proposta de desenvolvimento de um protótipo de laboratório remoto aplicado ao ensino de física
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Relatório Parcial de Atividades(1ºe 2º Semestres)
Uma Proposta de Desenvolvimento de um Protótipo de Laboratório Remoto aplicado ao
Ensino de Física Moderna
Projeto de José Neres de Almeida Jr.Orientador: Prof. Dr. Hermes Renato Hildebrand
TIDD – PUC-SP –Mestrado – Programa de Pós-Graduação TIDD
São Paulo, 2014
SumárioResumo................................................................................................................................................. 31 Tema:............................................................................................................................................. 4
1.1 Laboratório Remoto e o Ensino de Física Moderna..........................................................4
2 Problema:...................................................................................................................................... 4
2.1 As dificuldades práticas: das simulações no ensino de física ao laboratório remoto...4
3 Estado da Arte.............................................................................................................................. 84 Justificativa................................................................................................................................. 175 Objetivos da Pesquisa...............................................................................................................19
5.1 Objetivos Específicos.........................................................................................................20
6 Hipótese...................................................................................................................................... 20
6.1 Estratégias para adequação de laboratório remoto como instrumento de utilização complementar a aulas presenciais...............................................................................................20
7 Fundamentação Teórica............................................................................................................22
7.1 Introdução........................................................................................................................... 22
7.2 WebLab................................................................................................................................ 23
7.2.1 Arduino No WebLab....................................................................................................25
7.2.2 O Que o Webduino traz de novo................................................................................26
7.3 Procedimentos....................................................................................................................28
7.3.1 Introdução...................................................................................................................28
7.3.2 Descrição do WebLab-Deusto...................................................................................29
7.3.3 Coleta de Dados..........................................................................................................36
7.3.4 Segurança.................................................................................................................... 37
8 Metodologia................................................................................................................................. 37
8.1 Resultados Esperados.......................................................................................................42
8.1.1 Implementação e Testes de Funcionamento............................................................43
8.1.2 Teste de Funcionamento do Experimento................................................................43
8.2 Resultados Obtidos até o momento..................................................................................43
8.3 Próximas Etapas.................................................................................................................44
Referências Bibliográficas.................................................................................................................45ANEXO................................................................................................................................................. 48
ANEXO 1.......................................................................................................................................... 48
Interface de Controle Remoto....................................................................................................48
Programação para a Interface de Controle Remoto................................................................48
ANEXO 2.......................................................................................................................................... 59
Programação no Arduino...........................................................................................................59
ANEXO 3.......................................................................................................................................... 66
Experimento Físico..................................................................................................................... 66
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Uma Proposta de Desenvolvimento de um Protótipo de Laboratório Remoto aplicado ao Ensino de Física Moderna
Mestrando: José Neres de Almeida Junior – RA00005091
Orientador: Hermes Renato Hildebrand
Resumo
Este trabalho visa apresentar o projeto educacional Webduino e suas
características, dentro do contexto do uso de um Laboratório Remoto aplicado ao
ensino de Física Moderna, ou seja, um laboratório de sensoriamento remoto que se
desenvolve na PUC/SP, focado portanto no ensino de conteúdos de Física, e que
para tanto, é necessário que esteja adequado a um ambiente virtual de ensino e
aprendizagem (ou simplesmente, ambiente virtual de aprendizagem, AVA). No
ambiente a ser elaborado, o laboratório remoto pretende desenvolver recursos
didáticos que permitam utilizar a placa Arduino aplicada ao Ensino de Ciências, em
particular no Ensino de Fìsica, em nível Médio e Superior, quer seja em
Licenciaturas e quer seja em Educação Continuada de Professores, inserindo os
projetos na conhecida “Rede de Sensores” disponíveis na Web. A plataforma de
desenvolvimento selecionada para o gerenciamento dos experimentos é o WebLab-
Deusto, por sua inteligibilidade, funcionalidade e segurança. Devido às questões
estruturais de um Laboratório Remoto, portanto também é necessário que a
plataforma de desenvolvimento e acionamento do experimento esteja inserida dentro
do Ambiente Virtual a ser modelado, dentro de parâmetros que possibilitem ao
usuário a aprendizagem dos conceitos físicos trabalhados e das experiências que
ele venha a controlar e coletar os dados para posterior análise. Para tanto, será
construída, dentro deste projeto, além do experimento que especifica o laboratório
remoto, também o ambiente virtual para contemplar as necessidades pedagógicas e
educacionais para o ensino e aprendizagem dos conceitos físicos advindos da
experiência que o usuário esteja realizando.
PALAVRAS-CHAVE: Arduino, Weblab-Deusto, Laboratório Remoto, Ensino de
Física, Ambiente Virtual de Aprendizagem.
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Proposta de Desenvolvimento de um Protótipo de Laboratório Remoto aplicado ao Ensino de Física Moderna
1 Tema:
1.1 Laboratório Remoto e o Ensino de Física Moderna
O tema do trabalho em questão é a montagem de um protótipo e das
arquiteturas necessárias para o desenvolvimento de um laboratório remoto como
complementação, para aulas presenciais, e auxílio à abordagem de tópicos de
Física Moderna, seja experimental, seja teórica. Para tratar a questão, é necessário
se compreender primeiramente o que é um laboratório remoto, também denominado
WebLab. O objetivo de um laboratório remoto é possibilitar a realização e controle
em tempo real de experimentos, usando como meio a internet. Esse ambiente, a ser
desenvolvido, tanto pratica, quanto teoricamente, deverá ser testado em suas
funções e futuramente validado em aplicações ligadas ao ensino de Física.
2 Problema:
2.1 As dificuldades práticas: das simulações no ensino de física ao
laboratório remoto.
Os resultados da aprendizagem do aluno (CLOUGH, 2002) podem ser
impactadas pelas práticas experimentais, e pela forma como ela é conduzida em
sala de aula; isto é, as práticas experimentais em sala de aula somente terá um
impacto maior, desde que não se recaia nos problemas das aulas expositivas
tradicionais, com giz e lousa, que pouco estimula a criatividade e o envolvimento dos
aprendizes (SIEVERS, 2012). Dentro desta perspectiva, os laboratórios são
utilizados para fornecer uma prova de que os princípios teóricos podem ser
demonstrados na prática. Quando usado adequadamente, eles podem entusiasmar
motivar e inspirar estudantes.
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Para tanto, um laboratório de ensino requer compromissos de tempo, de
espaço e de financiamento para aquisição, instalação e manutenção de
equipamentos e, em seguida acomodações para os alunos. Por outro lado, uma das
questões de uso do laboratório de ensino é o espaço físico, o qual é determinante
para realização de cortes para limitação do número de vagas nas escolas. Sendo
assim, é possível propor uma solução ao problema através da utilização de
tecnologia para aumentar os recursos didáticos. Mas como aplicar o uso da
tecnologia como forma de investigação dos conceitos trabalhados em um laboratório
de ensino, presencial?
Uma possibilidade seria o uso de simulações, já que permitem a interação
com modelos que representam o comportamento de processos e experimentos nem
sempre visíveis a olho nu, dependendo do modelo teórico utilizado, além de ser
possível a alteração de parâmetros na simulação, permitindo a comparação do
comportamento representado em relação ao comportamento do fenômeno no
mundo real. Em relação a função da simulação, para Studart (2010),
A principal função da simulação consiste em ser uma efetiva ferramenta de aprendizagem, fortalecendo bons currículos e os esforços de bons professores. A finalidade de uso pedagógico da simulação pode ajudar a introduzir um novo tópico, construir conceitos ou competências, reforçar ideias ou fornecer reflexão e revisão final (STUDART, 2010).
Em contrapartida, caso não se reflita na adequação da simulação ao
experimento real, pode-se induzir o aluno a pensar que a simulação represente a
realidade, o que se configura como um erro de conceito, já que a simulação, por
mais atraente que seja, é uma representação de um modelo matemático, o qual por
sua vez, descreve um modelo físico, ou seja, uma interpretação da realidade.
É preciso ter-se em mente que o ponto de partida de toda simulação é a imitação de aspectos específicos da realidade, isto significando que, por mais atraente que uma simulação possa parecer, ela estará sempre seguindo um modelo matemático desenvolvido para descrever a natureza, e este modelo poderá ser uma boa imitação ou, por outras vezes, um autêntico absurdo. Uma simulação pode tão somente imitar determinados aspectos da realidade, mas nunca a sua total complexidade (MEDEIROS 2002).
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Também por isso, por ser uma representação da realidade, muitas
simulações não incluem fatores práticos dos próprios experimentos, como as fontes
de incertezas e erros, os quais alteram o resultado real. Dependendo do tipo de
experiência, os tipos de erros se analisados poderiam contribuir a uma análise mais
rica do próprio fenômeno, além da descoberta de outras relações entre o
experimento em si e outras propriedades, submetendo o aluno a um mundo onde
poderá encontrar perturbações nos sistemas estudados ou erros de aferição dos
equipamentos. Por isso, segundo Hanson (2009) objetos de aprendizagem virtuais,
que simulam situações reais através de dados pré-gravados, tem recebido críticas
dos alunos e educadores. Com isso, algumas simulações apresentam o mesmo
resultado, pois não incluem o erro experimental, que pode ser ocasionado pela
calibração dos equipamentos.
Em um Congresso sobre ensino e internet (INTER-UNIVERSITY, 2008), os
desenvolvedores de simulações, concordaram sobre as dificuldades de criar um
programa de computador para simular um processo de forma realista.
Outra forma de se utilizar a tecnologia é utilizando experimentos apenas com
hardware. Nesta direção, uma abordagem alternativa é fornecer laboratórios de
acesso remoto, alternativa que vem apresentando uso cada vez mais crescente no
exterior, pela crescente disponibilidade e capacidade dos computadores pessoais,
como é o caso (apud SIEVERS JUNIOR et al, 2012):
do uso de laboratórios remotos em ciências ambientais e ecológicos (KREHBIEL, 2003), mas são encontrados principalmente nos departamento de engenharia, por exemplo química (SELMER, 2007), elétrica (LANG, 2007) e (LOWE, 2009) e mecânica (WEIGHTMAN, 2007), além de física (HANSON, 2009).
O que atrai também ao uso do laboratório remoto é também a possibilidade
de acesso via internet ao experimento real, de modo que as fontes de incerteza
possam ser investigadas; além da possibilidade de se utilizar a experiência real
acessada remotamente junto a simulações/objetos de aprendizagem, que possam
descrever o modelo utilizado, como uma ferramenta pedagógica, com possibilidade
de análises mais ricas e comparativas (SIVERS, 2012).
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A tecnologia do laboratório com acesso remoto, também denominado
WebLab, está sendo desenvolvida em um número crescente de instituições de
ensino superior e está ramificando para outras disciplinas e para outros níveis de
ensino (apud SIEVERS JUNIOR et al, 2012):
No Brasil podemos encontrar alguns laboratórios como (KYATERA, 2008), e um laboratório para prática remota de aulas Laboratoriais de Física (SILVA, 2006). Muitos laboratórios remotos são acessados por qualquer navegador convencional (WEIGHTMAN, 2007), esses recursos proporcionam oportunidades à instituições de todo o mundo para acesso ao equipamento experimental.
Alguns usuários e pequenos grupos estão se formando e deram provas do
sucesso da colaboração e compartilhamento de recursos sobre limites internacionais
(DEUSTO, 2005). Existe um grande potencial para colaboração e compartilhamento
de recursos em escala nacional e internacional.
Entretanto, antes dos laboratórios remotos poderem atingir o seu real
potencial, várias questões logísticas fundamentais continuam a exigir, tais como:
Como as instalações serão financiadas e mantidas? Quem terá acesso e quando?
