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Defesa - Mestrado
Proposta Para Uma Abordagem De Ambiente Remoto Para Estudo de Superposição de Cores
Projeto de José Neres de Almeida Jr.
Orientador: Prof. Dr. Hermes Renato Hildebrand
TIDD – PUC-SP –
Mestrado – Programa de Pós-Graduação TIDD
São Paulo, 2014-2016
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 2
Sumário
Resumo Geral .........................................................................................................................4 Esquema Geral do Projeto ..................................................................................................5
CAPÍTULO I – Contextualização e Fundamentação .................................................. 14 1 Tema: Laboratório Remoto e o Ensino de Física Moderna.............................. 14 2 Problema: Dificuldades práticas - das simulações no ensino de física ao
laboratório remoto.............................................................................................................. 14 3 Estado da Arte .............................................................................................................. 17
4 Justificativa ................................................................................................................... 40 5 Objetivos da Pesquisa ............................................................................................... 42
5.1 Objetivos Específicos ......................................................................................... 43
6 Hipótese: Estratégias para adequação de laboratório remoto como
instrumento de utilização complementar a aulas presenciais ............................... 43 7 Fundamentação Teórica ............................................................................................ 48
7.1 Introdução .............................................................................................................. 48
7.2 WebLab ................................................................................................................... 49
7.2.1 Arduino No WebLab ............................................................................................ 51
7.2.2 O Que o Webduino traz de novo .......................................................................... 52
7.3 Procedimentos...................................................................................................... 53
7.3.1 Introdução ........................................................................................................... 54
7.3.2 Descrição do WebLab-Deusto ............................................................................. 54
7.3.3 Coleta de Dados .................................................................................................. 61
7.3.4 Segurança ........................................................................................................... 62
CAPÍTULO II - Desenvolvimento ..................................................................................... 63
8 Metodologia................................................................................................................... 63 9 Protótipo - Procedimentos e Desenvolvimento .................................................. 74
9.1 Introdução .............................................................................................................. 74
9.2 Contexto da Espectrofotometria no Ensino de Física Moderna ............. 76
10 Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado ........................ 78
10.1 Espectrofotômetros e seu Princípio de Funcionamento ....................... 79
10.2 Procedimentos de Construção ..................................................................... 84
10.2.1 Ajuste Ótico: Montagem do Trilho Emborrachado .............................................. 85
10.2.2 Montagem dos Circuitos (Sensor Detector de Cor TCS34725, Motor de Passo).. 86
10.2.2.1. Motor de passo e controle no sentido de rotação.............................................. 86
10.2.2.2. Sensores: .....................................................................................................101
10.2.2.2.1. Módulo Sensor Detector de Cores (TCS34725) .......................................101
10.2.2.2.2. Sensor Infra-Vermelho............................................................................102
10.2.3. Procedimentos de medição do comprimento de onda: ......................................115
10.2.3.1. Espectro projetado por difração......................................................................115
10.3. Experimento Remoto ..................................................................................... 117
10.3.1. Coleta dos Dados de Intensidade Luminosa e Comprimento de Onda: .............118
10.3.1.1. Saída Serial para a Internet ...........................................................................118
10.3.1.2. Interface de Controle Remoto ........................................................................119
10.3.1.2.1. Descrição da Interface ............................................................................119
10.3.1.3. Visualização do experimento pela WebCam ...................................................120
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 3
10.4. Ambiente Virtual de Aprendizagem ........................................................... 122
10.4.1. Conceitos, Teoria e Aplicabilidade .....................................................................122
10.4.1.1. O Moodle......................................................................................................126
10.4.2. Ambientes Virtuais e Ensino de Física ...............................................................129
11. Resultados ............................................................................................................... 132
11.1. Realização Do Experimento Remotamente ............................................. 135
11.2. Página do Experimento: montagem, visual e controle ........................ 136
11.2.1. Página “Sobre o Experimento”...........................................................................137
11.2.2. Página “Resultados” ..........................................................................................137
11.2.3. Página Tabelas ...................................................................................................138
11.2.4. Páginas “Teoria” e “Referências” ......................................................................139
11.2.5. Pagina “Simuladores” ........................................................................................140
11.2.6. Página do Blog do Experimento .........................................................................141
11.2.7. Página Faça você mesmo ...................................................................................141
11.2.8. Configurações Finais .........................................................................................142
CAPÍTULO III – Análises, Conclusões Parciais e Próximas Etapas ................... 144 12. Análises Possíveis e Testes Futuros ............................................................... 144
12.1. Usabilidade Do Ambiente Virtual De Aprendizagem ............................ 144
12.1.1. Análise do Tempo de Latência ...........................................................................144
12.1.2. Interação Aluno-Interface ...................................................................................145
