TICS APLICADAS EM MÓDULO INSTRUCIONAL PARA ENSINO E APRENDIZAGEM EM TEMAS DE FÍSICA AMBIENTAL

## TICS APLICADAS EM MÓDULO INSTRUCIONAL PARA ENSINO E APRENDIZAGEM EM TEMAS DE FÍSICA AMBIENTAL

Matheus Cotta da Silva 1 , Derek Dorbação de Araújo 2 , Luis Felipe Viana Bernardes 3 , Layla Dorbação de Araújo 4 , Marcelo Azevedo Neves 5

1 UFRRJ/PET-Física-UFRRJ e Instituto de Ciências Exatas, cottafis@gmail.com 2 UFRRJ/PET-Física-UFRRJ e Instituto de Ciências Exatas, derekdorbacao@gmail.com 3 UFRRJ/PET-Física-UFRRJ e Instituto de Ciências Exatas, lfelipevbernardes@ufrrj.br 4 UFRRJ/Instituto de Química da UFRRJ, layladorbacao@gmail.com 5 UFRRJ/PET-Física-UFRRJ e Departamento de Física-ICE, mneves@ufrrj.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta de kit demonstrativo para integrar educação ambiental ao ensino de Física, com uso de tecnologias da informação e comunicação (TICs) que também estimulam estudantes ao aprendizado de novas tecnologias de sensoriamento, transdução e medição de grandezas físicas. Hoje no Brasil, através da nova Base Nacional Comum Curricular instituída pela Resolução CNE/CP n°4, conteúdos relacionados à Educação Ambiental fazem parte do conteúdo programático não apenas no Ensino Médio, mas também no Ensino Fundamental e se estendendo por todo o Ensino Básico. Este trabalho apresenta uma proposta de kit experimental com acionamento e aquisição de dados usando a placa Raspberry Pi Pico W e que permite uma discussão alinhada com a nova Base Nacional Comum Curricular (BNCC) sobre o tema Educação Ambiental. Neste kit experimental são utilizados sensores para medida de grandezas relativas a alguns fenômenos físicos e químicos associados a questões ambientais. O kit experimental permite aos discentes discutir como diferentes materiais respondem às mudanças de temperatura, princípios de transmissão de calor, e conhecimentos básicos sobre a escala de acidez e alcalinidade. Não se espera, e nem se recomenda, que seja abandonado o uso equipamentos convencionais, mas propostas como a deste trabalho podem expandir a capacidade de laboratórios que possuem verbas menores, como escolas públicas e colégios técnicos.

Palavras-chave : Física Ambiental, TICs, Raspberry Pi Pico

## Introdução

O agravamento da crise climática tem sido relatado em diversos estudos e relatórios, como os divulgados pelo IPCC ( Intergovernamental Panel of Climate Change ) em 2024, e preveem um cenário difícil para o mundo, sendo principalmente desafiador para países em desenvolvimento. Nestes países, como o Brasil, é previsto que o impacto seja mais severo por causa das condições de maior desigualdade social e escassez de recurso para a população (IPCC, 2023). Parte das medidas necessárias para lidar com esse paradigma é promover melhorias na base educacional para conscientização e formação de cidadãos capazes e atuantes para um desenvolvimento sustentável.

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

Regiões com um menor nível de recursos e de escolaridade podem sofrer mais fortemente essas consequências, visto que não compreendem a causa dessas mudanças, e dificilmente irão chegar a uma solução ou meio de mitigar os danos causados. Este problema pode ser abordado estreitando a relação entre o indivíduo e o meio ambiente, aliando o ensino de ciências à educação ambiental para promover uma alfabetização em ciências junto a uma consciência ambiental e visão ampla de ecossistema. Um caminho é possibilitar um ensino de ciências contextualizado à vida real e próxima à vivência do aprendiz (por exemplo, ao utilizar a ação do Sol em volumes d'água para ensinar sobre transmissão de calor via radiação em aula de Física). Essa abordagem possibilita também um melhor desenvolvimento da percepção ambiental dos indivíduos, fornecendo a estes melhores capacidades para reconhecer e lidar com os efeitos da mudança climática. Além disso, essa abordagem também permite uma melhor difusão de informação sobre a crise climática, bem como uma formação mais condizente com um desenvolvimento sustentável.