Mais debates são necessários para resolver essas questões e chegar a um
consenso sobre os pontos fortes e fracos dos laboratórios remotos e seu lugar no
currículo, além de discussões acerca da possibilidade de se utilizar com
complemento de simulações e como complemento a aulas presenciais. Além destas
discussões, há controvérsias em cursos sobre a eficácia dos laboratórios remotos
em entregar resultados de aprendizagem, e seus efeitos globais sobre a experiência
dos alunos. A maioria dos exemplos de laboratórios remotos hoje são apenas
versões remotas dos laboratórios tradicionais e alguns pesquisadores fazem
comparações diretas entre os resultados da aprendizagem com os laboratórios
tradicionais versus laboratórios remotos. Fato este que evidencia apenas uma
transferência da aula expositiva para uma aula laboratorial a distância, o que apenas
continua com o problema.
Nesse sentido, nosso objetivo, aqui, é começar a investigar de que forma
pode se propor a adequação de um laboratório remoto junto a aulas presenciais, no
que se diz respeito a conteúdos de Física Moderna, e consequentemente, quais
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interfaces podem ser melhor elaboradas e utilizadas junto ao ambiente virtual de
aprendizagem no qual o laboratório remoto esteja inserido, visando que o usuário
(seja professor ou aluno) possam desfrutar dos recursos existentes, os trabalhando
de forma em que se possa aprofundar a compreensão dos assuntos tratados.
3 Estado da Arte
No capítulo de problematização, abordamos o contexto dos laboratórios e
mais adiante (no item “Justificativa”) será analisado a escolha e o porquê do uso do
laboratório remoto para os propósitos do projeto, bem como, aqui se inicia a
abordagem de como está a situação e o usos dos mesmos.
Para continuar essa abordagem, analisemos as questões principais
levantadas por Cardoso e Takahashi (2011). Isso nos remete a entender as
discussões a respeito do desenvolvimento e o uso no contexto educacional de Física
dos Laboratórios Remotos. Para tanto, serão estudados os trabalhos realizados por
autores que trabalharam neste mesmo tema, dentro das observações levantadas por
Cardoso e Takahashi (2011), e consequentemente quais as dificuldades
encontradas, as discussões levantadas por eles, a fim de enquadrar os problemas a
serem trabalhados neste projeto.
No artigo de Cardoso e Takahashi (2011), publicado na RBPEC, os autores
fazem o “[...] levantamento e análise de trabalhos sobre o assunto em revistas e
periódicos de ensino e educação, no Brasil e no exterior.” O intuito dos autores,
assim como um dos objetivos deste projeto corrente, é investigar se (e como) os
laboratórios remotos estão sendo utilizados para o ensino, particularmente, de
Física, com o objetivo de avaliar o potencial desse recurso para o ensino-
aprendizagem da disciplina. Para tanto, os autores discorrem das necessidades de
um laboratório remoto e das potencialidades que o uso da experimentação
demonstra para o processo de ensino-aprendizagem, fundamentando-se nas
avaliações tanto de documentos oficiais como o PCN+ (BRASIL, 2002), quanto de
pesquisadores. Dentro desta perspectiva de experimentação, aliada ao princípio de
utilização de materiais de fácil acesso e possibilidade de viabilizar a mesma
experiência com acesso remoto, Cardoso e Takahashi (2011) apontam que:
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A utilização desses Laboratórios de Experimentação Remota, como são conhecidos, permitiria a realização cooperativa de experimentos reais com o objetivo de prover uma melhor compreensão dos fenômenos científicos e estimular um interesse maior pela carreira científica.
E, indo além:
[...] a Experimentação Remota não auxilia a aprendizagem por si só; o uso da experimentação deve ser amparado por ferramentas didáticas e metodologias devidamente fundamentadas.
De forma que concluem que a perspectiva de uso dos laboratórios remotos
nãos e dá somente em ambientes que se utilizem de Educação a Distância (EaD),
mas também presencialmente:
Assim, um laboratório remoto pode auxiliar na aprendizagem de conceitos físicos, sendo um importante recurso nos cursos de Educação a Distância (EaD) que exigem aulas práticas, como também aulas presenciais tornado-a mais interativa e mais dinâmica. Pode, ainda, auxiliar o aprendiz independentemente das aulas e viabilizar a realização de experimentos mais complexos e/ou de difícil acesso. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011)
Com base nestas prerrogativas, os autores abordam a metodologia de
investigação de laboratórios remotos, desde sua adequação até a sua
implementação e uso educacional. Nesse sentido, Cardoso e Takahashi
selecionaram e analisaram artigos de periódicos Qualis1 A, nacionais e
internacionais, entre os anos 2000 e 2009.
Para a seleção dos periódicos, utilizaram a lista completa da Capes, que
contém a classificação da produção intelectual, e apuraram todos os periódicos das
seções Educação e Ensino de Ciências e Matemática. Além desses, também
selecionaram todos os outros periódicos que continham as palavras ensino,
educação e seus correspondentes em inglês e espanhol. No total, encontraram 78
periódicos.
Como critério de seleção dos artigos, optaram por pesquisar, nos títulos, as
palavras-chave “experimentação remota”, “laboratório remoto” e seus
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correspondentes em inglês e espanhol. Com este critério de seleção, Cardoso e
Takahashi (2011) encontraram 31 artigos em apenas 5 periódicos internacionais:
“Computer Applications in Engineering Education, Computers & Education”, “IEEE
Transactions on Education”, “Journal of Research in Science Teaching” (versão
impressa) e “Physics Education” (versão impressa).
A partir dos artigos encontrados, eles fizeram um levantamento do número de
artigos publicados em cada ano e em cada área de conhecimento, verificando em
quais periódicos foram publicados e para qual nível de ensino, de forma a elaborar
uma síntese dos objetivos, metodologias e estratégias utilizadas e as principais
contribuições para o ensino. A partir disso, os autores fizeram uma análise em
relação ao enfoque, à justificativa de utilização da Experimentação Remota, às
vantagens e desvantagens do uso do laboratório remoto e à utilização de
metodologia de ensino.
A partir destas considerações, os autores começam a análise preocupando-
se em verificar como vem sendo o desenvolvimento de pesquisas sobre laboratórios
remotos nos últimos 10 anos. A partir das análises feitas, constatam que as
pesquisas relacionadas a experimentos que podem ser operados remotamente são
relativamente recentes, devido ao fato de que a tecnologia só pôde ser desenvolvida
devido aos grandes avanços tecnológicos dos últimos tempos, como por exemplo, a
engenharia de automação e controle assistida por computadores, Internet (aqui
incluso o aumento no poder de processamento dos dados transmitidos, também) e
webcams, que são elementos essenciais para esse tipo de experimentação.
Dentre o levantamento realizado, o que demonstra um aspecto interessante a
ser considerado para fins deste projeto, é que dos 78 periódicos Qualis A que foram
analisados, apenas 5 periódicos internacionais continham artigos sobre a questão do
laboratório remoto, sendo que dois deles (Computer Applications in Engineering
Education e IEEE Transactions on Education) apresentam o maior número de
publicações sobre laboratórios remotos. Em nenhum dos periódicos nacionais Qualis
A foram encontrados artigos sobre experimentos remotos, apesar de existirem
pesquisas e laboratórios remotos no Brasil. Isso explica o fato de que pouco se
divulga a criação, elaboração, adequação e implementação de laboratórios remotos,
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fato este que impossibilita um maior acesso de usuários e do público-alvo
(professores e alunos) às potencialidades do uso educacional do laboratório remoto.
Voltando nossa atenção para a Física, podemos notar, conforme Cardoso e
Takahashi (2011) também apuram que os trabalhos são desenvolvidos para
determinadas áreas de conhecimento, a citar, as Engenharias, devido à necessidade
de experimentação, de prática, para a inserção do egresso no mercado de trabalho
e que a prática é de fundamental importância para a aprendizagem dos conceitos
relacionados com as disciplinas (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011). Por outro lado,
estas características que são necessárias às Engenharias também são necessárias
em outras áreas de Ensino, justamente pelo caráter científico das disciplinas
correlatas (por exemplo, Física, Biologia, Química, e eventuais articulações entre
elas), as quais são bases para as Engenharias. Ainda que se apresente as mesmas
necessidades para estas áreas citas, existem poucos trabalhos associados ao uso
da Experimentação Remota nessas áreas, conforme mostra o Quadro 1.
Quadro 1: Quantidade de artigos por área de conhecimento (reprodução de Cardoso e Takahashi, 2011).
Pela pesquisa de levantamento realizada pelos autores, se percebe a
presença de alguns experimentos que poderiam ser utilizados no ensino da Física
em nível superior, como alguns experimentos de eletrônica, interferômetro de
Michelson, imagens ao microscópio eletrônico de varredura, vibração mecânica
unidimensional e pêndulo invertido. Inclusive, relacionando cada experimento à área
da Engenharia relacionada, a maior parte dos experimentos é voltada aos cursos de
Mecânica/Mecatrônica e Elétrica, áreas cuja base é essencialmente a Física.
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Pela análise dos autores, além das considerações anteriores, é importante
ressaltar o enfoque que se dá em cada artigo estudado, ou seja, sob qual ponto de
vista os artigos foram desenvolvidos. Categorizando o pelos objetivos de cada artigo
e, com base no que foi apresentado, os autores criaram cinco categorias:
Aprendizagem do Aluno (representam alguma metodologia para ensinar com
Experimentação Remota, utilizando planos pedagógicos, estratégias de ensino,
etc...), Análise entre Laboratório Virtual e Laboratório Remoto, Análise entre
Laboratório Remoto e Laboratório Presencial (nestes dois casos anteriores, em
ambas as considerações, são relacionados artigos que evidenciam diferenças,
vantagens e desvantagens entre os respectivos tipos de laboratório), Infraestrutura
(artigos que descrevem a implementação e seus requisitos necessários e ambiente
do laboratório remoto), e Viabilidade (artigos que validam a utilização da
experimentação remota).
Analisando os objetivos dos artigos chegaram ao fato de que 19 dos 31
artigos estudados se enfocam na questão de infraestrutura. Embora os periódicos
estejam publicados em revistas essencialmente voltadas ao ensino e educação, dos
artigos estudados somente 12,9% abordam esta temática, evidenciando a baixa
prioridade da literatura disponível de análises voltadas a adequação de laboratórios
remotos para a temática de aprendizagem. Pois não basta se colocar um laboratório
remoto se não houver uma preocupação em que ele esteja bem estruturado em sua
questão educacional, o que retornaria somente em uma visualização, um
entretenimento, sem um valor significativo para a aprendizagem do usuário.
Com relação aos artigos que enfocaram a aprendizagem (somente 4 – quatro
– dentre os analisados), eles mostram que é possível atingir os objetivos
educacionais com o uso de experimentos remotos e uma metodologia de ensino
adequada, conforme quadro abaixo:
Quadro 2: Descrição dos objetivos, metodologias e estratégias e as principais contribuições para o ensino dos artigos com foco principal em aprendizagem.
Artigo 1 A Distance PLC Programming Course Employing a Remote Laboratory Based on a Flexible Manufacturing Cell
Objetivos Aplicar o experimento remoto com uma metodologia de ensino baseada em projetos e avaliar a aprendizagem e o laboratório
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remoto.
Metodologias e estratégias
Vinte e cinco estudantes voluntários participaram do trabalho e foram divididos em dois grupos: o grupo presencial (14 alunos) e o grupo remoto (11 alunos).
Os fundamentos teóricos foram disponibilizados na plataforma de ensino Moodle.
Foi aplicado um questionário para a verificação dos conhecimentos prévios dos alunos.
Os alunos resolveram problemas relacionados ao experimento remoto.
A metodologia de ensino foi baseada em projetos de aprendizagem.
Os alunos elaboraram um relatório documentando o projeto.