13. Conclusões e Próximas Etapas ......................................................................... 150
13.1. Considerações Finais .................................................................................... 150
13.2. Considerações dos Resultados Parciais ................................................. 151
13.3. Próximas Etapas ............................................................................................. 152
Referências Bibliográficas ............................................................................................. 153 ANEXO ................................................................................................................................. 157
ANEXO 1 .......................................................................................................................... 157
Interface de Controle Remoto: Programação para a Interface de Controle Remoto ..........157
ANEXO 2 .......................................................................................................................... 166
ANEXO 3 .......................................................................................................................... 168
Programação no Arduino ..................................................................................................168
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 4
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 Geral 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, ou seja, um
laboratório de sensoriamento remoto que se desenvolve na PUC/SP, focado, portanto, no
ensino de conteúdos de Física. Para tanto, este estudo, e a implementação do experimento,
foram realizados com uma abordagem de construção de protótipo, com base na ideia da
metodologia de desenvolvimento, ressaltada por Van den Ayken, visando uma implementação
inicial e verificação, com testes de funcionalidade e adequação a possíveis necessidades de
usuários, para utilização em projeto futuro do Laboratório Remoto e verificação de possíveis
melhorias na aprendizagem de alunos, complementando o ensino ministrado por professores,
em escolas. Além disso a metodologia por trás do ambiente em que o laboratório remoto se
encontra se caracteriza por uma metodologia baseada em investigação (Dikke et al, 2015);
(de Jong et al, 2013); (Zacharia et al, 2015), com os conteúdos do ambiente remoto se
orientando para uma ideia que guie o usuário para a compreensão do tema, via método
científico (conceitualização, teoria, hipótese, experimento, conclusão). Sendo assim,
inicialmente foram realizadas pesquisas de levantamento do estado da arte e foi realizado o
levantamento da fundamentação teórica do tema proposto, e frente as necessidades atuais,
procedeu-se à montagem do protótipo do experimento, bem como a adaptação da estrutura
de arquitetura de rede criada para a adequação do laboratório com acesso remoto, dentro de
um ambiente que seja condizente com as necessidades do experimento e metodologia
utilizada, visando uma aprendizagem significativa do usuário, com relação a tópicos de Física,
principalmente no que se refere ao estudo das cores, para este experimento, bem como à
possíveis necessidade pedagógicas dos profissionais da área, esta última ainda em
remodelação. Ainda, no ambiente elaborado, o laboratório remoto pretende desenvolver
recursos didáticos que permitam utilizar a placa Arduino aplicada ao Ensino de Ciências, em
particular no Ensino de Física, em nível Médio e Superior (seja em Licenciaturas, seja em
Educação Continuada de Professores). A plataforma de desenvolvimento selecionada para
gerenciar os experimentos é o WebLab-Deusto, por sua inteligibilidade, funcionalidade e
segurança. Devido às questões estruturais de um Laboratório Remoto, e como apontado na
literatura pesquisada (Lima et. al., 2013), (Silva, 2007), (Neto, 2012), também é necessário
que a plataforma de desenvolvimento e acionamento do experimento esteja inserida no
ambiente remoto do experimento, conforme 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, foi reelaborado e readaptado, além do
experimento que especifica o laboratório remoto, o ambiente para contemplar as
necessidades pedagógicas e educacionais para o ensino e a aprendizagem dos conceitos
físicos da experiência que o usuário realiza.
PALAVRAS-CHAVE: Arduino, Weblab-Deusto, Laboratório Remoto, Ensino de
Física, Ambiente Virtual de Aprendizagem, Física Moderna.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 5
Esquema Geral do Projeto
Frente às necessidades enfrentadas pelas escolas e por alunos em serem
apresentados a conteúdos de Física, de uma forma que possibilite ser atraente ao
mesmo tempo em que seja significativa para a aprendizagem de quem a estuda, este
projeto visa o uso de experimentação remota de conteúdos de Física Moderna,
através de uma interface de controle remoto associado a um experimento físico real,
de modo que o usuário possa investigar os fenômenos decorrentes do experimento
real. Com a possibilidade de a interface do experimento estar inserida dentro de um
contexto de ambiente virtual e aprendizagem, acrescenta-se ao experimento a ênfase
de seu uso voltado ao aspecto educacional, com enfoque em simulações, textos,
imagens e outros conteúdos, mais informais, que possibilitem o enfoque da
aprendizagem destes conteúdos da Física Moderna, não somente através do
experimento remoto.
Para que isso aconteça, este projeto está dividido em Três partes, a citar: Capítulo
1: Contextualização e Fundamentação, o qual trata do contexto da questão dos
conteúdos de Física, bem como do uso de laboratórios (reais, virtuais e remotos) na
educação, além da justificativa e objetivos deste projeto. Além destes tópicos, neste
capítulo são tratadas as metodologias utilizadas para a confecção do argumento
teórico e prático da experimentação remota. No Capítulo 2: Desenvolvimento, tratam-
se os desenvolvimentos instrumentais e teóricos para a realização da montagem do
protótipo bem como resultados coletados até o momento, além da ideia de confecção
e as etapas para a realização do ambiente virtual de aprendizagem, mais voltado a
uma aprendizagem informal dos conceitos de Física Moderna, além do experimento
de espectrofotometria em si; finalmente, o Capítulo 3: Análises e Conclusões trata das
discussões teóricas e práticas, desde a idealização de um espectrômetro, passando
por questões do contexto da Física Moderna e a Educação até o que é necessário
para a montagem, culminando nas análises dos resultados e o que podem servir ao
propósito de apoiar o ensino de Física aliado a instrumentalização e visualização
remota, dentro dos quais se insere em um contexto interativo, o ambiente de
aprendizagem.
Para cada um destes capítulos foram subdivididas seções que especificam cada
um dos tópicos necessários para uma boa compreensão do contexto, dos objetivos,
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 6
da justificativa e da metodologia, além dos procedimentos utilizados na confecção
tanto do trabalho experimental, quanto da parte teórica e conceitual envolvidas na
montagem deste protótipo de experimentação remota em Física Moderna. A seguir
um breve resumo de cada um dos itens relacionados aos respectivos capítulos:
Resumo Geral
Trata do resumo geral do projeto, as justificativas que levam o autor a realizar este projeto,
as hipóteses do mesmo, seus objetivos, descrição de algumas das metodologias,
resultados parciais e o que se conclui até o momento.