Propomos um kit experimental que permite a discentes avaliar efeitos de radiação luminosa e térmica sobre água e areia em ambiente que simula elementos básicos de um ambiente natural, em especial com alterações em temperatura, acidez e alcalinidade na água com e sem elementos poluentes simples. Para facilitar a aquisição de dados e estimular aos discentes a relevância do uso de TICs, este kit será acionado e monitorado usando uma unidade microcontrolada (ou MCU, do inglês microcontroller unit ) de fácil compreensão de uso e com linguagem de programação de alto nível, sendo esta também um elemento compreensível pelos alunos. Com o advento de unidades, ou placas, microcontroladas de baixo custo, se tornou possível utilizar uma mesma plataforma para adquirir sinais advindos de diferentes sensores, com diferentes funcionalidades, inclusive de forma simultânea e mais simples. Com uma MCU não é necessário lidar com as complexidades que envolvem a construção e operação de sensores e seus respectivos circuitos, e como registrar as medidas feitas com estes.

## O Kit Experimental proposto

O Kit Experimental relatado neste trabalho advém de um aprimoramento de um kit apresentado em (SILVA, 2023): Um aquário de vidro de 5 litros (com 18 cm de altura, 12 cm de largura e 25 cm de comprimento) utilizado como o recipiente para representação de um corpo d'água. Este aquário foi preenchido por uma fina camada de areia e, para facilitar a avaliação do comportamento térmico, também foi preenchida com uma quantidade de água de aproximadamente dois litros. A quantidade de dois litros de água mostrou-se suficiente para obter uma condição possível de aquecimento significativo.

Tendo sempre a segurança dos discentes como fato fundamental, foi desenvolvida uma montagem para gerar tanto iluminação como aquecimento adequados ao estudo pretendido, eliminando problemas quanto à medidas incorretas de temperatura: Lâmpadas dicroicas halógenas (com emissão de calor muito superior às que usam LEDs) foram utilizadas como fonte de iluminação e calor, dispostas em uma pequena placa de MDF (menos suscetível a deformações por variações de temperatura e umidade), esta contendo três orifícios onde as lâmpadas foram fixadas. Além da radiação de calor fornecida, as lâmpadas halógenas possuem um Índice de Reprodução de Cor (IRC) semelhante ao do sol. As três lâmpadas são acionadas usando uma MCU, e a temperatura e o pH da água neste

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ambiente serão medidas por sensores eletrônicos conectados a esta mesma placa, com e sem a introdução de elementos contaminantes na água. A Figura 01 apresenta o esquema desta montagem e a Figura 02 apresenta fotos de alguns itens da montagem.

Figura 01: Esquema da Montagem.

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Figura 02: Fotos de alguns item da montagem: (a) aquário de 5 litros; (b)Trio de lâmpadas, seus reatores e o suporte de MDF utilizado para sua fixação no aquário; (c) Sensor de temperatura DS18B20 na horizontal e sua proteção (vista superior) já no aquário.

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A placa Raspberry Pi Pico W (doravante referenciada neste trabalho por 'RPPW') é a MCU selecionada para este kit experimental. Este modelo 'W' da linha Raspberry Pi Pico possui comunicação por rede, e nesta categoria é de baixo custo e alto desempenho, com interfaces digitais flexíveis, onde o microcontrolador usado é o RP2040, desenvolvido pela Raspberry Pi Foundation (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2024). Esta placa tem 26 pinos GPIO ("entradas e saídas de uso geral") multifuncionais, sendo que destes temos 2 pinos de comunicação SPI, 2 pinos de comunicação I2C, 2 pinos de comunicação UART e 3 pinos de ADC ("conversão analógica-digital) de 12 bits.

