UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE DE SIMULAÇÃO ARENA PARA CRIAÇÃO DE FERRAMENTAS DE APOIO AO ENSINO

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1 ISSN UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE DE SIMULAÇÃO ARENA PARA CRIAÇÃO DE FERRAMENTAS DE APOIO AO ENSINO Jonathan Velasco da Silva (Instituto Federal Fluminense) Dalessandro Soares Vianna (Universidade federal Fluminense) Eduardo Shimoda (Universidade Candido Mendes) Rogério Trindade Lisboa (Universidade Candido Mendes) Resumo Devido as dificuldades que o professor encontra em sala de aula para ministrar conteúdos que envolve conhecimento de física e matemática para os alunos, lançam-se mão de diversas metodologias de ensino, nas quais encontra-se em constante crrescimento o desenvolvimento de ferramentas computacionais que simulam os processos físicos. Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional, para o ensino de circuitos elétricos, presente na disciplina de eletricidade dos cursos técnicos da área industrial, utilizando o software de simulação Arena na versão Student. São apresentados também os resultados quanto a percepção dos alunos no uso da ferramenta e a influência do recurso no desempenho estudantil dos discentes. Palavras-chaves: eletricidade, ensino, simulação, Arena.

2 1- INTRODUÇÃO O setor industrial está em constante crescimento no Brasil, a cada ano aumenta o número de empregos gerados, surgindo uma demanda de profissionais qualificados para assumir esses empregos. Segundo a PIMES (Pesquisa Industrial Mensal Emprego e Salário) (2010), no mês de novembro de 2010 houve um aumento de geração de emprego de 3% em todas áreas pesquisadas com relação a novembro de Devido a essa demanda de profissionais de nível técnico, a procura pelos cursos técnicos profissionais também está aumentando. O resultado dessa busca pelos cursos técnicos pôde ser observado, ao comparar o número de inscritos nos cursos da área industrial no processo seletivo realizado pelo Instituto Federal Fluminense em 2009 e 2010, onde o número de candidatos em 2010 foi 11% maior que os candidatos de A grande dificuldade nos cursos técnicos ligados as áreas de ciências exatas está na capacidade de raciocino lógico do aluno e ao mesmo tempo um bom desempenho em cálculos matemáticos. Para despertar no aluno a capacidade de entendimento dos processos e fenômenos, as escolas técnicas lançam mão de vários artifícios tecnológicos que trazem ao discente maior visibilidade de como os fenômenos ocorrem. Segundo Fiolhais e Trindade (2003), o uso de ferramentas computacionais entra como um apoio na educação, por ajudar o aluno a relacionar a física com a realidade. Segundo Seré et al.(2003), o uso da informática tem proporcionado facilidades no ensino da física, já que há possibilidade de tratar alguns dados de forma diferente e testá-los no computador, servindo a teoria e verificando a validade de uma lei física. Segundo Cornélio Filho et al. (1998), o uso de ferramentas computacionais na educação permite ao ser humano um aproveitamento maior de sua inteligência, e que as escolas têm aumentado a capacidade técnica das pessoas quando utilizam essas ferramentas de apoio ao ensino. O ARENA (Rockwell Software) é muito utilizado na simulação discreta de diversos setores como: atendimento ao publico; estudos de filas; planejamento financeiro; alocação de 2

3 recursos dentre outros. No entanto, sua utilização como ferramenta de apoio ao ensino de conteúdos de física ou disciplinas técnicas ainda é pequena. Neste artigo é mostrado o resultado do uso de uma ferramenta desenvolvida no software de simulação ARENA sobre circuitos elétricos, para o ensino da disciplina de eletricidade no ensino técnico da área de controle e processos industriais do Instituto Federal Fluminense, bem como o desenvolvimento desta ferramenta. 2. ESCOPO DO TRABALHO Um dos assuntos básicos e muito importante no ensino dos cursos técnicos da área de controle e processos industriais é a Associação de Resistores. Este assunto é o inicio do estudo de circuitos elétricos, que nos cursos de eletrotécnica ou eletrônica acompanhará os discentes até o final do curso. O entendimento do aluno nesse assunto é então essencial para sua vida profissional e para um melhor desempenho no curso. A associação de resistores em paralelo, representada na Figura 1, e exemplifica de modo simplificado as instalações elétricas das residências, já que nestas, os equipamentos elétricos estão ligados em paralelo, fazendo com que os mesmos dissipem suas potências nominais. Por exemplo: uma lâmpada de 100W para 127V brilhará mais do que uma lâmpada de 40W para 127V. Figura 1-circuito resistivo em paralelo. A associação de resistores em série funciona como um divisor de tensão, onde a tensão da rede será dividida pelos equipamentos do circuito, nesse caso, uma lâmpada de 40W para 127V brilhará mais que a lâmpada de 100W para 127V. Na Figura 2 é mostrado um circuito de resistores em série. 3

