ARDUINO E ENSINO DE FÍSICA: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE TERMODINÂMICA

## ARDUINO E ENSINO DE FÍSICA: UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE TERMODINÂMICA

## Bruna de Andrade Pereira , João Paulo Fernandes 1 2

1 CEFET-UnEd Petrópolis, brunaandradep159@gmail.com 2 CEFET-UnEd Petrópolis, jpaulof2001@yahoo.com.br

## Resumo

O presente trabalho foi desenvolvido com o intuito de promover um ensino de física interativo a partir de uma proposta de atividade experimental usando plataforma arduino. Com essa proposta pretendemos aumentar o interesse dos alunos tanto pela física, quanto por aspectos relacionados a plataforma, auxiliando assim o processo de ensinoaprendizagem. As tecnologias estão presentes no dia a dia dos alunos, neste sentido o seu uso pode estimulá-los e levá-los a aprendizagem no contexto do ensino de Física. Barroqueiro e Amaral (2011) afirmam que as TICs podem propiciar uma melhora no processo ensino-aprendizagem em sala de aula e o uso do Arduíno pode contribuir nesse sentido. A ideia de criar este projeto surgiu a partir de uma disciplina do curso de Licenciatura em Física (Oficina de Projeto de Ensino de Física Térmica) da instituição CEFET/RJ - Campus Petrópolis, quando apresentamos um projeto de ensino, tendo como base o uso arduino para temas de física térmica. Partimos da necessidade de se buscar novas ferramentas de trabalho para o professor, uma vez que o modelo tradicional de ensino, baseado na noção de um professor como transmissor do conhecimento e os alunos são apenas receptores tem se mostrado insuficiente para dar conta dos desafios postos pela educação escolar. O projeto visa, tanto para o professor, quanto os alunos, uma aproximação maior com conteúdos relativos à programação e a física tendo como base teórica o uso de TICs. Desta forma, apresentando para os alunos e para o professor uma plataforma de baixo custo e versátil como um experimento diferenciado para o ensinoaprendizagem dos conteúdos apresentados. Neste sentido uma a próxima etapa será desenvolver esta atividade em uma sala de aula no contexto do ensino médio com o objetivo de analisar as possíveis contribuições geradas para o aprendizado dos alunos envolvidos e os resultados serão apresentados em trabalhos futuros.

Palavras-chave : arduino; ensino de física;; termodinâmica.

## Introdução

As tecnologias estão presentes no dia a dia dos alunos. Neste sentido o uso de tais tecnologias podem estimulá-los e levá-los a aprendizagem no contexto do ensino de Física. Barroqueiro e Amaral (2011) afirmam que as TICs podem propiciar uma melhora no processo ensino-aprendizagem em sala de aula e o uso do arduino pode contribuir nesse sentido.

O arduino é uma plataforma de baixo custo, onde a pessoa que usa essa ferramenta tem diversas opções de programação para fazer com esta plataforma, desde apenas acender um LED até construções de robôs ou automações de residências.

Pensamos que o uso do arduino pode gerar mais interesse nas aulas e até mesmo aumentar o interesse de alunos por aspectos relacionados à ciência.

Todos os dias, lidamos com a tecnologia, porém na grande maioria dos casos não entendemos como elas funcionam, e proporcionar esse entendimento, mesmo que de maneira básica para os alunos pode ser um incentivo para aumento

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de interesse nessa área que é tão temida por muitos, porém fica a cargo do professor equilibrar essa dinâmica. É importante destacar que

A melhor maneira de estimular os alunos nascidos no berço da tecnologia é a utilização da mesma como uma ferramenta de ensino e aprendizagem. A utilização da plataforma Arduino como recurso pedagógico proporciona o interesse dos alunos em disciplinas consideradas ' difíceis ' como matemática e física, trazendo uma nova forma de aprendizado. (MOREIRA, SILVIA e FERREIRA, 2017, p. 2).

Neste trabalho apresentamos uma proposta diferente para ensinar conceitos básicos da termodinâmica: calor, temperatura, sensação térmica e lei zero da termodinâmica. Ao longo das aulas, serão descritos experimentos, onde os alunos poderão ter uma aplicação prática dos temas que serão trabalhados.