CAPÍTULO I - Contextualização e Fundamentação
1. Tema: Laboratório Remoto e o Ensino de Física Moderna
Aqui se descreve o tema do projeto, 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. Trata-se, para tanto, das questões teóricas e do contexto do desenvolvimento
de laboratórios remotos, bem como do ambiente de aprendizagem no qual será inserido o
laboratório, e possíveis testes futuros, para validação em aplicações ligadas ao ensino de
Física.
2. Problema: As dificuldades práticas: das simulações no ensino de física ao
laboratório remoto.
Frente ao tema proposto, neste item são discutidas as problemáticas do ensino de
Física, seu contexto em ambiente nacional, os problemas relacionados a falta de significado
de determinados assuntos para a vivência do aluno, e como solução a esta questão
discorre-se das possibilidades atualmente utilizadas, começando pela
simulação/simuladores aplicados ao ensino de Física, tanto para as vantagens quanto
desvantagens, passando pelos laboratórios aplicados como possibilidade de tratamento de
assuntos mais práticos ao ensino de Física, discorrendo-se da forma como são utilizados,
incorrendo-se nos mesmos problemas de aulas tradicionais. Frente a isso, argumenta-se
da possibilidade de laboratórios remotos como complementação às aulas práticas, de modo
a torna-las mais significativas e interessantes. Levanta-se, porém, o fato de não se utilizar
estes laboratórios remotos da mesma forma como vem sendo ministradas as aulas, a fim
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 7
de nãos e voltar ao mesmo problema. Com isso torna-se interessante a utilização de
ambientes virtuais de aprendizagem, nos quais serão inseridos os laboratórios remotos, de
modo a tornar a aprendizagem dos conteúdos de Física Moderna mais informais e
interessantes ao usuário que vier a utilizá-lo.
3. Estado da Arte
A partir das problemáticas levantadas demonstra-se neste item o estado da arte
relacionado ao uso de laboratórios remotos no ensino de Física, ou seja, o que vem sendo
feito hoje em dia e de que forma os laboratórios são utilizados.
Além disso, apontam-se que, pelos relatos de pesquisa, 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. Evidencia-se que a Experimentação Remota associada ao
ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda é um campo muito novo e pouco explorado,
de modo que as consequentes e eventuais limitações na utilização desta ferramenta de
ensino devem ser estudadas de forma aprofundada, ou seja, deve-se estabelecer uma
metodologia adequada, a fim de se suprir as necessidades de uma aula prática.
Assim, uma solução passível de se considerar é a de que os laboratórios online,
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 qual o usuário consiga interagir e visualizar, coletando dados e analisando-
os, assimilando assim a teoria acerca do experimento. Para tanto, argumenta-se que o
ambiente de aprendizagem deve conter material de apoio, (hipertextos contendo
fundamentação teórica, conceitos, metodologia de relatório (exemplos), com a
experimentação remota se embasando 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, para que afinal, nãos
e volte aos mesmo problemas atualmente enfrentados, de modo a tornar ao usuário uma
experiência de aprendizagem que seja rica para sua vivência e com significado, de modo
que este usuário assimile os conceitos, adequando-os à sua experiência.
Neste item, finalmente, através dos relatos dos autores lidos, sugere-se que os
Laboratórios de Experimentação Remota surgem como algo novo e promissor, com
tendência de se tornarem instrumentos de experimentação muito eficientes, precisando,
porém de uma quantidade maior de pesquisas sistemáticas sobre suas reais
potencialidades, particularmente, na aprendizagem significativa em Física. Para que se
possa utilizar as experiências remotas não somente como curiosidade pelo acesso, mas
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como um instrumento, um recurso eficiente para tornar a aprendizagem de conceitos de
Física Moderna mais reais aos usuários, e não algo desinteressante e sem significado.
4. Justificativa
No item de justificativa, como complementação aos itens de contextualização
(problemática) e de estado da arte, formaliza-se o argumento das vantagens associadas ao
uso da experimentação remota dentro de um ambiente virtual e aprendizagem bem
estruturado e que vise a uma aprendizagem significativa, desassociando a visão de
disciplina sem significado e difícil. Coloca-se aqui a possibilidade de uso da experimentação
remota dentro do ambiente de aprendizagem, tanto para o usuário aluno quanto para
professores, além de futuras iniciativas associando a experimentação remota com cursos
de engenharia, como em conteúdos associados a automação e eletrônica, e não somente
no curso de Física, com a Física Moderna em si, já que nos cursos de engenharia a Física
Moderna serve de referência teórica.
5. Objetivos da Pesquisa e Objetivos Específicos
Em resumo, são descritos os objetivos do projeto que tangenciam os procedimentos
realizados, no sentido de dar uma finalidade e propósito ao argumento de se construir um
experimento que possa ser acionado remotamente.
6. Hipótese:
Aqui são apresentadas as hipóteses para se considerar o desenvolvimento deste
projeto, principalmente no que se refere às estratégias para adequação de laboratório
remoto como instrumento de utilização complementar a aulas presenciais, apresentando o
posicionamento de autores que trabalharam no assunto e os resultados que chegaram
permitindo a análise da situação atual e possibilidades do que se pode fazer, resultando na
adequação dos laboratórios remotos como recurso a aprendizagem de conteúdos de Física
Moderna sob um aspecto mais significativo e atraente ao usuário.
