DESENVOLVIMENTO E USO DE UMA FERRAMENTA AUXILIAR NO ENSINO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO

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1 DESENVOLVIMENTO E USO DE UMA FERRAMENTA AUXILIAR NO ENSINO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO Márlon Caetano Ramos Pessanha a [marlonp@uenf.br] Sabrina Gomes Cozendey a [sgcfisica@yahoo.com.br] Marcelo de Oliveira Souza a [mm@uenf.br] a Laboratório de Ciências Físicas - Universidade Estadual do Norte Fluminense RESUMO APRESENTAMOS NESTE TRABALHO, O DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA AUXILIAR PARA O ENSINO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO. SÃO APRESENTADOS, AINDA, ALGUNS RESULTADOS OBTIDOS COM O USO DESTA FERRAMENTA, ATRAVÉS DE TESTES PRELIMINARES JUNTO A ESTUDANTES DE ENSINO MÉDIO. A FERRAMENTA CONSISTE EM UM CONJUNTO DE SOFTWARE E HARDWARE QUE INTERAGEM PERMITINDO A COLETA E CONTROLE DE DADOS DE TRÊS EXPERIMENTOS, CRIADOS COM MATERIAIS DE BAIXO CUSTO, ENVOLVENDO AS LEIS DE AMPÈRE E INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE FARADAY. PARA PERMITIR A COMU NICAÇÃO DOS EXPERIMENTOS COM UM COMPUTADOR, FOI CRIADO UM CIRCUITO DE INTERFACE, DE COMUNICAÇÃO ATRAVÉS DA PORTA PARALELA. ESTE CIRCUITO EFETUA A CONVERSÃO DOS VALO RES ANALÓGICOS DE DIFERENÇA DE POTENCIAL COLETADOS NOS EXPERIMENTOS EM VALORES DIGITAIS, QUE PODEM SE TRANSMITIDOS A UM COMPUTADO R, E POSSIBILITA AINDA O CONTROLE DOS PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS. O CIRCUITO POSSUI COMO PRINCIPAIS COMPONENTES ELETRÔNICOS UM CONVERSOR AN ALÓGICO-DIGITAL DE 1 CANAL D E COLETA DE DADOS E 8 BITS DE RESOLUÇÃO DE MEDIDAS, O COMPONEN TE ADC0804, E UM MULTIPLEXADOR DE CANAIS CD4052, QUE PERMITE QUE SEJA EFETUADA A MEDIÇÃO DE MAIS DE UM EXPERIMENTO, ATRAVÉS DE UM MESMO CANAL DO CONVERSOR A/D. ATRAVÉS DE UM SOFTWARE, TAMBÉM DESENVOLVIDO DURANTE A EXECUÇÃO DESTE TRABALHO, É POSSÍVEL QUE ESTUDANTES EFETUEM, DE FORMA FACILITADA, O CONTROLE DOS EXPERIMENTOS E ACOMPANHEM OS DADOS COLETADOS DURANTE OS PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS. O SOFTWARE DESENVOLVIDO DISPONIBILIZA, AINDA, CONTEÚDOS TEÓRICOS, COM TEXTOS EXPLICATIVOS E ILUSTRADOS COM IMAGENS E ANIMAÇÕES. ESTES CONTEÚDOS POSSUEM ÊNFASE EM CONCEITOS BÁSICOS DO ELETROMAGNETISMO, POSSUINDO AINDA, RELATOS HISTÓRICOS SOBRE O SURGIMENTO E DESENVOLVIMENTO DESTES CONCEITOS. FORAM REALIZADOS TES TES COM O OBJETIVO DE SE EFETUAR UMA ANÁLISE TÉCNICA DO FUNCIONAMENTO DA FERRAMENTA, E UMA ANÁLISE DE SUA UTILIZAÇÃO COMO UM INSTRUMENTO AUXILIAR NO ENSINO DE ELETROMAGNETISMO.

