2014 Manual de Estudos Matriz de Referência Versão 1.0 Março 2014 Organização Realização Apoio
OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA - OBR Centro Universitário da FEI Universidade Estadual Paulista UNESP Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN Universidade Federal de São Carlos - UFSCar Universidade Federal de São João Del Rei - UFSJ Universidade Federal do Rio Grande FURG Universidade Federal do Espirito Santo UFES Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação MCTI Ministério da Educação MEC Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq RoboCup Brazil Sociedade Brasileira de Computação SBC Sociedade Brasileira de Automática - SBA Este documento é de propriedade da Olimpíada Brasileira de Robótica e pode ser distribuído e reproduzido livremente, sem alteração de seu conteúdo original. Olimpíada Brasileira de Robótica Manual de Estudos / 2014 21 fls Relatório Técnico 1. Ensino Fundamental 2. Ensino Médio 3. Ensino Técnico 2
ORGANIZAÇÃO OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA COORDENADOR GERAL OBR 2014 Prof. Dr. Flavio Tonidandel - FEI VICE-COORDENADORA GERAL - OBR 2014 Profa. Dra. Esther Luna Colombini Coordenador Nacional da Modalidade Prática OBR 2014 Prof. Dr. Eduardo Bento Pereira - UFSJ Coordenador Nacional da OBR 2014 Prof. Dr. Rafael Vidal Aroca - UFSCar CONSELHO SUPERIOR DA OBR Prof. Dr. Luiz Marcos Garcia Gonçalves (UFRN) Prof. Dr. Alexandre da Silva Simões (UNESP) Prof. Dr. Flavio Tonidandel (FEI) Profa. Dra. Silvia Silva da Costa Botelho (FURG) Profa. Dra. Esther Luna Colombini (FEI) Profa. Msc. Carmen Ribeiro Faria Santos (UFES) Prof. Dr. Reinaldo Augusto da Costa Bianchi (FEI) Prof. Dr. Aquiles Medeiros Filgueira Burlamaqui (UFRN) Coordenador OBR 2007: Prof. Dr. Jackson P. Matsuura - ITA Coordenador OBR 2008: Prof. Dr. Luiz Marcos G. Gonçalves - UFRN Coordenador OBR 2009: Prof. Dr. Alexandre da S. Simões - UNESP Coordenador OBR 2010: Prof. Dr. Alexandre da S. Simões - UNESP Coordenador OBR 2011: Prof. Dr. Luiz Marcos G. Gonçalves - UFRN Coordenador OBR 2012: Prof. Dr. Aquiles M. F. Burlamaqui - UFRN Coordenador OBR 2013: Prof. Dr. Flavio Tonidandel - FEI 3
INTRODUÇÃO Cumprindo seu papel de atuar como instrumento para a melhoria dos ensinos fundamental e médio, bem como de instrumento para a identificação de jovens talentosos que podem ser estimulados a seguir carreiras científico-tecnológicas, a OBR, através de seu comitê pedagógico, desde 2009 norteia suas provas escritas tendo como princípio a robótica como uma ferramenta para ajudar a aprender. Desta forma, a OBR busca oferecer novas possibilidades e estímulos para seu aprendizado, utilizando a tecnologia como ferramenta para ampliar seu pensamento e estimulando novos mecanismos de aprendizagem. 4
Este documento apresenta uma série de tópicos para apoiar os alunos do ensino médio e fundamental no estudo para a Olimpíada Brasileira de Robótica (OBR). O documento está organizado em 6 níveis, conforme a seguinte estrutura: NÍVEIS E DURAÇÕES Nível 0: Corresponde à Pré-Escola. Destinada aos alunos regularmente matriculados no 1º ano no regime de 9 anos. Duração desta prova: uma hora; Nível 1: Corresponde ao 1o. Ciclo dos parâmetros curriculares nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados nas 1ª e 2ª séries do ensino fundamental no regime de 8 anos ou 2º ao 3º ano no regime de 9 anos. Duração desta prova: duas horas; Nível 2: Corresponde ao 2o. Ciclo dos parâmetros curriculares nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados nas 3ª e 4ª séries do ensino fundamental no regime de 8 anos ou 4º ao 5º ano no regime de 9 anos. Duração desta prova: duas horas; Nível 3: Corresponde ao 3o. Ciclo dos parâmetros curriculares nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados entre a 5ª e 6ª série do ensino fundamental ou 6º ao 7º ano do regime de 9 anos. Duração desta prova: duas horas; Nível 4: Corresponde ao 4o. Ciclo dos parâmetros curriculares nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados entre a 7ª e 8ª série do ensino fundamental no regime de 8 anos ou 8º ao 9º ano no regime de 9 anos. Duração desta prova: duas horas; Nível 5: destinada aos alunos regularmente matriculados em qualquer série/ano do ensino médio ou técnico. Duração desta prova: três horas. 5