7. Fundamentação Teórica
Subdividido nos itens Introdução, WebLab (o qual se divide em “Arduino No
WebLab” e em “O Que o Webduino traz de novo”) e Procedimentos (dividido em
“Introdução”, “Descrição do WebLab-Deusto”, “Coleta de Dados” e em “Segurança”), este
tópico abrange a teoria que cerca a arquitetura cliente-servidor por trás da platarforma de
interação e acesso remoto, baseada na interface existente da Universidade de Deusto;
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 9
fundamenta também o porquê de se usar a plataforma de hardware Arduino associado com
um WebLab, para uso educacional, a fim de se disponibilizar conteúdos científicos, bem
como poder acionar os experimentos que contém estes conceitos. Descreve-se aqui os
procedimentos para a montagem da arquitetura de software, a ideia de criação da
plataforma de acesso remoto junto com o Arduino, a contextualização de se usar novas
ferramentas tecnológicas em associação com os conteúdos educacionais e científicos, a
fim se possibilitar a formação e informação do usuário, para atrair que usar para a
descoberta de novos conhecimentos científicos; são detalhadas também as facilidades de
acesso e possibilidades de interação do usuário com a interface, além de se estar em um
ambiente seguro e com coleta de dados em tempo real.
CAPÍTULO II – Desenvolvimento
8. Metodologia
No item de metodologia descrevemos as etapas, desde a contextualização e
fundamentação teórica (tanto em questão do que é e para que se é utilizado um laboratório
remoto, passando por aplicações), até a questão da descrição da montagem do protótipo,
(desde a conceituação e definição de componentes e posições, até discussões de prováveis
usos futuros do projeto). São descritas neste item as fundamentações metodológicas da
pesquisa, no sentido de se utilizar de uma abordagem de pesquisa de desenvolvimento (ou
metodologia de desenvolvimento) concomitante a construção de um protótipo, para
posterior uso em aplicações educacionais, com vistas a possibilidade de implementação
em escolas de ensino médio, com os testes a serem realizados em posterior projeto.
Neste tópicos são elencadas as etapas do projeto, desde as pesquisas de
levantamento do estado da arte, levantamento da fundamentação teórica do tema proposto,
e frente às necessidades atuais, procedendo-se à montagem do protótipo do experimento,
e 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. No caso do ambiente
virtual, este está em etapa de conceituação e estruturação.
E a fim de se referenciar a metodologia implementada são descritos autores que
relatam sobre as vantagens de uso do laboratório remoto (Nedic, 2003), analisando-se os
usos que se tem atualmente através de revisão do estado da arte atual (Cardoso e
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
10
Takahashi, 2011), e que, com base nas conclusões coletadas pelos autores, abre-se um
campo de possibilidades e de experimentações, as quais devem ser melhor trabalhadas,
visando as potencialidades que advém de uma maior sistematização.
Frente a este quadro, em termos metodológicos, verificou-se, para esta etapa do
projeto, antes da implementação do protótipo e verificação em ambiente educacional, a
linha que melhor se enquadra é a de um modelo metodológico misto muito divulgado no
domínio da Tecnologia Educativa e que, na literatura, se designa por metodologia de
desenvolvimento (VAN DEN AKKEN, 1999), a qual, utiliza, para a coleta e análise de dados,
instrumentos e técnicas tanto das abordagens quantitativas quanto qualitativas. Ainda,
Coutinho e Chaves (2001) sintetizam que as características básicas deste modelo
metodológico deve prezar que o fim último da pesquisa não é testar a teoria mas resolver
problemas práticos dos professores, ou de usuários; remete que a busca de uma 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; e com base nesta solução protótipo,
deve-se testar, avaliar e refinar o processo, num processo interativo, da solução protótipo
concebida, o que implica colaboração permanente entre investigadores, professores,
tecnólogos, usuários.
Tendo a metodologia a ser empregada, com relação a elaboração, desenvolvimento
e avaliação de um protótipo, o passo seguinte foi a escolha do laboratório remoto a utilizar
como referência, base para o desenvolvimento do próprio laboratório remoto, inserido em
um ambiente virtual de aprendizagem. Diante disso, 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.
Com base nestes laboratórios, procuramos mesclar características e introduzir
outras, 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 relacionadas ao tema trabalhado no experimento remoto, que podem
favorecer uma melhor aprendizagem.
