Desenvolvimento de experimento remoto para introdução à iniciação científica no Ensino Técnico aplicado ao tema Lei de Hooke

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1 Desenvolvimento de experimento remoto para introdução à iniciação científica no Ensino Técnico aplicado ao tema Lei de Hooke Lucas B. Michels1, Vilson Gruber2, Lirio Schaeffer3, Roderval Marcelino2, Golberi de S. Ferreira4 1 Instituto Federal de Santa Catarina/Araranguá, Brasil Universidade Federal de Santa Catarina/Araranguá, Brasil 3 Universidade Federal de Rio Grande do Sul/Lab. Transformação Mecânica, Porto Alegre, Brasil 4 Instituto Federal de Santa Catarina/Florianópolis, Brasil 2 Abstract No ensino tradicional, o conhecimento dos fenômenos sempre é oferecido ao estudante de forma pronta, reduzindo as possibilidades de observar, analisar e praticar a pesquisa. Em contraposição, os experimentos remotos são formas inovadoras de ensino usadas em vários países proporcionando a interação entre a teoria e a prática. Neste artigo apresenta-se um experimento remoto para estudo da Lei de Hooke integrado com a ferramenta didática diagrama V. O diagrama V é uma metodologia para analisar artigos e documentos potencializando a aprendizagem, e será adaptado como roteiro e relatório de pesquisa proporcionado um primeiro contato com a iniciação científica aos alunos de ensino técnico. O experimento está estruturado em dois lados. Sendo o lado do experimento físico, onde fica uma prensa remota conectada ao servidor de internet onde está hospedado um site. E o lado do usuário é o site, acessível via dispositivos com conexão à internet. É onde o estudante controla o experimento, consulta conteúdo didático e acessa o aplicativo do diagrama V. Durante o processo de experimentação, gráficos e outros dados são exibidos no site para posteriores análises, deduções e preenchimento dos campos do diagrama V. Index Terms Diagrama V. Laboratórios remotos. Experimentação remota. Lei de Hooke. Prensa Didática. I. INTRODUÇÃO No ensino tradicional, o conhecimento dos fenômenos normalmente é oferecido aos estudantes de forma pronta, reduzindo as possibilidades de observar, analisar e praticar a investigação. Estas habilidades de interação entre a teoria e realidade para gerar conhecimento ou resolver problemas práticos é fundamental em alunos de cursos técnicos. O ideal é que o par teoria e prática fossem estudadas sempre concomitantemente para facilitar a aprendizagem, entretanto nem sempre há estrutura suficiente para isso. Além disso, é importante desenvolver as habilidades do processo de investigação dentro do ensino técnico aprimoramento a capacidade de trabalhar com problemas reais. Baseadas nessas questões inúmeras universidades do mundo inteiro vêm desenvolvendo experimentos remotos, que são ambientes controláveis e administráveis de forma online, visando à aprendizagem pela experimentação [1]. Em vários países estão sendo usados para proporcionar de forma facilitada a interação entre a teoria e a prática. É uma forma inovadora de aprendizagem, pois além de permitir interação com fenômenos, possibilita salvar e manipular dados de forma online. Outras vantagens de usar experimentos remotos estão ligadas a economia de recursos, simulações de resolução de problemas práticos, (resolução de problemas reais [2]), segurança do estudante e com a facilidade do acesso domiciliar ou de qualquer outro ponto fora da Universidade [3]. Os experimentos oferecem aos estudantes uma visão do processo real do sistema e podendo aprimorar a capacidade para aplicar teorias aprendidas em sala de aula ou em livros [3]. Como dito, a aprendizagem tradicional muitas vezes traz conceitos prontos levando o aluno à memorização mecânica e arbitrária do conhecimento. Baseado nisso, acredita-se que a experimentação remota seja uma forma de potencializar o ensino de conceitos técnicos, possibilitando ao próprio aluno encontrar e comparar a similaridade entre a teoria e a prática. Além disso, com a introdução de metodologias (como o diagrama V), os experimentos podem ser usados no desenvolvimento e na introdução à iniciação científica no Ensino Técnico. Uma ferramenta didática que vem sendo implementada no ensino de ciências é o Diagrama V, pois tem foco na relação entre conceitos, eventos e métodos, em substituição aos tradicionais relatórios de práticas [4]. É uma ferramenta heurística criada para desvelar conhecimentos documentados sob a forma de artigos de pesquisa, livros, ensaios, tornando esse conhecimento para ser divulgado [5]. Neste artigo descreve-se o desenvolvimento de um experimento remoto para ensino da lei de Hooke no Ensino Técnico integrado com a metodologia de Diagramas V como forma de desenvolver a aprendizagem pela investigação. Espera-se desta forma criar uma proposta para introdução da iniciação científica no ensino técnico visando demonstrar o processo de construção do conhecimento, bem como de aprimorar nos estudantes as capacidades de observar, comparar, ler, analisar e outras habilidades cognitivas do processo de pesquisa. Page 198