4 Figura 2-circuito resistivo em série. Estas análises podem ser comprovadas através da Lei de Ohm, na qual o físico Georg Simon Ohm mostrou experimentalmente que a tensão entre dois pontos é diretamente proporcional ao produto da corrente elétrica pela resistência do material submetido a diferença de potencial, conforme a Equação 1. E pela fórmula da potência elétrica, onde a potência é diretamente proporcional ao produto da corrente pela tensão,conforme a Equação 2. (1) P = VxI (2) 3. CONSTRUÇÃO DO MODELO CONCEITUAL Segundo Sargent (2007), o modelo conceitual facilita a interpretação do problema e ajuda o programador a visualizar o modelo computacional. Este modelo, segundo Leal et al. (2009), torna-se uma etapa de muita importância na realização da simulação. O Modelo conceitual estudado neste artigo é formado por dois circuitos elétricos, um com dois resistores em série e outro com 2 resistores em paralelo, nos quais serão calculados as seguintes grandezas: 1) Variação da Resistência interna da bateria 2) Tempo em que o circuito está ligado 3) Tensão da bateria. 4) Tensão do resistor 1 5) Tensão do resistor 2 6) Corrente total do circuito 7) Corrente no resistor 1 8) Corrente no resistor 2 9) Potencia total do circuito 4

5 10) Potência no resistor 1 11) Potência no resistor 2 A partir desse detalhamento, foi montado o modelo conceitual IDEF- SIM proposto por Leal et al. (2009), representado na Figura 3 e detalhado no Quadro 1. Este método foi escolhido pois sua representação facilita o entendimento do problema mesmo sem ter sido criado o modelo computacional, que poderá ser desenvolvido utilizando qualquer linguagem de programação compatível. Figura 3 Modelo conceitual no IDEF-SIM. Quadro 1 Detalhamento do modelo conceitual no IDEF-SIM. Descrição Parâmetros F 1 Criação da Bateria Valor da Fem = 92volts F 2 Registra o tempo e o valor da Função: Rint *t resistência interna da bateria F 3 Atribui um valor as resistências R 1 e R2 e calcula a resistência equivalente F 4 Função: R 1 = 200ohm; R 2 = 800ohm; Req = resistência equivalente entre R 1 e R 2 Registra o valor da corrente total e Função: Itotal = V bateria /R eq ; IR 1 = F 5 F 6 as correntes em R 1 e R 2 Registra a tensão da bateria e as tensões em R 1 e R 2 Registra a potência total e a potência em R 1 e R 2 VR 1 /R 1 ; IR 2 = VR 2 /R 2 Função: Vbateria = VFem- Rint_Bat*Itotal; VR 1 = IR 1 *R 1 ; VR 2 = IR 2 *R 2 Função: Ptotal = V bat *I total ; PR 1 =VR 1 *IR 1 ; PR 2 =VR 2 *IR 2 5

6 4. SIMULAÇÃO COM SOFTWARE ARENA Após a construção do modelo conceitual usando a técnica IDEF-SIM, foi implementado o modelo computacional com o ARENA, que é um software estatístico pertencente a Rockwell Software. Este foi desenvolvido para atender simulações de sistemas dinâmicos, porém neste trabalho optou-se por utilizar este software para atender a um sistema contínuo, tendo em vista que o assunto escolhido é relativamente fácil e sua modelagem não ofereceu grande dificuldade, considerando os diversos recursos oferecidos pelo ARENA. Segundo Rangel et al. (2010), o teste realizado com uma simulação feita pelo autor no software Arena para a disciplina de física ajudou na aprendizagem do aluno, principalmente nas questões mais difíceis que foram aplicadas aos alunos. A Figura 4 mostra o leiaut da animação do circuito em paralelo e a Figura 5 do circuito em série. Ambos foram utilizados na sala de aula com os alunos. Figura 4 Imagem retirada da animação do circuito em paralelo no Arena. 6

7 Figura 5 Imagem retirada da animação do circuito em série no Arena. 5. PESQUISA REALIZADA SOBRE A UTILIZAÇÃO DO RECURSO Um questionário foi aplicado aos alunos do primeiro ano do curso técnico em eletrônica do campus Campos-Guarus do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Fluminense. O questionário foi formado de modo a verificar o conhecimento dos alunos no conteúdo após a ministração das aulas e a percepção dos discentes quanto a utilização do recurso computacional. As questões de 1 a 8 foram elaboradas de modo a verificar o grau de conhecimento no conteúdo ministrado durante a aula. Duas questões classificadas como fáceis pelo professor exigia do aluno apenas a aplicação matemática do modelo; duas questões de grau de dificuldade média exigia do aluno um conhecimento teórico básico a respeito do que foi apresentado; duas questões consideradas difíceis exigiu um conhecimento teórico mais aprofundado e cálculos matemáticos simples; e duas questões mais difíceis que exigia do aluno tanto um conhecimento teórico mais profundo, como um nível de desenvolvimento matemático também mais desafiador. Já as questões de 9 a 13 questionavam os alunos quanto 7