9. Protótipo - Procedimentos e Desenvolvimento
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
11
Aqui se descrevem os procedimentos da montagem do protótipo do experimento
real, bem como os procedimentos do experimento remoto (para acesso e controle pela
interface colocada dentro do ambiente virtual de aprendizagem, o qual tem seus
procedimentos ainda em fase de montagem). São subdivididos em três frentes: uma
introdução, considerando como início a metodologia de desenvolvimento descrita
anteriormente e com base nas etapas de desenvolvimento, é feita uma breve descrição das
etapas do nosso desenvolvimento dos procedimentos do protótipo (da estrutura física e da
virtual), a segunda parte, mais referencial teórica, para as considerações de um
experimento de espectrometria, contidos nos itens “Contexto da Espectrofotometria no
Ensino de Física Moderna”, em que se conceitua a importância da Física Moderna,
problemas enfrentados no ensino da mesma, e como proposta o uso de laboratórios com
recursos, e em particular o laboratório remoto, dentro de uma proposta de ambiente de
aprendizagem. Frente às características do laboratório remoto, e suas vantagens, segue-
se ao subitem “Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado” e
“Espectrofotômetros e seu Princípio de Funcionamento”, nos quais são desenvolvidos a
ideia de se aplicar o experimento remoto com o experimento de
espectrofotometria/espectrometria. Seguindo, a terceira frente é a parte mais prática, dentro
da qual são descritos os procedimentos, programações e metodologias de montagem tanto
do experimento real, quanto das interfaces de controle remoto e de adequação ao ambiente
virtual. Estas considerações estão separadas nos seguintes itens: (acesso remoto do
experimento) “Interfaces”, “Visualização do Experimento” e “Interface de Controle Remoto
para acionamento da lâmpada de LED”; (descrições do ambiente virtual) “Construção do
Ambiente Virtual de Aprendizagem”; (testes de funcionamento) “Teste de Funcionamento
da Programação do Arduino”, “Teste de Funcionamento da Programação de Acionamento
da Lâmpada de LED” e “Teste de Acionamento do Experimento e Coleta de Dados”.
10. Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado
Este capítulo descreve as etapas de construção tanto do experimento físico, até as
coletas dos dados (seja da composição de cores, seja dos dados de irradiância por
comprimento de onda), quanto do experimento remoto (desde as etapas conceituais do
ambiente virtual, quanto da montagem das páginas de acesso remoto – e a descrição
de como se dá o acesso remoto - e propriamente do ambiente virtual). Este capítulo é
dividido em tais partes:
10.1 Espectrofotômetros e seu Princípio de Funcionamento
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
12
10.2 Procedimentos de Construção: foram subdivididos em 10.2.1 Ajuste Ótico:
Montagem do Trilho Emborrachado, 10.2.2 Montagem dos Circuitos (Sensor Detector
de Cor TCS34725, Motor de Passo), subdividido em 10.2.2.1 Motor de passo e controle
no sentido de rotação; 10.2.2.2. Sensores (subdivididos em 10.2.2.2.1. Módulo Sensor
Detector de Cores (TCS34725), 10.2.2.2.2. Sensor Infra-Vermelho), 10.2.3
Procedimentos de medição do comprimento de onda (subdivivido em 10.2.3.1. Espectro
projetado por difração); .
10.3. Experimento Remoto, dividido em 10.3.1. Coleta dos Dados de
Intensidade Luminosa e Comprimento de Onda, (subdividido em 10.3.1.1. Saída
Serial para a Internet, 10.3.1.2. Interface de Controle Remoto, (sendo 10.3.1.2.1.
Descrição da Interface) e 10.3.1.3. Visualização do experimento pela WebCam);
10.4. Ambiente Virtual de Aprendizagem (dividido em 10.4.1. Conceitos, Teoria e
Aplicabilidade, 10.4.1.1. O Moodle e 10.4.2. Ambientes Virtuais e Ensino de Física)
11. Resultados
Como os resultados estão sendo coletos, e estamos em fase de testes da montagem
para adequação ao ambiente virtual, o qual, por sua vez, também está sendo readequado
às necessidades pedagógicas (possíveis) futuras, neste item, provisoriamente,
disponibilizamos as imagens das páginas do experimento, no que se refere ao aspecto
visual, descrição das montagens e da interface de controle para acesso ao experimento,
com visualização do mesmo. Além de comentar brevemente sobre a necessidade de cada
página, sua função no experimento e comentar também sobre a necessidade da descrição
do experimento e de objetos educacionais que venham a possibilitar uma melhoria na
aprendizagem, de forma a torna-la mais significativa e que o usuário possa por si descobrir
novos conceitos, experiências e aplicações. Esta subdividido nas seguintes partes: 11.1.
Realização do Experimento e 11.2. Página do Experimento: montagem, visual e
controle. Este item (11.2.), por sua vez, se subdivide nos itens a respeito da montagem
das páginas, ou seja, em: 11.2.1. Página “Sobre o Experimento”, 11.2.2. Página
“Resultados”, 11.2.3. Página Tabelas, 11.2.4. Páginas “Teoria” e “Referências”,
11.2.5. Pagina “Simuladores”, 11.2.6. Página do Blog do Experimento, 11.2.7. Página
Faça você mesmo, 11.2.8. Configurações Finais.
CAPÍTULO III – Conclusões Parciais e Próximas Etapas
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
13
12. Análises Possíveis e Testes futuros
Este item trata a respeito das análises possíveis a serem realizadas a partir dos
resultados que esperamos realizar. Obviamente, dependendo dos resultados a serem
encontrados podem surgir novas análises. Contudo, mesmo com resultados inesperados
este item é importante pois fundamenta a análise a ser realizada e os testes que devemos
implementar para verificação da usabilidade do sistema e de como se dá a interação do
aluno com a interface, bem como quais problemas podem eventualmente surgirem e de
que forma poderemos contornar. Este item se divide em mais um tópico, 12.1. Usabilidade
Do Ambiente Virtual De Aprendizagem, que, como o próprio título explica, trata de como se
dá a usabilidade do sistema e de que forma poderemos investiga-la e testá-la. Este tópico,
por sua vez, se subdivide em outros dois (12.1.1. Análise do Tempo de Latência e 12.1.2.