2 II. Na base é onde fica o sensor de força (célula de carga). ConexõesCélula de carga O EXPERIMENTO A. Partes do Experimento Numa visão geral a Figura 1 ilustra como o experimento está formado. Basicamente existem dois lados: O lado do experimento físico e o lado do usuário. No lado do usuário (h) está o dispositivo com acesso à internet, onde o estudante pode realizar o controle do experimento com aplicativos do site. Figura 1 Visão geral da operação do Experimento No lado do experimento físico ficam: a) prensa didática b) câmera c) sensores; d) Microcontrolador Raspiberry; e) Válvula Direcional e f) Servidor que hospeda o site. A internet (g) é o mecanismo de conexão mundial, uma rede acessível via tecnologias ADSL, 3G, rádio, e outros. A prensa didática é uma estrutura desenvolvida para comportar uma mola helicoidal de suspensão de automóvel. A mola é corpo de prova do experimento e é um exemplo prático para a lei de Hooke. A prensa desenvolvida é acionada por um sistema hidráulico com atuação através de um cilindro hidráulico. A Figura 2 detalha as partes da prensa didática. Figura 4 Vista em corte da base da prensa B. Aquisição de dados Ao contrário da maioria dos experimentos remotos que utilizam os cartões DAQ, neste trabalho a aquisição e o controle de sinais é feito através de um microcontrolador programável chamado RaspBerry Pi (ver Figura 5). Através dele é realizada a coleta de dados da célula de carga, o controle elétrico de acionamento dos reles dos solenóides das válvulas, a conexão entre experimento e o servidor de internet e mensuração da deformação da mola. As características desse Raspberry é ser código aberto (Opersource) e baixo custo. O Raspberry fica no painel elétrico da prensa, sua função é converter os sinais de sensores em pulsos interpretáveis pelo computador e vise versa. Uma vantagem é que ele é desenvolvido para comunicação TCP/IP e já possui a porta RJ45 (ver Figura 5), proporcionando de maneira fácil uma conexão em rede ou à internet [6]. Considera-se um dispositivo central para viabilizar este experimento. Porta RJ45 Cilindro Hidráulico Suporte superior Figura 5 Raspberry Mola helicoidal Barras de sustentação Apoios da mola Para coletar informações sobre a deformação da mola, um sensor de infravermelho capta a variação do tamanho da mola e envia ao Microcontrolador. Base da Prensa Figura 2- Estrutura da Prensa (Vista externa) Nas conexões dos cilindros (Figura 3) é que o óleo é direcionado fazendo com o que seja comprimida a mola Figura 3 - Cilindro Hidráulico C. Sistema Hidráulico Na Figura 2 não está ilustrado os demais elementos hidráulicos responsáveis pela movimentação do cilindro hidráulico. A Unidade Hidráulica (Figura 7), por exemplo, é um conjuntos de elementos destinados à gerar vazão de óleo hidráulico entre o reservatório e o cilindro. A válvula direcional (Figura 6) fica numa posição intermediária controlando a direção do óleo, e conseqüentemente controlando o avanço e retorno do cilindro. O circuito hidráulico completo é composto por uma unidade hidráulica e demais elementos de controle, atuação e sensoriamento (Figura 7). A Unidade Hidráulica (ver Figura 7) é responsável por gerar a vazão de óleo, e é composta basicamente de: Reservatório (tanque) de óleo; Bomba + acoplamento + Motor elétrico trifásico; Válvula de alívio e Mangueiras. Page 199

3 O que controla o avanço e retorno do atuador é a válvula direcional, pois ela altera o sentido do fluxo do óleo para a câmara do atuador. Esta válvula é de duplo solenóide centralizado por mola (detalhamento Figura 6) possuindo três posições (quadrados) de controle. do experimento (posição inicial). Por isso, as posições são chamadas de distância, visto que é uma variação de espaço em relação ao ponto zero. Para definir estas distâncias (pontos) usa-se uma barra de deslizamento horizontal. Insere-se o valor pressiona-se o botar Set the distante. Solenóide Y- Solenóide Y+ Figura 6 Simbologia da Válvula Direcional de três posições Fonte: Produzido no AutomationStudio Quando a válvula está na posição central o óleo faz um retorno direto para tanque (P-T). Nas posições laterais da válvula, quando acionado o solenóide Y+ o óleo flui de P para A, e quando acionado o solenóide Y- o óleo