FERRAMENTA DE ROBÓTICA EDUCACIONAL PARA O 1.º CICLO DO ENSINO BÁSICO

Transcrição

1 FERRAMENTA DE ROBÓTICA EDUCACIONAL PARA O 1.º CICLO DO ENSINO BÁSICO Pedro Amaro 1,2, Carlos Bastos 1,2, Emília Bigotte 1,2, Rui Ferreira 2 (1) Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, (2) CASPAE 10 - Centro de Apoio Social de Pais E Amigos da Escola Nº 10 Resumo: A complexidade actual dos sistemas electrónicos só é possível em virtude da sofisticação das suas ferramentas de desenvolvimento. Num efeito colateral, esta sofisticação, tornou as ferramentas de desenvolvimento destes sistemas acessíveis para utilização em contexto pedagógico pré-universitário. Estão assim abertas as portas dos sistemas electrónicos aos ambientes de aprendizagem dos ensinos básico e secundário. Um destes sistemas electrónicos é consubstanciado com a robótica educativa. Neste contexto, considerando que a utilização da robótica exige domínio de princípios que envolvem complexidade e exigem formação específica, o papel destas ferramentas é fundamental. A escolha criteriosa das ferramentas de desenvolvimento utilizadas pode contribuir de forma decisiva para o sucesso de um trabalho. Este documento propõe a utilização de uma ferramenta para o estudo da robótica para alunos dos 3º e 4º anos do 1º ciclo de ensino básico, no âmbito do Programa de Actividades de Enriquecimento Curricular promovido pelo Ministério da Educação. Palavras-chave: Robótica, Educação, Plataforma de Trabalho, Ensino Básico Abstract: Due to its complexity, modern electronic systems can only be made possible by the use of computer aided electronics tools. As a result sophisticated development tools have been produced and, in a collateral effect, also made available to elementary and middle school levels educational processes. Robotics is one such electronic system that benefited from sophisticated computer aided tools to cope with its complexity and specifics. A careful choice of a development tool may have a strong impact on project success. This document presents a study where a framework for education robotics is used to implement a robotics study program for the 3 rd and 4 th grades of elementary level school. Introdução O estudo da robótica é geralmente associado a matérias avançadas e exclusivas de graus de ensino superior. Efectivamente, o estudo da robótica nestes graus de ensino é feito com recurso a modelos matemáticos avançados, associados a dispositivos electrónicos sofisticados e linguagem de programação de baixo nível (C por exemplo). Estes factos afastam o estudo da robótica dos graus de ensino não superiores, nomeadamente do ensino básico, tendência que é agravada pelo facto da maioria dos docentes destes graus de ensino não possuir formação específica em robótica ou outros sistemas electrónicos em geral. Muito embora a disciplina de TIC faça parte dos conteúdos programáticos do 9º e 10º anos constatamos, contudo, que os respectivos professores, a quem se associam estas temáticas, possuem geralmente habilitação própria, mas sem formação específica na área da robótica. 1775

2 O Centro de Apoio Social de Pais e Amigos da Escola nº10 (CASPAE), Instituição Particular de Solidariedade Social, foi constituída em 2000, com o objectivo principal de desenvolver actividades que permitissem a ocupação dos alunos do 1º ciclo, nos tempos livres deixados pela escola, aparentemente deixada ao abandono a partir das 15h30m ou, no caso de sobrelotação, no período da manhã ou da tarde. A actividade iniciou-se na Escola Básica da Solum, em Coimbra tendo rapidamente alargado o campo de acção para outras escolas que necessitavam de uma oferta organizada e de qualidade do mesmo serviço, realizando para o efeito, protocolos com as Associações de Pais, legais representantes dos interessados no serviço. Com o despacho /06 de 16 de Junho, do Ministério da Educação, as escolas do 1º ciclo puderam implementar, em parceria com a autarquias e demais entidades, um programa de actividades de enriquecimento curricular de carácter facultativo e gratuito. Este programa visava adaptar os tempos de permanência dos alunos na escola às necessidades das famílias e simultaneamente garantir que os tempos de permanência na escola fossem pedagogicamente ricos e complementares das aprendizagens associadas à aquisição das competências básicas. Nesse ano, o CASPAE consciente dos danos que este Programa poderia causar nos contratos laborais que a instituição tinha estabelecido ao longo dos anos, fruto do seu crescimento, assumiu, perante a entidade promotora a Câmara Municipal de Coimbra, ser entidade executora do Programa de Actividades de Enriquecimento Curricular. O trabalho que se tem realizado com a autarquia, os agrupamentos de escolas e os técnicos das actividades tem contribuído, de forma positiva, para a concretização dos princípios subjacentes ao programa e tem contribuído para melhorar os índices de satisfação das famílias e para a valorização da Escola pública do 1ºciclo. Foi neste sentido que este ano lectivo 2010/2011 se propôs na Escola Básica 1 da Solum, pertencente ao Agrupamento Eugénio de Castro, em Coimbra, um programa assente em pressupostos de selecção de Actividades de Enriquecimento Curricular que fosse ao encontro das expectativas das crianças, nomeadamente, na dinamização da expressão tecnológica dirigida aos alunos do 3º e 4ºs anos. Foi neste contexto e perante a necessidade de se desenvolver o respectivo conteúdo programático, integrado no Projecto Educativo da escola que se propôs uma ferramenta de trabalho que foi colocada em prática para um conjunto de 15 de alunos. Neste trabalho propõe-se uma ferramenta para estudo da robótica que seja exequível por docentes sem formação específica e acessível a alunos do ensino básico, nomeadamente até aos 3ºs e 4ºs anos do 1º ciclo. Associada a esta ferramenta surge uma proposta de metodologia que inclui um conjunto de actividades de criação artística, destreza manual e aplicação de raciocínios, com a concomitante programação de dispositivos. 1776

