"Hands on" & "Heads in": trabalhando com a Robótica em Educação

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1 "Hands on" & "Heads in": trabalhando com a Robótica em Educação Silvia Branco Vidal Bustamante Faculdade de Educação Universidade Católica de Petrópolis (UCP) Caixa Postal Petrópolis RJ Brasil Coordenadora do Centro de Informática Educativa silvia.bustamante@ucp.br Abstract. This project intends a research about the Design as invention, science and art, when applied with students groups perceiving problems and original solutions through Robotics on Education resources. The "Hands on" and " Heads in" concepts are applied to identify how they contribute to a meaningful knowledge building through computers artifacts. Resumo. O projeto investiga o Design como invenção, ciência e arte, identificando em grupos de alunos aqueles que sejam capazes de perceber problemas e soluções originais através dos recursos da Robótica aplicada à Educação. Os conceitos de "Hands on" e o "Heads in" são utilizados para identificar de que maneira contribuem para a construção significativa de conhecimento. 1. Introdução "Antes dos meus dois anos de idade eu já me interessava bastante por automóveis. Os nomes das peças dos carros eram parte substancial do meu vocabulário, sentia-me muito orgulhoso por conhecer os componentes do sistema de transmissão, a caixa de cambio e especialmente o diferencial. Isso aconteceu, é claro, muito antes de eu entender como as engrenagens funcionavam; mas assim que passei a conhecê-las, brincar com elas passou a ser o meu passatempo favorito. Adorava girar objetos uns contra os outros em movimentos circulares e, naturalmente, meu primeiro "projeto de construção", foi um sistema rudimentar de engrenagens. (...) Engrenagens, servindo como modelos, facilitaram o meu acesso a idéias que eram muito abstratas" IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

2 Seymour Papert - As engrenagens da minha infância - Prefácio da Edição americana de Logo: Computadores e Educação. O Centro de Informática Educativa da Universidade Católica de Petrópolis vem desenvolvendo pesquisa teórica e aplicada sobre a construção de robôs em ambiente de aprendizagem. Na etapa atual o projeto desenvolve-se em duas vertentes: A primeira, considerada como área de suporte, através do Design, modelagem e desenvolvimento avançado, consistindo em investigação e pesquisa que se caracterizem pela elaboração de modelos necessários à evolução do projeto. A segunda, considerada como área de pesquisa aplicada, buscando analisar especificamente e na prática as relações entre o fazer e o compreender ( "Hands on" e "Heads in" ), procurando observar como o aluno do Ensino Fundamental apresenta-se capaz de pensar sobre situações de aprendizagem envolvendo robôs e engrenagens. Nas duas vertentes procura-se identificar a relação entre o "Hands on" e o "Heads in", destacando a sua importância e investigando de que maneira esse ambiente pode influenciar favoravelmente a aprendizagem dos alunos. De acordo com Ackermann, E (1993) a relação entre o "Hands on" e o "Heads in" é bastante complementar, de tal forma que a autora argumenta que: trabalho prático ("hands-on") não é suficiente sem o raciocínio ("heads-in") e a reprodução ("play-back"). 2. Histórico O projeto de Robótica na Universidade Católica de Petrópolis, teve início como subprojeto de "Estruturas Formais: a construção do significado", vinculado ao CNPq, trabalhando em sua fase piloto com a construção de um cardenal, seguido do projeto de um braço mecânico, tendo um bolsista do CNPq e um aluno envolvido na pesquisa. A idéia básica do projeto é sustentada na hipótese de que grande parte dos conteúdos formais são aprendidos sem a construção do significado que a eles corresponde provocando um formalismo que dificulta as condições da aprendizagem. O uso da robótica é então uma proposta para que se possa criar situações que envolvam a compreensão de estruturas formais e abstratas. Durante o processo de construção do braço mecânico, foram analisadas situações concretas que permitiam depreender fórmulas físicas do artefato que estava sendo construído. Como resultados pudemos observar a relação entre o fazer e o compreender, entre o concreto e o abstrato, extraindo e aplicando fórmulas físicas às situações de aprendizagem. Em nova fase, o Projeto Design e Robótica Educacional, vinculado ao CNPq/PIBIC, caracteriza-se pelo envolvimento de grupos-piloto de alunos 8 a série do Ensino Fundamental e do 1º ano do Ensino Médio do Colégio de Aplicação da IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

