Experimentos de baixo custo para o ensino de Física em Nível Médio usando a placa Arduino-UNO

207 Pages·2015·7.68 MB·Portuguese

by  Gilberto Fetzner

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA
GILBERTO FETZNER FILHO
Experimentos de baixo custo para o ensino de Física em Nível Médio
usando a placa Arduino-UNO
Porto Alegre
2015
i
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA
Experimentos de baixo custo para o ensino de Física em Nível Médio
usando a placa Arduino-UNO
GILBERTO FETZNER FILHO
Dissertação realizada sob orientação do Profº
Dr. Ives Solano Araujo e Profº Dr. Rafael
Peretti Pezzi, apresentada ao Instituto de
Física da UFRGS em preenchimento parcial
dos requisitos para a obtenção do título de
Mestre em Ensino de Física.
Porto Alegre
2015
ii
À minha família e amigos
Em especial aos meus pais Gilberto Artur Fetzner e Ivone Lambert Fetzner
pela educação e exemplo de vida que sempre me deram. A minha irmã Marcia L. Fetzner
que sempre esteve ao meu lado, incentivando e ajudando, sempre com seu olhar
crítico e sincero sobre a qualidade do trabalho.
À minha esposa Osiane da Silva Fetzner e a meu filho Giovani de Souza Fetzner
que tiveram paciência e compreensão de entender a minha ausência em alguns
momentos durante o período em que me dediquei a este trabalho.
iii
AGRADECIMENTOS
• A todos os professores do MPEF da UFRGS que confiaram em meu potencial
e dedicação durante esta caminhada.
• Aos meus orientadores Profº Dr. Ives Solano Araujo e Profº Dr. Rafael Peretti
Pezzi pela oportunidade de ser seu orientando, e também pelas inúmeras
sugestões ao longo deste trabalho.
• A Profª Drª Eliane Angela Veit e ao Profº Dr. Fernando Lang da Silveira que
acreditaram em meu potencial e dedicação, sendo decisivos para o início
desta caminhada.
• Aos todos os colegas e amigos bolsistas do CTA, em especial ao Germano
Postal e Lucas Leal pelas sugestões e ajuda na finalização deste trabalho.
• A todos os meus colegas do MPEF que estiveram juntos nesta caminhada e
que certamente lembrarão de todos os momentos que passamos no bar do
Antônio discutindo sobre as aulas, listas de exercícios e também sobre as
frustrações e alegrias de nossa carreira no magistério.
• Ao meu amigo Marcelo Rocha que mesmo estando longe, morando no Rio de
Janeiro, me incentivou e colaborou para o início do meu trabalho.
Muito obrigado.
iv
RESUMO
Um dos principais desafios que um professor de Física enfrenta ao tentar atualizar
suas aulas e trazer novas abordagens para o contexto escolar diz respeito a
infraestrutura necessária para implementá-las. O presente trabalho teve como
objetivo o desenvolvimento de materiais instrucionais de baixo custo para a
realização de experimentos de Física relacionados ao conteúdo de Cinemática
usando a placa Arduino-UNO como interface para aquisição de dados. Para isto foi
desenvolvido um material didático, amparado na Teoria de Aprendizagem
Significativa de David Ausubel, composto por: I) equipamento constituído por
sensores ópticos infravermelhos e ultrassônico; II) três modelos de shield para a
placa Arduino-UNO; III) softwares desenvolvidos em Python para visualização em
tempo real dos gráficos de posição, velocidade e aceleração em função do tempo;
IV) vídeos tutoriais mostrando a montagem de todo o equipamento utilizado para
aquisição de dados; V) guias pedagógicos para orientar o professor na aplicação
das aulas; VI) guias de atividades elaborados com a metodologia “Predizer, Interagir
e Explicar” (P.I.E.). O material instrucional foi elaborado dentro de um conceito de
Recursos Educacionais Abertos (REA). Atribuímos licenças permissivas a todo o
material desenvolvido neste trabalho a fim de que professores, pesquisadores,
estudantes e demais membros da sociedade possam usar, estudar, modificar e
compartilhar livremente todo o seu conteúdo. A proposta foi implementada em três
turmas do primeiro ano do Ensino Médio na Escola Técnica Frederico Guilherme
Schmidt na cidade de São Leopoldo (RS), durante o terceiro trimestre de 2014,
totalizando dezenove períodos. Durante a aplicação do projeto foram realizadas
duas provas como instrumento de avaliação da aprendizagem, além dos
questionários que fazem parte do guia de atividades dos alunos, entregues no final
de cada tarefa. Os resultados indicam que o uso de experimentos com aquisição
automática de dados nas aulas de Física, em conjunto com uma metodologia
adequada de ensino, contribuíram para o aprendizado e motivação dos alunos.
