CONTRIBUIÇÕES DA ROBÓTICA PARA O ENSINO DE FÍSICA EM UM MUSEU CIÊNCIAS: O FUNCIONAMENTO DE UM RADAR

## CONTRIBUIÇÕES DA ROBÓTICA PARA O ENSINO DE FÍSICA EM UM MUSEU CIÊNCIAS: O FUNCIONAMENTO DE UM RADAR

Isabela Felix Elizio Vieira , Matheus de Souza Abrantes 2 , Amanda Santos Silva 3 1 Simone Pinheiro Pinto 4

1 Museu Ciência e Vida/ Setor educativo/ Universidade do Estado do Rio de Janeiro,

yzabbella2@gmail.com

2

Museu Ciência e Vida/ Setor educativo/ Universidade Federal Fluminense,

matheusabrantes@id.uff.br

3

Museu Ciência e Vida/ Setor educativo/ Instituto Federal do Rio de Janeiro,

silvamanda.bio@gmail.com

4 Museu Ciência e Vida/ Setor educativo/ Fundação CECIERJ, spinto@cecierj.edu.br

## Resumo

Diante das transformações tecnológicas que atravessam a contemporaneidade, torna-se relevante abordar as contribuições de robótica no ensino de Física. Por isso, o presente trabalho tem como foco principal apresentar a construção de uma 'rampa de velocidade' utilizando o Arduino e focada nos aspectos essenciais dos conceitos de Física, com ênfase especial no funcionamento de um radar de velocidade e uma aplicação realizada no Museu Ciência e Vida (MCV). A construção da rampa envolveu diversas etapas, desde o corte de madeira até a programação do Arduino. A primeira etapa envolve a construção da base de madeira da rampa com acabamento e pintura. As etapas seguintes envolvem a montagem do circuito eletrônico e a programação do Arduino. Após todo processo de construção a rampa foi utilizada no II Hackathon Meninas Normalista, um evento voltado para estudantes do curso de formação de professores nível médio buscando unir ciência e robótica com abordagem STEM, realizado pelo MCV em abril de 2024. Ao longo do processo de construção do aparato e das discussões oportunizadas pelo II Hackathon, foi possível concluir que o produto desenvolvido tem potencialidade para aplicações no ensino de Física para trabalhar principalmente conteúdos de Mecânica, Eletricidade e Óptica.

Palavras-chave: Divulgação científica; Ensino de Física; Robótica educacional.

## Introdução

As transformações tecnológicas das últimas décadas impulsionaram um crescimento significativo na disponibilidade de informação e conhecimento. Atualmente, a globalização, especialmente entre os jovens, está promovendo um rápido avanço das tecnologias, particularmente nas áreas de informação e comunicação. No entanto, não é suficiente apenas ter acesso facilitado, é crucial saber como utilizar essas informações de forma a agregar valor e apoiar a tomada de decisões. Essas mudanças também exigem uma revisão no processo educacional em todos os níveis, demandando a reconsideração de estratégias pedagógicas e a adoção de alternativas que ajudem a integrar as novas gerações (Oliveira; Almeida; Trotta, 2020).

A robótica vem contribuindo para a educação em ciências, uma vez que é um campo multidisciplinar que combina elementos de engenharia, da física, ciência da computação e tecnologia para projetar, construir, operar e utilizar robôs. Os robôs são máquinas programáveis capazes de executar uma variedade de tarefas, que podem variar desde simples ações repetitivas até operações complexas e adaptativas. A robótica está mais presente em nosso cotidiano do que muitas vezes

imaginamos. Ela se encontra em eletrodomésticos, nas portas automáticas de shoppings e até mesmo em nossos celulares, sempre com a finalidade de tornar nossas vidas mais confortáveis.

- O Museu Ciência e Vida, desde 2013, vem agregando oficinas de robótica em suas atividades. Tendo como premissa que robótica é muito mais que montar robôs, propõe diferentes atividades para os mais diversos públicos.
- A robótica educacional no museu se desdobra em uma dimensão extracurricular, criando um ambiente que integra os conteúdos curriculares com as mudanças sociais e se adapta às novas necessidades educacionais. Esse enfoque promove uma mudança de paradigma fundamentada na experimentação. Além disso, a robótica serve como uma ferramenta inclusiva, não apenas no âmbito digital, mas também socialmente, facilitando a integração dos alunos com a comunidade escolar e com a sociedade. Essa abordagem estimula a participação ativa dos alunos na construção do conhecimento, transformando-os de meros receptores em protagonistas do processo educativo.