8 a percepção no uso da ferramenta computacional e o interesse dos alunos pelo assunto abordado. As turmas foram divididas em três grupos aleatoriamente e os questionários foram realizados sempre no final da aulas que tiveram aproximadamente uma hora de duração. A aula para o grupo 1 foi lecionada apenas com a utilização da simulação no Arena, para 22 alunos. Para o grupo 2 foi apenas expositiva utilizando quadro e caneta como recurso didático, com a presença de 36 alunos. Já o grupo 3 a aula foi expositiva e em seguida foi utilizado também a simulação no Arena, e foi ministrada para 34 alunos. Nas análises estatísticas foram consideradas a comparação entre as médias dos três grupos através da análise de Variância, e o efeito significativo do grupo sobre as médias utilizando o teste de Tukey. Para a realização das análises foi utilizado o Sistema para Análises Estatísticas e Genéticas (SAEG, versão 9.1), adotando-se o nível de segurança em 5%. 6. RESULTADOS ESTATÍSTICOS DA COMPARAÇÃO ENTRE OS TIPOS DE AULAS MINISTRADAS Os três grupos estudados se mostraram homogêneos quanto as percepções testadas nos questionários. Nas perguntas quanto a percepção do desempenho do aluno na disciplina de eletricidade, do interesse na disciplina e da facilidade de aprendizagem, não houve diferença estatística, apesar de em algumas questões as médias serem um pouco diferentes. Essa homogeneidade dos grupos estudados, favorece o resultado do teste de conhecimento dos alunos nas aulas ministradas. Na Figura 6 é mostrado um gráfico com as médias e erros-padrão dos resultados estatísticos quanto a percepção dos alunos no desempenho, interesse e facilidade de aprendizagem no conteúdo ministrado, utilizando das três diferentes formas didáticas nas aulas. 8

9 Figura 6 Percepção dos alunos quanto ao seu desempenho na disciplina de Eletricidade, quanto interesse na disciplina e facilidade de aprendizado. Nos dois grupos em que a simulação foi utilizada na ministração do conteúdo, foi testada a percepção dos alunos quanto a facilidade de aprendizagem proporcionada pela utilização do software e o interesse no assunto despertado nos alunos pela utilização da simulação. Analisando o gráfico da Figura 7, pode-se perceber que as médias estão bem parecidas tanto na facilidade de aprendizagem, quanto no interesse despertado. Nestas análises também não houve diferença estatística entre as médias, no entanto, com relação ao interesse, a média com apenas a utilização do recurso na aula foi maior um pouco, nos proporcionando a visualização de que a utilização do software foi bem vista pelos alunos. 9

10 Figura 7 Percepção dos alunos quanto à facilidade de aprendizado proporcionado pela utilização do recurso computacional com animação e percepção dos alunos quanto ao interesse despertado pela utilização do recurso. Os resultados apresentados quanto ao grau de conhecimento adquirido pelos alunos nos diferentes métodos de ensino aplicados são mostrados nas Figuras 8,9,10 e 11, sendo na Figura 8 as questões classificadas como fáceis, na Figura 9 questões médias, Figura 10 questões difíceis e Figura 11 questões muito difíceis. Figura 8 Notas (médias) e erros padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões classificadas como fáceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,68A e 1,68A) não diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 10

11 Figura 9 Notas (médias) e erros padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões classificadas como médias. Médias apresentadas com a mesma letra (1,55A, 1,42A e 1,44A) não diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. Figura 10 Notas (médias) e erros padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões classificadas como difíceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,17B e 1,25B) não diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 11

12 Figura 11 Notas (médias) e erros padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões classificadas como muito difíceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,02B e 1,06B) não diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. Nas questões classificadas como fáceis a utilização do recurso computacional teve um aproveitamento menor quando comparado a aula expositiva. No entanto entre a aula expositiva e a aula expositiva mais o recurso computacional, não houve diferença significativa, indicando que neste tipo de questão a utilização do software não interfere na aprendizagem dos alunos. Nas questões classificadas como médias não houve diferença significativa na aprendizagem do aluno entre a aula utilizando o recurso e as demais metodologias de ensino aplicadas. Considerando as questões difíceis pode-se perceber que não há diferença significativa entre as aulas ministradas com o software e a ministrada só de forma expositiva, no entanto, quando o software é acrescentado na aula expositiva, ocorreu um melhoramento na aprendizagem dos alunos. De acordo com as análises nas questões consideradas como muito difíceis também não ouve diferença significativa entre a aula expositiva e a aula somente com o software, sendo que o software associado a aula expositiva elevou o nível de aprendizado dos alunos. Na pesquisa realizada por Heckler (2004), mais de 60% dos alunos melhoraram o rendimento na disciplina de física após a utilização de algumas ferramentas computacionais 12