A linguagem usada para acionar e adquirir os dados medidos pela RPPW é a linguagem Python em sua versão 3 (PYTHON SOFTWARE FOUNDATION, 2023) que pode ser obtida gratuitamente. Python 3 tem sido usada em diversas aplicações e possui diversos ambientes de desenvolvimento, sendo uma linguagem de alto nível, com comandos e sintaxe básica semelhantes a um texto em inglês. Um programa escrito em Python tem alta portabilidade, i.e. , pode ser facilmente adaptado para rodar em diferentes sistemas operacionais (Windows, macOS, Linux e Unix). Python 3 pode ser integrado com a RPPW usando, por exemplo, a biblioteca PyFirmata (PYFIRMATA, 2023), que permite estabelecer comunicação serial entre o computador (desktop ou laptop) em que roda o programa em Python e a RPPW. A RPPW, para executar as tarefas desejadas de acionamento de

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lâmpadas e aquisição das medidas dos sensores, recebeu um programa em si desenvolvido em linguagem MicroPython (MICROPYTHON, 2024). Este programa em MicroPython fica ativo em sua memória interna e executa monitoramento e registro de medidas de sinais de tensão que chegam nas portas de aquisição de dados onde os sensores estão conectados. O acionamento das lâmpadas foi feito usando relés ativados pela placa RPPW conforme instrução que lhe é enviada por um programa escrito em Python 3 que roda em um computador pessoal portátil (laptop). O mesmo programa adquire as medidas de temperatura e pH realizadas pelo RPPW e traça gráficos em tempo real de evolução temporal destas grandezas na tela do laptop, permitindo comparar o efeito de se introduzir elementos contaminantes na água.

- O código do software produzido pode ser encontrado em: https://drive.google.c om/drive/folders/1KSPmJSVjGeQx3Xi6HTtJiusOAuaetOyg?usp=sharing.

Para fornecer aos discentes subsídios para estabelecer um paralelo entre o aquecimento da massa de água e a fonte de calor do nosso planeta Terra, neste kit experimental é possível verificar o efeito do aumento da temperatura de um volume de água a partir de uma fonte luminosa. Assim, se estabelece uma conexão direta entre radiação térmica e aquecimento, onde se mede a temperatura e se verifica se esta está sujeita a variações rápidas e frequentes, ou se esta se mantém em um nível relativamente estável. Para realizar a medida de temperatura, foi utilizado um sensor de temperatura DS18B20, posicionado na horizontal na água (dessa forma as medidas correspondem à camada de água da superfície, evitando a influência da estratificação térmica, associada à diferença de temperatura em diferentes camadas da água) e mantido protegido da iluminação direta das lâmpadas (para evitar um efeito de leitura de aumento de temperatura causado pela radiação térmica incidente sobre este termômetro). Para esta proteção do sensor DS18B20 foi utilizada uma caneta de quadro branco, oca, com corte transversal, e envolvida e fixada na parede interna do aquário por fita adesiva, conforme foto presentada na Figura 02(c).

A escolha por medir a temperatura da camada da superfície é baseada na importância que essa camada possui. A Organização Meteorológica Mundial (WMO) definiu que a temperatura da superfície do mar (SST) é uma variável climática essencial para a caracterização do clima da Terra (PASTOR, 2021). A temperatura da superfície do mar pode ser compreendida como um indicador do papel dos oceanos como um meio de armazenamento de energia, papel esse que é de extrema importância para realizar previsões relacionadas à mudança climática e a seus impactos (PASTOR, 2021).