Acreditamos que, por se tratar de um material didático de baixo custo, elaborado
com uso de softwares livres e hardware aberto, é altamente disseminável e tornar-
v
se-á muito útil para o desenvolvimento de projetos e práticas educacionais no
Ensino de Física.
Palavras-chave: Experimentos de Física de baixo custo; Ensino de Física; Arduino
vi
ABSTRACT
One of the main challenges faced by physics teachers to bring innovative teaching
approaches to class is related to the lack of infrastructure to implement it. The
objective of this work was to develop low cost instructional materials to conduct
didactical experiments about Kinematics using the Arduino-UNO board as an
interface for data acquisition. It was developed a teaching material, supported by the
Theory of Meaningful Learning (David Ausubel), composed of: i) an equipment with
infrared and ultrasonic sensors; II) three shields for the Arduino-UNO board; III) a
software developed in Python for real time visualization of graphs position, velocity
and acceleration versus time; IV) video tutorials showing the assembly of all
equipment used for data acquisition; V) teaching guides to orient the lessons; VI)
activity guides designed with the methodology "Predict, Interact and Explain" (P.I.E.).
The instructional material was prepared within a concept of Open Educational
Resources (OER). We attribute permissive licenses to all material developed so
teachers, researchers, students and other members of society can use, study, modify
and freely share all the content. The proposal was implemented in three high school
classes at the Frederico Guilherme Schmidt Technical School in São Leopoldo
(Brazil) during the third quarter of 2014, totalizing 19 class periods. Questionnaires
and exams were carried on to evaluate students learning. Our results suggests the
use of experiments with automatic data acquisition in physics classes, together with
an appropriate teaching methodology, contributed to the learning and student's
motivation. Considering the low cost of the hardware and the use of open source
software and open hardware the materials developed can be easily adopted giving to
the teachers minimal conditions for the development of projects and educational
practices in physics teaching.
Keywords: Low cost physics experiments; Physical Education; Arduino
vii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Placa Arduino-UNO......................................................................................21
Figura 2: Planejamento do conjunto de aquisição de dados......................................33
Figura 3: Equipamento 1 com os cabos e sensores ópticos em sua configuração
plano inclinado.............................................................................................................37
Figura 4: Sensor de distância......................................................................................38
Figura 5: Protótipo do Shield Galileu Cronômetro construído em uma placa de
circuito impresso de ilhas padrão................................................................................40
Figura 6:Esquema do circuito Shield Galileu Cronômetro..........................................41
Figura 7: Shield Galileu Cronômetro – Versão 1.0.....................................................42
Figura 8: Desenho da placa Shield Galileu Cronômetro elaborado no KiCAD..........43
Figura 9: Placa do circuito Shield Galileu Cronômetro construída pela Fresadora PCI
João-de-Barro..............................................................................................................43
Figura 10: Protótipo do Shield Galileu Cronômetro Líquidos.....................................44
Figura 11: Esquema do circuito do Shield Galileu Cronômetro Líquidos...................45
Figura 12: Shield Galileu Cronômetro Líquidos..........................................................46
Figura 13: Desenho da placa Shield Galileu Cronômetro Líquidos............................47
Figura 14: Placa do circuito Shield Galileu Cronômetro Líquidos..............................47
Figura 15: Shield Galileu Ultrassônico........................................................................48
Figura 16: Esquema do circuito Shield Galileu Ultrassônico......................................50
Figura 17: Shield Galileu Ultrassônico........................................................................51
Figura 18: Desenho da placa Shield Galileu Ultrassônico..........................................51
Figura 19: Placa do circuito Shield Galileu Ultrassônico............................................52
Figura 20: Ambiente de desenvolvimento do Arduino - IDE.......................................54
Figura 21: Aba de acesso ao Monitor Serial...............................................................55
Figura 22: IDE do programa Python...........................................................................56
Figura 23: Gráfico de posição em função do tempo I.................................................58
Figura 24: Gráfico de posição em função do tempo II................................................58
Figura 25: Foto atual da Escola..................................................................................60
Figura 26: Frente da sala............................................................................................61
Figura 27: Fundos da sala...........................................................................................61
Figura 28: Slide mostrando o programa de aquisição de dados................................62
Figura 29: Alunos fotografando o equipamento..........................................................62
Figura 30: Alunos fazendo o esboço dos gráficos de velocidade em função do
tempo...........................................................................................................................64
Figura 31: Alunos realizando o experimento...............................................................64
Figura 32: Alunos observando o movimento da esfera dentro d' água......................66
Figura 33: Alunos realizando o experimento...............................................................66
Figura 34: Alunos organizados em grupos resolvendo o Questionário 2.1................66
Figura 35: Alunos realizando a Atividade Prática 2.1.................................................70
Figura 36: Gráfico de velocidade em função do tempo..............................................71
Figura 37: Esboço do gráfico de velocidade em função do tempo.............................72
Figura 38: Alunos organizados em grupos para responder o Questionário 4.2.........74
Figura 39: Aluno fazendo o teste de hipóteses...........................................................74
Figura 40: Gráfico de posição em função do tempo...................................................74