13 nas aulas. No estudo de Rangel et al. (2010), a utilização do software nas aulas despertou maior interesse dos alunos nas aulas e proporcionou melhor aprendizagem a estes. Para Gravina e Santarosa (1999), a utilização da ferramenta computacional pode despertar no aluno a capacidade de interpretar o problema de modo conceitual, e assim facilitar o raciocínio matemático das questões. 7- CONCLUSÕES A simulação no Arena se mostrou eficiente no que diz respeito ao assunto abordado, além de ser uma ferramenta excelente para simulação, já que sua programação não exige um conhecimento elevado de linhas de comandos, sendo este uma ferramenta de programação em blocos. Com os resultados satisfatórios alcançados, nota-se que mesmo o Arena não sendo indicado para este tipo de simulação, este se mostrou eficaz no assunto abordado, devido a sua riqueza na biblioteca e certa facilidade na implementação das simulações, apesar de ter sido utilizado apenas a versão Student por ser gratuita. Atento ao olhar educacional na aplicação do software, os resultados mostram que a utilização do mesmo despertou nos alunos um maior interesse na disciplina, e percebeu-se também que o uso da simulação junto com a aula expositiva elevou a média de acertos dos estudantes a medida que o nível de dificuldade das questões iam aumentando. Isso leva a uma concepção de que a simulação pode realmente influenciar positivamente na aprendizagem dos alunos. Pode-se notar também que ao comparar com o estudo de Gravina e Santarosa (1999), os resultados deste estudo também mostra que a utilização de um recurso computacional ajuda o aluno na interpretação teórica do assunto estudado, já que nas questões fáceis onde foi cobrado do aluno apenas a resolução matemática do problema, a aula somente com o recurso computacional teve uma média mais baixa em relação aos outros dois métodos de ensino e se diferiu estatisticamente. Na medida em que é cobrado o entendimento teórico do assunto, esse resultado foi modificado, não havendo diferenças estatísticas entre a aula expositiva e a aula com recurso computacional. Segundo Herbert at al. (2007), é importante que o uso de ferramentas computacionais seja de forma contínua nas aulas, de modo que, tanto os professores quanto os alunos fiquem 13

14 mais seguro no uso da ferramenta, fazendo com que a contribuição das ferramentas na educação seja maior. 8- REFERÊNCIAS CORNÉLIO FILHO, P. et al. O uso do software de simulação Arena para desenvolvimento de jogos de empresas - O protótipo GPCP-1. In: XVIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, 1998, Niterói. Anais do XVIII Enegep FIOLHAIS, C. e TRINDADE, J. Física no Computador: o Computador como uma Ferramenta no Ensino e na Aprendizagem das Ciências Físicas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.25, n.3, p , setembro GRAVINA, M.A. e SANTAROSA,L.M.C. Aprendizagem da matemática em ambientes informatizados.informática na Educação: Teoria e Prática, Porto Alegre, v.2, n.1, p.73-87, maio HECKLER, V. Uso de simuladores e imagens como ferramentas auxiliares no ensino/aprendizagem de ótica. Porto Alegre: UFRGS, p. Dissertação (Mestrado) - Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, HOCKWELL SOFTWARE. Arena. Disponível em: <http://literature.rockwellautomation. com/idc/groups/literature/documents/pp/arena-pp001-en-p.pdf.>. Acesso em: 10 dez IBGE (Brasil) (Org.). Pesquisa Industrial Mensal Emprego e Salário. Disponível em: <http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/industria/pimes/pimes _201011caderno.pdf>. Acesso em: 01 dez LEAL, F. et al. Desenvolvimento e aplicação de uma técnica de modelagem conceitual de processos em projetos de simulação: o IDEF-SIM. In: XXIX Encontro Nacional de Engenharia de Produção, 2009, Salvador. Anais do XXIX Enegep RANGEL, J. J. A. ; TEIXEIRA, A. C. T.. Utilização do software arena como ferramenta de simulação na disciplina de Física do Ensino Médio. In: VI Encontro Mineiro de Engenharia de Produção, 2010, Coronel Fabriciano - MG. VI EMEPRO, p SARGENT,R.G. Verification and simulation models. In: Winter Simulation Conference, p

15 SÉRÉ M.G. et al. O Papel da Experimentação no Ensino da Física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 20, n. 1, p , abril VASCONCELOS F.H.L. et al. Objeto de Aprendizagem na Concepção do Ensino Por Experiências Virtuais: Uma Avaliação de Aspectos Técnicos com a Escala de Likert. In: XVIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 2007, São Paulo - SP, p

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