Contribuições para a
aprendizagem
A aplicação do experimento remoto foi avaliada de forma positiva. Os dois grupos, presencial e remoto, conseguiram atingir os objetivos relacionados à aprendizagem. A comparação entre a aprendizagem dos dois grupos não apresentou diferenças significativas. Os autores acreditam que as vantagens
Artigo 10 A Web-Based Remote Interactive Laboratory for Internetworking Education
Objetivo Discutir os aspectos pedagógicos e técnicos que influenciam o design e a implementação do ambiente de laboratório remoto.
Metodologias e estratégias
A metodologia de ensino empregada teve por base o construtivismo, a aprendizagem colaborativa e técnicas de resolução de problemas.
As atividades no laboratório remoto foram modeladas para implementar as nove etapas de ensino propostas por Gagne (1987, 1992)
Os alunos aprenderam os conceitos teóricos fundamentais em palestras nas quais eram descritas as características funcionais e físicas do experimento remoto.
Os estudantes realizaram o experimento em grupos de 2 a 3 alunos.
Contribuições para a
aprendizagem
O laboratório remoto ajudou a alcançar os objetivos pedagógicos e educacionais do programa. Os resultados da pesquisa também indicaram que o laboratório remoto é mais fácil de usar e mais flexível do que o laboratório presencial. No entanto, o laboratório online é menos acessível fisicamente e menos interativo do que o presencial.
Artigo 11 An experience of teaching for learning by observation:
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Remote-controlled experiments on electrical circuits
Objetivo Descrever uma metodologia que facilite a aprendizagem por observação com o emprego de experimentos remotos.
Metodologias e estratégias
23 estudantes do ensino fundamental participaram do estudo.
Os alunos foram divididos aleatoriamente em seis grupos. O professor fez uso de um instrumento real para ilustrar o assunto-alvo. O professor introduziu o uso do experimento remoto. Os alunos realizaram atividades em grupo e individualmente e fizeram discussões sobre os resultados. O trabalho foi finalizado com um resumo do professor.
Métodos quantitativos e qualitativos foram adotados para coletar dados sobre o potencial do laboratório remoto.
Contribuições para a
aprendizagem
Os resultados do estudo revelaram um potencial para maior promoção do uso do laboratório remoto e que o uso do laboratório remoto ajudou os alunos a aprofundar o conhecimento sobre o assunto-alvo. O professor observou que seus alunos estavam muito envolvidos nas atividades porque eles ficaram fascinados com o uso do experimento de controle remoto, que é uma ferramenta totalmente inovadora de aprendizado para eles.
Artigo 20 Remote Laboratories for Optical Circuits
Objetivo Descrever o processo de concepção e implementação do laboratório remoto assim como os métodos de ensino e avaliação.
Metodologias e estratégias
A metodologia foi aplicada a 16 alunos, que realizaram três experimentos remotamente.
A fundamentação teórica foi apresentada aos alunos em sala de aula.
Os alunos participaram de seções de pré-laboratório, nas quais assistiram simulações e vídeos de orientação em relação a cada experimento.
Após as seções de pré-laboratório os alunos realizaram o experimento remoto.
Para avaliar a aprendizagem, os alunos responderam um teste que continha questões fundamentais.
Contribuições para a
aprendizagem
Os alunos foram muito bem sucedidos e concluíram todas as seções do experimento. As médias das notas foram muito altas. A maioria dos alunos se sentiu confortável diante da interface com os experimentos.
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Através deste quadro pôde-se perceber que é possível a adequação dos
laboratórios remotos com uma abordagem de ensino voltada para a aprendizagem.
Se feita de maneira rigoros, no aspecto metodológico, isso vem a beneficiar,
possibilitando o uso mais apropriado deste recurso tecnológico. Ainda, para os
artigos que tratam da viabilidade dos laboratórios remotos, estes enfocam tanto o
experimento quanto a aprendizagem. Com este aspecto em mente, os resultados
mostraram que os experimentos remotos são viáveis, pois, além dos estudantes
aprovarem o uso dos laboratórios remotos, eles atingiram os objetivos educacionais
propostos. Contudo melhorias com relação ao aspecto de velocidade de transmissão
e dados e da interatividade entre o experimento remoto e o usuário devem melhorar
e aumentar, respectivamente.
Dos 19 (dezenove) artigos em que se evidenciam o enfoque na infraestrutura
pode-se argumentar o fato de este ser um primeiro passo e de não ser uma tarefa
simples estruturar toda a questão arquitetural para visualização e acesso do
experimento remotamente. Isso implica no fato de que a maioria se preocupa em
evidenciar a questão estrutural, dado o fato de ser um recurso ainda recente em
termos de uso e assimilação. Porém, dentre estes 19 (dezenove), 13 (treze)
aplicaram e avaliaram os experimentos. Os resultados coletados pelos autores são
de extrema importância no que se refere a evidenciar a montagem do experimento,
mas também de erros e acertos no desenvolvimento dos laboratórios remotos.
Observando esta questão de evidenciar as justificativas e soluções para as
montagens de laboratórios remotos, Cardoso e Takashi (2011) observam que os
autores de cada artigo estudado consideram como justificativas mais importantes
para a construção de laboratórios remotos: a diminuição de custos, o fato de um
laboratório remoto ter potencial para disponibilização para cursos em EaD e não
possuir limite de tempo e espaço, conforme Figura 02.
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Figura 02 – Gráfico de Frequência de justificativas quanto ao uso de laboratórios remotos (extraído de Cardoso e Takahashi, 2011).
Além destes levantamentos, Cardoso e Takahashi ainda analisaram outros
critérios, como o fato de os artigos disponibilizarem materiais de apoio, explicitar
metodologia de ensino, citar utilização de instrutores, ou mesmo aqueles artigos que
não citam nenhuma estratégia para desenvolvimento dos experimentos. Dentre
estes critérios, 7 artigos disponibilizam materiais de apoio, 4 utilizam metodologia de
ensino (conforme foi evidenciado anates no quadro 2), 8 utilizam instrutores e 9
artigos não citam sequer uma estratégia.
Finalmente, em termos de eficácia em relação à aprendizagem, os
laboratórios remotos se mostraram tão eficiente quanto os laboratórios presenciais.
Porém o que é interessante notar, é que, de acordo com Cardoso e Takahashi
(2011), ao passo que alguns autores analisados em seus artigos apontam o
laboratório melhor, outros, ao contrário, apontam que o presencial é melhor, embora
a diferença seja pouca. De qualquer modo, conforme os autores explicitam: “[...] a
importância não está na diferenciação entre a Experimentação Remota ou
presencial e, sim, na metodologia adotada para o desenvolvimento das aulas
práticas.” (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011).
Sendo assim, após analisar os artigos mencionados segundo todos os
critérios anteriores, os autores, durante o desenvolvimento do trabalho não
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encontraram relatos de pesquisa sobre como o acesso remoto a experimentos reais
pode incrementar o processo de ensino e aprendizagem de Física e de que forma
isso pode ser feito. Evidenciando que a Experimentação Remota associada ao
ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda é um campo muito novo e pouco
explorado, concluem que as consequentes e eventuais limitações na utilização desta
ferramenta de ensino devem ser estudadas de forma aprofundada, o que significa
dizer que deve-se estabelecer uma metodologia adequada, a fim de se suprir as
necessidades de uma aula prática.
Como consequência desta metodologia a ser aprofundada, Cardoso e
Takahashi (2011) apontam que uma solução a ser considerada é a de que os
laboratórios on-line, reais ou virtuais, necessitam de um ambiente de aprendizagem
completo, que ofereça ao aluno apoio para a realização das experiências, a fim de
se atribuir uma aprendizagem significativa ao que o usuário consegue interagir e
visualizar, coletando dados e analisando-os, assimilando assim a teoria acerca do
experimento:
Sendo assim, o ambiente de aprendizagem deve conter material de apoio, como por exemplo, hipertextos contendo fundamentação teórica, conceitos, metodologia de relatório (exemplos). E a Experimentação Remota deve ser embasada em uma metodologia própria, devidamente elaborada, da mesma forma que uma aula prática presencial também necessita de uma metodologia específica baseada em teorias de ensino-aprendizagem. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011)
Em seus comentários finais, os autores sugerem que
os Laboratórios de Experimentação Remota surgem como algo novo e promissor, com tendência de se tornarem instrumentos de experimentação muito eficientes, mas que ainda precisam de uma quantidade maior de pesquisas sistemáticas sobre suas reais potencialidades, particularmente, na aprendizagem significativa em Física. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011)
Com base nestes apontamentos, nas evidências demonstradas pelas
análises dos variados artigos referentes aos usos do Laboratório Remoto, em
especial, com enfoque no ensino de Física, é que montaremos primeiramente um
protótipo com experimentação remota, veiculado a um ambiente virtual de
aprendizagem. Com isso, pretendemos possibilitar que os conteúdos vistos na
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experiência possam ser melhor trabalhados e demonstrados, de modo a permitir
uma maior interatividade do usuário, não somente com o experimento, mas com o
projeto como um todo. Assim, também pretendemos permitir que esse usuário (seja
o aluno ou o professor) possa aprender (e até ensinar, no caso do professor, que
poderá, se quiser, usar este ambiente como uma ferramenta de ensino) e assimilar
os conteúdos de uma forma mais significativa.
4 Justificativa
Justificando a escolha do critério a ser trabalhado, de acordo com (KONG;
YEUNG; WU, 2009, p. 711)
O laboratório remoto fundamentado em uma pedagogia adequada do professor e suportado por materiais de apoio a aprendizagem tem potencial para incentivar os alunos a formular associações entre o mundo real e as teorias científicas (KONG; YEUNG; WU, 2009)
Dentro de uma estrutura adequada e melhorias no ambiente virtual de
aprendizagem, o laboratório remoto pode ser uma ferramenta que complemente o
estudo de tópicos de Física Moderna, auxiliando e colaborando com a melhora da
aprendizagem. E não somente destinada ao uso pelos alunos, o ambiente virtual no
qual o laboratório remoto esta inserido também pode apresentar uma interface de
uso exclusivo do professor, auxiliando-o em suas tomadas de decisões durante as
aulas, equipando-o com recursos em um ambiente que estimule a criatividade e
descoberta de novas interações e possibilidades de ensino, de forma a
instrumentalizá-lo com amplas e novas ferramentas tecnológicas.
Indo além, podemos argumentar sobre a própria aplicação da estrutura que
temos com um viés educacional, ou seja, justifica-se a ideia de criação de espaços
na web para divulgar recursos existentes e também para viabilizar a criação de
laboratórios de sensoriamento remoto que venham possibilitar que tanto estudantes
quanto professores, em diferentes níveis de aprofundamento, estudem conceitos
importantes, não somente de Física Moderna, mas de qualquer disciplina que venha
a ser administrada dentro da estrutura a ser montada, no ambiente virtual, abrindo a
18
possibilidade de aplicação do projeto também para outras áreas de ensino que usem
de laboratórios, por exemplo, disciplinas experimentais de Engenharia.
E por isso, até como forma de complementar eventuais experimentos mais
sofisticados que estão sendo tratados em aulas presenciais, possibilita se abordar
questões que não puderam ser tratadas antes, devido a questões de tempo,
estrutural, entre outras. Com isso, outra justificativa para este projeto centra-se em
seu uso complementar a aulas presenciais, de forma a poder ampliar as noções
tratadas em sala de aula, e até mesmo evidenciar outras discussões que possam
ser melhor trabalhadas com o experimento acessado remotamente.
Nesse sentido, as questões que envolvem o processo de Ensino e
Aprendizagem tornam-se relevantes, com o aspecto de se poder criar ambientes
virtuais de aprendizagem que possibilitem o uso de laboratórios remotos
complementando a realização de experimentos concretos (os quais embora tenham
maior interesse no que se refere à aprendizagem em sala de aula, devido à questão
de poder se abordar consequências pragmáticas do experimento), da mesma forma
apresentam problemas de custos elevados para muitos experimentos, sensores de
difícil aquisição, ou mesmo questões de indisponibilidade do laboratório. Sendo
assim, disponibilizar uma plataforma remota, cujo experimento possa ser acessado e
controlado remotamente oferece possibilidades pedagógicas interessantes quando
complementares ao uso do laboratório presencial, desde que tratados com
abordagens diferentes.