Os conceitos calor e temperatura foram escolhidos pois, muitos alunos, mesmo após ter um primeiro contato com tais os conceitos possuem muitas dificuldades, reproduzindo concepções errôneas, concepções estas que em muitas

vezes também são encontradas em livros didáticos

Em muitos livros, principalmente os de Química e de Física introdutória, são utilizadas expressões infelizes, referindo-se, por exemplo, ao calor de um corpo como se o calor fosse uma propriedade do corpo; ou ainda empregam termos como energia térmica , por meio de um conceito indefinido, muitas vezes obscuro e ambíguo . (SILVA, 2008, apud CINDRA e TEIXEIRA, 2004, p. 179)

Pensamos que essa preocupação com a inserção de novas tecnologias no contexto escolar é fundamental, já que vivemos em uma era que é constantemente chamada de 'era tecnológica'. Entendemos que a escola tem que acompanhar essa evolução e neste sentido projetos desta natureza podem ser úteis no sentido de acompanhar essas novas tecnologias. Por esse motivo trabalhar esses conceitos, junto de uma plataforma como o arduino, pode ser um facilitador.

## O Arduino dentro de sala de aula

A plataforma arduino é uma placa de prototipagem eletrônica de código aberto. O projeto, surgido na cidade de Ivrea, na Itália, em 2005, inclui hardware e software livre e visa oferecer ferramentas adaptáveis e de baixo custo para a criação de projetos interativos de diversas ordens. Uma placa Arduíno é composta, basicamente, por um controlador Atmel AVR (Em português, regulador automático de tensão) de 8 bits, uma interface serial ou USB e alguns pinos digitais e analógicos.

Assim, a partir desses componentes, ela pode servir tanto para o desenvolvimento de projetos interativos como ser conectada a outro computador. Em suma, o Arduíno é uma plataforma sobre a qual serão construídos outros equipamentos.

O arduino poderá ser trabalhado com os alunos de uma forma simples. O responsável pelo experimento é o professor, já que na maioria dos casos, não teríamos arduinos para todos os alunos e nem computadores para que os programas sejam montados. Então seria trabalho do professor, após de introduzir os conceitos de temperatura, calor e sensação térmica com os alunos, de apresentar essa plataforma, explicando o básico do funcionamento da programação, ou seja, explicar como o arduino faz o que ele faz desde a montagem ao código.

O experimento consiste em um projeto montado para medir a temperatura de

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dois recipientes com água, em temperaturas diferentes junto de um termômetro comum, para podermos comparar a eficiência do arduino como medidor de temperatura com o auxílio do sensor. Neste sentido os materiais necessários são:

## Matérias necessários 1

- ● Protoboard: Consiste numa placa com uma matriz de contatos que permite a construção de circuitos experimentais sem a necessidade de solda, permitindo com rapidez e segurança desde uma alteração de posição de um determinado componente até sua substituição. Preço: de 15,00 à 100,00 reais
- ● Jumper é um pequeno condutor utilizado para conectar dois pontos de um circuito eletrônico. São geralmente utilizados para configurar placas de circuitos, como placas-mãe de computadores. Preço: de 15,00 à 90,00 reais
- ● Sensor de temperatura DS18B20 : Pode efetuar leituras com precisão de até ±0,5 ºC, e enviar as informações para o microcontrolador utilizando apenas 1 fio. Preço: de 12,00 à 25,00 reais
- ● Potenciômetro: É um componente eletrônico que cria uma limitação para o fluxo de corrente elétrica que passa por ele, e essa limitação pode ser ajustada manualmente, podendo ser aumentada ou diminuída. Preço: de 2,00 à 5,00 reais.
- ● LCD: Com ele você pode exibir duas linhas de texto com até 16 caracteres. Isso permite que você exiba mensagens de texto para o usuário ou dados de sensores, por exemplo. Preço: de 16,00 à 50,00 reais.
- ● Resistores (No caso foram usados resistores 4,7K : A função do resistor é limitar o fluxo de corrente elétrica que passa por ele, e a essa limitação se dá o nome de resistência, medida em ohms, e ela define qual a facilidade ou dificuldade que os elétrons terão que enfrentar para passar pelo resistor. Preço: de 2,00 à 25,00 reais.

Nesta lista se incluem o próprio arduino ( Preço: de 15,00 à 200,00 reais), e um cabo UBS para ligá-lo ao computador.