2 PALAVRAS-CHAVE Experimentos Automatizados, Informática na Educação, Ensino de Eletromagnetismo. INTRODUÇÃO A Física é uma das áreas científicas que possui muitos conceitos relacionados a fenômenos do cotidiano. Apesar disto, nas escolas, a Física como disciplina, não tem conseguido motivar os estudantes. O que ocorre é que ainda vem sendo empregado em grande escala na prática escolar um modo de ensino tradicional, que não privilegia o estudo dos conceitos e fenômenos, e que possui pouca relação entre o que se é ensinado e o que está presente no dia a dia dos alunos, ou seja, sem uma contextualização dos conteúdos. É notória a motivação apresentada pelos estudantes na utilização de novos recursos tecnológicos, e isto é algo a ser considerado na prática pedagógica. Além disto, inovações tecnológicas, com o animações e hipertextos na computação, conseguem apresentar os conceitos físicos de forma eficiente, visto que permitem uma aproximação do conteúdo teórico das salas de aula, ao cotidiano dos estudantes, simulando fenômenos e ações do cotidiano. Esta aproximação entre o teórico e o real é privilegiada também com a utilização de experimentos didáticos. A prática experimental permite uma verificação direta dos fenômenos físicos e seus efeitos, e assim os estudantes conseguem relacionar melhor o que vêem na prática experimental, àquilo que vêem em seu dia a dia. Assim, com a experimentação, o ensino de conceitos de Física com um maior grau de abstração, como os envolvidos no eletromagnetismo, podem ter a assimilação facilitada. Baseado nisto, foi desenvolvida uma ferramenta que permite a prática experimental, mediada por computador, com a utilização de tutoriais e animações que demonstram alguns dos fenômenos físicos de determinados conceitos de eletromagnetismo. DESENVOLVIMENTO DA FERRAMENTA A ferramenta desenvolvida consiste na interação entre hardware e software, a qual permite a experimentação em Física. Foram criados experimentos, um circuito que permite a comunicação entre estes e um computador e o software com os tutoriais didáticos e com o controle/coleta de dados dos experimentos. A Figura 1 apresenta um esquema geral da ferramenta desenvolvida: Figura 1. Esquema geral da ferramenta pedagógica desenvolvida. A seguir, são apresentadas cada uma das etapas do desenvolvimento desta ferramenta didática:

3 Desenvolvimento dos Experimentos Inicialmente foram construídos três experimentos que envolviam conceitos de eletromagnetismo. Um primeiro experimento enfatizou o fenômeno de obtenção de um campo magnético a partir de uma corrente elétrica que percorre um condutor, fenômeno este descrito pela lei de Ampère. No experimento, uma corrente elétrica percorre um condutor, e através de um interruptor magnético (Reed Switch), é possível identificar a presença do campo magnético gerado. O segundo experimento demonstra o fenômeno de obtenção de uma corrente elétrica em um condutor, a partir da variação de um campo magnético. Este fenômeno é conhecido com Indução Eletromagnética ou Indução de Faraday. Neste, foi montada uma hélice com um conjunto de ímãs, e esta foi presa ao eixo de um motor. Quando o motor é ligado, o movimento do conjunto de ímãs irá ocasionar um campo magnético variável, e assim, será gerada uma corrente elétrica em um condutor que está colocado nas proximidades da hélice. Desta forma, é gerada uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre as extremidades do condutor, que pode ter sua intensidade medida. Um último experimento construído trata -se de um exemplo de aplicação dos conceitos físicos envolvidos nos experimentos anteriores em dois equipamentos presentes no cotidiano, o motor elétrico (Lei de Ampère) e o gerador elétrico (Indução Eletromagnética). Este terceiro experimento permite ainda a discussão de outros conceitos físicos, como a transformação e conservação de energia. Figura 2. Experimentos construídos - À esquerda superior: Lei de Ampère; À esquerda inferior: Indução Eletromagnética; À direita: Aplicação dos conceitos em motores e geradores elétricos. Desenvolvimento do Circuito de Interface Os experimentos se conectam ao computador através da porta paralela, que é um conjunto de 25 pinos pelos quais é possível que se faça a transferência de dados entre hardwares externos e o hardware interno de um computador. Cada pino representa um bit, que em conjunto com outros bits definirá um número binário. Os pinos podem ser agrupados em três endereços (378H/278H, 379H/279H e 37AH/27AH), e mais um grupo composto por pinos de aterramento [Pessanha 2006]. Cada grupo possui para seus

