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  • MDULO LABORATORIAL BASEADO EM FOSS PARA EDUCAO

    EM ENGENHARIA DE CONTROLE COM A ESTRATGIA P2BL

    Francisco J. Gomes chico.gomes@ufjf.edu.br Paulo C.R. Marciano paulo.ribeiro@engenharia.ufjf.br Fernando C.G. Monteiro fernando.monteiro@engenharia.ufjf.br Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia, Engenharia Eltrica. Campus Universitrio - Bairro Martelos CEP: 36036-900 - Juiz de Fora, Minas Gerais.

    Resumo: O trabalho realizado envolveu o projeto e montagem de um mdulo laboratorial

    com o objetivo de contribuir para a educao em engenharia de controle nos cursos de

    graduao. Baseando-se em um ambiente computacional desenvolvido em Free Open Source

    Software - FOSS, no caso JAVA, possibilita interatividade total do usurio com o mdulo,

    envolvendo diversos procedimentos para modelagem e controle digital de um pndulo

    amortecido. Seu aspecto diferencial de maior relevo, contudo, reside no projeto de sua

    utilizao, pois incorpora funcionalidades que facilitam a adoo de novas metodologias

    ativas na relao ensino-aprendizagem, mais especificamente uma postura hbrida P2BL. O

    mdulo integra o Laboratrio de Processos Industriais da Faculdade de Engenharia da UFJ,

    sendo acessvel para aplicaes nas disciplinas que envolvam sistemas de controle.

    Palavras-chave: Educao em engenharia, Aprendizagem Ativa, P2BL, Software livre

    (FOSS), Controle de processos.

    1. INTRODUO

    A poltica de expanso das universidades, dentro do Programa de Apoio a Planos de Reestruturao e Expanso das Universidades Federais - Reuni (BRASIL, 2007), forneceu oportunidade mpar para que o curso de Engenharia Eltrica da UFJF, que formava engenheiros eletricistas de carter generalista, respondesse s novas demandas sociais e passasse a oferecer distintas Habilitaes, a saber: Sistemas Eletrnicos, Sistemas de Potncia, Robtica e Automao Industrial, Telecomunicaes e Energia (PROJETO, 2009). Nesta reestruturao, estabeleceu-se que os egressos da Habilitao em Robtica e Automao Industrial devero possuir "capacidade de projetar, analisar e operar sistemas de automao e controle de processos industriais, sistemas eltricos industriais e sistemas de converso de energia baseados em conversores eletrnicos de potncia" (PROJETO, 2009).

    A deciso, contudo, levantou questes associadas necessidade de se repensar os procedimentos e posturas metodolgicas de ensino-aprendizagem praticadas no curso, especialmente aquelas conectadas rea de automao e controle pois refletem, na atualidade, experincia incipiente na rea, especialmente as associadas s prticas laboratoriais,

  • decorrente dos contedos at ento trabalhados no curso, cujo foco principal tem sido ligados rea de sistemas eltricos de potncia (GOMES & SILVEIRA, 2007; GOMES & CARVALHO, 2006). A necessidade de renovao dos procedimentos e posturas pedaggicas muito bem sintetizada por Dormido (BENCOMO, 2002), que coloca "estar convencido que, como educadores, devemos ter uma atitude aberta e incorporar sensivelmente o desenvolvimento tecnolgico [em nossas prticas pedaggicas], pois caso contrrio corremos o risco de ensinar os alunos de hoje como resolver os problemas do amanh com ferramentas de ontem." Observa ainda que "embora a tecnologia mude rpido, a educao em engenharia de controle se desenvolve de forma bem mais lenta" e, como conseqncia, sugere que suas mudanas levem em considerao os seguintes aspectos (BENCOMO, 2002): A educao em engenharia de controle possui, atualmente, abordagem muito estreita, com foco nos aspectos matemticos da sntese de controladores;

    necessrio atribuir maior importncia ao ciclo completo do projeto de controladores; A modelagem e identificao dos processos a serem controlados constituem fatores essenciais para bons projetos de sistemas de controle;

    A educao em engenharia de controle deve equilibrar, de forma inequvoca, as experincias laboratoriais com os contedos tericos. Ao se pensar alternativas para a educao em controle de processos na nova habilitao

    proposta - Robtica e Automao Industrial - buscou-se seguir essas diretrizes, estabelecendo posturas, mtodos e prticas condizentes com uma nova viso pedaggica, porm factvel sob os aspectos operacionais, especialmente os custos associados, fator sempre presente, e impeditivo, de diversas aes no cotidiano das universidades. Desenvolveu-se ento um mdulo laboratorial, juntamente com as prticas associadas, integrando aspectos como: Possibilita a utilizao de prticas clssicas e avanadas de modelagem e identificao de sistemas, processos e equipamentos industriais;

    Permite interatividade entre os procedimentos tericos, fundados nos clculos matemticos, e sua aplicabilidade prtica;

    Reflete as complexidades presentes, na atualidade, nos processos industriais e vivenciadas pelos engenheiros de controle, como no linearidades, processos subamortecidos, manipuladores robticos;

    Caractersticas de portabilidade, replicabilidade, simplicidade de manuseio e, principalmente, custos de produo e utilizao factveis. O desenvolvimento do mdulo originou-se no fato, de amplo conhecimento, que a

    necessidade de um aprendizado laboratorial crucial, e altamente relevante, pois a graduao em engenharia necessita de experimentos prticos realizados em laboratrios didticos, que constituem um dos fundamentos bsicos para a assimilao dos conceitos tanto em controle como tambm nas diversas reas de ensino.

