PROJETO DE PESQUISA DO PROFESSOR ORIENTADOR. Título do projeto: Dispositivos Eletrônicos Inovadores para o Ensino de Física

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1 PROJETO DE PESQUISA DO PROFESSOR ORIENTADOR Número do BANPESQ/THALES: Título do projeto: Dispositivos Eletrônicos Inovadores para o Ensino de Física I. Autor: James Alexandre Baraniuk II. Resumo: O coordenador da presente proposta aprovou junto ao CNPq o projeto /2013-9, em que são realizadas atividades experimentais de física no ensino médio utilizando-se de dispositivos eletrônicos inovadores, conforme detalhamento no Anexo 4 deste documento. O projeto aprovado junto ao CNPq conta somente com bolsistas do ensino médio e uma bolsista do primeiro ano do curso de graduação. A contratação de bolsistas PIBIT para este projeto possibilitará o desenvolvimento de kits inovadores e de maior conteúdo tecnológico em um momento em que há uma grande mobilização de pessoas e recursos para a realização deste projeto. Na presente proposta estamos solicitando a contratação de dois bolsistas PIBIT para atuarem no desenvolvendo de novos protótipos em eletrônica para a realização de experimentos de física para o ensino médio. A atividade do bolsista consiste em: (1) estudar a teoria relacionada ao tema escolhido; (2) levantar projetos existentes; (3) propor e desenvolver um protótipo em eletrônica para a verificação do tema escolhido; (4) preparar roteiro de atividade para o professor e para o estudante, incluindo vídeo demonstrativo; (5) elaborar oficinas em turmas de ensino médio aplicando o protótipo proposto; e (6) realizar o relatório do projeto. O primeiro bolsista deverá desenvolver uma cuba de ondas utilizando-se do kit Arduíno. A cuba de onda permite a visualização da propagação de ondas em líquidos, possibilitando o estudo das diversas características de propagação. O segundo bolsista deverá desenvolver um protótipo de experimento de onda-estacionária utilizando-se do kit Arduíno. Como características inovadoras deste projeto pode-se ressaltar o baixo custo, enfoque na produção do tipo faça-você-mesmo ao utilizar dispositivos disponíveis facilmente no mercado e o desenho que permite a realização de uma exposição permanente. Entendemos que o desenvolvimento deste projeto auxiliará no incentivo aos estudantes de ensino médio a optarem pela carreira de engenharia, auxiliará na compreensão dos estudos de física e matemática no ensino médio e capacitará aos estudantes de graduação no desenvolvimento de projetos inovadores.

2 III. Objetivos do Produto ou Serviço Tecnológico ou da Inovação Proposta: O objetivo das atividades dos bolsistas PIBIT deste projeto é o desenvolver kits didáticos inovadores para o ensino de física no ensino médio utilizando-se de dispositivos microcontrolados em plataformas de tecnologia livre. O primeiro bolsista deverá desenvolver uma cuba para a geração de ondas e o segundo bolsista deverá desenvolver um kit para a geração e estudo de ondas estacionárias. IV. Introdução ou evidências de interesse (justificativas): O governo federal vem lançando ações para que jovens do ensino médio sejam estimulados para optarem por carreiras nas áreas de engenharias e ciências exatas. Entendemos que a realização de atividades de física experimental despertam o interesse dos jovens para o estudo de física e de matemática, aumentando ainda mais quando os experimentos permitam a interação com o estudante. Neste projeto propormos desenvolver kits didáticos inovadores e interativos de baixo custo, utilizando-se da plataforma Arduíno (BANZI et al., 2006). Os bolsistas estarão orientados para desenvolver kits que possam ser replicados por outras instituições a partir dos relatórios a serem disponibilizados no site, sendo estimulado também a construção de dispositivos que possam permanecer em exposição permanente. V. Revisão bibliográfica/patentária O uso de hardware livre em experimentos de física tem-se mostrado eficaz no ensino de física, conforme pode ser observado no trabalho de Curcio (2008), que utilizou os kits Arduíno para o ensino de eletricidade. O uso de experimentos com o kit Arduíno em experimentos de física pode ser encontrado em diversas obras (BANZI et al., 2006; SARIK e KYMISSIS, 2010; EVANS, NOBLE e HOCHENBAUM, 2013), sendo um dos grandes fatores de difusão a disponibilidade de portal com o aplicativo e tutoriais (BANZI et al., 2006). O kit Arduíno foi desenvolvido inicialmente para ser utilizado em projetos de Design Interativo, sendo que a disponibilidade de informações na página da Internet do Arduíno e de kits e acessórios de baixo custo estão viabilizando a construção de dispositivos inovadores em eletrônica a serem utilizados por jovens nas mais diversas áreas (BANZI et al., 2006). Para a realização das atividades os bolsistas poderão contar com os tutoriais disponibilizados nesta página. Verificando-se no Banco Internacional de Objetos Educacionais do MEC (2013), plataforma voltada à divulgação de materiais didáticos para as escolas brasileiras, não encontramos propostas de kits