3 Universidade Católica de Petrópolis, e pelo envolvimento gradativo dos professores das disciplinas de Física e Matemática em acompanhamento aos projetos dos alunos. Nesta fase, o projeto se caracterizou por projetos bastante diferenciados entre os meninos e as meninas, permitindo identificar diferenças de gênero na criatividade, na abordagem técnica, na complexidade e sofisticação dos recursos aplicados. Como introdução a este trabalho foram realizadas as Oficinas de Robótica para divulgar os recursos do kit Robolab aos professores de Física e Matemática do Colégio de Aplicação da Universidade Católica de Petrópolis. Nessas oficinas o envolvimento do professor com a construção de servo-mecanismos, a discussão dos conceitos envolvidos com os artefatos realizados e a identificação de situações de sala de aula que possam ser potencializadas pelo trabalho com o Robolab, permitem que o professor explore situações de aprendizagem em que o conteúdo teórico possa ser concretizado na prática. O projeto se especifica nas possibilidades do Design como invenção, partindo para o desenvolvimento de modelos e protótipos, articulando o conceito de Design em suas acepções de ciência e arte, identificando em grupos de alunos aqueles que sejam capazes de perceber problemas e soluções originais, mantendo no entanto a correlação entre o "Hands on" e o "Heads in" e buscando identificar de que forma o conhecimento pode tornar-se mais apropriado pelo aluno através de uma prática que solicite os dois tipos de estratégia na identificação, caracterização e solução do problema. Para que isto se torne possível é importante que os professores estejam preparados para articular os recursos e as inovações deste tipo de ambiente. 3. Objetivos "Aos poucos, comecei a formular o que ainda considero um fato fundamental sobre a aprendizagem: qualquer coisa é simples se a pessoa consegue incorporá-la ao seu arsenal de modelos" Seymour Papert - As engrenagens da minha infância. Considerando-se as duas vertentes nas quais o projeto tem sido desenvolvido, podemos destacar como objetivos: Desenvolvimento de protótipos, caracterizando-se como modelos e suporte para a evolução do projeto Identificação de situações inovadoras pertinentes ao desenvolvimento dos protótipos Simulações em computador Análise de fórmulas e conceitos de física e matemática envolvidos ou relacionados com os modelos desenvolvidos Análise e desenvolvimento de estruturas de inteligência artificial que possam ser trabalhadas na transferência de comandos e procedimentos ao RCX. Correlação entre as situações de aprendizagem vinculadas ao protótipo e sua aplicação na vida cotidiana IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

4 Em situação aplicada, o projeto tem por objetivo observar, registrar e analisar como o aluno do Ensino Fundamental: percebe e aplica a construção do artefato permitindo evidenciar a relação entre o "Hands on" e o "Heads in". apreende os recursos da interface entre o computador e os artefatos mecânicos por ele construídos, no sentido de buscar alternativas para situações imprevistas decorridas no desenvolvimento do processo. interage em grupo, na percepção, construção e solução de problemas. Como parte ainda do que se desenvolve no projeto busca-se documentar os artefatos construídos pelos alunos e verificar como a construção dos artefatos possibilita aos alunos utilizar a robótica e desenvolver a compreensão de mecanismos elementares e de noções de física, também elementares que possam ser absorvidas intuitivamente. No que se refere a uma referência mais abrangente do projeto, busca-se ainda observar, registrar e analisar como o professor percebe a mudança de referencial necessária para que sua prática permita aos alunos a aprendizagem de conceitos vinculados ao concreto e abstraídos do mesmo. 4. Fundamentação Teórica Caracteriza-se como referencial básico do projeto de Robótica educacional, o arcabouço teórico desenvolvido por Seymour Papert (1985), destacando-se principalmente as idéias sobre as engrenagens apresentadas em Logo: Computadores e Educação, cuja abordagem essencial identifica a relação entre o fazer e o compreender. Em outro ponto de referência muito importante, os conceitos relacionados por Ackermann, E. (1993) onde a relação entre o Hands on e o Heads in é analisada, argumentando-se que: trabalho prático ("hands-on") não é suficiente sem o raciocínio ("heads-in") e a reprodução ("play-back"). No artigo Ferramentas para um aprendizado construtivo: repensando a interação, Ackermann analisa com bastante propriedade a importância da interação entre o Hands on e o Heads in. O referencial teórico do projeto concentra-se também de forma muito importante no conceito de Design, sendo também desejável considerar o construcionismo distribuído tal como nos é apresentado por Mitchel Resnick centralizando-nos basicamente em Resnick, M. e Ocko, S. (1991) no artigo LEGO/Logo: Learning Through and About Design. Referencia-nos também o trabalho de Fred Martin e Mitchel Resnick desenvolvido em LEGO/Logo and Electronic Bricks: Creating a Scienceland for Children, além da contribuição de Resnick, M., et al. (2000) The PIE Network Promoting Science Inquiry and Engineering through Playful Invention and Exploration with New Digital Technologies. Destacamos também como referencial em relação à robótica os trabalhos de Valente sendo a principal contribuição encontrada em VALENTE, J. A. e CANHETTE, C. C.(1993), no artigo LEGO-Logo: Explorando o Conceito de Design. IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