4 pinos funções em comum. A Tabela 1, a seguir, apresenta os pinos que compõem cada grupo (endereços ou o grupo de pinos de aterramento). Tabela 1 Pinos da Porta Paralela Grupos de Pinos Pinos Endereço 378H/278H 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 Endereço 379H/279H 10, 11, 12, 13 e 15 Endereço 37AH/27AH 1, 14, 16 e 17 Pinos de aterramento 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 e 25 A porta paralela possui modos de funcionamento, os quais definem a função de cada grupo de pinos (entrada de dados ou de saída de dados). Nos modo de funcionamento EPP (Enhanced Parallel Port) e ECP (Enhanced Capabilities Port) é possível a configuração dos pinos dos endereços 378H/278H e 37AH/27AH como de entrada de dados, e do endereço 379H/279H como de saída de dados [Pessanha 2006]. Figura 3. Possível configuração das funções dos pinos da porta paralela, nos modos EPP e ECP. Para a configuração apresentada na Figura 3, o grupo de pinos 378H/278H é um endereço de entrada de dados de 8 bits (1 byte). Através deste endereço é possível que se transfira ao computador os dados obtidos nos experimentos. No entanto, o que se obtém nos experimentos são valores analógicos (base decimal), de tensão elétrica, e não valores digitais (base binária). Sendo assim, é necessário um circuito de interface que converta estes valores analógicos em valores digitais, para que só então, seja transferido ao computador, através do endereço 378H/278H da porta paralela, o que se coleta nos experimentos. Foi desenvolvido um circuito de interface capaz de converter um valor analógico de tensão elétrica entre 0 e 5 volts, em um valor digital de 8 bits. Tal circuito é alimentado com uma fonte de 5 volts, e é conectado a porta paralela do computador. Um esquema de montagem e uma foto do circuito são apresentados nas Figuras 4 e 5, a seguir:

5 Figura 4. Esquema de montagem do Circuito de Interface Figura 5. Foto do Circuito de interface desenvolvido O circuito possui como principal componente eletrônico um conversor analógico-digital (A/D) de 8 bits/1 canal, o ADC0804 [National Semiconductor 1999]. Este componente possui uma entrada, na qual foram conectadas as saídas analógicas dos experimentos. Estas saídas analógicas dos experimentos fornecem uma tensão elétrica entre 0 e 5 Volts, que é convertida pelo ADC0804 em um valor digital de 8 bits, distribuídos em 8 pinos parale los do conversor A/D. Estes 8 pinos foram conectados através de um cabo aos pinos do endereço 378H/278H da porta paralela, e desta forma, foi possível que se efetuasse a leitura dos dados através do computador. Como o conversor A/D utilizado é de apenas 1 canal, foi utilizado ainda no desenvolvimento do circuito de interface, o multiplexador de canais CD4052 [Texas Instruments 2003]. Através deste componente eletrônico é possível a conexão dos três experimentos ao conversor A/D, e a seleção de qual experimento será utilizado, através de um controle de dois bits. Através do endereço 37AH/27AH, de 4 bits, foi implementado o controle do multiplexador CD4052, e o controle do conversor A/D ADC0804. Desenvolvimento do Software Para que os estudantes pudessem executar o procedimento experimental através de um computador, foi desenvolvido um software. O software possui duas seções, uma para a realização do procedimento experimental ( Experimentos ), e outra para o acesso a tutoriais sobre os conceitos físicos envolvidos nos experimentos ( Conteúdos ).

6 Na seção para a realização do procedimento experimental, o software interage com a porta paralela do computador, controlando os pinos de saída de dados, e efetuando a leitura dos pinos de entrada de dados. O software efetua ainda, após a leitura do binário correspondente aos dados coletados nos experimentos, a conversão deste número binário (um byte) para um valor decimal e ajusta este valor através de uma fórmula de calibração, apresentando ao usuário do software, em seguida, as medidas realizadas no experimento. A seção de conteúdos teóricos consiste em tutoriais sobre os conceitos físicos abordados nos experimentos. Os conteúdos teóricos possuem textos de compreensão facilitada, visto que são ilustrados através de figuras e animações. Além disto, os conceitos são apresentados numa abordagem histórica, com relatos sobre a descoberta e desenvolvimento dos conceitos. Os tutoriais podem ser acessados através da tela inicial do software, mas também através da seção de controle dos experimentos. Desta forma é possível que os estudantes recorram aos tutoriais durante a realização de um procedimento experimental, caso seja necessário. Figura 6. Tela inicial do software (Esquerda) e Tela da seção de conteúdos teóricos. (Direita). Figura 7. Tela da seção de controle e coleta de dados dos experimentos. O software foi desenvolvido com o ambiente de programação Turbo Delphi Explorer [Borland 2006], versão gratuita do Delphi disponibilizada para fins educacionais. A programação foi feita utilizando-se os próprios componentes oferecidos pelo Turbo Delphi. Foi utilizado ainda, para permitir a interação entre o software e o hardware do computador, um arquivo dll (Dynamic - link library), o inpout32.dll [Logix4u.net 2003], de uso livre e destinado a aplicações em que se pretende a comunicação com a porta paralela do computador.