3 didáticos para os temas a serem estudados, no portal encontram-se disponíveis simuladores e vídeos, mas não kits, o que reforça a importância da realização deste projeto. Verificando-se na base de dados de patentes do INPI não encontramos projetos similares ao proposto. Por ocasião da revisão teórica o bolsista deverá incluir um levantamento junto às bases públicas a seguir: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial (Patentes Brasileiras) USPTO - United States Patent and Trademark Office (Escritório Norte-Americano de Patentes e Marcas Registradas) Esp@cenet - European Patent Office (Escritório Europeu de Patentes) CIPO - Canadian Intellectual Property Office (Escritório Canadense de Propriedade Intelectual) FREE PATENTS ONLINE - Serviço gratuito que contém patentes norte-americanas e patentes européias VI. Material e métodos: A presente pesquisa caracteriza-se como teórico-experimental. Na fase teórica será realizado o estudo de como vem sendo abordados nos livros de ensino médio os temas de cubas de ondas e de ondas estacionárias. Também serão verificados as diversas propostas de experimentos práticos relacionadas ao tema em estudo, utilizando-se para estas pesquisas as bases de dados eletrônicas da UFPR (<< Nesta fase teórica também será estudada a plataforma Arduíno, a ser utilizada para o desenvolvimento do projeto. Na fase experimental, os bolsistas deverão propor e desenvolver o protótipo de um kit. Inicialmente deverão desenvolver a proposta do projeto utilizando-se da ferramenta desdobramento da função qualidade (QFD), em que são identificadas as necessidades dos usuários e as principais características do projeto. Os bolsistas deverão utilizar técnicas de geração de idéias e escolher a proposta a ser desenvolvida em acordo com o orientador do projeto. Para o desenvolvimento os bolsistas deverão mostrar o funcionamento do protótipo em protoboard e, em caso de aprovação, deverão desenvolver a placa de circuito impresso. O protótipo final deverá ser calibrado e validado inicialmente em laboratório, depois será utilizado em oficina experimental a ser utilizado por estudantes e professor. A oficina experimental será realizada em uma turma de ensino médio do Colégio Leôncio Correia, com o acompanhamento do professor de física da turma. Todos os materiais e equipamentos necessários para o desenvolvimento deste projeto estão disponíveis no Laboratório de Eletrônica PK08 do curso de Engenharia Elétrica da UFPR.