E, por outro lado, abre a possibilidade concomitante de uma abordagem
veiculada a disciplinas que estejam sendo tratadas a distância, de forma on-line;
disciplinas estas cada vez mais presentes, principalmente em cursos on-line de
Engenharia (dentro de matérias como Automação, por exemplo, que trabalham
questões de eletrônica ao mesmo tempo que se trabalham aspectos da própria
máquina, de modo que o laboratório remoto seja uma solução adequada)
(LOURENÇO, 2014), em que os conceitos de Física, bem como de Fìsica Moderna
venham a ser trabalhados e analisados, além das disciplinas de Física, propriamente
dita, que possam ser trabalhadas on-line, como a Física Moderna, com
experimentos em que sejam estudados o comportamento das radiações
19
eletromagnéticas, através da visualização do experimento e da coleta de dados, as
quais são trabalhadas neste projeto em questão.
Assim, a justificativa de se poder utilizar o laboratório remoto tanto complementar as
aulas presenciais quanto em ambientes virtuais bem elaborados em disciplinas e
cursos on-line evidenciam adequação do projeto e a ampla possibilidade de estudos
e aplicabilidade.
5 Objetivos da Pesquisa
O objetivo desta pesquisa se centra no desenvolvimento de um protótipo e
estruturação da arquitetura de acesso e controle de um laboratório remoto, para
experimento de espectrofotometria (com objetivo de uso em ensino de tópicos de
Física Moderna) e que permita interação do usuário com o experimento, em tempo
real.
5.1 Objetivos Específicos
5.1.1. Construção do Laboratório Remoto, desde sua concepção teórica e
prática até a elaboração e estruturação.
5.1.2. Implementação e Testes de Funcionamento, evidenciando
necessidades e possíveis melhorais, com relação aos aspectos necessários para o
bom funcionamento e interação do Laboratório Remoto.
6 Hipótese
6.1 Estratégias para adequação de laboratório remoto como
instrumento de utilização complementar a aulas presenciais
Após analisar 19 artigos qualificados com Qualis A, referente aos usos e
metodologias empregadas em Laboratórios Remotos aplicados a conteúdos de
Física, bem como com as avaliações realizadas, Cardoso & Takahashi, evidenciam
que os resultados destas:
20
mostraram que os laboratórios remotos são equiparáveis aos laboratórios presenciais em termos de eficácia, em relação à aprendizagem. Alguns resultados mostraram que a aprendizagem no laboratório remoto foi um pouco melhor e outros mostraram o contrário, porém, as diferenças não são significativas. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011)
Esse fato vem ao encontro do posicionamento dos autores citados, de que a
importância não está na diferenciação entre a Experimentação Remota ou
presencial e, sim, na metodologia adotada para o desenvolvimento das aulas
práticas. Ou seja, de que a metodologia empregada deva evidenciar aspectos que
tornem a aprendizagem mais significativa ao aluno.
No desenvolvimento do trabalho citado (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011) não
encontraram relatos de pesquisa sobre como o acesso remoto a experimentos reais
pode incrementar o processo de ensino e aprendizagem de Física e nem de que
forma isso pode ser feito. Constataram que a Experimentação Remota associada ao
ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda é um campo muito novo e pouco
explorado e que as eventuais limitações na utilização desta ferramenta de ensino
devem ser estudadas de forma aprofundada e formulam como uma hipótese, que
uma metodologia adequada deve ser explorada para suprir as necessidades de uma
aula prática. Para tanto, de acordo com Mendes e Fialho (2005, p. 7):
Temos aí uma tecnologia que necessita e merece aprimoramentos, pois ao contrário dos experimentos simulados, a experimentação com laboratórios remotos não apresenta resultados provenientes de cálculos teóricos com apresentação gráfica imitando fenômenos naturais. Não se trata de ilusão próxima da realidade, trata-se de experimentação real, mas remota, tele-controlada. (MENDES; FIALHO, 2005)
Ainda, de acordo com os mesmo autores, os laboratórios on-line, reais ou
virtuais, necessitam de um ambiente de aprendizagem completo, que ofereça ao
aluno apoio para a realização das experiências, pois, como diz Séré (2003, p. 39),
Através dos trabalhos práticos e das atividades experimentais, o aluno deve se dar conta de que para desvendar um fenômeno é necessária uma teoria. Além disso, para obter uma medida e também para fabricar os instrumentos de medida é preciso muita teoria. Pode-se dizer que a experimentação pode ser descrita considerando-se três pólos: o referencial empírico; os conceitos, leis e teorias;
21
e as diferentes linguagens e simbolismos utilizados em física. As atividades experimentais têm o papel de permitir o estabelecimento de relações entre esses três pólos.
Sendo assim, o ambiente de aprendizagem deve conter material de apoio,
como por exemplo, hipertextos contendo fundamentação teórica, conceitos,
metodologia de relatório (exemplos). E a Experimentação Remota deve ser
embasada em uma metodologia própria, devidamente elaborada, da mesma forma
que uma aula prática presencial também necessita de uma metodologia específica
baseada em teorias de ensino-aprendizagem.
Concordamos com os apontamentos evidenciados por Cardoso e Takahashi
(2011), frente às questões metodológicas e de organização do ambiente de
aprendizagem, de modo que em reforço a esta evidência, nossa hipótese é a de que
a eficácia na aprendizagem nos laboratórios remotos será melhorada conforme se
adeque a metodologia de ensino, em conjunto com a aula prática, evidenciando um
significado tanto a aluno quanto ao professor. Além disso, a prática através do
laboratório remoto, se executada de forma significativa para aluno e professor,
facilita processos cognitivos, relacionados a conhecimentos de Física Moderna, a
partir do fato de se poder visualizar o experimento, bem como se interagir com ele.
Assim, para que essa prática seja realmente significativa, com vistas a
eficácia do experimento, é necessária uma melhor adequação do ambiente virtual de
aprendizagem no qual o laboratório remoto esteja inserido, de modo a tornar a
interface mais intuitiva e rica em análises, tanto teóricas, conceituais, quanto dos
resultados colhidos, na prática experimental a distância.
7 Fundamentação Teórica
Neste tópico serão levantados e analisados o referencial que se tem a
respeito da teoria e métodos utilizados na construção, adequação e elaboração de
um Laboratório Remoto aplicado ao Ensino, e em particular como se dá a
construção, a estruturação e a adequação do WebLab da PUC-SP
22
7.1 Introdução
O Webduino é o nome dado ao projeto de desenvolvimento de um laboratório
de sensoriamento remoto, o qual se desenvolve atualmente na PUC-SP, e que
utiliza a plataforma de prototipagem de dados Arduino. Ele vem sendo desenvolvido
pelo GoPEF (Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC/SP), e se iniciou com
o fomento do CNPq, na área de tecnologia educacional, e em poucas palavras, é um
laboratório de controle e sensoriamento remoto baseado no uso da plataforma
Arduino.
Por sua vez, o Arduino é uma plataforma de prototipagem aberta baseada em
hardware e software flexíveis e de fácil utilização (BANZI, 2011). O ambiente
Arduíno foi desenvolvido para ser utilizado por pessoas iniciantes que não possuem
experiência com desenvolvimento de software e eletrônica (MARGOLIS, 2011).
Quando tratamos de software na plataforma Arduíno (UFES, 2012), estamos
fazendo referência tanto ao ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) quanto ao
software desenvolvido pelo usuário para tratamento dos dados na placa utilizada. O
ambiente de desenvolvimento do Arduino utiliza um compilador GCC (para
linguagens de programação C# e C++), o qual possui interface gráfica construída em
Java. Basicamente, é um programa IDE muito simples de se usar que utiliza
bibliotecas passíveis de serem facilmente encontradas. As funções da IDE do
Arduino são basicamente duas: permitir o desenvolvimento de um software e enviá-
lo para a placa para ser executado.
Neste projeto, a placa de controle Arduino será utilizada juntamente ao
experimento de Física, o Espectrofotômetro, para envio e recebimentod e dados de
usuários, de modo a permitir o acionamento e controle das diversas variáveis a
serem implementadas no experimento. Em conjunto ao Arduino, é necessário se
compreender mais especificamente como será utilizado o laboratório remoto, no qual
o experimento está inserido.
7.2 WebLab
Nos últimos anos, o desenvolvimento tecnológico tem facilitado, de várias
maneiras, o nosso cotidiano (CAVALCANTE et. al, 2012). Sistemas computacionais
23
estão presentes nas residências e em todos os lugares que circulamos, no controle
do trânsito, nos supermercados, nas agências bancárias, nos aparelhos de telefonia
celular, etc. Por outro lado, ensinar a disciplina de Física no século XXI pode ser
uma tarefa extraordinária, já que toda a tecnologia que nos rodeia está intimamente
ligada aos conceitos físicos essenciais para a compreensão dos mecanismos
básicos de funcionamento de cada um destes sistemas. No entanto, muitos alunos
apresentam grande dificuldade na compreensão dos fenômenos físicos. Entre as
razões do insucesso na aprendizagem de Física são apontados os métodos de
ensino desajustados das teorias de aprendizagem mais recentes e a falta de meios
pedagógicos modernos.
O uso de Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) no ensino tem
sido objeto de estudo em todas as áreas. Nos últimos anos os avanços no uso de
TICs foram extraordinários tendo em vista que os computadores se tornaram mais
velozes em processamento de informações e com maior capacidade de
armazenamento e de representação somando-se às novas interfaces, tais como
luvas e capacetes de visualização que trouxeram a realidade virtual para a sala de
aula.
Alguns pesquisadores na área de ensino de Física no Brasil têm se dedicado
à produção de diferentes recursos de fácil aquisição que possibilitam a inserção de
novas tecnologias no ensino de Física e, particularmente, na aquisição automática
de dados (AGUIAR; LAUDARES 2001), (MAGNO; MONTARROYOS, 2002),
(SOUZA et al, 1998), (MONTARROYOS; MAGNO, 2001), (DIONISIO; MAGNO,
2007), (HAAG, 2001), (CAVALCANTE; TAVOLARO, 2003), (CAVALCANTE et al,
2002), (CAVALCANTE et al, 2008), (CAVALCANTE et al, 2009), (SOUZA et al,
2011).
Apesar destas publicações e de todo o avanço tecnológico das últimas
décadas, as salas de aula da grande maioria das escolas brasileiras ainda estão
bem distantes deste universo e o ensino de Física ainda continua desconectado
deste mundo tão fascinante que nos cercam. Os recursos computacionais em geral
se restringem ao uso de simulações, editoração de textos, planilhas de cálculo e
internet para pesquisa de trabalhos escolares. A possibilidade de utilizar o
24
computador como um instrumento de medida ainda é desconhecida pela grande
maioria dos professores brasileiros (CETIC, 2013).
De outro lado, há um grande incentivo dos órgãos públicos brasileiros a
projetos que tenham como meta gerar conteúdos e recursos para potencializar o uso
das TICs (UNESCO, 2008) nas salas de aula na educação do ensino fundamental e
médio, particularmente, aqueles destinados ao uso dos laptops educacionais.
Inclusive, o uso do computador e das TICs em geral, é defendido pela Lei de
Diretrizes e Bases da Educação que preconiza a necessidade “da compreensão [...]
da tecnologia”, no art. 32-II, no ensino fundamental, como formação básica do
cidadão (MEC – BRASIL, 1996). Mas, da mesma forma que vem sendo incentivada,
sabe-se que a prática de uso do computador por alunos e professores não se tornou
concreta (REIS et al, 2012).
