LABORATÓRIO REMOTO DE CIÊNCIAS: ASPECTOS DA CONSTRUÇÃO DE UM EXPERIMENTO SOBRE PROCESSOS RADIATIVOS

## LABORATÓRIO REMOTO DE CIÊNCIAS: ASPECTOS DA CONSTRUÇÃO DE UM EXPERIMENTO SOBRE PROCESSOS RADIATIVOS

## Isabela Dutra de Oliveira 1 , Thiago Costa Caetano 2

- 1 Universidade Federal de Itajubá/Instituto de Física e Química, isabeladutradeoliveira@unifei.edu.br
- 2 Universidade Federal de Itajubá/Instituto de Física e Química, tccaetano@unifei.edu.br

Palavras-chave : Laboratórios Remotos; Ensino de Ciências; Experimentos Didáticos.

## Resumo Expandido

As atividades experimentais são consideradas imprescindíveis para o Ensino de Ciências e suas contribuições estão bem estabelecidas na literatura (Borges, 2002; Araújo e Abib, 2003). Apesar disso, essas atividades não são utilizadas em sala de aula com a frequência esperada e os principais fatores se referem a formação docente, infraestrutura insuficiente ou inadequada, carga horária reduzida das disciplinas de ciências, número excessivo de estudantes por turma, etc. (Ramos e Rosa, 2008).

Pensando em uma alternativa que pudesse contribuir para contornar algumas dessas dificuldades, nosso grupo tem trabalhado há cerca de dez anos no desenvolvimento de experimentos controlados remotamente e que compõem o acervo do 'Laboratório Remoto de Ciências' da Universidade Federal de Itajubá Brasil, ao qual iremos nos referir como 'LABREMOTO' deste ponto em diante (disponível em https://labremoto.unifei.edu.br). Os experimentos consistem em equipamentos reais que passaram por um processo de automação e que podem ser controlados por meio de uma interface web e monitorados em tempo real através de câmeras, o que os diferenciam de simulações computacionais.

Neste trabalho, apresentamos os aspectos da construção de um experimento remoto, como uma proposta de material didático on-line, para o estudo da interação radiação-matéria, denominado 'Processos Radiativos'. Esses aspectos serão discutidos segundo as principais áreas de desenvolvimento do LABREMOTO, nomeadamente, mecânica, eletrônica e programação.

- O experimento consiste em um conjunto de seis latas de alumínio - latinhas de refrigerante - dispostas em um semicírculo, de forma equidistante de uma fonte de radiação permutável montada sobre uma bandeja giratória, conforme mostra a Figura 1. As latinhas foram revestidas com papel em diferentes cores e cada uma possui um sensor de temperatura em seu interior.
- O aparato permite investigar o comportamento de corpos com diferentes cores ao interagirem com a radiação e possibilita ao estudante analisar, levantar hipóteses e realizar testes para explicar o fenômeno. A seguir, descrevemos alguns aspectos das principais áreas de desenvolvimento necessárias para que o experimento pudesse ser controlado remotamente.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

O desenvolvimento da mecânica do experimento consistiu na confecção de uma bandeja giratória (item C da Figura 1) sobre a qual estão dispostas três lâmpadas de modelos diferentes, para que fosse possível investigar de que forma a natureza da luz influencia as curvas de aquecimento e resfriamento dos corpos latinhas revestidas com cores diferentes (item F).

Figura 1: Experimento 'Processos Radiativos' do Laboratório Remoto de Ciências/UNIFEI (disponível em https://labremoto.unifei.edu.br).

<!-- image -->

A bandeja está acoplada a uma polia na sua parte inferior, que por sua vez está acoplada a um rolamento fixado sobre a bancada. O conjunto é movimentado por um motor de passo (item D) através de uma correia e o seu posicionamento é controlado por sensores infravermelho (item G da figura) que detectam a passagem de certos orifícios existentes na bandeja, os quais correspondem às posições das lâmpadas - o princípio é similar ao do encoder .