Buscando ampliar as atividades de Robótica e contribuir para o ensino de ciências, no ano de 2021, o MCV participou do edital n° 45/2021 (FAPERJ) com o projeto intitulado 'O Museu Ciência e Vida amplia suas ações em prol de melhorias do ensino de ciência, por meio da parceria museu/escola'. O referido projeto propõe o desenvolvimento de oficinas temáticas interdisciplinares para serem desenvolvidas nas escolas públicas parceiras do museu. Uma das atividades proposta é 'Radar de velocidade' -um modelo de radar utilizando material de fácil acesso e lógica de programação.

Este projeto possibilita explorar diferentes conceitos em relação ao ensino de Física, como, por exemplo, apresentar o conceito de velocidade média a partir do funcionamento do radar; discutir os instrumentos de medida envolvidos no cálculo de velocidade média que precedem os radares automatizados, trazendo a história da ciência e a evolução tecnológica para a abordagem didática; utilizar as variações de inclinação da rampa para explicar o conceito de energia mecânica no plano inclinado; discutir os elementos do circuito elétrico a partir da associação com os elementos do circuito eletrônico; e apresentar a lógica de programação de forma associada à equação de velocidade média.

Assim, o presente trabalho tem como foco principal apresentar a construção da 'rampa de velocidade' focada nos aspectos essenciais dos conceitos de Física, com ênfase especial no funcionamento de um radar de velocidade e uma aplicação realizada no Museu Ciência e Vida.

## Desenvolvimento

A robótica é um campo da tecnologia, especialmente dentro das engenharias (como mecânica, elétrica, eletrônica, automação, controle e computação), que se concentra em sistemas formados por máquinas e componentes mecânicos automáticos. Esses sistemas são controlados por dispositivos mecânicos e/ou circuitos integrados, como microprocessadores (Reis; Souza, 2020, p. 2). É possível notar que a robótica compreende áreas de estudo da física como a mecânica e a elétrica. Isto porque as investigações, descobertas e avanços no processo de desenvolvimento desses campos precedem a elaboração da automação. Levando em consideração essa relação entre a Física e a robótica,

pode-se também entender que os produtos robóticos podem ser analisados e estudados a partir de aspectos mecânicos e eletrônicos.

Tendo em vista a relevância das aplicações da robótica como ferramenta para o ensino de Física foi pensada, elaborada e construída uma atividade que apresentasse uma trajetória simulando uma rampa na qual teria um radar eletrônico que medisse a velocidade dos objetos com objetivo de discutir conceitos de mecânica, relacionado aos movimentos dos corpos, introduzindo a ideia de inércia e apresentando noções de instrumentos de medição. Para isso, seriam lançados carrinhos em três ângulos de inclinação diferentes da rampa. Os carrinhos são captados por dois sensores dispostos em extremidades opostas da pista. Sendo a distância entre eles conhecida, eles transmitem a informação ao Arduino e quando calculado o intervalo de tempo entre a captação dos sensores, é calculada a velocidade média (Vm) ao qual os carrinhos atravessam a pista.

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Sendo o espaço final, correspondendo ao segundo sensor de velocidade e 𝑆 𝑓 o espaço inicial, o ponto correspondente a primeira detecção realizada pelo 𝑆 𝑖 primeiro sensor disposto na pista. Os valores e são equivalentes, 𝑡 𝑓 𝑡 𝑖 respectivamente, aos tempos finais e iniciais detectados por cada detector.

A construção da rampa envolveu diversas etapas, desde o corte de madeira até a programação do Arduino. A primeira etapa envolve a construção da base de madeira da rampa.

Foram utilizadas madeiras com dimensões 150 cm X 28,5 cm X 10 cm para a base da rampa e madeiras com dimensões 10 cm, 20 cm e 30 cm para variar a inclinação (figura 1). O formato foi pensado de modo que facilitasse os movimentos dos objetos e da própria rampa, uma vez que a proposta seria movê-la em diferentes ângulos. Utilizamos, nessa etapa, além da madeira, trena, lixa de madeira e serra elétrica.