Eixos Cognitivos A OBR atende ao princípio da robótica como estímulo para o aprendizado de tecnologia e preparar o aluno para o futuro. Desta forma, a OBR não só irá cobrar do aluno conteúdos específicos de robótica, mas também oferecer a ele novas possibilidades e estímulos para seu aprendizado, buscando utilizar a tecnologia como ferramenta para ampliar seu pensamento e estimulando novos mecanismos de aprendizagem, exigindo conhecimento de diferentes disciplinas da grade curricular convencional quando aplicados à temática de robótica. Tudo isso, montado sobre 5 eixos cognitivos que espera-se o aluno ter domínio: Dominar linguagens (DL): As diferentes linguagens serão abordadas em questões unificadas, utilizando a característica integradora inata da robótica para que se possa analisar o domínio de linguagens como: dominar a norma culta da Língua Portuguesa e fazer uso das linguagens: matemática, artística e científica e das línguas espanhola e inglesa de modo compatível com o desenvolvimento sócio-cognitivo do público participante. Compreender fenômenos (CF): construir e aplicar conceitos das várias áreas do conhecimento para a compreensão de fenômenos naturais, de processos históricogeográficos, da produção tecnológica e das manifestações artísticas utilizando a robótica como instrumento. Nesse âmbito, a robótica será apresenta como ferramenta estimuladora de novos mecanismos de aprendizagem e raciocínio sobre esses fenômenos. Enfrentar situações-problema (SP): os estudantes serão convidados a apresentar suas estratégias de organização para enfrentar as situações-problema do âmbito da robótica apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com seu 6
desenvolvimento sócio-cognitivo. O objetivo é que possam ser avaliadas condutas de enfrentar situações-problema (SP): selecionar, organizar, relacionar, interpretar dados e informações representados de diferentes formas, para tomar decisões elaboradas no contexto da robótica. Construir argumentação (CA): Os estudantes serão convidados a apresentar suas argumentações para justificar/defender as estratégias de ação escolhidas para o enfrentamento das situações- problema apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com seu desenvolvimento sócio-cognitivo. Os estudantes apresentarão suas argumentações para justificar/defender as estratégias de ação escolhidas para o enfrentamento das situações-problema apresentadas pelo comitê da OBR. Elaborar propostas (EP): recorrer aos conhecimentos desenvolvidos na escola para elaboração de propostas de intervenção solidária na realidade, respeitando os valores humanos e considerando a diversidade sociocultural. Os estudantes explicitarão um planejamento para resolver as situações-problema apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com o desenvolvimento sócio-cognitivo do público. 7
NÍVEL 0 Pré-ESCOLA Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 0 compreende a pré-escola (1o. Ciclo dos PCNs = 1o. ano do novo regime) 8
Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Compreensão de contos, mitos e lendas populares, instruções e relatos. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números naturais e sistema de numeração: reconhecimento de números, execução de operações simples de adição e subtração. Espaço e forma: Localização no espaço com base em pontos de referência. Relações de tamanho e forma. Grandezas e medidas: unidades de tempo; dia e semana. Tratamento da informação: interpretação de informações em imagens, uso de números para organizar informações (exemplos: linhas de ônibus, número de telefone, placa de carro, número de sapato). Contagem de elementos diferentes (exemplo: contar a quantia de círculos e de quadrados em um desenho). Robótica Identificação de robôs e suas capacidades gerais. 9
NÍVEL 1 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 1 compreende as séries inicias do ensino fundamental (1o. Ciclo dos PCNs = 1a. e 2a. série, ou 2o. ao 3o. ano do novo regime) 10
Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Leitura e compreensão de contos, mitos e lendas populares, instruções e relatos, entrevistas e notícias. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números naturais e sistema de numeração: reconhecimento de números, execução de operações simples de adição e subtração. Utilização dos sinais +, -, x, e =. Multiplicação e divisão simples. Espaço e forma: Localização no espaço com base em pontos de referência. Relações de tamanho e forma. Grandezas e medidas: unidades de tempo: dia, mês, bimestre, semestre, ano. Reconhecimento de cédulas de moeda em circulação no Brasil. Leitura de horas em relógios digitais e de ponteiros. Tratamento da informação: interpretação de informações em imagens, uso de números para organizar informações (exemplos: linhas de ônibus, número de telefone, placa de carro, número de sapato). Intepretação de tabelas simples de dupla entrada. Robótica Saber identificar um robô e suas capacidades gerais. 11
NÍVEL 2 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 2 compreende as séries intermediárias do ensino fundamental (2o. Ciclo dos PCNs = 3a. e 4a. série, ou 4o. ao 5o. ano do novo regime) 12
Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Leitura e compreensão de contos, mitos e lendas populares, instruções e relatos, entrevistas e notícias, entrevistas, debates, anúncios comerciais, relatos históricos, revistas, classificados, textos normativos, estatutos e declaração de direitos Matemática (Volume 03 dos PCNs) Numeração: reconhecimento de números naturais e racionais. Comparação e ordenação de números racionais. Localização de números racionais em reta numérica. Representação fracionária de números naturais. Porcentagem. Operações: Operações básicas com números naturais. Soma e subtração de números racionais de forma decimal. Cálculo simples de porcentagens. Espaço e forma: representação de posição no espaço, maquetes, Grandezas e medidas: comparação de grandezas de mesma natureza, unidades de medida e seus múltiplos como metro, milímetro, centímetro, litro, mililitro. Unidades de tempo e temperatura. Sistema monetário brasileiro. Cálculo de perímetro de figuras básicas. Tratamento da informação: Interpretação de tabelas e gráficos. Média aritmética. Conceito de probabilidade. Identificação de possibilidades de combinar elementos de uma coleção. Ciências Naturais (Volume 04 dos PCNs) Reconhecimento e nomeação de fontes de energia, comparação de ferramentas, equipamentos e utensílios. Água, lixo, solo, poluição e saneamento básico. Robótica Identificar e Classificar características de robôs e suas funcionalidades. 13
NÍVEL 3 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 3 compreende as séries intermediárias do ensino fundamental (3o. Ciclo dos PCNs = 5a. e 6a. série, ou 6o. ao 7o. ano do novo regime) 14
Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Compreensão e interpretação de textos formais de forma individual e relacionada com outros textos Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números e Operações: Reconhecimento de números e exploração de situações em que indicam falta, diferença, orientação (origem) e deslocamento entre dois pontos. parte/todo, quociente, razão. Localização de números racionais em reta numérica. Potência com expoente inteiro positivo ou expoente nulo. Raiz quadrada e raiz cúbica. Porcentagens. Variáveis e expressões algébrica simples. Espaço e Forma: Sistema de coordenadas cartesiana. Distinção de figuras bidimensionais e tri-dimensionais. Classificação de figuras tri-dimensionais e bidimensionais. Verificação que a soma dos ângulos internos de um triangulo é 180o. Grandezas e Medidas: comprimento, massa, capacidade, superfície, volume, ângulo, tempo, temperatura, velocidade. Memórias de computador: byte, quilobyte, megabyte, gigabyte (uso da potenciação). Uso de régua. Tratamento da Informação: Intepretação de gráficos e tabelas. Média aritmética. Língua Estrangeira (Volume 09 dos PCNs) Compreensão de textos curtos em inglês Robótica Contagem de pulsos de encoder (odômetro/odometria), medida de deslocamento, e funcionamento de sensor de toque 15
NÍVEL 4 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 3 compreende as séries intermediárias do ensino fundamental (4o. Ciclo dos PCNs = 7a. e 8a. série, ou 8o. e 9o. ano do novo regime) 16
Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Compreensão e interpretação de textos formais Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números e operações: Números racionais, irracionais Proporção (inversamente e diretamente proporcional), regra de três, equações e inequações de primeiro grau, equações de segundo grau, resolução de problemas com equações de primeiro e segundo grau; Espaço e forma: Representação de pontos em plano cartesiano, identificação de ângulos congruentes, complementares e suplementares. Teorema de Tales. Teorema de Pitágoras. Grandezas e medidas: Cálculo de área, perímetro e volume. Algarismo duvidoso, significativo e erro de medida. Tratamento da informação: interpretação de gráficos de colunas e histogramas. Compreensão de Média, moda e mediana Língua Estrangeira (Volume 09 dos PCNs) Compreensão de textos em inglês Geografia (Volume 05 dos PCNs) Cartografia, Pontos cardeais, coordenadas geográficas. Robótica Contagem de pulsos de encoder (odômetro/odometria), medida de deslocamento, sensor de toque 17
NÍVEL 5 Ensino Médio Competências Esperadas Prova Teórica Todas as séries do Ensino Médio Conteúdo baseado na matriz de referência do ENEM 2009 A lista a seguir apresenta os conteúdos contemplados para o ensino médio. Como a robótica é um assunto multi-disciplinar não se espera do aluno conhecimento aprofundado de cada item dos conteúdos listados aqui, mas noções de cada um deles que permitam estabelecer relações entre estes assuntos e elaborar soluções para problemas que envolvem várias áreas do conhecimento. 18
Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias Matemática Conhecimentos numéricos: operações em conjuntos numéricos (naturais, inteiros, racionais e reais), desigualdades, divisibilidade, fatoração, razões e proporções, porcentagem e juros, relações de dependência entre grandezas, sequências e progressões, princípios de contagem. Conhecimentos geométricos: características das figuras geométricas planas e espaciais; grandezas, unidades de medida e escalas; comprimentos, áreas e volumes; ângulos; posições de retas; simetrias de figuras planas ou espaciais; congruência e semelhança de triângulos; teorema de Tales; relações métricas nos triângulos; circunferências; trigonometria do ângulo agudo. Conhecimentos de estatística e probabilidade: representação e análise de dados; medidas de tendência central (médias, moda e mediana); desvios e variância; noções de probabilidade. Conhecimentos algébricos: gráficos e funções; funções algébricas do 1.º e do 2.º graus, polinomiais, racionais, exponenciais e logarítmicas; equações e inequações; relações no ciclo trigonométrico e funções trigonométricas. Conhecimentos algébricos/geométricos: plano cartesiano; retas; circunferências; paralelismo e perpendicularidade, sistemas de equações. Física Conhecimentos básicos e fundamentais - Noções de ordem de grandeza. Notação Científica. Sistema Internacional de Unidades. Ferramentas básicas: gráficos e vetores. Conceituação de grandezas vetoriais e escalares. Operações básicas com vetores. Grandezas fundamentais da mecânica: tempo, espaço, velocidade e aceleração. Descrições do movimento e sua interpretação: quantificação do movimento e sua descrição matemática e gráfica. Noção de sistemas de referência inerciais e não inerciais. Momento de uma força (torque). 19
Energia, trabalho e potência - Conceituação de trabalho, energia e potência. Conceito de energia potencial e de energia cinética. Conservação de energia mecânica e dissipação de energia. Forças conservativas e dissipativas. Fenômenos Elétricos e Magnéticos: Blindagem. Capacitores. Efeito Joule. Lei de Ohm. Resistência elétrica e resistividade. Relações entre grandezas elétricas: tensão, corrente, potência e energia. Circuitos elétricos simples. Correntes contínua e alternada. Medidores elétricos. Representação gráfica de circuitos. Símbolos convencionais. Potência e consumo de energia em dispositivos elétricos. Campo magnético. Imãs permanentes. Linhas de campo magnético. Campo magnético terrestre. Oscilações, ondas, óptica e radiação - Feixes e frentes de ondas. Reflexão e refração. Óptica geométrica: lentes e espelhos. Formação de imagens. Instrumentos ópticos simples. Fenômenos ondulatórios. Pulsos e ondas. Período, frequência, ciclo. Propagação: relação entre velocidade, frequência e comprimento de onda. Ondas em diferentes meios de propagação. Conceitos de calor e de temperatura. Escalas termométricas. Transferência de calor e equilíbrio térmico. Condução do calor. Dilatação térmica. Aplicações e fenômenos térmicos de uso cotidiano. Química Transformações químicas e energia calorífica. Calor de reação. Transformações químicas e energia elétrica. Potencial padrão de redução. Pilha. Eletrólise. Leis de Faraday. Transformações nucleares. Conceitos fundamentais da radioatividade. Reações de fissão e fusão nuclear. Energias: Petróleo, gás natural e carvão. Biomassa. Biocombustíveis. Impactos ambientais de combustíveis fósseis. Energia nuclear. Lixo atômico. Vantagens e desvantagens do uso de energia nuclear. Biologia Hereditariedade e diversidade da vida - Princípios básicos que regem a transmissão de características hereditárias. Mutações gênicas e cromossômicas. Fundamentos genéticos da evolução. Aspectos genéticos da formação e manutenção da diversidade biológica. 20
Ciências Humanas e suas tecnologias A globalização e as novas tecnologias de telecomunicação e suas consequências econômicas, políticas e sociais. Projeções cartográficas; leitura de mapas temáticos, físicos e políticos; tecnologias modernas aplicadas à cartografia. Língua Estrangeira Compreensão de textos curtos em inglês Robótica Modulação por largura de pulso (PWM), Ponte H, Relés, Contatos normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF), bit, conceito de encoder, encoder incremental, sensor de luz, sensor de ultrassom (distância), sensor de toque, sensor de direção (bússola), orientação inercial (Roll, Pitch, Yaw), conceito e diferenças entre: motor de passo, motor de corrente contínua e servo-motor. Medida de distância e posição com odometria (usando encoders). Noção básica do e conceito de microcontrolador (Atmega/Arduino ou PIC por exemplo). Programação de Kits Arduíno em linguagem textual ou em blocos 21