4 VII. Aspectos Comerciais/Mercado que caracterizam o desenvolvimento tecnológico ou inovação do produto ou processo. O Paraná possui 2176 Colégios Estaduais (SEED, 2014), o que justifica a necessidade de desenvolvimento de kits e ferramentas adequadas para este mercado. A disponibilização de tutorial dos projetos a serem desenvolvidos pode estimular as escolas a aderirem ao projeto ou, até mesmo, que surjam iniciativas de empresas que comercializem os kits já montados. VIII. Formas de difusão do produto/serviço após pleno desenvolvimento. Os protótipos a serem realizados serão testados na Escola Estadual Leôncio Correia, em Curitiba- PR, que conta com 900 estudantes de ensino médio. Os resultados do projeto serão monitorados pelo professor orientador e as informações para a confecção dos protótipos serão disponibilizadas em portal da Internet da Universidade Federal do Paraná. Ressalta-se que esta facilidade de testes nesta escola representa um diferencial para a realização deste projeto. I. Impactos tecnológicos, científicos, econômicos, sociais e ambientais esperados para a UFPR, Região e Estado. Entendemos que no caso de êxito dos protótipos a serem realizados, os mesmos poderão ser replicados para todas as escolas de ensino médio da rede pública do Estado do Paraná. Se o modelo de ensino por protótipos em eletrônica mostrar-se adequado, possibilitará a continuidade de trabalhos da equipe para o desenvolvimento de novos kits interativos em outros temas de física ou matemática.. Destaques de experiências anteriores do proponente (orientador) no desenvolvimento de projetos tecnológicos e de inovação O orientador deste projeto é formado em Engenharia Eletrônica em 1989, tendo mais de dez anos de experiência no ensino superior, no curso de Engenharia Elétrica. Em 2013 coordenou o projeto CNPq /2012-0, voltado à divulgação do curso de engenharia junto aos jovens do ensino médio. Em 2014/2015 estará coordenando o projeto CNPq /2013-9, que envolve o desenvolvimento de experimentos de física no ensino médio, de modo que as meninas e jovens venham a optar pelo curso de engenharia. II. Projetos financiados diretamente relacionados a proposta O presente projeto será realizado em conjunto com o Projeto CNPq de nr /2013-9, detalhado no Anexo 4 deste documento. Este projeto foi iniciado em janeiro de 2014 e deverá encerrar-se em abril de 2015, podendo ser prorrogado por mais 6 meses.

5 III. Cronograma: Atividade Estudo da Plataforma Arduíno Revisão Teórica do Experimento de Física Levantamento de Projetos Existentes Desenho de Proposta de Kit Desenvolvimento do Kit Realização de Testes em Laboratório Elaboração de Roteiro de Professor e Roteiro do Estudante Teste do Kit em Sala de Aula Elaboração de Relatório Final do Projeto e Artigo para Seminário IV. Referências/Bibliografia: BANZI, Massimo; CUARTIELLES, David; IGOE, Tom; MARTINO, Gianluca; MELLIS, David. Arduino: Arduino, Disponível em << acessado em 10/03/2014. CURCIO, C. P. D. C. Proposta de Método de Robótica Educacional de Baixo Custo Dissertação de Mestrado (Mestre). PRODETEC, LACTEC, Curitiba. Disponível em << acessado em 10/03/2014 EVANS, M.; NOBLE, J.; HOCHENBAUM, J. Arduino in Action. New York: Manning Publications, Disponível em: < C:\Users\James Baraniuk\Downloads\livros\arduino\Arduino in Action.pdf >. Ministério de Educação e Cultura - MEC. Objetos Educacionais. Brasília, Disponível em << acessado em 10/03/2014. Secretaria de Estado da Educação - SEED. Consulta Escolas. Curitiba, Disponível em: << >>, acessado em 10/03/2014. SARIK, J.; KYMISSIS, I. Lab kits using the Arduino prototyping platform. In: IEEE, Frontiers in Education Conference (FIE), 2010 IEEE, 2010, Oct p.t3c-1-t3c-5.

6 ANEO 2 PLANO DE TRABALHO DO ALUNO BOLSISTA 1 NOME DO ORIENTADOR: JAMES ALEANDRE BARANIUK TÍTULO DO PROJETO: Título do projeto: Dispositivos Eletrônicos Inovadores para o Ensino de Física REGISTRO NO BANPESQ/THALES: DATA DE INÍCIO: 20/01/2014 DATA DE TÉRMINO: 20/04/2015 (podendo ser prorrogado) NOME DO ALUNO: A SER DEFINIDO DATA DE INÍCIO: 01/08/2014 DATA DE TÉRMINO: 31/07/2015 TÍTULO DO PLANO DE TRABALHO: Elaboração de Cuba de Onda Interativa e Inovadora para o ensino de física no ensino médio com kit de microcontrolador em hardware livre OBJETIVO: Desenvolver uma Cuba de Ondas de baixo custo, que permita a realização de experimentos de física de modo interativo com os estudantes, utilizando-se de plataforma de hardware livre. METODOLOGIA/SÍNTESE DAS ATIVIDADES: O bolsista deverá inicialmente estudar a plataforma de hardware livre Arduíno, capacitando-se no uso desta ferramenta. Na sequência, realizará estudo teórico verificando as diversas abordagens de ensino do tema Cubas de Ondas em livros didáticos do ensino médio. Em seguida, verificará na literatura e no mercado os kits experimentais disponíveis. Realizado o levantamento teórico, o bolsista realizará a geração de idéias para o protótipo, selecionando a ideia mais adequado em conjunto com o coordenador. Como ferramenta auxiliar de seleção/desenvolvimento deverá utilizar o QFD Desdobramento da Função Qualidade. Definida a ideia, realizará o desenvolvimento do protótipo inicialmente em protoboard e, depois, em placa de circuito impresso. O protótipo desenvolvido deverá ser calibrado e verificado inicialmente em laboratório. Nesta etapa o bolsista deverá desenvolver o roteiro do professor e o roteiro do estudante. Em seguida, o protótipo deverá ser testado junto a uma turma de estudantes de ensino médio, com o acompanhamento de um professor de física.