Interação Aluno-Interface) que tratam dos testes a serem realizados, com base em tarefas
a serem implementadas, com base no que foi discutido na literatura a respeito, como se
encontra em (TAKAHASHI, 2014).
13. Conclusões e Próximas Etapas
Neste item são levantadas considerações finais, parciais, do projeto até esse
momento, o que fizemos e o que pretendemos fazer, bem como no que ele pode vir a
auxiliar, tanto por sua característica quando pelo aspecto inovador e dinâmico. São
consideradas e retomadas as ideias iniciais a partir das quais são descritos os
procedimentos das etapas desenvolvidas até o momento e o que se obteve a partir delas,
pela qual são descritas as próximas etapas, resumidamente, as etapas de construção e
ambiente virtual e aprendizagem e melhoria da interface de controle e visualização do
experimento. Este item é subdividido em 13.1. Considerações Finais, 13.2 Considerações
dos Resultados Parciais e 13.3. Próximas Etapas.
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CAPÍTULO I – Contextualização e Fundamentação
1 Tema: Laboratório Remoto e o Ensino de Física Moderna
O tema do trabalho em questão é a montagem de um protótipo e adequação
da estrutura das arquiteturas necessárias para o desenvolvimento de um laboratório
remoto como complementação, para aulas presenciais, e auxílio à abordagem de
tópicos de Física, mais precisamente para o estudo de cores, 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, já readequado, tanto pratica, quanto
teoricamente, deverá ser testado em suas funções e futuramente validado em
aplicações ligadas ao ensino de Física.
2 Problema: 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.
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
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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, p.29).
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. Uma simulação, por isso, nunca pode provar coisa alguma. O experimento real será sempre o último juiz. (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002, p. 83).
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.
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16
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 p.2):
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 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.
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, p. 2):
No Brasil podemos encontrar alguns laboratórios como (KYATERA, 2008), e um laboratório para prática remota de aulas Laboratoriais de Física (SILVA, 2007). 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
(GARCÍA-ZUBÍA et al, 2012, p. 230). 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
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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, como por exemplo o estudo dos padrões de cores,
um tema que desperta interessa não apenas da Física mas também de áreas da
Biologia, Fotografia, Fisiologia, entre outras, e que pode ser utilizada dentro de uma
temática interdisciplinar que venha a despertar um interesse mais significativo aos
estudantes. Além disso, e por consequência nosso objetivo também se desmembra
para quais interfaces podem ser melhor elaboradas e utilizadas junto ao ambiente no
qual o laboratório remoto esteja inserido, visando ao usuário (seja professor ou aluno)
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
em Vozniuk et al (2015) e Rodríguez-Triana et al (2015), que expressam,
respectivamente, as necessidades e características do uso de aplicativos que
acessem laboratórios remotos sob uma perspectiva de aprendizagem híbrida, e uma
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análise das necessidades dos ambientes remotos sob a perspectiva dos professores,
com base em uma aprendizagem baseada em investigação (IBL, do inglês, Inquiry-
Based Learning).
Além disso, foram analisados para este levantamento do estado da arte 32
artigos que remetem ao uso dos laboratórios remotos em educação (cujas citações
estão disponíveis no portal internacional de laboratórios remotos – GoLab -, em
http://www.go-lab-project.eu/publications), dos quais selecionamos 15 artigos, devido
às suas características por envolver temas de Ciências e/ou Física aplicadas a uma
discussão do ambiente em função de uma aprendizagem significativa. A tabela a
seguir mostra os artigos que foram escolhidos, e dentro destes os que foram
selecionados.
Tabela 1- Índice dos artigos separados para análise e selecionados para releitura bibliográfica
Índice Artigo (Referência) Selecionado ou não 1. Kreiter, C.; Garbi Zutin, D.: Enhancing
the Usability of the Blackbody Radiation Remote Lab. In: Proceedings of the 3rd Experiment@ International Conference, exp.at'15, p. 55. Publication Publisher: IEEE Computer Society, Ponta Delgada, São Miguel Island, Azores, Portugal, 2015. Download
Não. Apenas Resumo.
2. Salzmann, Ch.; Govaerts, S.; Halimi, W.; Gillet, D. : The Smart Device Specification for Remote Labs. In: Proceedings of the 12th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, REV 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Bangkok, Thailand, 2015. Download
Não (sem envolvimento com a Física. Mas a questões interessantes discutidas em análise para a parte educacional)
3. Rodriguez-Gil, L.; Orduña, P.; Bollen, L.; Govaerts, S.; Holzer, A.; Gillet, D.; López-de-Ipiña, D.; García-Zubia, J.: The AppComposer Web Application for School Teachers: A Platform for Translating and Adapting Educational Web Applications. In: Proceedings of the 6th IEEE Global Engineering Education Conference, EDUCON 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallin, Estonia, 2015. Download
SIM. Plataforma de aplicação web para professors.
4. Dziabenko, O.; García-Zubía, J.: Planning and Designing Remote Experiment for School Curriculum. In: Proceedings of the 6th IEEE Global
Não (não é possível baixar o documento)
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Engineering Education Conference, EDUCON 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallin, Estonia, 2015.
5. Zervas, P.; Tsourlidaki, E.; Sotiriou, S.; Sampson, D.: Towards a Metadata Schema for Characterizing Lesson Plans Supported by Remote and Virtual Labs for School Science Education. In: Proceedings of the 12th International Conference on Cognition and Exploratory Learning in Digital Age, CELDA 2015, Publication Publisher: Springer, Dublin, Ireland, 2015. Download
SIM. Caracterização de planos de aula suportados por laboratórios remotos para educação de Ciências.
