USO DA ROBÓTICA COMO FERRAMENTA PARA O ENSINO DAS CIÊNCIAS EXATAS

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1 USO DA ROBÓTICA COMO FERRAMENTA PARA O ENSINO DAS CIÊNCIAS EXATAS SILVA, Fernanda Vargas e 1 ; KOTTWITZ, Paula Walter 2 ; ROSA, Jarbas André 3 ; SCHEID, Roberto 4 ; RIBEIRO, Laís de Negri 5. RESUMO Com a tecnologia tornando-se diariamente mais presente na vida das pessoas, faz-se necessária também sua inclusão na educação. O presente artigo apresenta o Projeto Ferramentas e Interações para o Ensino das Ciências Exatas que faz parte do programa de extensão Ciências e Tecnologias na Educação Básica da Universidade Feevale. O projeto oferece oficina de Robótica para alunos e professores dos anos finais do ensino fundamental e do ensino médio, através do uso do Kit Lego Mindstorms NXT e capacitação docente em Robótica Educacional por meio do Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100, que é baseado na plataforma Arduino. O objetivo dessas atividades é proporcionar aos alunos e professores uma forma mais dinâmica e criativa de aprender e apreciar as diversas áreas das ciências exatas, tornando as aulas mais atrativas e melhorando o processo de ensinoaprendizagem. ABSTRACT With technology becoming more present in people s lives, it is also necessary to include them in education. This article presents the Tools and Interactions Project for the Teaching of Exact Sciences that is part of the Science and Technology extension program in Basic Education of the Feevale University. The project offers Robotics workshop for students and teachers in the final years of elementary and high school, through the use of the Lego Mindstorms NXT Kit and teacher training in Educational Robotics through the Educational Robotics Kit Criatecno CT100. The purpose of the activities is to provide students and teachers with a more dynamic and creative way of learning and enjoying the various areas of the exact sciences, making classes more attractive and improving the teaching-learning process. Keywords: Robotics, Educational Robotics, Technological Education, Teaching, Learning. Palavras-chave: Robótica, Robótica Educacional, Educação Tecnológica, Ensino, Aprendizagem. 1 INTRODUÇÃO De acordo com dados baseados na Prova Brasil 2015 (IDEB, 2018), apenas 14% dos alunos aprenderam o necessário na competência de resolução de problemas até o 9 ano na rede pública de ensino no âmbito nacional. Isto é, dos alunos que realizaram a prova, apenas demonstraram o aprendizado adequado. No Rio Grande do Sul, essa proporção sobe para 16%, sendo que dos alunos que participaram da prova, demonstraram o aprendizado adequado. As atividades propostas pelo Projeto de Extensão da Universidade FEEVALE Ferramentas e Interações para o Ensino das Ciências Exatas são uma oportunidade para que professores, concomitante com as políticas do estado, trabalhem juntos para aprimorar a qualificação na área da educação tecnológica, ajudando as crianças/adolescentes a melhorarem sua relação com as ciências e as tecnologias, bem como a se tornarem cidadãos inovadores e propiciando inclusão 1 Mestre em Engenharia Química (UFRGS), Líder do Projeto de Extensão (FEEVALE). 2 Acadêmica de Engenharia Civil, Bolsista de Extensão (FEEVALE). 3 Mestre em Engenharia Mecânica (UFRGS), Docente do Projeto de Extensão (FEEVALE) 4 Mestrado em Administração (UFRGS), Docente do Projeto de Extensão (FEEVALE) 5 Acadêmica de Sistemas de Informação (FEEVALE) 82