7 USO DA FERRAMENTA DESENVOLVIDA Com o objetivo de se verificar o funcionamento da ferramenta do ponto de vista técnico, e buscando obter alguns resultados sobre o seu uso como instrumento auxiliar ao ensino, foram realizados testes preliminares junto a estudantes do ensino médio da Escola Técnica João Barcelos Martins, situada na cidade de Campos dos Goytacazes-RJ. Os estudantes envolvidos nestes testes pertenciam a uma turma de segundo ano, e não haviam ainda sido alvos de um ensino formal, em sala de aula, dos conteúdos que abordavam os conceitos de Física abordados na ferramenta. Desta forma, a ferramenta foi utilizada como introdutora de novos conceitos. Foram realizadas três aulas com o uso da ferramenta, cada uma enfatizando um dos experimentos. Durante estas aulas os estudantes puderam controlar o procedimento experimental através de um computador, e acompanhar em tempo real as medições das grandezas envolvidas no experimento, além de consultar os conteúdos teóricos e solicitar auxílio ao professor, quando necessitavam que se fossem solucionadas dúvidas. Como parte do planejamento destas aulas, foi definida uma seqüência para estas, que é apresentada e descrita através da Tabela 2, a seguir: Tabela 2 Seqüência das aulas Etapa Observação de um fenômeno físico Solicitação de uma explicação física para o fenômeno observado Uso da seção de conteúdos teóricos da ferramenta Realização do procedimento experimental disponibilizado pela ferramenta Discussão conjunta e formalização de uma explicação para o fenômeno Descrição do Fenômeno Inicial Era apresentado aos estudantes um fenômeno físico, relacionado ao conceito que se pretendia discutir na aula. Era solicitado aos estudantes que buscassem uma explicação para o fenômeno observado. Os estudantes deveriam acessar os conteúdos teóricos, observar as animações e explicações disponíveis, e tentar construir, uma explicação para o fenômeno observado. Baseado no conhecimento construído com o auxílio da seção de conteúdos teóric os, os estudantes realizavam o procedimento experimental disponível na ferramenta. Os estudantes deveriam interagir entre si e com o professor, formalizando uma explicação para o fenômeno observado inicialmente. Conforme é observado na Tabela 2, cada aula é iniciada com a observação de um fenômeno físico. Tal fenômeno relacionava-se com o conceito físico, o qual se pretendia discutir na aula. A Tabela 3 descreve o fenômeno físico apresentado, em cada uma das aulas:

8 Tabela 3 Aula x Fenômeno Aula 01- Lei de Ampère 02- Lei de Faraday 03 - Aplicação dos conceitos envolvidos nas Leis de Ampère e Faraday Descrição do Fenômeno Apresentado Com o uso de uma bússola, um fio condutor e uma bateria; era observada uma variação no posicionamento do ponteiro da bússola, quando as extremidades do fio eram ligadas a bateria. Com o uso de um ímã, um fio condutor e um amperímetro; com as extremidades do fio ligadas ao amperímetro, era observada uma variação no valor indicado pelo amperímetro, quando o ímã era, de forma periódica, aproximado e afastado do fio. Foram apresentados um motor e um gerador, e estes foram colocados em funcionamento. Os estudantes deveriam explicar o funcionamento destes equipamentos. Na busca por uma explicação para o fenômeno observado, os estudantes exploraram a seção de conteúdos da ferramenta, sendo auxiliados pelo professor, o qual além de direcioná-los no uso da ferramenta, guiava os estudantes no processo de construção de uma explicação. No momento da realização dos procedimentos experimentais, era permitido aos estudantes recorrer aos conteúdos teóricos quando necessário. Em um último momento da aula, através da discussão conjunta entre estudantes e professor, buscava-se não somente chegar a uma explicação para o fenômeno observado no início da aula, mas também extinguir dúvidas ou erros conceituais que ainda persistiam. RESULTADOS Foram feitos diversos testes quanto o funcionamento da ferramenta, com o intuito de se observar a estabilidade e precisão na coleta de dados, além de testes iniciais de aplicação da ferramenta didática junto a um grupo de estudantes. Os testes de funcionamento apresentaram resultados positivos e sem a identificação de falhas durante o uso. Após a calibração na coleta de dados, a precisão verificada para medidas de diferença de potencial, e conforme o que se previa para o conversor A/D de 8 bits utilizado, foi de ±20mV nas medidas de diferença de potencial. É uma precisão satisfatória, levando-se em conta a aplicação somente para fins didáticos, o que não exige medidas extremamente precisas. É possível ainda uma pequena modificação no circuito de interface, com o objetivo de se aumentar a precisão nas medidas, para apenas ±10mV. Para isto, basta que seja aplicado um potencial elétrico de referência, com valor de 2,5V, em um dos pinos do conversor A/D. O tempo de conversão A/D, conforme definido pelo fabricante do conversor A/D ADC0804, é de 100µs. No entanto, o tempo verificação e amostragem (atualização dos valores que são apresentados ao usuário do sistema), foi definido no desenvolvimento do software como 0,5s. Nos