Este sistema de medida de temperatura permite aos discentes verificar que a variação da temperatura não ocorre da mesma maneira em dois ambientes distintos, a saber, antes e depois de introduzir elementos poluentes na água. Logo, este kit experimental permite fazer um paralelo com situações de poluição de rios e lagos (note-se que se trata de discutir o conceito de capacidade térmica do sistema).

Com o intuito de permitir aos discentes perceberem a relevância do lançamento de substâncias poluentes em ecossistemas aquáticos e das repercussões ecológicas provocadas por essas ações, como as consequências para a vida nesse ambiente, foram realizadas medidas de pH usando o sensor eletrônico de pH PH4502c, também ligado à placa RPPW.

Um sensor LM35 foi utilizado externo ao aquário para demonstração de que o ambiente externo se encontrava em temperatura estável durante o experimento.

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O circuito de controle e aquisição de dados engloba automatização do experimento, a alimentação, sensores, placa RPPW e a conexão com o computador. Os materiais utilizados no kit são identificados a seguir com os respectivos custos em valores aproximados (explicitando o total para o item): Aquário de cinco litros (R$30,00); Suporte de madeira MDF (R$25,00); Três Lâmpadas Halógenas Dicroicas de 50W (R$57,00); Três protoboards / matrizes de contato (total: R$45,00); Três transformadores para as lâmpadas (R$147,00, mas existem lâmpadas halógenas dicroicas que não necessitam de transformadores); Diversos fios jumpers com terminais DuPont (R$20,00); Resistores de 1 kΩ e de 4,7 kΩ, 5% de tolerância (R$8,00); Duas placas de fontes de tensão ajustáveis para protoboards HW-131 (total: R$56,00); Dois carregadores de celular, sendo um de 9V (R$30,00) e outro de 12V (R$14,00); Uma placa com dois relês opto-aclopados HW-383 (R$19,90); Um conversor de nível lógico de 8 canais TXS0108E (R$13,90); Uma placa Raspberry Pi Pico W com cabo USB para micro-USB (R$120,00, mas pode ser feito com um Raspberry Pi Pico sem comunicação de rede, por R$40,00); Sensor de temperatura LM35DZ (R$24,00); Sensor de temperatura a prova d'água DS18B20 (R$20,00); Sensor de pH com sonda PH4502c (R$190,00); Filtro de linha com slots (R$30,00); Extensão de tomada macho-fêmea (R$30,00).

A Figura 03 apresenta a montagem do circuito de controle e aquisição de dados, discutida a seguir.

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Figura 03: Circuito de controle e aquisição de dados: (a) Esquema: (1) e (2) Fontes de tensão ajustáveis para protoboards HW-131 (está indicada a única trilha com alimentação de 3,3V), (3) posição de conexão do sensor de temperatura DS18B20 (aqui mostrado na sua forma como circuito integrado), (4) Conector do sensor de pH PH4502c. (5) Sensor de temperatura LM35DZ, (6) Resistor de pull-up, (7) Resistores divisores de tensão, (8) Raspberry Pi Pico W, (9) Conversor Lógico TXS0108E, (10) Módulo HW-383 com 2 Relés. (b) Foto do circuito de controle e aquisição de dados.

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As placas de fontes ajustáveis possuem capacidade de seleção de tensão de saída com as opções de 3,3V ou 5V. Apenas uma das trilhas é alimentada com 3,3V (ver Figura 03), pois dois sensores operam recebendo tensão de 5V, enquanto que um terceiro, o DS18B20, necessita de 3,3V para operar. Assim, duas linhas de alimentação foram utilizadas para os sensores, enquanto que uma terceira, em fonte isolada, foi utilizada para alimentar o relê com 5V. O sensor DS18B20 necessita de um resistor pull-up de 4,7 kΩ entre o fio de saída de tensão e o positivo da fonte de