3 Foi seleccionada uma plataforma móvel robusta que foi associada a um conjunto de dispositivos periféricos simples e bibliotecas de software de suporte fáceis de utilizar. A metodologia proposta pode ser integrada com a plataforma desenvolvida. Esta plataforma foi utilizada para implementar o programa de robótica para alunos do 3º e 4º ano do 1º ciclo, incluindo no conteúdo programático da Expressão Tecnológica. A parceria estabelecida entre o CASPAE e o Instituto Superior de Engenharia de Coimbra permitiu que fosse constituída uma equipa de docentes e técnicos que desenvolveram o processo de implementação e avaliação da ferramenta para estudo da robótica. Arquitectura do sistema implementado no projecto Foi desenvolvida a plataforma de controlo de um conjunto de carrinhos que se ilustra na Figura 1. Deste modo é possível comandar o movimento dos carrinhos utilizando um comando tipo Playstation Joystick. A opção por este tipo de comandos pretende explorar a familiaridade das crianças com estes comandos. Ao longo deste texto estes dispositivos serão genericamente designados por comandos. A plataforma desenvolvida lê os dados provenientes dos comandos e envia-os, via rádio frequência, para os carrinhos. A programação desenvolvida para os carrinhos executa os movimentos determinados pelos comandos. A plataforma constitui um brinquedo que utiliza ferramentas conhecidas pelos alunos e cujo funcionamento é por eles reconhecido. A plataforma funciona em dois modos distintos. O modo de controlo remoto em que é implementada a comunicação entre os comandos e os carrinhos. Este modo permite que os alunos se familiarizem com sistema, possibilitando o ensaio de movimentos e a explicação dos conceitos relativos aos movimentos. Os alunos podem estudar a forma como os carrinhos viram, quanto tempo demoram a efectuar um determinado percurso, para além de ser possível utilizar o sistema para entretenimento. 1777

4 Figura 1 Arquitectura do sistema desenvolvido. O segundo modo de funcionamento permite que os alunos programem os movimentos estudados nos carrinhos. Cada carrinho pode ser programado individualmente para efectuar movimentos autónomos simples. O objectivo é que depois de ensaiarem movimentos com os comandos Playstation os alunos possam programar os carrinhos para movimentos semelhantes. Foi seleccionada uma ferramenta de desenvolvimento de software e programação individual de cada carrinho que pode ser utilizada em computadores pessoais de baixo custo e desempenho modesto (por ex. a plataforma Magalhães do programa e.escolas). A ferramenta seleccionada para implementar este modo de programação foi BasicX Programming Environment versão 2.10 [Odom, 2010]. Robótica Aplicada A fase de programação dos movimentos autónomos é exigente em termos tecnológicos e é portanto fortemente condicionada por conhecimentos específicos da área. O papel da ferramenta de desenvolvimento seleccionada é precisamente reduzir a quantidade de detalhes técnicos necessários à colocação em funcionamento de um sistema. A plataforma desenvolvida propõe um conjunto de funções que permitem uma redução adicional dos detalhes técnicos a conhecer tanto pelo formador como pelos alunos. A programação dos carrinhos é assim realizada com um conjunto de instruções, desenvolvidas para o projecto, que permitem executar movimentos simples. O efeito das funções desenvolvidas sobre o comportamento dos carrinhos é ilustrado na Figura 2. Foram desenvolvidas as funções seguintes: Frente > As duas rodas com a mesma velocidade. O carrinho desloca-se em frente (Figura 2 a)); Recuo -> As duas rodas com a mesma velocidade. O carrinho desloca-se para trás frente (Figura 2 a)); Direita -> Virar para direita sem rotação da roda direita. O carrinho roda em torno da roda direita. Movimento apenas da roda esquerda. Direita sobre ele mesmo (carro) -> Virar para a direita como rotação das duas rodas em sentidos opostos. O carro roda sobre si próprio; Esquerda -> Virar para esquerda sem rotação da roda esquerda. Igual a rotação idêntica para a direita; Esquerda sobre ele mesmo (carro) -> Virar para a esquerda como rotação das duas rodas em sentidos opostos. O carro roda sobre si próprio; Parado -> Apesar de não se considerar como um deslocamento é também necessário existir esta opção; Tempo -> Determina quanto tempo duram os movimentos. 1778

