UTILIZAÇÃO DE ARDUINO PARA CONSTRUÇÃO DE 2 MODELOS DE TERMÔMETROS DE BAIXO CUSTO

## UTILIZAÇÃO DE ARDUINO PARA CONSTRUÇÃO DE 2 MODELOS DE TERMÔMETROS DE BAIXO CUSTO

## Denilson Vicente Gonçalves Silva 1

1 Instituto Federal Baiano) / campus Governador Mangabeira/denilson.silva@ifbaiano.edu.br

## Resumo

Este trabalho discute estratégias para superar os desafios no ensino de Física no ensino médio por meio de atividades experimentais e do uso de novas tecnologias, como o Arduino, busca-se promover uma aprendizagem mais envolvente e conectada com a realidade dos estudantes. A pesquisa relatada focou na construção de dois termômetros de baixo custo para medir a temperatura em experimentos práticos, usando uma plataforma de prototipagem acessível. Durante a Semana Nacional de Ciência e Tecnologia de 2020, realizada virtualmente devido à pandemia, os estudantes participaram de oficinas para montar e calibrar os termômetros, aplicando-os em medições de temperatura e umidade em amostras de plantas e solo.Os modelos desenvolvidos incluem um termômetro analógico de leitura indireta e um digital de leitura direta, ambos permitindo a coleta e análise de dados. Os resultados indicaram que na atividade prática, o uso do sensor de temperatura demonstrou ser uma ferramenta eficaz para o ensino de conceitos como equilíbrio térmico e mudança de escalas térmicas, contribuindo significativamente para o processo de aprendizagem dos alunos, contribuindo significativamente para o processo de aprendizagem dos alunos, despertando maior interesse e curiosidade científica. O artigo conclui que metodologias ativas e ferramentas digitais acessíveis são alternativas eficazes para o ensino experimental de Física, proporcionando uma experiência educativa enriquecedora e alinhada às demandas tecnológicas atuais

Palavras-chave : Experimentação; laboratório, Maker

## Introdução

O ensino de Física, de acordo com Robilotta e Babichak (1997), é visto como um desafio para professores, com alta taxa de reprovação, falta de entusiasmo e dificuldade na aprendizagem no Ensino Médio, apesar do entusiasmo inicial dos alunos no Ensino Fundamental. A falta de conexão percebida pelos estudantes entre a Física e a realidade contribui para sua frustração. Embora a Física seja essencial para a compreensão dos fenômenos naturais e tecnológicos e para a cultura científica e tecnológica, a prática experimental ainda não é adequadamente explorada devido a limitações estruturais e curriculares.

Desenvolver ferramentas capazes de contribuir com o ensino de física é uma busca constante por todos os professores da área comprometidos com a melhoria da educação. A utilização de atividades experimentais e demonstrativas, bem como a inserção de novos recursos tecnológicos, normalmente, gera entusiasmo entre os estudantes, além de se constituírem como um elemento científico em si para serem apropriados nas aulas.

Segundo Moreira (2000), a Física é uma disciplina que necessita de experimentos para que os alunos possam visualizar os fenômenos, porém os equipamentos para a construção de um laboratório de Ciências possuem um custo muito alto. Os desafios persistem, porém, esforços para melhorar o ensino por meio da adição das tecnologias digitais, no ensino de Física, pode proporcionar melhores condições para a análise e a observação dos fenômenos físicos. Junto a isso a utilização de metodologias ativas e experimentos de baixo custo têm se mostrado como uma alternativa para uma melhoria na aprendizagem da física.

- O aluno pode centrar mais sua atenção na observação do fenômeno

estudado, para melhor: 'enxergar' as medidas realizadas e sua representação mais rapidamente, formular hipóteses, comparar com o modelo teórico, fazer analise entre o observado e o previsto, ajustar o experimento e testá-lo novamente Espera-se que a dinâmica desse processo produza no estudante um maior interesse e curiosidade, tornando as aulas práticas mais desafiadoras.