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alimentação 3,3V para manter alto seu estado lógico (como especificado na folha de dados do sensor). O sensor de pH PH4502c possui saída de 5V e por este motivo é necessário um circuito divisor de tensão entre o sensor e a placa RPPW para proteção dos pinos desta, os quais tem um limite seguro para tensão elétrica de até 3,6V. Para este circuito divisor de tensão foram utilizados três resistores de 1 kΩ (5% de tolerância), sendo dois em série e o último em paralelo, dessa forma obtendo uma tensão de saída igual a dois terços da tensão original. O relê é alimentado com 5V através de uma das linhas de alimentação do circuito, sem necessitar de alimentação proveniente da RPPW, aumentando a redundância de segurança desta MCU. A comunicação lógica é feita através de um conversor de nível lógico, necessitando apenas de um canal. Em um lado do conversor, a tensão de referência de 3,3V é provida pela RPPW e no outro lado a tensão de referência de 5V é provida pela linha de alimentação com fonte ajustável ligada à uma fonte de 9V.

## Metodologia e Resultados do Experimento

O experimento com o kit é dividido em duas etapas: na primeira o sistema é estudado sem os poluentes. Na segunda etapa são introduzidos poluentes na água. Cada etapa é dividida em três fases, sendo a primeira com as lâmpadas desligadas por 20 minutos, em seguida a segunda fase se dá com as lâmpadas ligadas por 20 minutos e a terceira e última com as lâmpadas desligadas, em intervalo de tempo necessário para avaliar o comportamento de redução de temperatura pela emissão da energia térmica acumulada. Os poluentes utilizados foram tiras pequenas de plástico de garrafa PET, em quantidade suficiente para forrar a camada de areia do aquário, uma tira de alumínio de 5 cm e um fio de aproximadamente 5 cm de tungstênio para solda, mostrados na Figura 04. Os resultados das medidas sem poluentes são apresentadas na Figura 05 e com poluentes na Figura 06, apresentadas a seguir.

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Figura 04: Poluentes utilizados: tiras de PET (esquerda) e fio de tungstênio e tira de alumínio (direita).

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Figura 05: Gráfico das grandezas medidas com o aquário limpo . Lâmpadas estavam ligadas entre 20 min e 40 min.

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Figura 06: Gráfico das grandezas medidas com o aquário com poluentes . Lâmpadas estavam ligadas entre 20 min e 40 min.

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É importante salientar que todos os dados foram obtidos automaticamente (inclusive o traçado dos gráficos em tempo real) usando as TICs apresentadas neste trabalho. As Figuras 05 e 06 apresentam os resultados com eixos e legendas adaptados para esta publicação, onde  T( o C) refere-se às medidas de variação de temperatura (pontos em cor azul) e  t (min) refere-se às medidas de variação de tempo. As medidas de temperatura com LM35 (em cor vermelha) são externas ao aquário e apresentaram em média aumento inferior a 1º C. Na Figura 05 (sem os poluentes) a variação de temperatura chega à 6º C, alcança o ápice de variação aos 48 minutos (08 minutos após o desligamento das lâmpadas) e inicia a redução aos 54 minutos. Na Figura 06 (com poluentes) a variação de temperatura chega à aproximadamente 4,5º C e alcança o ápice aos 58 minutos (18 minutos após o desligamento das lâmpadas), um tempo posterior ao inicio da queda de temperatura do sistema sem poluentes. A partir daí, a redução de temperatura começa aos 62 minutos (22 minutos após o desligamento das lâmpadas), um intervalo de tempo muito maior que o apresentado pelo sistema sem poluentes. Explicitamos diferentes intervalos de tempo totais dos gráficos nas Figuras 05 e 06 devido ao efeito da adição de poluentes para mostrar claramente uma maior retenção de energia térmica no sistema com poluentes após o desligamento das lâmpadas, comparado com o sistema sem poluentes.

Chamamos a atenção que se observa instabilidades nas medidas de pH durante o intervalo de tempo em que as lâmpadas estão acesas, indicando que o sensor PH4502c não é adequado para medidas nesta fase do fenômeno.