7 Ao final, o bolsista deverá realizar o relatório final de projeto e o material a ser utilizado para apresentação em seminário de iniciação científica. CRONOGRAMA: O bolsista deverá orientar suas atividades de acordo com o cronograma a seguir: Atividade Estudo da Plataforma Arduíno Revisão Teórica do Experimento de Cuba de Ondas Levantamento de Projetos Existentes de Cubas de Ondas Desenho de Proposta de Kit Desenvolvimento do Kit Realização de Testes em Laboratório Elaboração de Roteiro de Professor e Roteiro do Estudante Teste do Kit em Sala de Aula Elaboração de Relatório Final do Projeto e Artigo para Seminário

8 ANEO 3 PLANO DE TRABALHO DO ALUNO BOLSISTA 2 NOME DO ORIENTADOR: JAMES ALEANDRE BARANIUK TÍTULO DO PROJETO: Título do projeto: Dispositivos Eletrônicos Inovadores para o Ensino de Física REGISTRO NO BANPESQ/THALES: DATA DE INÍCIO: 20/01/2014 DATA DE TÉRMINO: 20/04/2015 (podendo ser prorrogado) NOME DO ALUNO: A SER DEFINIDO DATA DE INÍCIO: 01/08/2014 DATA DE TÉRMINO: 31/07/2015 TÍTULO DO PLANO DE TRABALHO: Elaboração de Experimento Interativo de Onda Estacionária para o ensino de física no ensino médio com kit de microcontrolador em hardware livre OBJETIVO: Desenvolver um kit interativo para o estudo de onda estacionária que seja de baixo custo, que permita a realização de experimentos de física de modo interativo com os estudantes, utilizandose de plataforma de hardware livre. METODOLOGIA/SÍNTESE DAS ATIVIDADES: O bolsista deverá inicialmente estudar a plataforma de hardware livre Arduíno, capacitando-se no uso desta ferramenta. Na sequência, realizará estudo teórico verificando as diversas abordagens de ensino do tema Ondas Estacionárias em livros didáticos do ensino médio. Em seguida, verificará na literatura e no mercado os kits experimentais disponíveis. Realizado o levantamento teórico, o bolsista realizará a geração de idéias para o protótipo, selecionando a ideia mais adequado em conjunto com o coordenador. Como ferramenta auxiliar de seleção/desenvolvimento deverá utilizar o QFD Desdobramento da Função Qualidade. Definida a ideia, realizará o desenvolvimento do protótipo inicialmente em protoboard e, depois, em placa de circuito impresso. O protótipo desenvolvido deverá ser calibrado e verificado inicialmente em laboratório. Nesta etapa o bolsista deverá desenvolver o roteiro do professor e o roteiro do estudante. Em seguida, o protótipo deverá ser testado junto a uma turma de estudantes de ensino médio, com o acompanhamento de um professor de física.

9 Ao final, o bolsista deverá realizar o relatório final de projeto e o material a ser utilizado para apresentação em seminário de iniciação científica. CRONOGRAMA: O bolsista deverá orientar suas atividades de acordo com o cronograma a seguir: Atividade Estudo da Plataforma Arduíno Revisão Teórica do Experimento de Ondas Estacionárias Levantamento de Projetos Existentes de Ondas Estacionárias Desenho de Proposta de Kit Desenvolvimento do Kit Realização de Testes em Laboratório Elaboração de Roteiro de Professor e Roteiro do Estudante Teste do Kit em Sala de Aula Elaboração de Relatório Final do Projeto e Artigo para Seminário