2 social. Conforme Zilli (2004), a educação promove a sociedade, que está sempre sujeito a mudanças, de acordo com as demandas sociais de cada época. O homem está presente como sujeito principal, onde seu desenvolvimento, está diretamente associado à capacidade de conhecer os elementos que o cercam, podendo ampliar sua liberdade, comunicação e colaboração com a sociedade. As tecnologias estão cada vez mais presentes em nosso dia a dia, e através delas, o processo ensino-aprendizagem se dá de forma diferente do que era anos atrás. Tais tecnologias são capazes de desenvolver habilidades e auxiliar a compreensão de diversos conteúdos curriculares. (ZILLI, 2004). De acordo com Morine, (2006, p.36) O uso de diferentes linguagens, entre elas a tecnológica, compõe o universo cultural das sociedades contemporâneas. O empenho para que todos os grupos sociais possam fazer uso dela contribui para uma educação e uma sociedade mais humana e justa. Neste contexto surge então a Robótica como ferramenta auxiliadora no processo de ensino, proporcionando ao aluno, além de momentos de entretenimento, momentos de aprendizado e desenvolvimento de habilidades e raciocínio lógico. Pois os alunos são instigados a montar, desmontar, programar e reprogramar um sistema robotizado (OLIVEIRA, 2007). Piaget (GOULART, 1997) e Vygotsky (OLIVEIRA, 1993), pais da psicologia cognitiva contemporânea, propõem que o conhecimento é construído através da capacidade intelectual ao interagir com objetos do ambiente, e Morelato (2010) completa dizendo que a utilização da robótica como método construtivista de ensino vem sendo bastante explorada em todos os níveis de ensino (fundamental, médio e superior). Ainda de acordo com os autores, empregando a lógica de forma eficaz, o aluno pode desenvolver a sua capacidade de solucionar problemas e aprender conceitos ligados a Matemática e a Física, melhorando a qualidade do aprendizado, uma vez que coloca em prática conceitos teóricos desenvolvidos em sala de aula. Com o intuito de contribuir para a melhoria do processo de ensino-aprendizagem, através de situações da realidade de cada escola, o Projeto Ferramentas e Interações para o Ensino das Ciências Exatas, oferece aos alunos e professores os conceitos básicos de robótica, proporcionando uma forma alternativa de aprender e ensinar conhecimentos tratados pelas disciplinas de ciências exatas. 2 METODOLOGIA O projeto de extensão da Universidade Feevale, Ferramentas e Interações para o Ensino das Ciências Exatas, iniciado em 2016, tem como objetivo desenvolver e aplicar diferentes tecnologias no processo de ensino-aprendizagem. Isto está sendo realizado junto a professores e estudantes da educação básica de escolas parceiras, através de oficinas de robótica que abordem 83

3 os conceitos de Física, Química e Matemática de forma lúdica com os alunos e professores, visando a melhoria do estudo das ciências exatas. De acordo com Prado (2009), a robótica é utilizada como ferramenta educacional, trazendo conceitos relevantes de uma forma mais atrativa, e é através do uso do Kit Lego Mindstorms NXT em oficinas para alunos e professores e através de uma capacitação docente em robótica educacional, com uso do Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100 que buscamos atingir esse conceito. O projeto busca atender professores e estudantes dos anos finais da educação fundamental e do ensino médio, de escolas públicas municipais e estaduais do Vale dos Sinos. Um dos seus objetivos é a capacitação de pessoas para o uso da robótica como ferramenta educacional no ensino de Física, Química e Matemática. Contribuindo, assim, para o incremento no nível de conhecimento dos estudantes sobre conceitos abordados pelas ciências exatas. 2.1 Kits de Robótica Para a realização das atividades do projeto de extensão são utilizados dois kits de robótica diferentes: o Kit Lego Mindstorms NXT e o Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100. O primeiro é um material do tipo hardware e software proprietários, da empresa Lego. Já o segundo kit é baseado na plataforma Arduino, o que o torna bastante flexível quanto as montagens Kit Lego Mindstorms NXT O Lego Mindstorms NXT, talvez por parecer com um brinquedo, gera motivação para ser empregado em sala de aula, sendo utilizado amplamente em escolas e universidades. Lançado em 1998, o sistema Lego Mindstorms é uma linha específica para a área de Educação Tecnológica. O kit contém peças tradicionais, blocos de construção Lego, algumas adaptadas para o encaixe de engrenagens, de sensores e de motores. Tais elementos são controlados por um processador programável, o que transforma um simples brinquedo em um robô adequado para a introdução de dispositivos mecânicos. A Figura 1 apresenta a montagem de um robô utilizando o Kit Lego Mindstorms NXT. 84