Figura 41: Exemplo de gráfico de posição em função do tempo................................76
Figura 42: Aluno reproduzindo o gráfico da atividade 5.1..........................................77
Figura 43: Alunos visualizando o gráfico de posição em função do tempo................77
viii
Figura 44: Equipamento posicionado na vertical........................................................78
Figura 45: Aluno realizando a demonstração do uso do equipamento de aquisição de
dados...........................................................................................................................79
Figura 46: Alunos fazendo a correção das questões do Questionário 6.2.................80
Figura 47: Alunos observando o gráfico de posição em função do tempo.................80
Figura 48: Alunos realizando a Atividade Prática 6.1.................................................80
Figura 49: Alunos fazendo a aquisição de dados de tempo.......................................80
Figura 50: Massa da bolinha de papel........................................................................83
Figura 51: Massa da bolinha de pebolim....................................................................83
Figura 52: Grupo de alunos realizando a aquisição de dados de tempo de queda...84
Figura 53: Alunos anotando na tabela os tempos de queda......................................84
Figura 54: Sequência das atividades propostas com a metodologia P.I.E................85
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Objetivos de aprendizagem propostos para a unidade de ensino.............35
Tabela 2: Modelos de Shield e programas "*.ino".......................................................53
Tabela 3: Relação dos Guias Pedagógicos e softwares utilizados............................57
Tabela 4: Links dos vídeos tutoriais no youtube.........................................................59
Tabela 5: Resposta dos alunos em relação a variação de energia mecânica...........83
Tabela 6: Dados referentes às questões 4, 5, 6, 7 e 8...............................................95
ix
SUMÁRIO
1 – INTRODUÇÃO......................................................................................................11
2 – ESTUDOS ANTERIORES.....................................................................................16
2.1 Aquisição automática de dados utilizando a placa de som e a porta de jogos
do computador........................................................................................................16
2.2 Aquisição automática de dados utilizando a placa Arduino-UNO....................21
3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.............................................................................26
3.1 Recursos Educacionais Abertos.......................................................................26
3.2 Teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel.................................28
4 – O PRODUTO EDUCACIONAL..............................................................................33
4.1 Guias Pedagógicos e Guias de Atividades.......................................................34
4.2 Equipamento de aquisição de dados................................................................36
4.2.1 Equipamento 1: sensores ópticos-suporte-barra roscada........................36
4.2.2 Equipamento 2: constituído por um cabo e sensor ultrassônico...............38
4.3 Hardware – Shields..........................................................................................39
4.3.1 Protótipo do Shield Galileu Cronômetro....................................................39
4.3.1.1 Shield Galileu Cronômetro – Versão 1.0............................................41
4.3.2. Shield Galileu Cronômetro Líquidos.........................................................44
4.3.2.1 Shield Galileu Cronômetro Líquidos – Versão 1.0.............................46
4.3.3 Shield Galileu Ultrassônico........................................................................48
4.3.3.1 Shield Galileu Ultrassônico – Versão 1.0...........................................50
4.4 Softwares..........................................................................................................52
4.4.1 Softwares para Arduino.............................................................................52
4.4.2 Softwares em Python............................................................................55
4.5 Vídeos: tutoriais de montagem.........................................................................59
5 – APLICAÇÃO DA PROPOSTA DIDÁTICA.............................................................60
5.1 Contexto de aplicação da proposta didática.....................................................60
5.2 Relato de Aplicação das Aulas.........................................................................62
5.2.1 Primeira aula: velocidades média e instantânea.......................................62
5.2.2 Segunda aula: movimento uniforme..........................................................65
5.2.3 Terceira aula: movimento uniformemente variado....................................68
5.2.4 Quarta aula: movimento uniformemente variado......................................70
5.2.5 Quinta aula: movimento uniformemente variado.......................................75
5.2.6 Sexta aula: queda livre..............................................................................77
5.2.7 Sétima aula: conservação de energia.......................................................81
6 – AVALIAÇÃO DOS ESTUDANTES E DA PROPOSTA DIDÁTICA.......................85
6.1 Avaliação dos estudantes.................................................................................86
6.2 Resultados da avaliação da proposta didática.................................................91
7 – CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................................................98
REFERÊNCIAS.........................................................................................................101
APÊNDICE – A..........................................................................................................104
APÊNDICE – B..........................................................................................................114
APÊNDICE – C..........................................................................................................119
APÊNDICE – D..........................................................................................................137
APÊNDICE – E..........................................................................................................170
APÊNDICE – F..........................................................................................................203
APÊNDICE – G.........................................................................................................204