Figura 01: Ilustração com as dimensões da rampa.

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Para acabamento, utilizou-se uma mistura de cola branca com água, que além de apresentar uma selagem eficaz, boa aderência, facilidade no preparo e

aplicação, é uma mistura econômica e acessível. Após essa etapa, foi aplicada uma camada de tinta às barreiras e à pista, a fim de proteger ainda mais a rampa e trazer personalidade para o projeto (figura 2). Outra questão significativa se refere às cores que foram utilizadas no acabamento, pois o sensor que utilizamos é um sensor de obstáculo reflexivo infravermelho no modelo IR LM 393 (figura 3).

Figura 02: Madeira selada sendo pintada.

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Figura 03: Sensor modelo IR LM 393 Arduino.

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A segunda etapa envolve a disposição dos componentes eletrônicos para a automação do "radar". Nesse processo são feitos dois pequenos cortes dentro de uma das barreiras, distantes 1 metro, para inserir os sensores infravermelhos. A distância entre eles é fixa. Esse corte foi necessário para minimizar os erros do sensor. A placa Arduino UNO e um protoboard 1 foram utilizados para a combinação dos dispositivos eletrônicos. Foi instalado um display LCD que exibe a velocidade dos objetos que passam pela pista. Junto ao display, há um potenciômetro que ajusta o brilho da tela e um resistor associado. O Arduino e a protoboard foram fixados à rampa na parte externa de uma das laterais. Após todos os ajustes, a rampa está pronta para uso (figura 4).

Figura 04 : Rampa após a montagem completa.

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O esquema abaixo ilustra de maneira discriminada a disposição dos componentes do circuito eletrônico (figura 5).

Figura 05: Componentes do circuito eletrônico.

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A programação no Arduino foi desenvolvida com base na lógica descrita por Ansar (2020). Quando o primeiro sensor detecta a passagem do objeto, ele envia um sinal para o Arduino, que inicia um cronômetro. Após o carrinho passar pelos dois sensores, a diferença de tempo entre as detecções é calculada. Com a distância conhecida entre os sensores, é possível determinar a velocidade média do carrinho. A velocidade calculada é exibida num display LCD conectado ao protoboard , permitindo assim que o funcionamento desse tipo de radar seja discutido com o observador.

## Resultados e discussões

Após todo processo de construção da 'rampa de velocidade' foi iniciada uma proposta de roteiro para seu uso em uma oficina, que está em construção. No entanto, a rampa foi utilizada no II Hackathon Meninas Normalista, realizado pelo

Museu Ciência e Vida em abril de 2024. Este evento é uma parceria entre o Museu e a UFRJ campus Duque de Caxias, buscando a promoção da cultura científica para impulsionar a inserção de meninas e mulheres nas áreas de ciências exatas, engenharias e computação. O Hackathon Meninas Normalista é voltado para as estudantes do curso de formação de professores nível médio buscando unir ciência e robótica com abordagem STEM entorno dos conteúdos curriculares das disciplinas do ensino formal e as participantes são provocadas a resolver problemas e desafios do cotidiano propondo soluções durante dois dias de evento.

A apresentação da rampa fez parte da programação no momento chamado 'Amostras das Estações', em que são dispostos em mesas diferentes aparatos dentro da temática de ciência e tecnologia voltada para a educação infantil e a base nacional curricular. As amostras foram compostas por dez estações, onde os aparatos contavam com a mediação para promover o diálogo entre os participantes.

A abordagem adotada na interação com a pista durante a Amostra de Estações foi baseada no conceito de professor mediador como sendo aquele que se apresenta entre o conhecimento ofertado e as demandas de aprendizagem de maneira a garantir que as dificuldades de compreensão sejam superadas, interagindo de maneira ativa no processo de construção do significado da coisa a ser conhecida (Chiovatto, 2000).

Esta é uma concepção de prática educativa que harmoniza com as características da educação não formal no que tange a quebra de estrutura, livre de cobranças avaliativas e curriculares (Queiroz, 2001), e que atende as demandas da intencionalidade de aprendizagem proposta pelo evento que teve o objetivo de estimular meninas a se interessarem por ciência e tecnologia através das experiências vivenciadas no museu e das atividades realizadas (Martins et al ., 2024).