flui de P para B. O posicionamento para uma ou para outra posição é realizado acionando-se os seus respectivos solenóides com uma tensão de 24 volts, chaveados pelos reles do Raspberry (Figura 5). Os solenóides são bobinas que realizam a troca de posição da válvula através de forças eletromagnéticas. Figura 8 Site de Experimentação Motor Bomba Válvula Reservatório Figura 7 Circuito Hidráulico da Prensa e Unidade Hidráulica Fonte: Produzido no AutomationStudio Como os ponto P1 e P4 são préajustados em 1 e 22 cm respectivamente, o estudante só precisa configurar o ponto P2 e P3. Quando todos os pontos são inseridos o usuário deverá pressionar o botão Start Experimetation e isso iniciará o processo de compressão e medição da mola. Durante este processo, a prensa comprime a mola pára nos quadro pontos definidos pelo usuário. Em cada parada os dados de força e distância de cada ponto são armazenados. Ao final (após retorno do cilindro Hidráulico), os dados coletados ajudam a formar um gráfico conforme exibido em (g) na Figura 8 (Detalhes na Figura 9). Os dados da tabela de posições e o gráfico são base para análises, deduções e conclusões em relação ao experimento. São dados que o estudante usará para compreender o fenômeno estudado. Além disso, o site possui conteúdo sobre funcionamento de prensas, lei de Hooke, e explicações sobre operação do experimento. A válvula de alívio é utilizada por segurança, pois em caso de sobre carga do sistema hidráulico ela automaticamente faz o óleo retornar ao tanque. III. O SITE DE CONTROLE (LADO DO USUÁRIO) O site (Figura 8) possibilita que o estudante (usuário) faça o controle do dispositivo físico de forma remota. Na Neste experimento foram inseridas duas câmeras que podem ser. As imagens das câmeras são exibidas individualmente no quadro (a) da Figura 8 e deve ser escolhida no quadro (b) ou (c) mostrado Figura 8. O quadro (d) Figura 8. Para execução do experimento, inicialmente o usuário define na tabela de posições (Distância em cm) para P1, P2, P3 e P4 (detalhes no quadro (f) da Figura 8) sendo estes valores os tamanhos em que a mola será comprimida e são posições onde os dados de força serão armazenados. A posição zero é quando a mola encontra-se com comprimento máximo, ou seja, é a posição de referência Figura 9 Gráfico Força x Distância da Mola A. Diagrama V Para promover a iniciação científica e potencializar aprendizagem, a ferramenta didática chamada Diagrama V foi integrada ao site. Com esta ferramenta o aluno será guiado durante a experimentação interagindo com a teoria e a prática de forma metodológica. Com este instrumento Page 200

4 pedagógico, pretende-sede potencializar a aprendizagem do conhecimento proposto pelo experimento, e, além disso, disponibilizar um modelo de experimento para introdução da iniciação científica no ensino técnico. A base para criação do Diagrama V é o entendimento de que o conhecimento é produzido através da pesquisa e depende de uma coerência entre aquilo que é feito (Experiência) e aquilo que se pensa (Conceitos e interpretações) [7]. Para facilitar essa coerência o diagrama V (Figura 10) é dividido em dois lados: O lado do saber/conceitual e o lado do fazer/metodológico [8,9]. Essa divisão ajuda a compreender que aquilo que já existe/se sabe e aquilo que é realizado estão intimamente conectados, sendo que uma influencia no outro [9]. Diagrama V). Por isso estes estudantes precisaram responder à seguinte Questão-foco : Qual a constante elástica média da mola usada no experimento Prensa Didática? A partir desta questão-foco os alunos tiveram que acessar o site na área de apoio didático, ler livros e outras fontes de informação e executar o experimento. Como o objetivo da plataforma de experimentação remota é desenvolver o processo de pesquisa, os alunos, individualmente, deveriam se organizar para preencher todos os campos do Diagrama V e principalmente encontrar a resposta da questão-foco. V. ANÁLISES DOS RESULTADOS Para avaliar os resultados da aplicação do Laboratório Remoto, além de serem analisados os diagramas, foram estudados questionários que foram preenchidos pelos alunos sobre as questões técnicas e didáticas da proposta. A análise dos diagramas demonstrou que 87% dos alunos conseguiram preencher os seus diagramas completamente. Os outros 13% tiveram mais dificuldades de preencher alguns campos, mas encontraram uma resposta coerente à questão foco, demonstrando que passaram por praticamente todas as etapas de investigação e experimentação necessárias. Na Figura 11 demonstra-se dados de que o grau de dificuldade no preenchimento do diagrama V não é tão simples para estes alunos, variando entre respostas como fácil, médio, complexo e até mesmo muito difícil. 