LEGO MINDSTORM: A APLICAÇÃO DA ROBÓTICA NO ENSINO DE FÍSICA E NO DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

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1 LEGO MINDSTORM: A APLICAÇÃO DA ROBÓTICA NO ENSINO DE FÍSICA E NO DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO Henrique Sobrinho Ghizoni - Universidade Estadual de Maringá -UEM Cleilton Perrout Felippe Fernandes da Silva Karolline Baretta - Resumo: O LEGO Mindstorm é um conjunto de peças tradicionais, motores e sensores de luminosidade, infra-vermelho e temperatura. Esses sensores são controlados por um processador programável RCX (Robotic Command Explorer). O grupo PET (Programa de Educação Tutorial) - Física da Universidade Estadual de Maringá, no intuito de utilizar novos caminhos no ensino da física, desenvolveu estudos com LEGO NXT, utilizando experimentos diversos em áreas aplicadas e temáticas. As áreas abordadas no projeto desenvolveram experimentos históricos como o navio de Aristóteles; experimentos científicos, como carros robôs que estacionam sozinho; experimentos Leonardescos, que tentavam, por meio da robótica desenvolver projetos criados por Leonardo da Vinci; e, por fim, desenvolvimentos didáticos, no qual eram realizados experimentos como um lançador de projéteis para o entendimento da física de lançamentos oblíquos. O objetivo do presente trabalho é, pois, diminuir a dificuldade do ensino da física mediante o uso de atividades dinâmicas, onde é possível interagir com os experimentos e visualizar suas diferentes variáveis por meio da robótica educativa. Palavras-chave: Lego Mindstorm, Robótica, Física, Educação, Tecnologia. 1 INTRODUÇÃO O grupo de educação tutorial em Física no intuito de utilizar novos caminhos para o estudo e ensino da física, desenvolveu um projeto de médio prazo, como foco na aplicabilidade da robótica a favor da física. O projeto teve como objetivo uma busca na evolução tecnológica, assim como a maximização do Kit Mindstorms da Lego para o ensino de física. O objetivo do grupo tutorial em Física foi o de tentar diminuir a dificuldade do ensino da física utilizando o kit Lego Mindstorm 9797 (TROBAUGH e LOWE, 2012; KMIÉC, 2013) aplicando-o em quatro formas distintas: na área de experimentos históricos, experimentos didáticos, experimentos leonardescos e experimentos científicos.

2 2 MATERIAIS E MÉTODOS No desenvolvimento do projeto, dividiu-se o grupo PET-Física em quatro grupos, contendo três petianos cada, abordando todas as partes propostas. O desenvolvimento dos grupos conforme evolução era apresentada para os demais, através de vídeos, fotos, reuniões e experimentos, de uma forma que todos pudessem interagir com todas as equipes do projeto. Os encontros para o projeto aconteciam uma vez por semana, com o período de quatro horas, que eram divididas entre: preparação, criação, montagem e teste. A preparação era feita através de uma pesquisa realizada por todos os integrantes do grupo, no qual o tema do desenvolvimento a ser realizado no dia. Em seguida, na segunda etapa, chamada de criação, todas as ideias possíveis eram debatidas e colocadas em prática. O grupo discutia quais as melhores ideias e estratégias a serem tomadas para o desenvolvimento da atividade. Feito isso, as ideais tornam-se aplicáveis e os grupos selecionavam as peças adequadas do Kit e montavam seu experimento. Na última fase, a fase de teste, o experimento era então colocado à prova. Caso atingisse o proposito inicial era aprovado pelo grupo, caso contrário, era necessário voltar à fase de criação ou/e de montagem novamente, até que o experimento cumprisse com o objetivo inicial. 3.1 Experimentos didáticos Na área dos experimentos didáticos, o grupo buscou sites e livros que pudessem encontrar experimentos a serem aplicados em sala de aula, para que fossem reproduzidos dentro das possibilidades do Kit Lego Mindstorms 9797 (BENEDETTELLI, 2008). A partir disso, vincularam-se esses experimentos aos conceitos físicos atuais. Um dos experimentos abordados foi o navio de Aristóteles, no intuito de construir o conceito de independência dos movimentos, mais particularmente, o estudo da trajetória de projéteis, e para dentro da robótica, facilitando a visão dos conceitos dos mesmos dentro da física. Abaixo, uma foto (figura 1) de uma lançador de projeteis, controlado pelo NXT, onde através de algoritmos aliados a tecnologia Bluetooth, é possível acionar a o gatilho do lançador de projéteis e movimentar o carro em um celular com a plataforma Android, controlando assim, todo o sistema pelo celular.