Algumas iniciativas bastante conhecidas como, o projeto Scracth do MIT e,
mais recentemente, a interface de programação Scratch for Arduíno (S4A) que é um
ambiente de programação visual integrado a interface Arduíno e baseado no
Scratch, muito utilizado com fins educacionais, mostram-se cada vez mais
promissoras para o desenvolvimento da capacidade criativa das crianças e
adolescentes no aprendizado de Ciências (CAVALCANTE et al, 2011).
Além dos aspectos já mencionados não podemos deixar de mencionar que a
partir de 2004 iniciou-se um grande movimento na internet conhecido como Web 2.0
(W3C, 2009). Na Web 2.0, o usuário deixa de ser um sujeito passivo e passa a fazer
parte de uma imensa rede de compartilhamento de informações e construção de
conhecimento. A consequência imediata deste processo é que o conhecimento já
não está centralizado em uma única pessoa ou em um único lugar, ele distribui-se
entre os usuários da rede. A aprendizagem deixou de ser uma construção individual
do conhecimento, para ser um processo social onde o educador já não é a fonte
única de conteúdos e o “aprendiz não aprende” de forma isolada. A interação social,
o desenvolvimento de novas formas de linguagem e a comunicação são condições
importantes e necessárias para a aprendizagem.
A habilidade mais importante que determina a vida das pessoas é a de
aprender mais habilidades, de desenvolver novos conceitos, de avaliar novas
25
situações, de lidar com o inesperado. Isto se tornará cada vez mais evidente no
futuro: a habilidade mais competitiva é a habilidade de “aprender a aprender”. O que
é certo para os indivíduos, é, todavia mais certo para as nações (PAPERT, 2008).
Portanto, é necessário criar espaços na rede internet que viabilize, não
apenas divulgar recursos existentes, mas também, a criação de laboratórios de
sensoriamento remoto que possibilite aos estudantes e professores, em diferentes
níveis de aprofundamento, estudar conceitos importantes em Ciências e, mais
especificamente, aqueles relacionados à Ciência Moderna e Contemporânea.
7.2.1 Arduino No WebLab
Uma das justificativas para utilização da plataforma Arduíno está na
existência de um grande número de projetos disponíveis na Web em vários idiomas
e em diferentes áreas do conhecimento caracterizando esta plataforma, como uma
tecnologia essencialmente interdisciplinar (STABILE; CAVALCANTE, 2012). O
Webduino pretende desenvolver diferentes recursos didáticos que possibilitem
ensinar conceitos Físicos, permitindo a quem for acessá-lo um maior domínio da
tecnologia.
Uma forma de abordar a tecnologia como ferramenta para o desenvolvimento
de conceitos científicos é através de plataformas digitais e outras APIs que
evidenciem o aspecto científico abordado. Por isso, pretendemos utilizar
plataformas, como Xively, Partcl®, dentre outras API’s, que possibilitam a coleta
remota de dados, via porta serial, Shields Ethernet e/ou Wireless, etc, como forma
de permitir a interação do usuário com a experiência. Opções desta natureza,
possibilitam incorporar o Ensino de Ciências na já conhecida rede de sensores,
agregando valores à experimentação didática.
Por outro lado, a implantação de laboratórios de sensoriamento e controle
baseado em plataformas livres, assim como a Arduíno, torna o Weblab um projeto
muito próximo a realidade do usuário, potencializando recursos disponíveis e
compartilhados na Web.
26
7.2.2 O Que o Webduino traz de novo
Um dos aspectos inovadores deste projeto está associado ao
desenvolvimento de um laboratório de controle e sensoriamento remoto, voltado ao
ensino de Ciências, totalmente apoiado em uma plataforma open-source em
hardware e software amplamente difundido na internet.
Tratando-se de uma plataforma Open Source o usuário terá acesso à
documentação pertinente, a cada experimento proposto, qual seja: códigos fontes,
esquemas elétricos e vídeos ilustrativos mostrando cada etapa de construção e
montagem, etc, podendo, se assim desejar, montar o seu próprio sistema, manipulá-
lo e disponibilizá-lo em redes remotas, através de servidores remotos como, por
exemplo, o Xively®.
Igualmente inovador é o desenvolvimento de recursos destinados ao ensino
de ciências em nível fundamental em que se pretende criar aplicativos que
possibilite manipular e interagir com experimentos remotos utilizando o software de
programação iconográfica Scratch for Arduíno, que é um ambiente de programação
visual integrado a interface Arduíno e baseado no Scratch, muito utilizado com fins
educacionais. Estes aplicativos deverão possibilitar que usuários do Scratch for
Arduíno (S4A), de diferentes faixas etárias, possam manipular os equipamentos
adequados através de mídias interativas inteiramente adaptadas a sua realidade o
que, certamente, contribuirá na ampliação dos recursos educacionais destinado a
um público de menor faixa etária.
Outro aspecto de grande relevância no Weblab da PUC/SP é o
desenvolvimento de uma Interface padrão de comando com reconhecimento de voz
para diferentes dispositivos e experimentos monitorados e controlados remotamente.
Por outro lado, apesar do uso crescente dos recursos tecnológicos por todos
ainda é importante questionar os aspectos correlacionados a acessibilidade destes
recursos. Considera-se acessibilidade como um processo que permite a inclusão de
todas as pessoas com deficiências ou não a participarem de atividades que incluem
o uso de produtos, serviços e informação. Assim, neste projeto, pretendemos
responder a seguinte questão: até que ponto as tecnologias desenvolvidas e
disponíveis possibilitam uma ampla e total inclusão aos serviços, produtos e
27
informação? Quantos laboratórios de sensoriamento remoto disponíveis na web
possibilitam acesso e interatividade aos experimentos de modo mais amplo?
É preciso abraçar estas questões e enfrentá-las de tal modo que a tecnologia
e seus avanços possibilitem uma maior integração dos usuários, oferecendo amplo
acesso aos serviços, produtos e informações incluindo neste rol os portadores de
necessidades especiais de ordem física, que são; hemiplégicos, paraplégicos,
tetraplégicos (incluindo sujeitos com membros amputados). Os resultados deste
trabalho foram apresentados (CAVALCANTE, 2013) no III WebCurriculo.
Um WebLab (CAVALCANTE, 2013), com todas estas características, bem
como com seus aprofundamentos e futuras aplicações em salas de aula, além de
inovador poderá contribuir para maior difusão e divulgação da ciência, despertando
o interesse dos jovens para uma área de conhecimento que tem sofrido uma forte
queda em todo mundo e, mais acentuadamente, no Brasil.
Devido a questão de inovação do Weblab, é necessário que a forma como é
disposto seja bem estruturado, além da forma como dispomos os dados e
informações coletadas e apresentadas, para que o usuário não tenha problemas de
acesso ou queda na comunicação com o experimento. Por isso, também, é
necessário que seja apresentada a arquitetura dentro do nosso Weblab, o
Webduino.
7.3 Procedimentos
Neste item serão descritas as etapas de construção do Laboratório Remoto,
desde a concepção teórica e prática, passando pela etapa de elaboração dos itens a
serem trabalhados, controlados e visualizados (no que se refere ao experimento na
prática) dentro do laboratório remoto, até a estruturação e adequação do mesmo
dentro de um Ambiente Virtual, dada a natureza educacional a que se destina este
laboratório remoto.
Para se realizar todo o sistema de sensoriamento remoto, dentro do
laboratório é necessário reconhecer-se a necessidade de entendimento da
arquitetura de software do Weblab, a fim de que não se esbarrar em problemas
28
estruturais, ou mesmo, cuja implementação cause problemas de acesso, etc. Logo,
é relevante analisar, primeiramente, a arquitetura do Weblab.
7.3.1 Introdução
Um sistema ou dispositivo seja ele computacional ou não, deve sempre
considerar dois aspectos: sua funcionalidade e o que irá impulsioná-lo com
sapiência e destreza. Assim, quando já possuímos uma breve ideia dos sistemas
envolvidos, avaliamos em primeira instância a sua interface de comunicação, que
deve fornecer informações condizentes e com inteligibilidade. Considerando aqui,
que se trata de uma abordagem de desenvolvimento intelectual, as referências
requerem concisão, mas nem sempre explícitas, pois queremos apenas orientar o
usuário às descobertas, que conduzem (MORIN, 2003) a um aprendizado eficaz e
significativo. Com isso, conduzimos nossa busca por um sistema que possibilita unir
conceitos de usabilidade e acessibilidade, além da disponibilização de experimentos
de diferentes graus de complexidade.
Diferentemente de alguns laboratórios de experimentação remota disponíveis
ao público, além do acesso ao experimento em si, o usuário encontra no Webduino,
diferentes recursos didáticos que possibilitam a compreensão do fenômeno físico
abordado, tais como; fundamentação teórica, simuladores, vídeos, etc. Ainda,
pretendemos criar interfaces lúdicas para tratar o experimento remoto dentro de um
ambiente de game. E, junto com essas interfaces também pretendemos criar uma
interface de controle, na qual o professor tenha acesso.
A plataforma que melhor se ajusta às nossas condições de contorno é a
WebLab-Deusto desenvolvido pela Universidade de Deusto, (Deusto, Bilbao –
Espanha) (UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015).
7.3.2 Descrição do WebLab-Deusto
O WebLab-Deusto é um programa de arquitetura distribuída para laboratórios
remotos, o qual proporciona uma série de funcionalidades que facilitam o
desenvolvimento de uma aplicação remota. Pode-se manipular através de
comandos um experimento através de uma rede que pode ser tanto interna quanto
29
externa. É um projeto open-source desenvolvido pela Universidade de Deusto que
fornece um framework flexível reunindo toda a integridade, garantindo segurança,
agilidade, escalabilidade - recursos essenciais para este serviço.
O projeto desenvolvido pela Universidade de Deusto possui estruturação de
seu código fonte baseado, prioritariamente, em linguagem de programação Python,
ocupando 67,1% de suas linhas de códigos, que, por sua vez, compartilha o sistema
com as linguagens Java, C# e PHP (UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015). O
laboratório remoto da PUC-SP utiliza as plataformas Git Hub e/ou Google Code, que
possibilitam a inserção de usuários interessados no sistema, que agregarão
conhecimento e conteúdo, ou também traduções para outros vocabulários (esta
perspectiva de desenvolvimento em comunidade online e uso dos serviços de Cloud
Computing oferecem uma grande alavanca para desenvolvimento dos projetos).
A integração multiplataforma de programação que o WebDeusto oferece é a
sua principal vantagem. Ele pode se comunicar com qualquer servidor de um
experimento que ofereça uma comunicação XML-RPC como o Java,
tecnologias .NET, Python e LabVIEW.
Fig. 03 - Esquema do funcionamento do WebLab com o WebDeusto (UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015).
O projeto está dividido em servidores específicos:
Servidor principal: escrito na linguagem de programação Python, está dividido
em:
o Servidores de acesso: processa as credenciais dos usuários.
30
o Servidores centrais: gerencia o uso, os acessos, etc.
o Servidores de laboratório: colocado sobre os laboratórios de Física,
eles funcionam como porta de entrada para os servidores da
experiência.
o Servidores do experimento: possuem a programação específica para a
experiência.
Cliente: Conjunto de páginas estáticas que será acessível a partir de um
servidor web (Apache), e acessados de um browser, que fará chamadas para
os servidores do experimento.
Fig. 04 - Esquema do Funcionamento do WebLab (UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015).
Do lado do servidor-cliente, utiliza-se o GWT (Google Web Toolkit), kit de
ferramentas de desenvolvimento para a construção de aplicações AJAX, para a
construção da interface Web.
Algumas das vantagens analisadas na utilização desse framework são:
31
Agilidade no desenvolvimento de páginas em Javascript com uma
linguagem de programação robusta, o Java, gerando um código compilado para
cada navegador;
Acesso em qualquer aparelho com um browser que dê suporte para
HTML, CSS e Javascript;
Reaproveitamento de código – classes Java podem ser facilmente
modificadas (excelente para a etapa de desenvolvimento).