7% 0% 4% 26% 19% muito fácil fácil Médio 44% complexo Figura 10 Diagrama V preenchido O foco do diagrama é a busca por respostas à perguntafoco que fica no topo do diagrama. Ela pode ser gerada pelo professor ou ser uma dúvida do aluno. Adaptações ao diagrama estão sendo realizadas para adaptá-la ao uso em experimentos remotos e no nível de ensino técnico. Com este experimento professores que queiram desenvolver as capacidades dos alunos de pesquisa, criatividade, escrita, raciocínio lógico, argumentação, critica e de análise podem adotá-lo para este fim. Muito difícil Figura 11 Complexidade no preenchimento do diagrama V Isso se deve, pois o diagrama V, apesar de ser de aparência simples, possui uma complexidade em seu preenchimento, pois necessita de concentração, leitura, observação, análise, organização e entre outras habilidades. VI. IV. APLICAÇÃO DO DIAGRAMA V COM ALUNOS Para verificar e analisar a efetividade deste Laboratório Didático de Experimentação Remota foi realizado uma aplicação com 27 alunos do Ensino médio integrado em Eletromecânica do Instituto Federal de Santa Catarina Campus Araranguá. Estes alunos foram orientados sobre o uso do Diagrama V e posteriormente sobre como realizar o Experimento Remoto desenvolvido. Conforme discutido anteriormente, uma pesquisa é orientada por um problema de pesquisa (questão-foco do CONSIDERAÇÕES FINAIS A aplicação do experimento com os alunos foi importante para perceber que os alunos conseguiram desenvolver de maneira satisfatória os objetivos proposto pelo laboratório de experimentação remoto idealizado para prática da pesquisa e da experimentação. Apesar da complexidade de ferramenta os alunos conseguiram concluir o desafio proposto e demonstram que o objetivo de proporcionar os primeiros contatos com a pesquisa aos alunos, foi atingido. Page 201

5 AGRADECIMENTOS Este trabalho tem o apoio do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, da Universidade Federal de Santa Catarina e da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Agradecemos o apoio financeiro CNPq através do edital Forma-Engenharia2012. REFERENCES 1. TAWFIK, M. et al. State-of-the-Art Remote Laboratories for Industrial Electronics Applications. Technologies Applied to Electronics Teaching (TAEE). Madri, Espanha: [s.n.]. Junho p ANDÚJAR, J. M.; MEJÍAS, A.; MÁRQUEZ, M. A. Augmented Reality for the Improvement of Remote Laboratories: An Augmented Remote Laboratory. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, v. 54, n. 3, p , AGOSTO SZIEBIG, G.; TAKARICS, B.; KORONDI, P. Control of an Embedded System via Internet. Transactions on Industrial Electronics, v. 57, n. 10, p , Outubro RÍOS, S. L.; VEIT, E. A.; ARAUJO, I. S. Modelacón computacional apoyada en el uso del diagram V de Gowin para el aprendizaje de conceptos de dinámica newtoniana. Revista Electrónica de Enseñza de las Ciencias, v. 10, n. 1, p , MOREIRA; ANTÔNIO, M. Pesquisa em Ensino: aspéctos metodológicos e referênciais teóricos à luz do Vê epistemológico de Gowin. São Paulo: EPU, ELINUX.ORG. Elinux, Disponivel em: < Acesso em: 17 maio OLIVEIRA, Â. M. M. D. Análise relação dos esutdos com as atividades experimentais de Eletromegnetismo utilizando o Vê de Gowin em contraposição ao Relatório Tradicional. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre KELES, Ö.; ÖZOY, S. Pre-service teachers' attitudes toward use of Vee diagrams in general physics laboratory. international Electronic Journal of Elementary Education, v. 1, n. 3, Junho KNAGGS; CHRISTINE. Thinking Like a Scientist: Using Vee-Maps to Understand Process and Concepts in Science. Research in science education, v. 42, n. 4, p , Authors Lucas Boeira Michels pelo Departamento de Eletromecânica. Instituto Federal de Santa Catarina. Av. 15 de Novembro, 61 Araranguá, Santa Catarina. lucasboeira@ifsc.edu.br Vilson Gruber pela Universidade Federal de Santa Catarina. Rua Pedro João Pereira, Araranguá. Santa Catarina. Brasil. vilson.gruber@ufsc.br. Lirio Schaeffer pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Av. Bento Gonçalves 9500, São José. Porto Alegre. Rio Grande do Sul. Brasil. schaefer@ufrgs.br. Roderval Marcelino pela Universidade Federal de Santa Catarina. Rua Pedro João Pereira, Araranguá. Santa Catarina. Brasil. roderval@yahoo.com.br. Golberi de Salvador Ferreira pelo Departamento de Eletrônica do Instituto Federal de Santa Catarina. Av. Av. Mauro Ramos 950, Centro, Florianópolis. Santa Catarina. golberi@ifsc.edu.br Agradecemos o apoio financeiro CNPq através do edital Forma-Engenharia-2012 e do Instituto Federal de Santa Catarina. Page 202