3 Figura 1. Lançador robótico de projéteis. Fonte: Arquivo dos autores 3.2 Experimentos Leonardescos O grupo que desenvolveu atividades de Leonardo da Vinci se embasou no livro Advanced NXT: The Da Vinci Invention Book (SCHOLZ, 2007), de onde extraia as instruções para a montagem dos projetos. Para a realização dos projetos foi utilizado o programa LEGO Digital Designer, que é uma plataforma de simulação em 3D para montagem de projetos com peças LEGO. No programa é possível realizar todos os mesmos movimentos feitos com peças reais. Foram trabalhados basicamente invenções de Leonardo Da Vinci, o carro armado e a catapulta. Segue abaixo, a imagem da catapulta leonardesca (figura 2) a qual o grupo se baseou para reproduzir em LEGO: Figura 2. Catapulta leonardesca. Fonte: SCHOLZ, Abaixo, uma foto de tela da construção da catapulta no programa LEGO Digital Designer (figura 3 ).

4 Figura 3. Catapulta leonardesca no Digital Designer. Fonte: SCHOLZ, Experimentos Históricos O grupo de reinvenção de experimentos históricos (PET-FISICA, 2014) teve como principal objetivo estudar invenções marcantes ao longo da história e montá-las em LEGO.Uma invenção marcante que foi reproduzida pelo grupo, foi o relógio analógico, que é constituído basicamente de polias e engrenagens que trabalham em uma certa frequência, porém, com períodos diferentes devido aos diferentes tamanhos de raio. A montagem dele é de difícil, entretanto ao ser reproduzido em LEGO, se torna mais fácil devido aos motores, necessitando assim de menos polias e engrenagens como de costume. Na figura 4 a imagem da estrutura do relógio em LEGO.

5 Figura 4. Relógio robótico em Lego. Fonte: SCHOLZ, Desenvolvimento Tecnológico em Robótica O grupo de desenvolvimento tecnológico em robótico, foi responsável por recriar alguns meios avançados de tecnologia, e decorreu um estudo aprofundado sobre o tema com adaptação das peças disponíveis do LEGO NXT (figura 5). Na procura pela maximização do uso do sensor de infravermelho do kit NXT, o grupo conseguiu desenvolver um carro, em pequena escala, que estaciona sozinho, ou seja, após o sistema detectar um espaço necessário para o tamanho do carrinho, o mesmo começa a executar movimentos de baliza, até o objetivo ser alcançado. Figura 5. Peças para construção do carro robótico. Fonte: Arquivo dos autores.

6 Abaixo (figura 6), o carro utilizando os parâmetros medidos pelo sensor de infravermelho para poder estacionar. Figura 6. Carro robótico com sensor de infravermelho. Fonte: Arquivo dos autores. Abaixo (figura 7), uma foto de tela do programa (figura 7) utilizado para programar o carro que estaciona sozinho, e seus respectivos algoritmos: Figura 7. Tela com algoritmo para programação do carro robótico. Fonte: Arquivo dos autores.