Podem ser acopladas outras tecnologias ao GWT (Google Web Toolkit), a
partir de modificações e adição de algumas classes e bibliotecas:
HTML5: Entre suas principais vantagens apresenta portabilidade para
as principais tecnologias mobile atuais; consegue executar vídeos sem ajuda de
outros aplicativos, editar imagens 2D e visualizar imagens 3D além de apresentar
recursos mais interativos que o HTML.
FLASH: Muito utilizada na Internet para executar vídeos e como
plataforma para jogos online e construção de sites, o flash apresenta uma grande
possibilidade de interação e manipulação através de ActionScript. Não é uma
plataforma a ser utilizada na construção de sistemas complexos, mas como
complemento para alguma atividade interativa.
PHP: uma linguagem de script open-source de uso geral, muito
utilizada e especialmente utilizada para o desenvolvimento de aplicações Web
inseridas no HTML; amplamente utilizada por sua facilidade de aprendizado, mas
com recursos avançados.
Algumas características importantes que nos fizeram escolher esta
plataforma:
Autenticação: WebLab-Deusto oferece um sistema de autenticação
extensível que suporta nome de usuário e senha armazenados em um banco de
dados MySQL, LDAP servidores remotos, e também OpenID para verificar as
credenciais em outra Universidade, Facebook, e autenticação confiável com base no
endereço IP do cliente que requisita acesso;
32
Gerenciamento de fila: WebLab-Deusto gera filas diferentes de
reserva para as diferentes plataformas experimentais disponíveis, impedindo
sobrecarga aos experimentos disponíveis;
Escalabilidade: A arquitetura WebLab-Deusto é apresentada em
escala horizontal e ferramentas de teste estão disponíveis para testar diferentes
implementações;
Segurança: A arquitetura distribuída WebLab-Deusto mantém em
isolamento o hardware e software que está acoplado à experiência, de modo que
qualquer problema relacionado com um uso errado do experimento nunca não
coloca todo o laboratório remoto em risco.
Implementação: O sistema de implantação WebLab-Deusto torna fácil
e flexível a configuração do mapa da rede em que todos os servidores e
experimentos estão envolvidos.
Acompanhamento do usuário: Os usos do laboratório remoto são
armazenados automaticamente. No caso dos experimentos gerenciados, mesmo os
comandos trocados entre o servidor e o cliente são armazenados, para eventuais
correções necessárias e acompanhamentos. A quantidade de eventos a serem
registrados cabe ao administrador-WebLab-Deusto.
Administração: O WebLab-Deusto oferece ferramentas de
administração tais como; monitorar usuários em tempo real, verificar acessos,
adicionar/remover permissões, grupos e usuários, etc.
Facebook: WebLab-Deusto está integrado com o Facebook, assim os
usuários podem vincular suas contas e usá-lo com ferramentas fornecidas pelo
Facebook, como o bate-papo (lista de aplicativos).
Dispositivos móveis: A interface de usuário-WebLab Deusto também
é adaptada para dispositivos móveis, e os experimentos gerenciados também
podem ser adaptados para fornecer uma versão mais amigável com o usuário,
possibilitando a aprendizagem móvel.
Extensibilidade: experiências existentes também podem ser
adaptadas para Weblab-Deusto.
A partir destas considerações concluímos que o WebDeusto se mostra como
uma ferramenta interessante para criação de laboratórios remotos e flexível para
33
integrar diferentes experimentos, escritos em diferentes linguagens de programação,
à administração do todo. A parte de desenvolvimento das interfaces com a web
utiliza GWT, uma ferramenta muito poderosa, e que permite a criação de interfaces
que possam apresentar as mais variadas abordagens, como por exemplo, a de
game, da mesma forma que permite a criação de interfaces diferentes para
especificações diferentes, como o caso das interfaces para professor e
usuário/aluno, as quais desejamos implementar futuramente. Outras ferramentas
que possibilitam maior aproximação com o usuário podem ser utilizadas, tal como o
flash, garantindo-lhe uma experiência mais amigável com o programa, e o HTML5,
pela portabilidade oferecida.
A seguir apresentaremos algumas telas de acesso ao Weblab, da PUC/SP, o
Webduino, baseado na plataforma WebLab-Deusto.
Fig.05 - Tela de acesso aos experimentos do Weblab da PUC-SP, baseado na plataforma WebLab-Deusto (acesso via http://weblabduino.pucsp.br/weblab/client/index.html?locale=pt)
34
Fig.06 - Tela que mostra a reserva para o experimento (ERA – Espectrofotômetro Remoto Automatizado).
Fig.07 - Tela de acesso ao experimento.
E as figuras do nosso site e do blog do experimento (ERA – Espectrofotômetro
Remoto Automatizado).
35
Fig. 08 – Tela mostrando o acesso ao site do projeto – o qual se pretende criar uma área de acesso ao Ambiente de Aprendizagem (http://www.pucsp.br/webduino/experimentos/espectrofotometro-remoto-automatizado/index.html)
Fig. 09 – Tela mostrando o blog do Projeto, com maiores informações de todas as partes do experimento, inclusive explicando questões teóricas e pedagógicas do projeto. (Acesso via: http://era-weblab.blogspot.com.br/)
7.3.3 Coleta de Dados
Para que um experimento seja completo necessitamos que ele, ao receber
estímulos dos alunos, responda de maneira adequada. Na maior parte das análises
experimentais e, da mesma forma que nos experimentos presenciais, extraímos
dados que serão dispostos em gráficos para que se realize as análises necessárias,
posteriormente. Para realizar tal coleta, dispomos de redes de sensores internas e
interfaces de reprodução dos gráficos e de visualização dos dados.
36
Com isso, para a interface dos usuários explicitaremos os dados através de
gráficos utilizando uma biblioteca Java denominada Jchart2D, que prioriza a
performance na visualização dos dados, sem deixar de lado implementações
complexas e em tempo real. Os processos nesta aproximação ocorrem somente por
tráfego interno, dos experimentos para o cliente (ou seja, o cliente não gera gráficos,
e sim o experimento para o cliente).
Como um dos objetivos iniciais do projeto é permitir a utilização da Rede de
Sensores, disponíveis na Web, utilizamos em um dos experimentos, a plataforma
Xively® para coleta e disponibilização dos dados experimentais. Esta plataforma
possibilita integração paralela dos experimentos, utilizando conexão através da
internet com seu próprio servidor, que nos transmitem os dados em forma de
gráficos e arquivos de manipulação para web ou ainda programação como os
padrões: XML e o CSV (Comma-Separeted Values, ou valores separados por
vírgula).
Para este tipo de experimento monitorado via Xively®, elaboramos uma
sequência de tutoriais (WEBDUINO, 2014), de modo a permitir que os usuários
possam reproduzir outros experimentos de seu interesse para acesso remoto de
dados gratuitamente, contribuindo para uma maior divulgação e popularização desta
tecnologia.
7.3.4 Segurança
Duas das ferramentas utilizadas para buscar a estabilidade e integridade do
nosso sistema, são o controle de acesso de usuários e o gerenciamento de uso dos
experimentos, ou ainda, controle por filas FIFO (First In First Out; o primeiro da fila
que entrar saíra primeiro). Tal recurso é muito importante, tendo em vista que os
recursos físicos são limitados. Este controle é propiciado em grande parte pela
plataforma Weblab-Deusto.
Utilizamos ainda outras técnicas de segurança em redes tais como Firewalls e
controle de acesso às ferramentas que completam o sistema. Além disso, são
necessários alguns protocolos específicos para cada tipo de comunicação com o
37
servidor principal, o que de certa forma, evitam explorações indevidas em nossos
sistemas.
8 Metodologia
Este estudo será realizado com uma abordagem de construção de protótipo,
visando uma implementação inicial e verificação, com testes de funcionalidade e
adequação a possíveis necessidades de usuários, para posterior utilização do
Laboratório Remoto e verificação de possíveis melhorias na aprendizagem de
alunos, e complementando o ensino ministrado por professores, em escolas (por
ora, em contato com Goiânia e Campinas). Sendo assim, inicialmente foram
realizadas pesquisas de levantamento do estado da arte e foi realizado o
levantamento da fundamentação teórica (relatados nos itens anteriores) do tema
proposto, e frente as necessidades atuais, proceder-se-á à montagem do protótipo
do experimento, bem como a estruturação da arquitetura de rede necessária para a
adequação do laboratório com acesso remoto, dentro de um ambiente de
aprendizagem que seja condizente com as necessidades educacionais do usuário,
com relação a tópicos de Física Moderna, bem como à possíveis necessidade
pedagógicas dos profissionais da área.
Esta etapa do projeto, a ser realizada futuramente, será possível após as
adequações e construção do ambiente, com a realização de testes de
funcionamento e de interação do usuário com o ambiente.
Temos as seguintes etapas de trabalho:
Etapa 0 Realização de disciplinas do curso, Qualificação (Jan/16), Elaboração do Texto de defesa, Defesa do Projeto.
Etapa 1 Estado da Arte dos Trabalhos relacionados ao desenvolvimento e uso de Laboratórios Remotos junto ao ensino, em particular, em disciplinas de Física, evidenciando necessidade, adequações possíveis, melhorias, críticas ao uso e, se possíveis, intercomparações de laboratórios remotos.
Etapa 2 Levantamento do Referencial Teórico referente às Atividades Relacionadas a Construção, Estruturação e Adequação, Viabilidade e Testes de Laboratórios Remotos em Ensino.
38
Etapa 3 Construção do Laboratório Remoto, desde sua concepção teórica, considerando os referenciais metodológicos, e prática até a elaboração e estruturação.
Etapa 4 Implementação e Testes de Funcionamento, evidenciando necessidades e possíveis melhoras, com relação aos aspectos necessários para o bom funcionamento e interação do Laboratório Remoto.
Etapa 5 Pré-Teste (considerando a continuação do projeto em questão) com usuário para verificação da eficácia do ambiente de aprendizagem e que possíveis melhorias devam ser realizadas e futuras adequações visando um melhor aproveitamento dos recursos existentes no ambiente.
A primeira etapa da investigação em curso se deu logo pela escolha do tema,
dado que, conforme analisado através da revisão do Estado da Arte dos
Laboratórios on-line, baseados na Internet, estes podem se classificar em dois tipos:
virtual e remoto, de modo que a escolha ser pelo laboratório remoto se dá devido às
seguintes características, conforme Nedic et al. (2003):
Há interação direta com equipamentos reais;
As informações são reais;
Não há restrições nem de tempo e nem de espaço;
Possui um custo médio de montagem, utilização e manutenção;
Há feedback do resultado das experiências on-line.
Após a escolha do tema a ser estudado, dentro da etapa da Revisão do
Estado da Arte, por se tratar de um assunto relativamente novo, a quase totalidade
das referências ligadas aos laboratórios sejam virtuais ou remotos advêm de artigos
científicos, nos quais as mais recentes informações e estudos da área foram
divulgados.
A partir das informações recolhidas, a Revisão do Estado da Arte continuou
com a investigação do desenvolvimento dos laboratórios remotos em curso em
algumas universidades e centros de pesquisas, analisando-se algumas publicações
Qualis A. Para tanto, utilizou-se o trabalho de Cardoso e Takahashi (2011),
publicado na Revista Brasileira de Pesquisa e Educação em Ciência (RBPEC).