Os circuitos eletrônicos de experimentos do labremoto são construídos em torno de microcontroladores da família AVR, os mesmos que são empregados nas placas Arduino. Normalmente é utilizado o modelo ATMega328P e isso oferece muitas vantagens para o projeto, especialmente pelo fato de ser possível empregar o mesmo ambiente de desenvolvimento do Arduino para realizar a programação do experimento.

O circuito (item A da Figura 1) foi concebido, planejado e desenvolvido com auxílio do programa Proteus. A placa de circuito impresso foi então confeccionada utilizando-se uma fresadora router CNC e os componentes eletrônicos foram soldados manualmente, empregando-se técnicas tradicionais de produção de circuitos. As suas principais funcionalidades incluem: a) controle individual de potência das lâmpadas; b) posicionamento da bandeja por meio de sensores infravermelho; c) leitura da temperatura no interior das latinhas por meio de sensores do tipo LM335 e d) movimentação da bandeja através de um motor de passo.

A programação divide-se em três partes: i) dos microcontroladores; ii) do servidor do experimento e iii) da interface gráfica. A primeira é desenvolvida em linguagem C++ e carregada para o ATMega328P do circuito. Basicamente, este algoritmo interpreta os comandos que são recebidos do servidor do experimento e executa as ações correspondentes - movimentação da bandeja, leitura dos

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

sensores, controle de potência das lâmpadas, etc. Este algoritmo constitui o firmware do conjunto experimental.

A segunda parte é idêntica para qualquer experimento do labremoto e foi desenvolvida em Python. Os algoritmos que rodam no servidor realizam duas funções principais: 1) transmitem os comandos da interface web para o microcontrolador e as respostas do microcontrolador para a interface; e 2) realizam o streaming de vídeo das câmeras do experimento para a interface gráfica geralmente há mais de uma câmera disponível.

Finalmente, a interface gráfica consiste em uma aplicação web que utiliza as linguagens JavaScript, PHP, HTML e MySQL, além de certas bibliotecas e recursos como CSS, jQuery e Ajax. Por meio da interface é possível monitorar o que acontece no experimento em tempo real e a partir de diversos ângulos. Também é possível realizar o envio de comandos através de elementos gráficos user-friendly , como botões e chaves. É recomendado que o leitor realize o acesso de um dos experimentos para maiores detalhes.

Embora neste trabalho tenhamos apresentado alguns dos aspectos técnicos relativos à construção do experimento 'Processos Radiativos' e de sua automação, é importante destacar também que esses aspectos estão, na sua maioria, fundamentados em discussões teóricas de natureza didático-pedagógica. À título de exemplo, cita-se a análise feita sobre as características da interface gráfica do usuário (GUI), a qual precisa ser simples, intuitiva e auxiliar na análise e compreensão do fenômeno observado, sem requerer que o usuário desvie o foco de sua atenção para compreender o funcionamento deste que é um elemento secundário no processo de aprendizagem.

Quanto às potencialidades deste recurso para o ensino de Ciências, podemos destacar que os experimentos remotos constituem uma opção viável para contornar problemas, que foram apontados por Ramos e Rosa (2008), relacionados à falta de estrutura adequada nas escolas para a realização de atividades experimentais. E, assim como as demais potencialidades apresentadas por Borges (2002) e Araújo e Abib (2003), a utilização deste recurso contribui para despertar maior interesse e participação dos estudantes, além de permitir o desenvolvimento de novas habilidades como capacidade de abstração, pensamento crítico e familiarização dos estudantes com os métodos da ciência.

## Agradecimentos

FAPEMIG (projeto APQ-01764-21) e CNPq (projeto 408828/2021-8)

## Referências

ARAÚJO, M. S. T. de; ABIB, M. L. V. dos S. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 2., 2003.

BORGES, A. T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 19, n. 3, p. 291-313, 2002.

RAMOS, L. B. C.; ROSA, P. R. S. O ensino de ciências: fatores intrínsecos e extrínsecos que limitam a realização de atividades experimentais pelo professor dos anos iniciais do ensino fundamental. Investigações em Ensino de Ciências , v. 13,n. 3, p. 299-331 (2008).

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_