7 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO O PET Física idealizou basicamente quatro grandes experimentos: O carro que estaciona sozinho, o Carro de lego controlado a distância por bluetooh, A catapulta de Leonardo da Vinci reproduzida em Lego, e o O carro armado de Leonardo da Vinci reproduzido em Lego. Estes experimentos serviram para consolidar uma ideia básica para ser adicionada potencialmente aos laboratórios de ensino de Física tanto em nível médio quanto em nível superior, especialmente nas áreas de Cinemática e Dinâmica. Nestas áreas, conceitos como a obtenção da função horária espaço versus tempo (distância proporcional ao quadrado do tempo), em sua forma galileana, pode ser obtida pela variação da velocidade no decorrer do tempo e espaços pré-determinados de forma a obter a função quadrática. Como consequência natural, o experimento robótico tanto da catapulta quanto do carro armado induz aos experimentos de lançamentos oblíquos quando de movimentos parabólicos, consolidando a grande lição da cinemática galileana, qual seja, a da independência dos movimentos (inercial na horizontal e uniformemente acelerado na vertical), assim como a dinâmica newtoniana com a introdução de forças inerciais e não inerciais, bem como de força gravitacional. O sentido também é aquele de idealizar a robótica com experimentos que possam representar um upgrade na forma do tratamento empírico de obtenção de relações quantificáveis, como nas equações abaixo, de movimento (1) e força (2), por exemplo: Desta forma, abordamos a física, porém, sem cair nas relações teóricas e mnemotécnicas do ensino tradicional de física pode ser um motivador potencial para um ensino de física mais criativo e fixador de conceitos necessários para o efetivo aprendizado dessa ciência. No decorrer do projeto que levou à construção do presente trabalho, houve uma grande evolução por parte dos membros envolvidos principalmente nas duas áreas nas quais foram propostas as atividades didáticas. A partir disso, houve um aprimoramento maior dos itens básicos de cada atividade desenvolvida. Desta forma, o grupo conseguiu que o Kit Lego Mindstorms 9797 se tornasse uma grande ferramenta no ensino de física, fazendo assim com que as apresentações do conteúdo fossem mais dinâmicas em sala de aula, facilitando o aprendizado. (1) (2) 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Podemos concluir que a atividade voltada ao desenvolvimento do projeto foi de grande contribuição, tanto para o grupo desenvolvedor da temática, quanto para o aprimoramento de novos materiais voltados à apresentação mais dinâmica da física em escolas e para comunidade científica pelo aprimoramento do NXT e seus componentes. A apresentação entre grupos trouxe um maior contato de todos os integrantes com todas as partes do projeto, proporcionando uma troca intensa de conhecimento, com adição substancial de alunos de ensino médio e universitário num processo otimizado de retroalimentação e de reestruturação das atividades e do uso

8 experimental dos protótipos desenvolvidos. Podemos concluir que o projeto foi uma grande oportunidade para divulgação de atividades de pesquisa, ensino e extensão, como requer a tríade acadêmica tão propalada no imaginário acadêmico mas poucas vezes colocado em prática e/ou alcançado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Livros TROBAUGH, J.J.;LOWE M. Winning LEGO MINDSTORMS Programming. Nova Iorque, SCHOLZ, M.P. Advanced NXT: The Da Vinci invention book. Nova York, BENEDETTELLI, D. Creating Cool Mindstorms NXT Robots. Nova York, KMIÉC, P.S. The unofficial LEGO Technic Builder s Guide. São Francisco, CA, Internet PET-FÍSICA UEM. Projeto Robótica - Parceria PET Física e Sérgio Yamada Computação Disponível em: <http://www.pet.dfi.uem.br/index.php?frame=robotica>. Acesso em: 5 set LEGO MINDSTORM: THE APPLICATION OF ROBOTICS IN PHYSICAL EDUCATION AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Abstract: The LEGO Mindstorm is a traditional set of parts, motors and light sensors, infrared and temperature. These sensors are controlled by a programmable processor RCX (Robotic Command Explorer). The PET group (Programa de Educação Tutorial) - Física, Universidade Estadual de Maringá,in order to use new ways of teaching physics, developed studies with LEGO NXT, applying various experiments in applied and thematic areas. The areas addressed by the group developed historical experiments as the ship of Aristotle; scientific experiments, such as robots parking cars alone; Leonardescos experiments, trying through robotics develop projects created by Leonardo da Vinci; and finally educational developments, in which experiments were conducted as a projectile launcher to the understanding of physics. The objective of this project then is to decrease the difficulty of physics teaching through dynamic activities where you can interact with the experiments and visualize their variables. Key-words: Lego Mindstorm, robotics, physics, education, technology.

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