6. Zervas, P.; Authentopoulou, A.-E.; Sampson, D.: Characterizing Virtual and Remote Laboratories with Educational Metadata. In: Proceedings of the Open Discovery Space Conference, EDEN Open Classroom 2015, Publication Publisher: EDEN Open Classroom, Athens, Greece, 2015. Download
SIM
7. Zacharia, Z.C.; Manoli, C.; Xenofontos, N.; De Jong, T.; Pedaste, M.; Van Riesen, S.; Kamp, E.; Mäeots, M.; Siiman. L.; Tsourlidaki, E.: Identifying potential types of guidance for supporting student inquiry when using virtual and remote labs: A literature review. In: Educational Technology Research and Development: Vol. 63, p. 257-302. Publication Publisher: Association for Educational Communications & Technology, 2015.
Não. O artigo não está disponível eletronicamente.
8. Vozniuk, A.; Rodriguez-Triana, M. J.; Holzer, A.; Govaerts, S.; Sandoz, D.; Gillet, D.: Contextual Learning Analytics Apps to Create Awareness in Blended Inquiry Learning. In: Proceedings of the 14th International Conference on Information Technology Based Higher Education and Training, ITHET 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Lisbon, Portugal, 2015. Download
SIM.
9. Sergis, S.; Vlachopoulos, P.; Sampson, D.: Flipped Classroom Teaching Model Templates for STEM Education. In: Proceedings of the Open Discovery Space Conference, EDEN Open Classroom 2015, Publication Publisher: EDEN Open Classroom, Athens, Greece, 2015. Download
SIM. Modelos de aulas invertidas para o modelos STEM de Ensino.
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10. Salzmann, Ch.; Govaerts, S.; Halimi, W.; Gillet, D.: The Smart Device Specification for Remote Labs. In: International Journal of Online Engineering (iJOE): Vol. 11, No. 4, Publication Publisher: iJOE, 2015. Download e Apresentação
SIM. Especificação de Dispositivos Inteligentes para acoplagem em arqiteturas de software de laboratórios remotos, permitindo depuração de resultados e maior troca de informações, visando facilitar o trabalho do professor na comunicação com o usuário.
11. Rodríguez-Triana, M. J.; Holzer, A.; Vozniuk, A.; Gillet, D.: Orchestrating Inquiry-Based Learning Spaces: an Analysis of Teacher Needs. In: Proceedings of the 14th International Conference on Web-based Learning, ICWL 2015, Publication Publisher: Springer, Guangzhou, China, 2015. Download
SIM
12. Pedaste, M.; Mäeots, M.; Siiman L. A.; De Jong, T.; Van Riesen, S. A. N.; Kamp, E. T.; Manoli, C. C.; Zacharia, Z. C.; Tsourlidaki, E: Phases of inquiry-based learning: definitions and the inquiry cycle. In: Educational Research Review: Vol. 14, p. 47-61. Publication Publisher: Elsevier Ltd., 2015. Download
SIM. Fases da Apendizagem baseada em investigação e desenvolvimento das discussões sobre o ciclo de investigação.
13. Manske, S.; Hecking, T.; Chounta, I.-A.; Werneburg, S.; Hoppe; H. U.: Using Differences to Make a Difference: A Study in Heterogeneity of Learning Groups. In: Proceedings of the 11th International Conference on Computer Supported Collaborative Learning, CSCL 2015, Vol 1, p. 182 – 189. Publication Publisher: ISLS, Gothenburg, Sweden, 2015. Download
SIM
14. Manske, S.; Chounta, I.-A.; Rodríguez-Triana, M. J.; Gillet, D.; Hoppe; H. U.: Exploring Deviation in Inquiry Learning: Degrees of Freedom or Source of Problems?. In: Proceedings of the 23rd International Conference on Computers in Education, ICCE 2015, Publication Publisher: Asia-Pacific Society for Computers in Education, Hangzhou, China, 2015. Download
SIM. Esse artigo explora os desvios na aprendizagem por investigação no que se refere à Liberdade dada ao aluno e consequencias dessa metodologia no que se refere ao uso dos laboratórios remotos.
15. Kreiter, C.; Garbi Zutin, D.; Auer, M. E.: An HTML Client for the Blackbody Radiation Lab. In: Proceedings of the 12th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, REV 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Bangkok, Thailand, 2015. Download
Não. Apenas resumo.
16. Heintz, M.; Law, E. L.; Soleimani, S.: Paper or Pixel? Comparing Paper- and
Não. Arquivo não disponível gratuitamente.
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Tool-based Participatory Design Approaches. In: Proceedings of the 15th IFIP TC.13 International Conference on Human-Computer Interaction, INTERACT 2015, Publication Publisher: Springer, Bamberg, Germany, 2015. Download
17. Heintz, M.; Law, E. L.; Manoli, C.; Zacharia, Z.; Van Riesen, S. A. N.: A survey on the usage of online labs in science education: Challenges and implication. In: Proceedings of the 6th IEEE Global Engineering Education Conference, EDUCON 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallin, Estonia, 2015.
Não. Arquivo não disponível para download.
18. Heintz, M.; Law, E. L.: Solution-based Requirements Capture with PDot in an E-Learning Context . In: Proceedings of the 15th IFIP TC.13 International Conference on Human-Computer Interaction, INTERACT 2015, Publication Publisher: Springer, Bamberg, Germany, 2015.
