realização dos furos, pode ser que a broca deslize um pouco na superfície do alumínio, ou a marcação não esteja exatamente alinhada. De qualquer forma, isso pode afetar o alinhamento dos furos nas peças, porém esses problemas não são comuns. O processo é trabalhoso e pode ser relativamente demorado dependendo da quantidade de peças necessárias para a produção, porém, de fato barateia muito o projeto a ponto de possibilitá-lo existir dentro de um colégio público, por exemplo. Além disso, é possível observar que os estudantes interagem muito usando a ciência em seus protótipos não apenas nos conceitos teóricos envolvidos como também na elaboração de um pensamento científico através da formulação de hipóteses, com isso já precisando planejar previamente o protótipo, e então definindo então quais peças usar e como usar aplicando os conceitos físicos envolvidos para enfim conseguir completar a atividade proposta.

Os materiais eletrônicos também se fazem muito presentes nas duas oficinas e suas peças em geral têm um baixo valor, assim como algumas mecânicas. Porém, diferente dos materiais mecânicos, as peças eletrônicas são bem mais frágeis e porque objetos com jumpers, LEDs e suportes de pilhas, simplesmente não

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têm conserto portanto é importante tê-los em grandes quantidades. Em contrapartida, são usadas chaves para controlar os motores e elas têm conexões frágeis que podem ser soldadas para fazer a conexão uma vez e dessa forma preservá-las por mais tempo. Um grande desafio encontrado para o projeto é que como os materiais são de baixo custo e sucatas, os componentes mais sensíveis como os suportes de pilha são ainda mais delicados na hora de fazer a manutenção quando surge algum problema.

Figura 03: Cantoneiras de alumínio antes de serem furadas.

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Figura 04: Produção de peças mecânicas.

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## Conclusão

No Projeto de Robótica do CAp da UFRJ, os estudantes nas primeiras atividades começam a interagir com os materiais e, conforme vão evoluindo, passam a usar instrumentos mais complexos, com funções mais específicas voltadas para determinada atividade que tem o intuito de relacionar questões práticas com os tópicos da física que são abordados.

Uma vez que os guias para as atividades das oficinas são os tópicos da física que podem ser abordados através deste material, é correto dizer que o projeto necessita dos assuntos físicos ao passo que também introduz os alunos numa realidade nova não apenas na forma de entender a própria física, como também no modo de aprender sobre algo.

Os materiais utilizados na oficina geralmente são mais baratos que os convencionais de robótica educativa, graças ao fato também de utilizarmos sucatas e materiais reciclados. Materiais estes que a equipe de monitores, com o auxílio do professor orientador, recolhe as peças para a montagem dos protótipos e forneça alternativas para a reutilização de componentes danificados durante as oficinas. Conclui-se que a elaboração de materiais de baixo custo é essencial para que o projeto se expanda para outras instituições de ensino público, pois o preço é um dificultador da implementação da oficina em outras escolas. Com isso, é importante a divulgação das técnicas feitas para diminuir o custo da oficina e fazer com que ela chegue a mais estudantes.

## Referências

BORGES, A. T. Novos Rumos para o Laboratório Escolar de Ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v.19, n. 3, dez. 2002.

CAPECCHI, M. C. V. M.; CARVALHO, A. M. P. Atividade de laboratório como instrumento para a abordagem de aspectos da cultura científica em sala de aula. Pro-Posições, v. 17, n. 1 (49) - jan./abr. 2006

CARVALHO, A. M. P. . O Ensino de Ciências e a proposição de sequências de ensino investigativas. In: Anna Maria Pessoa de Carvalho. (Org.). Ensino de Ciências por Investigação. 1 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2013, v. 1, p. 1-20.

D'ABREU, J. V. V.; RAMOS, J. J. G.; MIRISOLA, L. G. B.; BERNARDI, N. Robótica Educativa/Pedagógica na Era Digital. In: II Congresso Internacional TIC e Educação, 2012, Lisboa. Atas do II Congresso Internacional TIC e Educação, Lisboa: Instituto de Educação da Universidade de Lisboa, 2012, p. 2449-2465. Disponível em: &lt;http://ticeduca.ie.ul.pt/atas/pdf/158.pdf&gt;. Acesso em 13 de julho de 2018.

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