Os termômetros são dispositivos projetados para medir temperaturas com alta precisão e têm uma ampla gama de aplicações. Eles são utilizados em diversas áreas, como: Monitoramento de Experimentos, Controle Ambiental, Calibração de Instrumentos, Inspeções de Qualidade. Essa diversidade aplicações permite que os termômetros atendam a uma ampla gama de necessidades e ambientes operacionais.

Diante do exposto, este trabalho possui o objetivo de construir dois modelos de termômetros de baixo custo, feitos por meio da utilização de uma plataforma de prototipagem, a fim de mensurar a temperatura de amostras em um laboratório escolar e na sala de aula. Esse aparato serve para potencializar tanto laboratórios estruturados como para serem utilizados em sala de aula ou outros ambientes como uma ferramenta que facilite o processo de ensino-aprendizagem.

## A importância da experimentação no ensino de física

O ensino de Ciências, especialmente da Física, tem sido desafiado a ir além da simples transmissão de informações, buscando formas de engajar os estudantes na construção ativa de conhecimento. 'Os alunos da educação científica precisam não tanto de mais informação (embora possam também precisar disso), mas, sobretudo de capacidade de organizá-la e interpretá-la, para lhe dar sentido' (POZO & CRESPO, 2009, P.24).

A experimentação em laboratório, nesse contexto, assume um papel fundamental, pois aproxima os estudantes da aplicação prática dos conceitos teóricos, despertando sua curiosidade e incentivando o pensamento crítico. Segundo Moreira e Penido (2009) é preciso inserir a experimentação como uma parte integrante como método de investigação, uma vez que a formação do pensamento crítico e investigativo dos alunos se dá por meio de atividades práticas nas aulas de física. As atividades práticas proporcionam a vivência de situações reais e desenvolvem habilidades como o manuseio de instrumentos, o que contribui para uma compreensão mais aprofundada dos fenômenos físicos.

O uso de métodos experimentais no ensino de Física possibilita uma abordagem mais dinâmica e contextualizada dos conteúdos, o que facilita a compreensão dos fenômenos físicos e aproxima os estudantes da realidade que os cerca. Nesse sentido, os materiais de baixo custo podem ser uma alternativa para que se tornem uma constante a utilização das atividades experimentais nas escolas, pois comohoje a maioria das escolas não dispõem de recursos próprios para aulas experimentais, a elaboração de experimentos simples se torna um grande aliado, tornando as aulas mais interessantes epromovendo o conhecimento dos alunos.

A temática da experimentação, em sala de aula, encontra-se associada a uma importante e atual abordagem do campo de pesquisa em Ensino de Ciências, que é o ensino por investigação. Carvalho (2014, p. 46) afirma que '[...] uma postura investigativa pode propiciar ao professor levantar elementos que permitam compreender em que ponto da construção dos conhecimentos estão os alunos'.

Além disso, conforme a Base Nacional Comum Curricular (BRASIL 2017}, o ensino de Ciências deve incorporar práticas investigativas, incentivando os alunos a identificar problemas, formular questões, testar hipóteses e utilizar instrumentos de medida. Essa abordagem busca promover a autonomia e o pensamento crítico, permitindo que os estudantes se tornem protagonistas na construção do seu conhecimento científico.

## O uso do Arduino como ferramenta para o ensino de física

O uso de micro controladores, sensores e software que manipulam informações que possibilitam a execução de atividades práticas com respostas em tempo real parece em um primeiro momento algo caro e distante da realidade da escola pública. Porém, esse sistema pode estar ligado a qualquer aparato experimental, mesmos os mais simples e realizados com sucatas, além da aquisição de dados poder ser realizados com qualquer smartphone, inclusive sem necessidade de internet. Para Cavalcante (2011)

Automatizar experimentos de física permite aproximar os estudantes da ciência com materiais presente no seu cotidiano ao mesmo tempo que o coloca diante de tecnologia de ponta, facilitando a coleta e representação gráfica de dados, através da redução no tempo e da obtenção de dados experimentais mais precisos e a comparação com o modelo teórico quase que imediata (CAVALCANTE, 2011).