5 Rodas com velocidade igual no mesmo sentido Robot segue em linha recta Rodas com velocidades diferentes - Robot roda em torno de um ponto. 50 a) b) Rodas com velocidade igual em sentido oposto Robot roda sobre si próprio. Uma roda parada Robot roda em torno dessa roda. 0 c) d) Figura 2 Movimentos possíveis com as funções propostas. Programação dos carrinhos Á equipe que idealizou a ferramenta proposta colou-se a questão sobre a linguagem de programação a utilizar. Em confronto podem considerar-se linguagens gráficas, como por exemplo o Lego MindStorms [Teixeira, 2006] ou linguagens de texto como é o caso do BasicX [Odom, 2010]. Se as primeiras linguagens podem ser inicialmente mais acessíveis e apelativas, apresentam a desvantagem de não transmitirem uma imagem válida sobre o funcionamento intrínseco de um microprocessador. Estes dispositivos executam instruções de forma sequencial que é imediatamente reflectida na estrutura de programação de uma linguagem textual. A Figura 3 ilustra um programa realizado por um dos alunos bem como o desenho preparatório para a trajectória idealizada. Na Figura 3 a) verifica-se uma sequência de instruções que resultam num conjunto de movimentos do carrinho igualmente sequenciais Figura 3 b). Resultados Observa-se que a primeira reacção dos alunos perante os comandos Playstation é a deitarlhes a mão. Todos os alunos aderiram imediatamente ao funcionamento do sistema, controlando correctamente os carrinhos. Todos os alunos sem excepção manipularam correctamente os comandos e manifestaram mesmo alguma frustração pelo facto de algumas funcionalidades dos botões não estarem implementadas. 1779

6 (a) Programa definindo uma trajectória (b) Desenho realizado por aluno com a trajectória definida. Figura 3 Programa e desenho realizados para uma trajectória. Os alunos devem elaborar os seus percursos. Esta tarefa pode ser realizada em contexto de expressão artística em que é feito um desenho com um conjunto de percursos que o carrinho deve seguir. A tarefa seguinte é programar nos carrinhos os percursos delineados. Referências [Beer,1999] Beer, R.D., Chiel, H.J, e Drushel, R.F. (1999). Using Autonomous Robotics to Teach Science and Engineering. Communications ACM. [Hacker, 2003] Hacker, L., (2003). Robotics in Education: ROBOLAB and Robotic Technology as Tools for Learning Science and Engineering. Tese de licenciatura apresentada ao Department of Child Development da Tufts University. [Teixeira,2006] Teixeira, J. (2006). Aplicações da Robótica no Ensino Secundário: o Sistema Lego Mindstorms e a Física. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Tese de Dissertação de Mestrado. [Odom, 2010] Odom, Chris D. (2010). BasicX and Robotics: The Art of Making Machines Think. Robodyssey Systems LLC. [Bers, 2002] Bers, M.U., Ponte, I., Juelich, C., Viera, A. & Schenker, J. (2002). Teachers as Designers: Integrating Robotics in Early Childhood Education. Information Technology in Childhood Education Annual Conference. [Dante, 2008] Dante A. Medeiros Filho, Paulo C. Gonçalves Robótica Educacional de Baixo Custo: Uma Realidade para as Escolas Brasileiras, Anais do XXVIII Congresso da SBC. [Ribeiro, 2008] Ribeiro, Célia Rosa Coutinho, Clara Pereira Costa, Manuel F. M. (2008). RobôCarochinha: um estudo sobre robótica educativa no ensino básico. Ambientes educativos emergentes. Braga : Centro de Competência da Universidade do Minho, ISBN pp