9 testes realizados, este tempo mostrou-se satisfatório para o acompanhamento dos procedimentos experimentais. Como resultados obtidos com os testes preliminares realizados junto a estudantes, têm-se como destaque, um aumento na motivação do estudo de Física, além de uma evolução na compreensão dos conceitos. As animações contidas nos tutoriais, em conjunto com o acompanhamento dos procedimentos experimentais, permitiram uma perceptível aprendizagem dos conceitos físicos abordados. Após a utilização da ferramenta, quando questionados, os alunos souberam explicar de maneira satisfatória do ponto de vista científico, os conceitos de envolvidos, conseguindo inclusive relaciona-los com fenômenos do cotidiano. Destaca-se ainda a metodologia adotada para as aulas-teste, com a busca por uma explicação para uma situação inicial, e com uma importante atuação do professor, no auxílio aos estudantes, guiando-os nas discussões e na realização dos procedimentos experimentais. As aulas neste formato mostraram-se eficientes e, além disto, permitiram que todas as seções da ferramenta desenvolvida fossem exploradas. CONCLUSÃO Vários dos objetivos para o ensino de Física, previstos nos Parâmetros Curriculares Nacionais [MEC/Brasil 2002], são englobados com a utilização de recursos tecnológicos. A capacidade de lidar com estes novos recursos é um destes objetivos. Outros objetivos como a capacidade de entender o mundo ao redor e da capacidade de investigação e compreensão de fenômenos físicos também podem ser desenvolvidos com o uso das novas tecnologias. A partir dos resultados obtidos, com destaque para a motivação apresentada pelos estudantes e a perceptível aprendizagem dos conceitos envolvidos, pode-se afirmar que a ferramenta pedagógica desenvolvida, acompanhada de um planejamento adequado, pode ser utilizada com eficiência no ensino dos conceitos envolvidos nas Leis de Ampère e Faraday, conceitos estes básicos para o estudo do eletromagnetismo. O circuito de interface pode ser utilizado ainda para a comunicação entre o computador e outros experimentos, bastando para isto que novos softwares sejam desenvolvidos, específicos para os experimentos. Os experimentos e circuito de interface foram elaborados com materiais de baixo custo, o que torna possível a distribuição da ferramenta pedagógica por meio de kits. REFERÊNCIAS Borland Software Corporation (2006), Turbo Delphi. Disponível em: Acesso em 15 de set Logix4u.net (2003), Inpout32.dll for WIN NT/2000/XP. Disponível em: Acesso em 14 de set

10 MEC/Brasil (2002), Parâmetros Curriculares Nacionais - Ensino Médio,Parte III : Ciências da Natureza, Matemática e suas tecnologias. Disponível em: Acesso em 15 de set National Semiconductor (1999), Data Sheet ADC0801/ADC0802/ADC0803/ADC0804/ADC0805, Acesso em 10 de set Pessanha, M. C. R. (2006) Sistema Didático Automatizado para o ensino de conceitos de Eletromagnetismo, Monografia final de curso, Licenciatura e m Física, UENF. Texas Instruments (2003), Data Sheet CD4051B,Cd4052B,CD4053B. Disponível em: Acesso em 10 de set