Introduzir a aquisição de dados, mediada por instrumentos digitais (computador, smartphone, tablets, etc), as atividades experimentais significam poder fazer uso de ferramentas de análise de dados estatísticas. Ampliando a possibilidade de resultados mais confiáveis permitindo assim construir no laboratório de física um ambiente de criação de um conhecimento mais efetivo. Deixando para trás todos os problemas com instrumentos de medidas, coleta de informações, construção de gráficos.

Na última década, inúmeras pesquisas Martinazzo (2014), Rubim Junior (2016), Rosa (2019), entre outras vem demonstrando a viabilidade de se integrar atividades laboratoriais com o uso de computadores. A função principal do dispositivo computacional é enviar e receber comandos ao microcontrolador. Os dados que chegam são tratados e exibidos em uma interface gráfica, em tempo real, criando uma interatividade entre o operador (aluno) e mecanismo (experiência).

Um Arduino é um pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. 'O Arduino é o que chamamos de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software' (McRoberts, 2011).

A plataforma Arduino tem muitas vantagens em relação aos seus concorrentes, as principais delas são: baixo custo (modelos mais baratos podem custar R$50,00); programação fácil de ser desenvolvida; versatilidade, uma enorme gama de projetos podem ser criados; código aberto, o que possibilita alterar e compartilhar dados do projeto original além do acesso a uma grande quantidade de informações disponíveis na internet, seja na página oficial, seja em fóruns de discussões e blogs especializados, com os mais diversos temas.

Outro enorme benefício do Arduino é a facilidade de comunicação com quase todos os sistemas operacionais propiciando uma mais fácil interação e manipulação dos experimentos, em qualquer ambiente computacional, tornando- o mais flexível. Devido a todos esses fatores, optamos por utilizar esta plataforma no desenvolvimento do pacote tecnológico, tendo como função todo processamento de sinais, interface e controle, tornando-se a ferramenta mais indicada ao uso em projetos como essa

## pesquisa.

O uso do Arduino na educação se expandiu devido à sua simplicidade e versatilidade, possibilitando a criação de diversos projetos sem a necessidade de conhecimentos avançados em eletrônica. A plataforma permite desenvolver desde experimentos básicos até sistemas complexos, tornando-se uma alternativa de baixo custo em relação aos kits de laboratório tradicionais. Em meio às restrições impostas pela pandemia, o Arduino serviu como uma solução prática para o ensino de conceitos de Física de maneira interativa, proporcionando aos estudantes a oportunidade de aplicar a teoria na prática e desenvolver um aprendizado mais ativo e colaborativo(CASTILHO; OLIVEIRA; DUTRA, 2020).

Dentre as inúmeras utilidades destacamos duas: o sensoriamento de grandezas físicas (sensores de pressão, temperatura, campo magnético, altitude, umidade, posição, dentre outros) são elementos fundamentais para as atividades práticas; a interface computador experimento, proporcionando uma maior facilidade na coleta e aquisição de dados, sua representação gráfica e consequentemente sua análise física.

Combinando toda a versatilidade do Arduino com outros materiais de baixo custo, sucatas e ferramentas de simples manipulação é possível construir alguns dispositivos e aparatos experimentais de uso comuns aos laboratórios tradicionais, com a possibilidade de uma sensível economia de recurso financeiros. Além disso, a confecção e utilização destes materiais, em geral, irá permitir que se realizem experimentos físicos, construídos dentro do ambiente escolar, onde o aluno observará todo processo, criando um pertencimento e uma maior interação com as atividades experimentais.

## Temperatura: uma grandeza fundamental da física

Medir temperatura é essencial em pesquisa, no desenvolvimento científico e no dia-a-dia das pessoas, logo de importância fundamental no ensino de ciências, pois grande parte das propriedades físicas e químicas apresenta alguma dependência com a temperatura. Também, medidas de temperatura são muito importantes em controle de processos tecnológicos e cotidiano. Vários equipamentos de medida de temperatura vêm sendo desenvolvidos, utilizando dispositivos sensores elétricos e não elétricos, em busca de leituras mais exatas para a finalidade a que se destinam.

Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, é difícil encontrar uma definição exata para ela. Devido a essas dificuldades para definir temperatura, definimos igualdade de temperatura. Podemos dizer, então, que dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações em qualquer propriedade mensurável quando colocados em contato térmico. Quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico, diz-se que eles têm a mesma temperatura. Resnick et al (2003) afirmam que 'É somente através deste argumento, baseado no equilíbrio térmico, que a noção de temperatura pode ser introduzida na física'. A declaração da lei zero, em termos de temperatura, é a seguinte: Existe uma grandeza escalar chamada de temperatura, que é uma propriedade de todos os sistemas termodinâmicos em equilíbrio térmico se e somente se as suas temperaturas são iguais. Assim, a Lei Zero define o conceito de temperatura e permite que os termômetros possam ser construídos e utilizados.

## Material e Métodos

Utilizamos uma metodologia pautada em "Learn by Doing" ou 'aprender fazendo', baseada na cultura Maker e inspirada no educador John Dewey (FERRARI,

2020). Ela se tornou conhecida por despertar o interesse pelo aprendizado através da combinação entre experimentação, tecnologia e criatividade. Por isso ela desenvolve o protagonismo de todos os envolvidos no projeto: pesquisador, professores ou estudantes, sempre incentivando as suas opiniões pessoais garantindo o reconhecimento da autoria de suas produções. Partindo do princípio de que a cultura Maker baseia-se na concepção de que indivíduos possam ter a capacidade de fabricar, construir, reparar e alterar objetos dos mais variados tipos e funções com as próprias mãos e um conjunto de ferramentas e equipamentos, através de um ambiente de colaboração.

Nessa perspectiva, desenvolvemos oficinas no evento da Semana Nacional de Ciência e Tecnologia 2020 - Inteligência Artificial: A nova fronteira da ciência brasileira de forma virtual em um ambiente colaborativo com um grupo de 12 estudantes do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Baiano (IFBaiano), no campus Governador Mangabeira durante o período pandêmico. Foram 6 encontros, partindo dos conceitos iniciais de eletronica e programação, passando por tarefas simples (ligar um pisca pisca e construir um modelo de semáforo) até a construção de modelos de termômetros.

No contexto do ensino remoto, o Arduino se mostrou uma ferramenta eficaz para aplicar essa metodologia, permitindo que os alunos desenvolvessem projetos práticos de forma independente. Cada discente recebeu um kit básico (contendo Arduino, alguns sensores, motores, display e componentes básicos de eletrônica) e por meio de encontros virtuais foram desenvolvidos os instrumentos de medida.

Além disso, foi utilizado o simulador do Arduino da plataforma TinkerCAD: um ambiente de prgramação por blocos, onde é possível, sem nenhum conhecimento prévio de linguagem de programação desenvolver programas. O que, possibilitou a realização de experimentos, facilitando a exploração de conceitos mesmo fora do ambiente escolar.

Com o objetivo de construir dois modelos de termômetros, com o intuito de medir a temperatura ambiente ou de uma amostra específica..No primeiro modelo foi construído foi um termômetro analógico que utilizou um Arduino, resistor de 4,7kΩ, sensor de temperatura DHT22 e um micro servo motor 9g de 3 pinos e uma escala em folha de papel. O segundo modelo construído foi um termômetro digital de leitura direta, que utilizou um Arduino, um potenciômetro de 10MΩ, um sensor de temperatura DHT22 e um display LCD com 16 colunas por 2 linhas, backlight azul e escrita branca. O sensor de temperatura e umidade DHT22 é caracterizado por seu baixo consumo de corrente, operando a 2,5 mA durante medições. Ele possui um termistor NTC e um sensor de umidade capacitivo, juntamente com um conversor analógico-digital que facilita a comunicação com o microcontrolador via um único fio, fornecendo dados de temperatura e umidade. O sensor é eficaz em aplicações de longa distância, com alcance de até 20 metros, mas apresenta degradação rápida em ambientes com umidade acima de 80%. O DHT22 oferece uma faixa de medição de -40°C a 80°C, com precisão de ±0,5°C, sendo adequado tanto para projetos simples quanto para aplicações robustas (Aosong, s.d.).