Os resultados sugerem que este kit e esta atividade permitem a discussão de conceitos fundamentais. Pode-se discutir o conceito de luz (ondas eletromagnéticas) como agente de aquecimento e a transferência de calor por radiação, estabelecendo um paralelo para os discentes compreenderem como ocorre o aquecimento da Terra pelo Sol em analogia ao aquecimento de uma porção d'água com uma lâmpada. Também se observa que este kit permite aos estudantes efetivamente observar que se a energia térmica emitida pelas lâmpadas for a mesma (tempo de ativação das lâmpadas é o mesmo), a variação de temperatura pode ser diferente, sugerindo que as propriedades do meio foram modificadas pela adição dos diversos materiais à água. Observar esta alteração na variação da temperatura pela presença dos poluentes tem potencial de provocar questionamentos pelos discentes sobre o porquê desta diferença. O docente pode introduzir o conceito de capacidade térmica (média), a partir da observação de que a

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adição de poluentes aumenta a capacidade de retenção de calor. No sistema com poluentes a variação de temperatura é levemente menor, mas o tempo de retenção da energia térmica é maior. Ou seja, mesmo após o cessar da radiação (o pôr do Sol), a queda de temperatura demora tanto que ao reinicio do aquecimento (nascer do Sol), ainda haveria energia térmica advinda do aquecimento anterior: o sistema poluído gera um aumento de temperatura por mais tempo (existe também mais massa a ser aquecida) e seu resfriamento é mais longo no tempo, implicando em acúmulo da energia térmica a cada ciclo. Essas alterações assim podem ser atribuídas a alterações na capacidade térmica (média) que mudam significativamente a temperatura da água. Estes fenômenos devem ser associados pelo docente a efeitos sobre os processos ecológicos e a vida aquática, em especial se a poluição se dá onde a camada de água é reduzida, como em manguezais e pequenos lagos. Também se verifica que com este kit experimental os discentes seriam capazes de observar alteração nos valores de variação de pH antes e depois do aquecimento devido a presença de poluentes na água.

## Conclusão

Concluímos pelos resultados apresentados e discutidos que foi possível desenvolver um kit experimental microcontrolado baseado no kit sugerido por (SILVA, 2023). O produto obtido facilita a aquisição de medidas de grandezas físicas e o traçado de gráficos que permitem aos/às docentes promover discussões relevantes com os educandos sobre fenômenos ambientais. PET-Física-UFRRJ agradece ao Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação (FNDE) pelo financiamento das Bolsas e do Custeio e também agradecemos a UFRRJ pela infraestrutura cedida.

## Referências

IPCC. IPCC, 2023: Sections. In: Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, H. Lee and J. Romero (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, pp. 35-115, doi: 10.59327/IPCC/AR69789291691647.

MICROPYTHON. MicroPython, Python for microcontrollers . Disponível em: https://micropython.org/. Acesso em: 10 jul. 2024.

PASTOR, F. Sea Surface Temperature: From Observation to Applications. Journal of Marine Science and Engineering. Vol.9, no. 11, p.1284, 2021.

PYFIRMATA. Python software foundation: pyFirmata 1.1.0 . Disponível em: &lt;https://pypi.org/project/pyFirmata/&gt;. Acesso em 20 fev. 2024.

PYTHON SOFTWARE FOUNDATION. Welcome to Python . Disponível em: &lt;https://www.python.org/&gt;. Acesso em: 20 fev. 2024.

RASPBERRY PI FOUNDATION. Raspberry Pi Pico . Disponível em: &lt;https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-pico/&gt;. Acesso em: 20 Jan 2024.

SILVA, Matheus Cotta da; CRUZ, Frederico Alan de Oliveira. Proposta de um aparato experimental para a discussão de grandezas físico-químicas e de questões ambientais. A Física na Escola , [S. l.], v. 21, n. 1, p. 230076-1, 2023.

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