## Montagem do experimento e código

De início as configurações do funcionamento do arduino podem ser complicadas, porém atualmente, existem várias formas para começar a aprender o arduino, tanto por meio de cursos pagos, quanto por meios gratuitos, como por exemplo, por meio de vídeos no Youtube². Primeiramente começaremos pela montagem do experimento com o arduino. O sensor que usaremos possui 3 fios para ligação ao arduino: vermelho vai no 5V do arduino, o fio preto vai no GND que é o terra do arduino e amarelo que funcionará como o sinal ( dados ) que irá na porta 3 do arduino como entrada.

Para melhor visualização dos dados, utilizamos um display 16×2, com um potenciômetro de 10K para ajuste do contraste. Um detalhe importante é o resistor pull-up de 4,7K. Sem ele, o sensor não será detectado pelo programa. Abaixo segue

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uma ilustração da montagem, com fins de facilitar o entendimento da mesma. Geralmente, em algumas montagens é capaz de você achar diagramas simples para mostrar como é feita a montagem, e não uma ilustração mais completa como a figura abaixo:

Figura 01: Montagem ilustrativa do projeto, retirado do site FelipeFlop.

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Figuras 02: Montagem feita pela graduanda em licenciatura em física Bruna de Andrade do projeto.

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O código para este experimento foi retirado do site FelipeFlop que estará nas referências para consulta do mesmo. Aqui, trataremos o código de uma forma mais simplificada, que dará um suporte básico para o entendimento da montagem do experimento.

Muitos códigos de projetos que são feitos com o arduino usam as bibliotecas auxiliares, já que as bibliotecas são programas já prontos que são compartilhados pelos seus criadores para que toda a comunidade do arduino possa usá-la, sem ter que criar uma biblioteca nova, toda vez que for fazer um novo projeto.

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No caso do nosso código, por exemplo, OneWire.h é responsável pelo sensor de temperatura que estaremos usando. Também estaremos variáveis globais de temperaturas máximas e mínimas para armazenar as temperaturas. E o LiquidCrystal que é a biblioteca que estaremos usando para o monitor LCD, junto com os seus pinos, que diz que os pinos do LCD estão conectados nos pinos 12, 11, 7, 6, 5 e 4 do arduino.

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void setup() { : Declaração que irá começar o Setup do programa. O parte do setup deste código, faz um reconhecimento do sensor antes do loop infinito.

O monitor serial é uma parte onde você pode ver na tela do seu computador os dados recolhidos durante o experimento. No caso desse experimento, foi optado colocar um monitor LCD para podermos visualizar a coleta na própria montagem, ao invés de vê-la apenas pelo computador.