5 5. Metodologia A metodologia com que o projeto robótica tem sido desenvolvido pode também ser dividida em dois tópicos, o primeiro referindo-se ao Design, Modelagem e Desenvolvimento avançado de protótipos. De acordo com o processo desenvolvido neste primeiro tópico o que se tem desenvolvido obedece aos seguintes parâmetros: A metodologia a ser utilizada na elaboração de protótipos destina-se à investigação do estado da arte no desenvolvimento da Robótica Educacional, buscando estratégias alternativas que sejam interessantes como objeto de pesquisa e desenvolvimento. Permanece o conceito de Design como orientador da investigação e utilização de estratégias - tratando-se de Design aberto e sendo ele próprio voltado para a relação entre o "Hands on" e o "Heads in" e evoluindo para um tipo avançado de programação em que predomine a antecipação e o uso do pensamento virtual trabalhando-se basicamente com o "Heads in" e modelando recursos de Inteligência artificial aplicada à Educação. Nesse sentido destacamos as seguintes etapas dinâmicas no desenvolvimento do projeto: 1. Investigação do estado da arte dos projetos em Robótica Educacional 2. Design através de modelagem de situações inovadoras em termos da interação entre o artefato, suas funções e o algoritmo de controle. 3. Desenvolvimento de simulações 4. Implementação de algoritmos de controle que possam ser regulados por sistemas de interação entre as alterações ambientais e os diversos sensores, desenvolvendo o "feedforward" e o "feedback", minimizando a necessidade de intervenção direta do ser humano no controle do artefato - criação de autômatos independentes 5. Interação com outras áreas de conhecimento 6. Documentação do projeto 7. Divulgação dos resultados No que se refere à pesquisa aplicada, na metodologia atua-se por ação desequilibradora do esquema convencional de transmissão de conteúdos e busca de equilibração através de processos pelos quais o professor pode investigar novas possibilidades de conhecimento a partir da interação e da construção distribuída de conhecimento. Isso significa que ao invés de ensinar o aluno a desenvolver os protótipos, busca-se identificar com ele situações-problema que possam gerar projetos significativos que possam ser desenvolvidos com a orientação do professor. Neste sentido o professor também deve ser orientado pela coordenação dos projetos para que a mudança de referencial privilegie a aprendizagem do aluno, ao invés de privilegiar o processo de ensino do professor. O ambiente é de pesquisa e aberto à exploração, à descoberta e à invenção, deixando fluir a criatividade do aluno. Para que tanto seja possível, a metodologia utilizada na aplicação da pesquisa objetivando a construção de projetos pelos alunos deverá: 1. Partir de situações conhecidas dos alunos e sugeridas por eles; IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