Todos os participantes do evento passaram pelas estações. As equipes de meninas normalistas e seus professores iam até a mesa onde estava exposta a rampa e os mediadores mostravam as principais funcionalidades do objeto: as três inclinações e o sistema de radar de velocidade. Os carrinhos eram colocados para descer a rampa em situações variadas, ora com diferentes inclinações e ora com adição de massa. Os resultados dessas variações eram observados através do visor de LCD, no qual era possível acompanhar o comportamento da velocidade média dos carrinhos em cada situação.

Essa experimentação aconteceu de acordo com a interação do público com o objeto e com os mediadores em um processo conjunto de construção de conhecimento e significados, favorecendo discussões sobre o projeto e as possíveis aplicações no ensino de ciências, compartilhando ideias de como abordar com as crianças na educação infantil alguns dos conceitos observados.

Figura 06: Apresentação da rampa no II Hackathon Meninas Normalistas.

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## Considerações finais

A proposta da construção da rampa surge a partir da necessidade de implementar a oficina 'Radar de Velocidade', que tem como objetivo discutir conceitos de Física a partir do entendimento de como funciona um radar de velocidade real. Durante a construção do aparato e as discussões oportunizadas pelo II Hackathon percebemos que podemos discutir e abordar conceitos para além de instrumentos de medida, cinemática (deslocamento, velocidade e tempo), noções básicas de elétrica, eletrônica e lógica de programação, que era o objetivo inicial.

Ao testar o funcionamento dos sensores, foi necessário realizar ajustes na cor da parte interna da barreira para que o sensor não o percebesse enquanto uma superfície reflexiva, então cobrimos o fundo com uma faixa de cor não reflexiva (preta). Isto aponta a potencialidade de discutirmos alguns conceitos de óptica como por exemplo, o espectro eletromagnético, a relação entre a reflexão ou absorção de ondas eletromagnéticas e as cores dos objetos, favorecendo discussões sobre as aplicações cotidianas e funcionalidades de radares de velocidade utilizados por entidades fiscalizadoras do trânsito como: o radar portátil (pistola), que utiliza transmissor e receptor de ondas de rádio; o radar fixo (pardal), que é permanentemente instalado na via e funciona com sensores eletromagnéticos; o radar estático, que funciona com o uso de micro-ondas e as barreiras eletrônicas (lombadas), que utilizam a tecnologia de laços indutivos instalados sob o solo.

## Referências

CHIOVATTO, Milene. O professor mediador. Artes na escola, Boletim, n. 24, 2000.

MARTINS, Aline; DAHMOUCHE, Monica Santos; PINTO, Simone Pinheiro; LACERDA, Monica; SILVA, Amanda. Os Museus de Ciência como Promotores do Engajamento de Meninas Normalistas com Ciência e Tecnologia. Notícias, Revista Docência e Cibercultura , maio de 2024, online. ISSN: 2594-9004. Disponível em:&lt;https://www.e-publicacoes.uerj.br/re-doc/announcement/view/1819&gt;. Acesso em: 09 de agosto de 2024.

QUEIROZ, Glória Pessôa. Parcerias na formação de professores de ciências na educação formal e não-formal. Caderno do Museu da Vida , Rio de Janeiro, n. 1, p. 80-86, 2001.

REIS, N. R. S.; SOUZA, L. H. Robótica no Brasil: relatos de pesquisa e desenvolvimento. 17 SNHCT ANAIS ELETRÔNICOS . 2020.

MOHAMMAD ANSAR. How to make a Car Speed Detector using Arduino and IR Sensor | Vehicle Speed Detector. Youtube, 18 de janeiro de 2020. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=n9TMs46DpGM. Acesso em: 14 de agosto de 2024.

OLIVEIRA, Sabrina Guedes; ALMEIDA, Veronica Eloi de; TROTTA, Leonardo Monteiro. As tecnologias e o mundo globalizado: reflexões sobre o cotidiano contemporâneo. Revista Educação Pública , v. 20, nº 2, 14 de janeiro de 2020. Disponível em:

https://educacaopublica.cecierj.edu.br/artigos/20/2/as-tecnologias-e-o-mundo-globali zado-reflexoes-sobre-o-cotidiano-contemporaneo