## Resultados e Discussões

No primeiro momento foi construído um modelo didático demonstrativo, para os estudantes observarem uma escala de temperatura e como esta varia com o aquecimento e resfriamento dos corpos ou do meio onde o termômetro (sensor DTH22) está imerso. Esse tipo de aparato tem como principal vantagem a

possibilidade do discente montar sua própria escala (conforme figura 1),, associando o ângulo de giro do ponteiro do servo motor (torque) a uma medida de temperatura. Além disso, o fato de ser um instrumento de caráter pessoal, visto que cada estudante terá o seu próprio modelo de termômetro, torna a experiência mais individualizada e engajadora.. As desvantagens desse tipo de aparelho é a sua falta de precisão e dependência do giro do motor e dos ajustes da montagem da escala. Essas imprecisõessão sã decorrentes dos problemas de escalas e das dificuldades de calibração do termometro didático, que foi explorado ao estimular os estudantes a estimar a temperatura indicada no seu modelo de termômetro e a temperatura indicada no seu aparelho celular. Essa atividade proporcionou uma discussão acerca da leitura dos instrumentos de medidas e os erros inerentes às medidas

Figura 1: Modelo de um termômetro analógico usando sensor de temperatura controlado por Arduino para fins didáticos

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A construção do segundo modelo teve por objetivo promover melhorias na qualidade de medição de temperatura em distintos processos. Ao substituirmos o giro do servo motor sobre uma base por um leitor de LCD, produzimos uma melhor leitura e uma maior precisão nas medidas, garantindo assim uma maior uniformidade nos valores obtidos entre os estudantes. Com esses valores uniformes foi possível realizar medidas em amostras preestabelecidas, além da calibração e comparação com outros termômetros. A principal desvantagem desse modelo é a programação do código de leitura e a ligação do circuito eletrônico do leitor LCD. O .

Figura 2: Montagem de sensor de temperatura e umidade controlado por Arduino e leitor de LCD

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A partir da construção e calibração do segundo modelo de termômetro, realizamos uma série de medidas em amostra de plantas e de terra que os estudantes tinham em casa (figura 3). A escolha desses materiais para medição deve-se ao fato de integrar e contextualizar a grandeza física investigada, visto que o campus possuir um técnico integrado e subsequente em agropecuária, agroindústria e informática. As

temperaturas encontradas foram condizentes com os valores esperados para as plantas e clima da região. Além disso tivemos o bônus de obter os valores de umidade das amostras com a variação de irrigação das mesmas.

Figura 3: Medida de temperatura e umidade em várias amostras de terra com umidade diferente uma planta

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## Considerações Finais

Este trabalho buscou desenvolver mecanismos pedagógicos inovadores para melhorar o ensino de Física, especialmente no entendimento da termometria e suas aplicações. Com o objetivo de tornar esse conceito mais acessível, foram construídos modelos de termômetros de baixo custo aliados ao uso de ferramentas digitais, visando uma melhor compreensão dos fenômenos térmicos. A experiência de ensinar Física experimental de maneira virtual durante a pandemia apresentou grandes desafios, exigindo criatividade, improvisação e o uso de suporte tecnológico para engajar os alunos. Diante das constantes transformações tecnológicas, é essencial que o ensino esteja alinhado com as demandas do mundo atual, promovendo uma educação que valorize a dialogicidade e a autonomia, de modo a formar indivíduos críticos e ativos na sociedade.

O uso do sensor de temperatura demonstrou ser uma ferramenta eficaz para o ensino de conceitos como equilíbrio térmico e mudança de escalas térmicas, contribuindo significativamente para o processo de aprendizagem dos alunos. Ao possibilitar atividades práticas, o sensor ajuda a reduzir as dificuldades conceituais que os alunos enfrentam ao lidar com conceitos abstratos apenas de forma matemática, promovendo uma compreensão mais intuitiva e alinhada com a Teoria da Aprendizagem Significativa, onde novos conceitos se integram às ideias iniciais dos estudantes. Este trabalho demonstrou que é viável introduzir tecnologia de baixo custo em sala de aula, oferecendo aos professores um recurso didático acessível que dispensa a necessidade de um laboratório completo e permite a realização de experimentos simples e enriquecedores..

## Referências

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