Segundo a investigação destes pesquisadores da Universidade Federal de
Uberlândia:
39
O intuito é investigar se (e como) os laboratórios remotos estão sendo utilizados no ensino, particularmente, no ensino de Física. Foram selecionados e analisados artigos de periódicos Qualis A nacionais e internacionais, entre os anos 2000 e 2009. No desenvolvimento de nosso trabalho não encontramos relatos de pesquisa sobre acesso remoto a experimentos para a área de Física ou de como isso pode incrementar o processo de ensino e aprendizagem dessa disciplina. Desta forma, as eventuais limitações na utilização desta ferramenta no ensino devem ser estudadas de forma aprofundada e suas potencialidades exploradas no sentido de suprir as necessidades de uma aula prática. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011)
Após esta análise verificou-se que a utilização dos laboratórios remotos no
contexto de ensino de Física, embora pouco abordado, apresenta-se como uma
prática crescente e sua utilização abre um campo de possibilidades e de
experimentações, as quais devem ser melhor trabalhadas, visando as
potencialidades que advém de uma maior sistematização. Em outras situações
(BOTENTOUIT, 2007), foi observado, ainda, que o maior investimento está nos
laboratórios direcionados ao ensino a nível universitário, dados os maiores recursos
disponíveis, o que não significa que não possam ser utilizados em parcerias entre
universidades e escolas.
Diante destes levantamentos e das questões surgidas, a procura de
respostas levou-nos a considerar que, em termos metodológicos, o desenho do
estudo seria necessariamente multifacetado, no sentido de envolver a utilização de
instrumentos e amostras diversificados.
As investigações de um modo geral visam à criação do conhecimento
científico, e para chegar aos resultados existem um conjunto de métodos que podem
ser empregados, dentre estes os métodos experimentais, métodos descritivos, e
também métodos qualitativos (através de formulários, questionários, entre outros) ou
mesmo métodos mistos/específicos. Com base nestas considerações, pode-se
ressaltar que o estudo em questão apresenta ao mesmo tempo características de
um estudo de avaliação (LUKAS; SANTIAGO, 2004), de um estudo de caso
(COUTINHO; CHAVES, 2002), e ainda características de um modelo metodológico
misto muito divulgado em pesquisas internacionais no domínio da Tecnologia
Educativa que, na literatura, se designa por metodologia de desenvolvimento (VAN
40
DEN AKKEN, 1999), nomenclatura advinda da área de Desenvolvimento de
Softwares.
Para Van Den Akken (1999) as diferenças entre as metodologias de
desenvolvimento e as abordagens empíricas tradicionais estão relacionadas mais às
finalidades da investigação (nível filosófico e epistemológico) do que ao nível dos
métodos propriamente ditos: “os métodos da investigação de desenvolvimento não
são necessariamente diferentes de outras abordagens de investigação educativa”
(VAN DEN AKKEN, 1999). Ou seja, as metodologias de desenvolvimento utilizam,
para a coleta e análise de dados, instrumentos e técnicas tanto das abordagens
quantitativas quanto qualitativas.
As diferenças situam-se na forma como abordam os problemas e como se
concebe o projeto da investigação em si. Coutinho e Chaves (2001) sintetizam da
seguinte forma as características básicas deste modelo metodológico:
O fim último da pesquisa não é testar a teoria mas resolver problemas
práticos dos professores;
A busca da solução para o problema passa pela concepção de uma solução
“protótipo” que deve ser fundamentada desde um ponto de vista teórico e
prático (ouvidos os profissionais no terreno) e articulada com objetivos de
aprendizagem;
Condução de uma investigação rigorosa e reflexiva no sentido de testar,
avaliar e refinar no terreno, num processo interativo, a solução protótipo
concebida;
Implica colaboração permanente entre investigadores, profissionais do terreno
(professores) e tecnólogos (informáticos).
Definido o tema de estudo, frente às necessidades no campo do ensino de
Física em território nacional, e selecionada a metodologia a ser empregada, com
relação a elaboração, desenvolvimento e avaliação de um protótipo, o passo
seguinte deve ser a escolha do laboratório remoto a utilizar como referência, base,
para o desenvolvimento do próprio laboratório remoto, inserido em um ambiente
virtual de aprendizagem.
41
A utilização das novas tecnologias, no que se refere ao uso dos laboratórios
remotos, pode trazer imensas vantagens para o ensino escolar. Tendo isso em
mente, estamos desenvolvendo nosso próprio laboratório remoto de Física, com
foco no ensino de Física, ambientado na Pontifícia Universidade Católica de São
Paulo (PUC-SP), com base na investigação dos recursos e vantagens do laboratório
remoto da Universidade Federal de Santa Catarina – Campus Araranguape, o
RexLab (SILVA, 2006), além da interface de uso do WebLabDeusto
(UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015), para a criação do ambiente virtual. Tendo
como base estes laboratórios, procuramos mesclar algumas características e
introduzir outras inexistentes, principalmente no que se refere ao aspecto
pedagógico e conceitual de tópicos de Física Moderna, desde a concepção teórica
dos experimentos até questões de aplicações tecnológicas advindas do estudo
fenômeno trabalhado no experimento remoto, que podem favorecer uma maior
aprendizagem.
Com as informações obtidas através da literatura, do Estado da Arte e da
criação do ambiente virtual, no qual deverá ser inserido o laboratório remoto,
devemos partir para a última fase deste projeto de pesquisa, para fins de
monografia: o desenvolvimento de um protótipo, propriamente dito, o qual deverá ser
aplicado em testes de verificação de usabilidade e de aplicação, visando a
adequação ao aspecto educacional, porém, para projeto posterior, na continuação
desta pesquisa. Um esquema com o plano de investigação das etapas pode ser
observado abaixo na figura 1.
Fig. 10 - Esquema do plano de investigação (adaptado de Bottentouit, Universidade do Porto, 2007).
42
Considerando ainda, que este protótipo deve incluir não somente a montagem
física a ser alocada dentro de uma estrutura que possibilite a coleta de dados e de
imagens do experimento real, com acesso remoto, mas também de toda a estrutura
de rede, dentro da qual deve ser alocado o ambiente virtual de aprendizagem, para
que o aspecto educacional não fique relegado a segundo plano, de forma que seja
evidenciado, então, a preocupação com o ensino de tópicos de Física Moderna,
além da troca de informações relacionadas, seja através de fóruns, entre outras
interfaces a serem disponibilizadas dentro do ambiente.
8.1 Resultados Esperados
Com base na metodologia de desenvolvimento, proposta por Van den Akeen
(1999), pretendemos montar o protótipo, após um estudo de avaliação dos
laboratórios existentes, e das potencialidades que necessitam ser explorados; bem
como após a montagem do próprio, pretendemos realizar um estudo de caso, frente
ao ambiente virtual de aprendizagem com o laboratório remoto a ser montado,
contudo, esta etapa temos em mente que não seja possível ser realizada para fins
desta pesquisa, e sim, para um trabalho futuro, como continuação dos
desenvolvimentos das etapas correntes.
Sendo assim, nos dois próximo itens mostraremos os resultados que
esperamos encontrar, a fim de se desenvolver o protótipo, concluindo com o
ambiente virtual de aprendizagem no qual estará inserido o laboratório remoto, além
dos testes de aplicabilidade e de eficácia do próprio frente ao contexto atual. Testes
de validação do Laboratório Remoto com o Ambiente Virtual de Aprendizagem
pretendemos desenvolver em trabalhos futuros, como foi dito, em um possível
estudo de caso.
8.1.1 Implementação e Testes de Funcionamento
Pretendemos demonstrar, ao longo dos Resultados, etapas e imagens do 1)
Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado, propriamente dito,
demonstrando, antes, o 2) Contexto da Espectrofotometria em relação ao Ensino de
Física Moderna, partindo para a 3) Programação no Arduino para o
43
Espectrofotômetro Remoto Automatizado, até as 4) 4.1) Interfaces: de Visualização
do Experimento; 4.2) de Controle Remoto para acionamento da lâmpada de LED,
além das etapas de construção do 5) Ambiente Virtual de Aprendizagem, no qual
estará contido o experimento, ou seja, o laboratório remoto.
8.1.2 Teste de Funcionamento do Experimento
Além das etapas iniciais de demonstração da construção do protótipo,
pretendemos demonstrar, também, 6) Teste de Funcionamento da Programação do
Arduino; 7) Teste de Funcionamento da Programação de Acionamento da Lâmpada
de LED; 8) Teste de Acionamento do Experimento e Coleta de Dados; etapas estas
que evidenciam os códigos e resultados obtidos, necessários para uma análise mais
aprofundada a posteriori.
8.2 Resultados Obtidos até o momento
Até o momento, montamos a estrutura do experimento físico, bem como a
programação no Arduino para controle de giro do motor, que aciona o giro da rede
de difração a fim de fazer passar as raias do espectro pelo sensor de cor. Este por
sua vez, coleta os dados de irradiância e de comprimento de onda, os quais são
repassados via saída serial a interface de controle, a qual é acionada pelo usuário
remoto, o qual poderá observar os dados em um gráfico de Irradiância (W/m²) por
Comprimento de onda (nm), ou em uma tabela com as respectivas colunas.
Também está em fase de adequação às características de Ambiente Virtual
de Aprendizagem, a interface de controle do experimento (como pode ser observada
pela figura 07), a fim de possibilitar um maior suporte a uma aprendizagem mais
interativa e significativa.
Também está pronta a interface de controle de acionamento das cores da
lâmpada de LED RGB, em php, a qual será inserida dentro da interface de controle
do experimento. A programação e a imagem da interface (ANEXO 1), bem como a
programação no arduino (em C++) – ANEXO 2 - que controla o envio de dados a
interface de controle pela saída serial, além da imagem do experimento físico,
propriamente dito (ANEXO 3), com a disposição dos componentes para geração do
espectro, estão na sessão de anexo
44
8.3 Próximas Etapas
Nas próximas etapas pretendemos:
1. findar a montagem do experimento físico,
a. fixando cada um dos componentes,
b. melhorando a resolução do espectro,
c. melhorando o envio dos dados através da inserção de um novo sensor
de cores (sensor de cores RGB TCS 3200), no lugar do conversor de
frequência
2. Adequação da Programação no Arduino para enviar a coleta de dados e
receber os comandos da interface de controle
3. Inserção com possíveis adequações da Interface de Controle Remoto (que
aciona a mudança de cores da lâmpada de LED, conforme o usuário queira),
na Interface de Controle do Experimento.
4. Adequação da Interface de Controle para torna-la mais apropriada para fins
de um Ambiente Virtual de Aprendizagem:
a. Incrementando a Interface de modo a permitir a colocação de chats,
fóruns entre outros componentes dentro da interface que permita a
troca de informações, dentro de uma perspectiva semelhante ao
ambiente disponível no Moodle.
b. Colocando itens dentro da interface que permita uma interação maior
com o usuário remoto, como por exemplo, hiperlyns que possam leva-
lo a vídeos de demonstração de outros experimentos relacionados,
simuladores dos conceitos advindo com o experimento demonstrado
entre outras possibilidades.
c. Melhorar o design da Interface de controle.
Com essas atualizações a serem realizadas ou aperfeiçoadas pretendemos que este
experimento fique já disponível para controle e verificação dos espectros pelo
usuário remoto, além de poder ser usado efetivamente como um recurso para a
aprendizagem do mesmo, e que seja significativa e interessante.
45
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48
ANEXO
ANEXO 1
Interface de Controle Remoto
Esta é a imagem da interface de controle remoto, em primeira versão, de como deve
aparecer na tela ao usuário remoto. Pretendemos inseri-la com possíveis
adequações a interface de controle do experimento.
Fig. A1 – Interface de Controle Remoto (Aciona as cores da Lâmpada de LED)
Programação para a Interface de Controle Remoto
Esta é a programação utilizada pela interface de controle remoto, a qual faz o acionamento
das Cores na lâmpada de LED.