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```
→→ Comando delay Inicio do comando void loop
```

void loop() : De modo análogo ao setup, com o comando ao lado dizemos que irá começar o loop do programa, ou seja, o programa principal que ficará rodando por tempo indeterminado. Ou seja, ele ficará medindo a temperatura pelo sensor, infinitamente. Delay é mais uma função pronta de seu arduino. O número que for inserido entre os parêntesis será o valor, em milissegundos, que o arduino irá esperar para seguir para a próxima instrução. No caso, temos um delay de 3000 milissegundos, ou seja, uma espera de 3 segundo para executar a próxima instrução.

## Conteúdo das aulas, desenvolvimento e avaliação.

O objetivo com tal proposta é trabalhar os conceitos de calor, temperatura e sensação térmica com os alunos e também apresentar uma pequena introdução à programação para o entendimento da atividade que será desenvolvida.

Pensamos que no início da aula pode ser desenvolvida uma atividade de perguntas e respostas para verificar o conhecimento prévio a respeito dos conceitos. Como sugestão de perguntas temos, por exemplo: 'O que vocês entendem quando eu digo: estou sentindo calor hoje ou minha temperatura está baixa hoje.', com o intuito de estimular a curiosidade de todos sobre o tema.

Pensamos que uma sequência pode auxiliar o professor a estruturar a atividade. A sequência tem por objetivo mobilizar as dimensões conceituais (aspectos relacionados aos conceitos da termodinâmica), atitudinais ( o que se espera de alunos e professor no desenvolvimento da atividade) e procedimentais ( orientações sobre como trabalhar em sala de aula). Neste sentido apresentamos o quadro abaixo para que o professor possa tomar como base, realizando as alterações que sejam necessárias.

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Quadro 01: Sequência Didática .

A sequência didática apresentada pode ser desenvolvida em 4 etapas conforme podemos observar na tabela pensando em duas aulas consecutivas de 50 minutos para cada etapa. Com isso o professor precisar de no mínimo de 8 aulas.

A avaliação poderá ser dada pelas apresentações dos alunos, confecção do experimento, por relatório, cooperação durante as apresentações dos colegas, respeito enquanto o colega apresenta seu trabalho. O grupo pode ser avaliado em grupo e individualmente.··.

## Conclusão

A atividade aqui proposta aponta o uso do arduino como ferramenta de aprendizagem capaz de unir o lúdico ao educativo. Este trabalho remete o uso de tecnologias da informação e comunicação (TICS) no contexto de sala de aula e se constitui como uma alternativa de ensino no contexto das aulas de física. Pensamos que ao mesmo tempo torna-se uma atividade desafiadora tendo em vista o caráter inovador.

- O arduino é uma plataforma acesso gratuito e de grande aprendizado, que pode ser usado em diversas disciplinas, de diversos modos e que pode ajudar a desenvolver a curiosidade sobre os conceitos estudados. Entendemos que essa é uma ferramenta que pode auxiliar na melhoria do ensino de Física.

Enfatizamos que este trabalho se constitui como uma proposta de ensino que ainda não foi desenvolvida em sala de aula. Neste sentido uma a próxima etapa será desenvolver esta atividade em uma sala de aula no contexto do ensino médio com o

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objetivo de analisar as possíveis contribuições geradas para o aprendizado dos alunos envolvidos e os resultados serão apresentados em trabalhos futuros.

## Agradecimentos

Agradecimento da autora principal Bruna de Andrade ao co-autor e professor João Paulo Fernandes, pela oportunidade e apoio. Aos alunos da disciplina de oficina de projeto de ensino de física térmica de 2018.1 dos professores João Paulo Fernandes e José Eduardo Ramalho da instituição CEFET/RJ - Campus Petrópolis, que foram os primeiros a serem apresentados o presente artigo em forma de projeto, ao professor Alexandre Pinheiro do CEFET/RJ Campus Petrópolis, pelas orientações durante a montagem do experimento, e agradecimentos à todos os envolvidos neste artigo.

## Referências

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BARROQUEIRO, C.H.; AMARAL, L.H. O uso das tecnologias da informação e da comunicação no processo de ensino-aprendizagem dos alunos nativos digitais nas aulas de Física e Matemática. Revista de Ensino de Ciências e Matemática, v. 2, n. 2, p.123-143, 2011.

OFICINA DE ROBÓTICA . Programação com o arduino - Módulo Básico. UFSC, 2018. Disponível em:

http://oficinaderobotica.ufsc.br/files/2013/04/Programa%C3%A7%C3%A3o-emArduino-M%C3%B3dulo-B%C3%A1sico.pdf &gt;. Acesso em: 21 junho. 2018.

FIOLHAIS, C. e TRINDADE, J. Física no Computador: o Computador como uma Ferramenta no Ensino e na Aprendizagem das Ciência Física. In: Revista Brasileira de Física, v. 25, n. 3, p. 259-272, 2003.

MEDEIROS, A. e MEDEIROS, C. F. Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino de Física. In: Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, p. 77-86, 2002.

SILVA, O. H. M.; LABURU,C. E.; NARDI, R.. Reflexões para subsidiar discussões sobre o conceito de calor na sala de aula. Cad. Bras. Ens. Fís., v. 25, n. 3: p. 383396, dez. 2008

THOMSEN, A.. Medindo temperatura debaixo d'água com DS18B20. Felipe Flop, junho de 2015. Disponível em: https://www.filipeflop.com/blog/sensor-detemperatura-ds18b20-arduino/ &gt;. Acesso em: 21 junho. 2018.

MOREIRA, R.; SILVA, C.; FERREIRA, L.. A UTILIZAÇÃO DA PLATAFORMA ARDUINO EM SALA DE AUKA: Um estudo de caso. 9ª Jornada científica e tecnológica do IFSULDEMINAS, p. 2, 2017.

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