6 2. motivar os alunos para explorar os diferentes tipos de movimento em abordagem de senso comum; 3. possibilitar a construção de robôs pelos alunos, para que seja possível levá-los à relação entre o fazer e o compreender, de acordo com as situações sugeridas por eles ( "Hands on"); 4. incidir sobre a física do movimento, de tal forma que a mesma possa ser analisada e operacionalizada, a princípio, de forma intuitiva ( "Heads In"); 5. permitir que pouco a pouco se passe da construção de robôs, às formalizações necessárias ao processo de construção de conhecimento, estabelecendo a relação entre o Hands on e o Heads in. Dentro deste processo procura-se ainda explorar com os alunos noções elementares de programação, orientar com os alunos a documentação dos projetos realizada por eles próprios e organizar apresentações onde as crianças demonstrem seus projetos e discutam sobre o que os projetos estão envolvendo. 6. Estágio Atual Do Projeto Superando a fase inicial de um trabalho experimental realizado com apenas um aluno, o projeto atualmente é desenvolvido com alunos da 8 a série e do 1º ano do Ensino Médio do Colégio de Aplicação da Universidade Católica de Petrópolis, com a participação de dois bolsistas do CNPq ( PIBIC). A participação dos bolsistas no projeto gerou trabalhos de pesquisa aprovados no I Congresso Sul-Brasileiro de Informática na Educação- Área de Exatas - Unisul- Florianópolis, maio de Os protótipos desenvolvidos pelos alunos do Colégio de Aplicação e o desenvolvimento global do projeto de Robótica Educacional do CIEDUC e da UCP, encontram-se explicados na página do Centro de Informática Educativa da Universidade Católica de Petrópolis, no endereço ca/expovirtual_robotica.html e o referencial anterior do projeto encontra-se também em outro link na página lemento/mateinf.htm. Nestes sites, pode-se encontrar a referência completa dos projetos desenvolvidos pelos alunos, caracterizando-se também o histórico do projeto de Robótica Educacional da Universidade Católica de Petrópolis. Em tudo o que se tem desenvolvido até agora no projeto, tem sido fundamental o desenvolvimento de idéias relacionadas à robótica, tanto na parte da construção dos artefatos quanto na parte do desenvolvimento do projeto lógico dos algoritmos de controle, bem como a análise e a aplicabilidade da interação entre essas duas interfaces. A participação da Faculdade de Educação no Projeto Robótica do Centro de Informática Educativa é fundamental para que se possa explorar em condições de laboratório a importância da relação entre o Hands on e o Heads in, acentuando em ambiente pedagógico a relação entre o fazer e o compreender. Por outro lado, a abordagem interdisciplinar que o projeto comporta orienta a pesquisa em direção a uma teoria da construção do conhecimento que pode ser aplicada tanto na física como na matemática, orientando também estudos de como funciona a inteligência humana em situação de aprendizagem e quais o recursos que podem ser aplicados em ambientes IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

7 educacionais para que se possa observar melhor as condições de operacionalidade da relação entre o Hands on e o Heads in. Referências Bibliográficas Ackermann, E. (1993) Ferramentas para um aprendizado construtivo: repensando a interação. Disponível na Internet, via www URL: Martin, F. e Resnick, M. (1990) LEGO/Logo and Electronic Bricks: Creating a Scienceland for Children. Disponível na Internet, via www URL: Papert, S. (1985) Logo: computadores e Educação. São Paulo: Ed Brasiliense. (1995) A Máquina das Crianças, Porto Alegre R.S.: Editora Artes Médicas Sul Ltda. Resnick, M., and Ocko, S.(1991) LEGO/Logo: Learning Through and About Design. In Constructionism, edited by I. Harel & S. Papert. Norwood, NJ: Ablex Publishing. Disponível na Internet, via www URL: Resnick, M., et al. (2000) The PIE Network Promoting Science Inquiry and Engineering through Playful Invention and Exploration with New Digital Technologies. Disponível na Internet, via www URL: Valente, J. A. e Canhette,C. C. (1993) LEGO-Logo, Explorando o conceito de Design in Computadores e Conhecimento Repensando a Educação, organizado por José Armando Valente. Campinas - S.P.: Gráfica Central da UNICAMP ( pp 64 75). IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)