49
<?php$tecla = $_REQUEST['tecla'];
if ($tecla != ""){
switch ($tecla){
case "aumentarbrilho" : $acao = "1"; break;case "diminuirbrilho" : $acao = "0"; break;case "desligar" : $acao = "D"; break;
case "ligar" : $acao = "L"; break; case "vermelho" : $acao = "R"; break; case "verde" : $acao = "G"; break; case "azul" : $acao = "B"; break; case "branco" : $acao = "W"; break; case "laranja" : $acao = "o"; break; case "verdeclaro" : $acao = "g"; break; case "azulmedio" : $acao = "b"; break; case "flash" : $acao = "F"; break; case "laranjaescuro" : $acao = "O"; break; case "azulclaro" : $acao = "z"; break; case "roxo" : $acao = "x"; break; case "estrobo" : $acao = "S"; break; case "amareloescuro" : $acao = "y"; break; case "azulesverdeado" : $acao = "c"; break; case "violeta" : $acao = "V"; break; case "fadein" : $acao = "<"; break; case "amarelo" : $acao = "Y"; break; case "azulesverdeadoescuro" : $acao = "C"; break; case "violetaclaro" : $acao = "P"; break; case "smooth" : $acao = "-"; break;
} $portAdress = fopen("COM6","w+"); sleep(1); fwrite($portAdress, $acao); sleep(1); //echo fgets($portAdress); fclose($portAdress);
}
?><style type="text/css">.utf8sans {
font-family:"Lucida Grande","Arial Unicode MS", sans-serif;}
h1{alignment-adjust:after-edge;animation:ease-in-out;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:30px;display: run-in;
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}
50
h2{alignment-adjust:after-edge;animation:ease-in-out;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:22px;display: run-in;
padding: 10px 20px;text-decoration: blink;
border-color:transparent;border: 8px;background: #FF9;color: #900;
}body{
alignment-adjust:after-edge;animation:ease-in-out;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:18px;display: run-in;
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}.botao1{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background: #FFC;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(2,0,0,.15));cursor: pointer;
}.botao2{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#EEE;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;
51
box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao3{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", cursive;font-size:14px;background:#E00;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao4{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#0E0;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.35));cursor: pointer;
}.botao5{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#F00;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao6{
display: run-in;width: 200px;
52
height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#0D0;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao7{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#03F;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(2,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao8{
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}.botao9{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#F90;
53
color: #FFE;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao10{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#6F3;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao11{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#06C;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao12{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background: #AAA;color: #111;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,2,.35));cursor: pointer;
}
54
.botao13{display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#F80;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao14{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#3CC;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(2,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao15{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#639;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,2,.45));cursor: pointer;
}.botao16{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;
55
box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background: #AAA;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(2,0,0,.35));cursor: pointer;
}.botao17{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#FC0;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao18{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#09F;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao19{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#63C;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;
56
box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,2,.45));cursor: pointer;
}.botao20{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#AAA;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,2,.45));cursor: pointer;
}.botao21{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;color: #000;background:#FF0;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao22{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#09C;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao23{
display: run-in;width: 200px;
57
height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#C6F;color: #FFF;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}.botao24{
display: run-in;width: 200px;height: 80px;padding: 10px 20px;text-decoration: blink;box-sizing: border-box;font-family: "Lucida Sans Unicode", "Lucida Grande", sans-serif;font-size:14px;background:#AAA;color: #000;border: 8px;border-radius: 10px;box-shadow: 2px 4px 6px #999;background-image: linear-gradient(to bottom, transparent, rgba(0,0,0,.45));cursor: pointer;
}</style><html>
<head> <title> Controle Remoto de LED </title> </head> <body> <h1><center> Controle seu LED RGB </center></h1> <div><p><center>Aperte um dos botões abaixo e veja o LED acender!</center></p></div> <center><form action="ControleLED1.php" method="get"> <input type="submit" name="tecla" class="botao1" id="aumentarbrilho" value="aumentar brilho"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao2" id="diminuirbrilho" value="diminuir brilho"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao3" id="desligar" value="desligar"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao4" id="ligar" value="ligar"/> <br/><br/> <input type="submit" name="tecla" class="botao5" id="vermelho" value="vermelho"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao6" id="verde" value="verde"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao7" id="azul" value="azul"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao8" id="branco" value="branco"/> <br/><br/> <input type="submit" name="tecla" class="botao9" id="laranja" value="laranja"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao10" id="verdeclaro" value="verde claro"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao11" id="azulmedio" value="azul medio"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao12" id="flash" value="flash"/> <br/><br/> <input type="submit" name="tecla" class="botao13" id="laranjaescuro" value="laranja escuro"/>
58
<input type="submit" name="tecla" class="botao14" id="azulclaro" value="azul claro"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao15" id="roxo" value="roxo"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao16" id="estrobo" value="estrobo"/> <br/><br/> <input type="submit" name="tecla" class="botao17" id="amareloescuro" value="amarelo escuro"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao18" id="azulesverdeado" value="azul esverdeado"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao19" id="violeta" value="violeta"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao20" id="fadein" value="fade in"/> <br/><br/> <input type="submit" name="tecla" class="botao21" id="amarelo" value="amarelo"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao22" id="azulesverdeadoescuro" value="azul esverdeado escuro"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao23" id="violetaclaro" value="violeta claro"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao24" id="smooth" value="smooth"/> </form></center> </body></html>
59
ANEXO 2
Programação no Arduino
Esta programação é responsável pelo envio dos dados de irradiância e de comprimento de onda a interface de controle do experimento (alocada na Internet, em ), bem como é responsável pelo acionamento do motor e controle de giro do mesmo e da rede de difração.
#include <Stepper.h>#include <IRremote.h>#define C 2#define ESCALA 2
//motores acionamentoIRsend irsend;int stepsPerRevolution = 48; // change this to fit the number of steps per revolutions for your motorStepper myStepper(stepsPerRevolution, 6,7,8,9); // initialize the stepper library on pins 8 through 11.
int LED=13; // acende o led quando a varredura direita ocorre//int movimentacaoCabeca = 0;char tecla;int geralPassos;int passos; // numero de passos necessarios para mover o motor para a proxima posicaoint posicaoAtual;int posicaoFutura;
//////Definioções booleanas////////////////////boolean motorStatus;///////////////////////////////SETUP///////////////////////////////void setup() {// pinMode(AjustePosicao, INPUT); // pino 5 = Ajuste de Posição// pinMode(ColetaDadosExp,INPUT); // pino 4 = Coleta de Dados da Experiência Serial.begin(9600); // initialize the serial port delay(10); Serial.println("Mestrado TIDD"); pinMode(LED,OUTPUT); // pino3 = pino de verificação do LED myStepper.setSpeed(40); //motorStatus = true; inicializa(); //inicializa sistema!!!!}/////////////////////////LOOP///////////////////////////////////// void loop(void) { //motorStatus = false; ligar_motor();}
void stepFoward(void){ digitalWrite(LED,HIGH); for (int i = 0; i<=1; i++){ myStepper.step((stepsPerRevolution)/12); delay(2000); }}
void stepBackward(void){
60
digitalWrite(LED,LOW); for (int i = 0; i<=1; i++){ myStepper.step(-(stepsPerRevolution)/12); delay(2000); }}
void inicializa(void){ delay(10); myStepper.step(stepsPerRevolution); posicaoAtual = C; delay(100); myStepper.step(0); geralPassos = 0; delay(1000); Serial.println("Pronto Para comecar!"); }
void ligar_motor() { if (Serial.available() > 0) { tecla = Serial.read(); if (tecla == '1'){ for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFA05F, 32); // Sony TV power code delay(200);} stepFoward(); stepBackward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Aumenta Brilho"); } if (tecla == '0') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF20DF, 32); // Sony TV power code delay(200); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Diminui Brilho"); } if (tecla == 'D') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF609F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); //motor.step(0); delay(200); Serial.println ("DESLIGA"); } if (tecla == 'L') {
61
for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFE01F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("LIGA"); } if (tecla == 'R') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF906F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Vermelho"); } if (tecla == 'G') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF10EF, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Verde"); } if (tecla == 'B') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF50AF, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Azul"); } if (tecla == 'W') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFD02F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward();
62
stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Branco"); } if (tecla == 'o') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFB04F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Laranja"); } if (tecla == 'g') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF30CF, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Verde Claro"); } if (tecla == 'b') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF708F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Azul Medio"); } if (tecla == 'F') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFF00F, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Flash"); }
63
if (tecla == 'O') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFA857, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Laranja Escuro"); } if (tecla == 'z') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF28D7, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Azul Claro"); } if (tecla == 'x') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF6897, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Roxo"); } if (tecla == 'S') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFE817, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Estrobo"); } if (tecla == 'y') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF9867, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward();
64
stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Laranja Claro"); } if (tecla == 'c') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF18E7, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Cobalto"); } if (tecla == 'V') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF58A7, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Pink"); } if (tecla == '<') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFD827, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Fade"); } if (tecla == 'Y') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF8877, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Amarelo");
65
} if (tecla == 'C') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF08F7, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Verde-Azul"); } if (tecla == 'P') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFF48B7, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Violeta"); } if (tecla == '-') { for (int i = 0; i < 1; i++) { irsend.sendNEC(0xFFC837, 32); // Sony TV power code delay(400); } stepFoward(); stepBackward(); stepBackward(); stepFoward(); posiciona_motor(); delay(200); Serial.println ("Smooth"); } Serial.println("\n"); }}void posiciona_motor (void){ if (passos > 0) { // gira para a direita // Serial.println("girou para direita"); for (int i=0; i<abs(passos); i++){ stepFoward(); // verificar Enable } posicaoAtual = 0; } else if (passos < 0) { // gira para a esquerda // Serial.println("girou para esquerda"); for (int i=0; i<abs(passos); i++){ stepBackward(); // verificar Enable } posicaoAtual = posicaoFutura; }
66
ANEXO 3
Experimento Físico
As imagens a seguir mostram o experimento físico montado, incluindo a
disposição dos componentes para geração do espectro, além do detalhe do espectro
obtido com a rede de difração de 1000 linhas/mm e fenda colimadora (em frente à
lâmpada) de 0,2mm, para uma lente convergente de distância focal de 50mm.
Figura A2 – Na imagem da esquerda, vista Geral da Disposição Experimento. Nesta imagem, à esquerda, o computador aberto com a saída do monitor serial do Arduino, no qual está inserida a programação de acionamento do giro do motor e envio dos dados para a saída serial. À direita, o experimento físico montado. O espectro é mostrado no anteparo com papel sulfite, no qual está
colocado o sensor que enviará os dados de irradiância a saída serial do Arduino. No detalhe da figura da direita, temos o espectro difratado, projetado no anteparo em que esta colocado o sensor.
Nas figuras a seguir estão disposta uma sequência de imagens do
experimento físico montado, em que se pode notar a disposição dos componentes
que farão a coletados dados do espectro de difração da luz de LED.
67
Figura A3 – Vista Geral da Disposição Experimento. A. Emissor Infra-Vermelho para transmissão do sinal vindo da saída serial. B. Lâmpada de LED, com prolongador (para evitar dispersão da luz para
outros lugares) C. Suporte com Mecanismo de fenda simples (de 0,2mm da 3B Scientific), usado para colimar o feixe. D. Módulo Ponte H, com CI L298, para controle do giro do motor. E. Arduino. F. Trilho
em que estão colocados: G. Espelho refletor do feixe, H. Lente Convergente de distância focal (f) = 50mm e I. Motor de Passo (Mitsumi, modelo M42SP, 3,5º), e no motor está colocada a rede de
difração (de 1000 linhas/mm). O motor está colocado acima de dissipadores para evitar superaquecimento. K. Conversor de Frequencia em Irradiância, para enviar os dados de irradiância
ao Arduino. L. Anteparo onde são projetados os feixes difratados. M. Fonte de alimentação (regulável) do motor (12V, 600mA).
68
A
B
C
DE
FG
H
I
J
KM L
Figura A3 – Nas figuras acima, podemos observar o mesmo experimento em vistas diferentes: DE cima, vista superior. E abaixo, vista lateral.
69