Desenvolvimento de sistemas de aquisição de dados e de automatização para a implementação de laboratórios virtuais no ensino de física

## DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS E DE AUTOMATIZAÇÃO PARA A IMPLEMENTAÇÃO DE LABORATÓRIOS VIRTUAIS NO ENSINO DE FÍSICA

## DATA ACQUISITION AND AUTOMATION SYSTEMS DEVELOPMENT FOR IMPLEMENTATION OF VIRTUAL LABORATORIES IN TEACHING PHYSICS

## Thiago Costa Caetano 1

1 Universidade Federal de Itajubá / Departamento de Física e Química / tccaetano@unifei.edu.br

## Laboratórios virtuais

Uma característica da Física (e das Ciências em geral) que a torna particularmente difícil para os alunos é o fato de lidar com conceitos abstratos e, em larga medida, contra-intuitivos. Uma tentativa de minimizar esta dificuldade constatada seria o uso de experimentação, entretanto, o conceito clássico de educação laboratorial requer o uso de laboratórios físicos, exigência que, como se pode constatar, fica acima das possibilidades reais da maioria dos estabelecimentos de educação do país. Uma tentativa de contornar tal situação é a introdução do computador como meio de simulação de atividades, antes desenvolvidas em laboratório. Surge então o conceito de laboratórios virtuais e ambientes remotos de colaboração capazes de ampliar as possibilidades de ensino para além do espaço das salas de aula onde estão presentes fisicamente professores e alunos (Kenski, 2005).

## Desenvolvimento do sistema de aquisição e análise de dados para o trilho de ar

- O projeto desenvolvido leva em consideração que o sistema de aquisição e análise de dados para a implementação dos laboratórios virtuais no ensino de Física precisa ser barato e fácil de ser construído. A escolha do experimento 'Trilho de ar' (cinemática em uma dimensão) no projeto inicial deve-se à simplicidade do experimento que favorece a compreensão de mecanismos fundamentais, os quais serão aplicados posteriormente em experimentos mais sofisticados.
- O sistema proposto é composto essencialmente por dois elementos: o elemento físico, ou hardware, composto por uma rede de sensores ; e o virtual, ou software, composto por uma UI (do acrônimo em inglês User Interface ) que recebe e analisa os dados.

## Elemento físico: o microcontrolador e a rede de sensores

De uma forma geral, construir um sistema como esse e fazê-lo se comunicar com o computador não é uma tarefa fácil e isso acaba se tornando um empecilho ao desenvolvimento do projeto. Pensando nisso, buscou-se uma alternativa que suplantasse essa dificuldade e tornasse o projeto mais acessível, tecnicamente

falando. Dessa forma, um microcontrolador de teclado (Figura 1) foi empregado para enviar os sinais dos sensores para o PC, bastando conectá-lo a porta USB. Aplicações semelhantes com periféricos de um PC podem ser encontradas nos trabalhos de Barbeta et al. (2000) e de Magno et al. (2004).

O microcontrolador possui uma série de contatos que, no teclado, representa as linhas e as colunas da matriz . Nesse trabalho, o acionamento dos sensores ao 1 longo do trilho de ar faz o chaveamento dos contatos e envia sinais até a UI, que são lidos e interpretados como teclas do teclado. Uma vez que se conhecem as posições dos sensores, a UI pode registrar o instante em que cada sensor foi acionado e a sua posição.

Figura 1: Fotografia do microcontrolador de teclado utilizado no sistema de aquisição Dados.

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## O software de análise de dados

O software foi desenvolvido empregando a IDL (do acrônimo em inglês 2 Interactive Data Language ) e pode ser executado tanto em plataforma Linux quanto em plataforma Windows.

Iniciada a aquisição de dados, o software armazena na memória todas as informações sobre o tempo de acionamento dos sensores. Lembrando que a posição de cada sensor é conhecida a priori . Essas informações são acessíveis ao usuário.

## As ferramentas de análise dos dados

O software possui algumas ferramentas para análise dos dados além das funcionalidades básicas.

As medidas de tempo e espaço lidas pelo programa podem ser visualizadas graficamente, como mostra a Figura 2. Parâmetros cinemáticos e dinâmicos como velocidade escalar, velocidade escalar média, aceleração escalar, Força (no caso do MRUV), entre outros são fornecidos pelo programa e informados diretamente na UI.

Ferramentas estatísticas implementadas no programa permitem que o usuário realize um estudo mais preciso a partir de múltiplas medições. Esse aspecto do projeto introduz e desenvolve noções elementares de estatística e também envolve técnicas experimentais consideradas pertencentes ao cerne da metodologia

científica. Mais funcionalidades serão incluídas no programa de acordo com as possibilidades de estudo. Evidentemente, as ferramentas disponíveis dependem do experimento em questão.

## Algumas considerações e perspectivas

Deve-se enfatizar que a idealização e execução de um projeto como esse representam uma rica experiência e uma ótima oportunidade de aprendizado para alunos e professores, os quais precisam estar envolvidos nessa fase do projeto. A ferramenta em si e o experimento escolhido devem ser vistos apenas como a parte concreta do projeto e não podem proporcionar as mesmas situações didáticas das fases anteriores. Pode-se considerar como parte essencial do objetivo desse trabalho favorecer a criação de tais situações, que apresentam a marcante característica de se tornarem inevitavelmente interdisciplinares.

Figura 2: Interface gráfica do software de aquisição de dados

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Por outro lado, não se deve esquecer que o sistema proposto nesse trabalho é parte integrante de um sistema mais complexo que permitirá que o experimento seja realizado remotamente. Nas próximas etapas desse projeto a mesma UI deverá ser reprogramada em uma linguagem de programação voltada para web e mecanismos automatizados serão desenvolvidos para que o experimento possa ser manipulado a distância.

## Referências

Barbeta, V. B., Marzzulli, C. R., Experimento Didático para Determinação da Velocidade de Propagação do Som no Ar, Assistido por Computador, RBEF, vol. 22, no. 4, Dezembro, 2000.

Magno et al., Realizando experimentos didáticos com o sistema de som de um PC, RBEF, vol. 26, n. 1, p. 117 - 123, 2004.

Kenski, V., Das salas de aula aos ambientes virtuais de aprendizagem, In: Atas do XII ABED, Florianópolis, 2005.