    O presente trabalho relata o desenvolvimento e a construo do mdulo didtico, aplicvel rea de controle e automao de processos: o clssico problema do pndulo amortecido, largamente utilizado como benchmark na educao em controle. A presente proposta, contudo, apresenta aspectos distintivos e inovadores que a diferenciam de um mero projeto didtico de construo de um mdulo. Inicialmente, h que se colocar a opo pela utilizao de ferramentas FOSS - "Free Open Source Software" -, como a linguagem JAVA, base para o desenvolvimento de uma interface grfica amigvel, interativa, que incorpora elementos que possibilitam a utilizao de metodologias ativas de aprendizagem, fundamentais para formao de um perfil profissional atual, e adequado, s demandas colocadas pela sociedade. O ambiente supervisrio, disponibilizado na forma de interface

  • grfica amigvel, permite total interatividade com o mdulo, selecionando os procedimentos para identificao do sistema, as estruturas dos controladores utilizados, tcnicas de controle adicionais, tais como sintonia dos controladores P+I+D, tcnicas de compensao dinmica e controle digital. Os componentes de hardware utilizados no mdulo foram selecionados seguindo a mesma diretriz definida para o software, ou seja, sistemas abertos, que podem ser utilizados e replicados sem restries. A placa de comunicao, necessria interligao entre o computador e o mdulo, baseou-se na plataforma ArduinoUNO, um sistema hardware/software livre de restries, que incorpora o microcontrolador "ATmega328P".

    O aspecto diferencial de maior relevo do mdulo projetado, contudo, reside no projeto de sua utilizao, e para o qual o supervisrio foi projetado, incorporando funcionalidades que facilitam a adoo de metodologias ativas na relao ensino-aprendizagem, mais especificamente uma postura hbrida P2BL (HAMILTON, 2008). Nesta proposta, os modelos instrucionais de Aprendizagem Baseada em Problemas - PBL e Aprendizagem Baseada em Projetos - PjBL so integradas e utilizadas como suporte ao processo ensino - aprendizagem. Busca-se, com isto, trabalhar as componentes do perfil profissional dos egressos incorporando, ao conhecimento tcnico, competncias para melhorar sua capacidade para resolver problemas de engenharia, o trabalho em equipes e a aprendizagem interdependente e contnua (BERNSTEIN, 1999). O PBL pode ser definido como um conjunto de problemas no estruturados, e cuidadosamente construdos, apresentados aos estudantes que, em pequenos grupos, efetuam sua discusso, identificam o conhecimento prvio existente para solucion-lo, o que no conhecido e como buscar as informaes que faltam para sua soluo. A literatura sugere que os pontos fortes do PBL, como uma tcnica de ensino, so a maior regularidade e interesse dos alunos, melhor transferncia da informao e aprendizagem de forma mais eficaz. J o PjBL tem suas razes nas Faculdades de Engenharia, trabalhando com o desenvolvimento de um projeto. As duas metodologias compartilham pontos em comum: ambos possuem foco nos alunos; os estudantes trabalham em tarefas reais, utilizam procedimentos efetivos de avaliao e requerem aprendizagem colaborativa, com o professor tornando-se um facilitador. A diferena, se houver, na nfase: enquanto no PjBL na produo de um produto concreto, significativo - um modelo, um prottipo, uma simulao - no PBL o processo de discusso do problema muitas vezes mais importante que o produto real. Normalmente, ambas as tcnicas instrucionais visam desenvolver um amplo conjunto de competncias, incluindo a capacidade de resolver problemas, trabalhar em equipes e aprendizado interdependente.

    O artigo est estruturado como segue: a seo 2 apresenta a Metodologia, a seo 3 o desenvolvimento do projeto e a 4 os Resultados. As concluses, na seo 5, encerram o trabalho.

    2. METODOLOGIA

    O mdulo proposto teve como componente mecnico um pndulo amortecido, composto de uma haste de alumnio e um motor DC Brushless, com uma hlice em sua extremidade, o que permite seu deslocamento, de acordo com a rotao do motor. Trata-se de um sistema clssico de controle que permite observar os diversos comportamentos associados a um sistema dinmico, no linear, possibilitando mudanas de referencia e perturbaes de carga. A visualizao, anlise e compreenso de importantes conceitos associados engenharia de controle, como estabilidade, realimentao e compensao dinmica podem ser abordadas de forma prtica e de fcil e