4 Figura 1 - Robô montado com o Kit Lego Mindstorms NXT. Fonte: Portal Lego. O bloco NXT funciona como o cérebro do robô. Nele são conectados os motores e os sensores. Além disso, é nele que está o microprocessador, elemento responsável por permitir um comportamento programável e inteligente, capaz de realizar tomada de decisões. Além dos elementos estruturais, o kit Lego possui 3 servomotores e 4 tipos sensores, que são como os sentidos do robô. Os sensores disponíveis no kit são: sensor de toque, sensor ultrassônico, sensor de som e sensor de luminosidade. Por ser formado pelas peças Lego, que são de fácil montagem e desmontagem, o kit permite a quem o utiliza, a possibilidade de aprender conceitos básicos de tecnologia e de desenvolver a criatividade. Uma rápida pesquisa na internet mostra as mais diversas e criativas formas de montar e utilizar esse kit. O Kit Lego Mindstorms NXT é programado com sua plataforma gráfica NXT-G, através do uso de uma linguagem de programação que utiliza blocos pré-programáveis que se interligam para montar o corpo do programa do robô. Portanto, não é utilizado código escrito. A programação é totalmente ilustrada e intuitiva, os comandos e atribuições de valores às variáveis podem ser facilmente manipulados. Por essas características, é considerada uma linguagem de fácil usabilidade e aprendizagem, principalmente por crianças e pessoas com pouco conhecimento em programação. A Lego Educacional e National Instruments desenvolveram em conjunto o software Lego Mindstorms Education NXT. O software possui uma interface intuitiva para arrastar e soltar e ambiente de programação gráfica, o que torna fácil o suficiente para um iniciante como também igualmente poderoso para um especialista. O software Lego Mindstorms Education NXT é uma versão melhorada do software de programação NI LabView profissional, usado por cientistas e engenheiros de todo o mundo para desenhar, controlar e testar produtos e sistemas como MP3, aparelhos DVD, telefones celulares e dispositivos de segurança air bag para veículos [EDUCATION, MINDSTORMS, 2017] 85

5 2.1.2 Plataforma Arduino O projeto Arduino, nasceu em 2005 na Itália e é constituído por uma plataforma de hardware e software livres (open-source). O seu objetivo é fazer com que pessoas com pouco conhecimento em programação e eletrônica possam desenvolver aplicações de objetos e ambientes interativos (BANZI, 2012). Para que isso seja possível, o projeto possui tanto um hardware fácil de ser manuseado, quanto um software de desenvolvimento acessível para a programação. Vários modelos de placa controladora Arduino estão disponíveis hoje em dia, os quais se diferenciam em termos de número de entradas/saídas, capacidade de memória, velocidade de processamento e formato. A placa controladora que faz parte do Kit de Robótica Criatecno CT100 é a Arduino Uno. Essa placa é mostrada na Figura 2. Figura 2 - Placa Arduino Uno Fonte: Site do Arduino. Para realizar a programação de qualquer um dos modelos de placa controladora Arduino é necessário um software específico, como o Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment). Os códigos a serem executados pela placa Arduino são desenvolvidos nesse software, com o uso da linguagem de programação Arduino, que é fundamentada em C/C++. Contudo, para criar tais códigos também é possível usar linguagens de programação baseadas em interface gráfica, como Scratch e Ardublock. Por se tratar de uma plataforma livre e de baixo custo, o Arduino vem sendo amplamente utilizado no ensino tecnológico, em todo o mundo Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100 O Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100 foi criado com o objetivo de permitir que pessoas com interesse em robótica possam desenvolver habilidades e competências nessa 86

6 área (ROSA, 2017). Ele é composto por chassi metálico, placa controladora (Arduino Uno), protoboard, servomotores, componentes eletrônicos, sensores, cabos e peças diversas. Com o uso do kit é possível abordar desde conceitos básicos de robótica, até locomoção e navegação de robôs autônomos. Dessa forma, o usuário tem a possibilidade de desenvolver habilidades nas áreas de mecânica, eletrônica e computação. Pelo fato do Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100 ser baseado na plataforma Arduino, a pessoa que o utiliza pode facilmente desenvolver projetos próprios, utilizando além dos materiais que compõe o kit, outros elementos diversos, customizados ou adquiridos no comércio. Na Figura 3 aparece um robô que foi montado com o Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100. Figura 3 - Robô montado com o Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100 Fonte: Site da Criatecno Atividades do Projeto O projeto oferece duas atividades relacionadas com robótica: a) oficina com o Kit Lego Mindstorms NXT, voltada para professores e alunos dos anos finais de ensino fundamental e do ensino médio; e b) capacitação em Robótica Educacional usando o Kit de Robótica Educacional Criatecno CT100, voltada para professores da educação básica Metodologia da oficina com o Kit Lego Mindstorms Para que aconteça a oficina de robótica, a Universidade Feevale disponibiliza os kits para as escolas que participam. Essa oficina pode ocorrer tantos nas dependências da Universidade, como na própria escola. A oficina é dividida em três encontros de duas horas de duração cada, 87

7 realizados com alunos do ensino fundamental e médio, de idades entre 10 e 17 anos. No primeiro encontro é apresentado aos alunos uma introdução à robótica: os primeiros conceitos de lógica de programação, como funciona o robô, seus sensores e como montá-los. Com a ajuda dos professores, os alunos aprendem a funcionalidade de cada sensor, montandoos e programando a sua utilização. Assim, colocam em prática o que é aprendido dentro da sala de aula. Nos demais encontros, os alunos são desafiados a transferir para o software gráfico NXT-G tudo o que aprenderam nas aulas, através da linguagem de programação Lego. Neste momento eles aprendem os conceitos básicos de algoritmos, dando ao robô o poder da tomada de decisão (se/senão), além da possibilidade de executar cinco comandos, definindo ainda velocidade e distância a ser percorrida. Mindstorms. A Figura 4 traz a imagem da tela apresentada pelo software de programação do Kit Lego Figura 4 - Software de programação do Kit Lego Mindstorms Fonte: Site da Lego. O fato da plataforma de programação Lego ser gráfica, torna esta oficina atrativa e de fácil entendimento. O objetivo nesta oficina é mostrar aos alunos os conceitos básicos de lógica e programação, e melhorar a aprendizagem de diversos temas: artística e criatividade (através da construção do robô); geometria (análise das formas e como encaixá-las); física (no cálculo do movimento e velocidade); ciências (na determinação da massa, peso, velocidade, espaço e tempo); matemática (no cálculo do tempo, deslocamento e velocidade); programação e informática. Durante as atividades os alunos são desafiados a resolverem problemas, dos mais simples aos mais complexos, aplicando todos os conhecimentos adquiridos. Dessa forma, é reforçando 88

8 não apenas o que foi ensinado em aula, mas também o senso crítico e o trabalho em grupo. Tudo isso de uma maneira empolgante, que faz com que o aluno aprenda e se desenvolva brincando Metodologia da capacitação com o Kit Criatecno CT 100 Para os professores interessados em obter conhecimento sobre Robótica Educacional é oferecida uma capacitação de 30 horas, que é dividida em 10 encontros de 3 horas de duração cada. Esses encontros ocorrem nas dependências da Universidade Feevale, em dias definidos com os participantes, afim de permitir uma maior flexibilidade para os mesmos. Na capacitação são apresentados aos docentes conceitos básicos de eletrônica, mecânica, programação e robótica educacional. No decorrer das aulas, eles aprendem sobre componentes eletrônicos, dispositivos mecânicos, lógica de programação e possíveis aplicações da robótica como ferramenta de aprendizagem. A escolha de se usar na capacitação um kit de robótica baseado na plataforma Arduino se dá pelo fato do mesmo ter um custo mais acessível do que outros disponíveis no mercado atualmente. Assim, existe uma maior viabilidade financeira para as escolas poderem implantar no seu currículo a robótica educacional. Durante a capacitação, os participantes aprendem a montar circuitos eletrônicos em uma protoboard (também chamada de matriz de contatos). Tal dispositivo facilita muito o trabalho de confecção de circuitos e permite a reutilização dos componentes eletrônicos. Na Figura 5 é mostrado um pequeno circuito eletrônico que foi montado em uma protoboard. Figura 5 - Circuito eletrônico montado em uma protoboard Fonte: Próprio autor. Para realizar a programação da placa controladora do kit, afim de que ela execute determinadas instruções, é utilizada uma linguagem gráfica de programação para o Arduino, chamada de Ardublock. Na verdade, a interface da Ardublock funciona associada ao Arduino 89

9 IDE, como uma ferramenta do ambiente de programação (Site da Ardublock). O ambiente para programação na linguagem Ardublock é mostrado na Figura 6. Figura 6 - Ambiente para programação em Ardublock Fonte: Próprio autor 3 RESULTADOS O projeto teve início no ano de 2016, tendo como objetivo principal promover a melhoria do estudo das ciências exatas (Física, Química e Matemática) e a aplicação de diferentes tecnologias no processo ensino-aprendizagem junto à professores e alunos de escolas públicas de educação básica localizadas dentro da região de abrangência da Universidade Feevale. Até o final do 2º semestre de 2017, foram beneficiados pelas atividades propostas 170 pessoas, dentre alunos e professores da região do Vale do Sinos. Esse projeto vem tendo o apoio tanto do setor público, através de escolas e secretarias de educação, quanto do setor privado, já que conta com a parceria da empresa Criatecno desde o seu início. Des do início das atividades do projeto em 2016, até o final do ano de 2017, houve um aumento de 11,25% no entendimento de robótica. Estes resultados são obtidos através de questionários de avaliação das oficinas (figura 7), aplicados no início e no final das atividades. 90

10 Figura 7 Questionário Lego Fonte: Próprio autor. As oficinas também possibilitaram aprimorar as habilidades de alunos e professores, tanto motoras como lógicas, alterando de forma positiva a maneira de como eles executam suas atividades escolares, como se expressam em público, já que devem apresentar o robô desenvolvido na aula; como lidam com diferentes opiniões, pois trabalham em grupo, e cada indivíduo tem de se expressar e mostrar seu ponto de vista; e na capacidade de tomada de decisões, já que devem decidir qual o melhor comando e a melhor peça apara atender a função desejada. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Visto que o objetivo das oficinas é usar a Robótica como forma de contribuir com o processo de ensino/aprendizagem dos alunos e possibilitar aos professores capacitação para ensiná-los, observa-se ao longo das oficinas e dos resultados descritos acima que o mesmo foi alcançado. O projeto tem continuidade e espera-se, que até o final de 2020, quando ocorrerá o encerramento do projeto, tenhamos atendido ainda mais beneficiados, ampliando assim o 91

11 alcance do projeto e melhorando os níveis de aprendizado nas escolas. REFERÊNCIAS BANZI, Massimo. Primeiros passos com o Arduino. São Paulo, SP: Novatec, CASTILHO, M. I. Robótica na Educação: com que objetivos? Porto Alegre, RS: UFRGS, Monografia de Especialização em Informática na Educação, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Disponível em: < view/381/315>. Acesso em: Abr GOULART, Íris B. Piaget: experiências básicas para utilização pelo professor. 12. ed. Petrópolis, RJ: Vozes, MORELATO, L. A.; NASCIMENTO, R. A. O.; D ABREU, J. V. V.; BORGES; M. A. F. Avaliando diferentes possibilidades de uso da robótica na educação. São Paulo, SP: Universidade Cruzeiro do Sul, Revista de Ensino de Ciências e Matemática. v. 1, n. 2, dez Disponível em: < viewfile/11/9>. Acesso em: Abr MORINE, Edgar. Os 7 saberes necessários à educação do futuro. 11. ed. São Paulo, SP: Cortez, OLIVEIRA, Marta K. Vygotsky: aprendizado e desenvolvimento, um processo sóciohistórico. São Paulo, SP: Scipione, OLIVEIRA, Ramon de. Informática educativa. 13. ed. Campinas, SP: Papirus, PAPERT, S. Construcionism: a new opportunity for elementary science education; a proposal to the National Science Foundation. Cambridge-Massachusetts: MIT, Media Lab., Epistemology and Learning Group, Disponível em: < documentos/phpkrsbf9_57d1b750d8fae.pdf>. Acesso em: Mar PRADO, José Pacheco de Almeida. Robôs estarão disponíveis para estudantes brasileiros. Disponível em: < article. php?storyid=466>. Ago ROSA, Jarbas André da; HEINEMANN, Oliver Barth. Robótica educacional: atividades com o Kit Criatecno CT ed. Novo Hamburgo, RS: Criatecno, SAMPAIO, Marisa Narcizo; LEITE, Lígia Silva. Alfabetização tecnológica do professor. Petrópolis, RJ, Vozes, VALENTE, José Armando; MAZZONE, Jaures; BARANAUSKAS, Cecília; Aprendizagem na era das tecnologias digitais. São Paulo: Cortez, V. 1,

12 ZILLI, S. do R. A robótica educacional no ensino fundamental: perspectivas e práticas. Santa Catarina: UFSC, Dissertação de Mestrado do Programa de Pós-graduação em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Catarina. Disponível em: < pdf?sequence=1&isallowed=y>. Acesso em: Abr IDEB - Indicadores para o Rio Grande do Sul. Disponível em: < org.br/brasil/compare>. Acesso em: Ago Portal Arduino. Disponível em: < Acesso em: Fev Site da Ardublock. Disponível em: <blog.ardublock.com>. Acesso em: Abr Site do Arduino. Disponível em: < Acesso em: Abr Site da Criatecno. Disponível em: < Acesso em: Abr Portal Embarcados. Disponível em: < Acesso em: Fev Portal Edukar. Disponível em: < Acesso em: Mar Portal Eu Arduino. Disponível em: < linguagem-para-programacao-do-arduino-e-ide/>. Acesso em: Mar Site da Lego. Disponível em: < Acesso em: Mar