SIM
19. Halimi, W.; Salzmann, Ch.; Gillet, D.: The Smart Wind Turbine Lab. In: Proceedings of the 3rd Experiment@ International Conference, exp.at'15, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Ponta Delgada, São Miguel Island, Azores, Portugal, 2015. Download
Não. Arquivo disponível eletronicamente apenas com o resumo.
20. Govaerts, S.; Cao, Y.; Faltin, N.; Cherradi, F.; Gillet, D.: Tutoring Teachers - Building an Online Tutoring Platform for the Teacher Community. In: Immersive Education, Communications in Computer and Information Science, Vol. 486, p. 39-51. Publication Publisher: Springer, Vienna, Austria, 2015. Download
SIM
21. Fernandez, G. C.; Ruiz, E. S.; Castro Gil, M.; Mur Perez, F.: From RGB led laboratory to servomotor control with websockets and IoT as educational tool. In: Proceedings of the 12th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, REV 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Bangkok, Thailand, 2015. Download
SIM. Menção ao uso de websockets na arquitetura de software e experimentos variados de tecnologia e de física, nesse ultimo caso, com LED RGB.
22. Fernandez, G. C.; Carrasco Borrego, R.; Plaza Merino, P.; Cañas Lopez, M. A.; San Cristóbal Ruiz, E.; Castro Gil, M.;
Não. Texto não disponível para download, mas a apresentação sim.
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22
Mur Perez, F.: Mechatronics and robotics as motivational tools in remote laboratories. In: Proceedings of the 6th IEEE Global Engineering Education Conference, EDUCON 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallin, Estonia, 2015. Apresentação e Download
Alguns pontos discutidos ali devem ser utilizados ao longo deste capítulo.
23. Dikke, D.; Faltin, N.: Go-Lab MOOC – An online course for teacher professional development in the field of Inquiry-Based Science Education. In: Proceedings of the 7th International Conference on Education and New Learning Technologies, Publication Publisher: IATED, Barcelona, Spain, 2015. Download
SIM. Explora o desenvolivmento professional do professor dentro de uma perspectiva de Ensino de Ciências baseado em investigação, para um curso on-line no projeto Go-Lab (portal de laboratórios remotos).
24. De Jong, T.: Simulation-based learning. In: J. Spector (Ed.): The SAGE encyclopedia of educational technology, p. 647-650. Publication Publisher: SAGE Publications, Inc., Thousand Oaks, California, United States, 2015.
Não. Artigo não disponível eletronicamente.
25. Centeno, R.; Rodriguez-Artacho, M.; Garcia, F.; Sancristobal, E.; Diaz, G.; Castro, M.: Towards learning resources rankings in MOOCs: A pairwise based reputation mechanism. In: Proceedings of the 6th IEEE Global Engineering Education Conference, EDUCON 2015, Tallin, Estonia, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallin, Estonia, 2015. Download
Não. Texto disponível eletronicamente, mas não gratuitamente.
26. Cao, Y.; Kovachev, D.; Klamma, R.; Jarke, M.; Lau, R. W. H.: Tagging diversity in personal learning environments. In: Journal of Computers in Education, March 2015: Vol. 2, Issue 1, p. 93-121. Publication Publisher: Springer, 2015. Download
Não. Embora trabalhe o desenvolvimento de um protótipo de ambiente de aprendizagem pessoal e baseado na procura de tag’s, o faz em poemas clássicos chineses, ass
27. Cao, Y.; Tsourlidaki, E.; Edlin-White, R.; Dikke, D.; Faltin, N.; Sotiriou, S.; Gillet, D.: STEM Teachers’ Community Building through a Social Tutoring Platform. In: Proceedings of the14th International Conference on Web-based Learning, ICWL 2015, Publication Publisher: Springer, Guangzhou, China, 2015.
Não. Artigo disponível eletronicamente mas não gratuitamente.
28. Tsourlidaki, E.; Zervas, P.; Sotiriou, S.; Sampson, D.: An Investigation with European School Teachers on how to Characterize Virtual and Remote Labs. In: Proceedings of the IEEE 6th
Não. Arquivo disponível eletronicamente, mas não gratuitamente.
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23
International Conference on Engineering Education towards Excellence and Innovation 2015, Publication Publisher: IEEE Computer Society, Tallinn, Estonia, 2015. Download
29. Zervas, P.; Sergis, S.; Sampson, D.; Fyskilis, S.: Towards Competence-Based Learning Design Driven Remote and Virtual Labs Recommendations for Science Teachers. In: Technology, Knowledge and Learning, Publication Publisher: Springer, 2015. Download e Apresentação
Não. Arquivo disponível eletronicamente, mas não gratuitamente. Apenas resumo disponível de graça. Apresentação disponível eletronicamente. Por conter elementos sobre o processo de educação aberta nos laboratórios remotos será citada.
30. Pedaste, M.; Mäeots, M.; Siiman, L. A.; de Jong, T.; van Riesen, S. A. N.; Kamp, E. T.; Manoli, C. C.; Zachariac, Z. C.; Tsourlidaki, E.: Phases of inquiry-based learning: definitions and the inquiry cycle. In: Educational Research Review, p. 47-61. Publication Publisher: European Association for Research on Learning and Instruction (EARLI), 2015. Download
Sim, por conter uma discussão mais aprofundada sobre o processso cíclico da aprendizagem por investigação, uma bases teóricas aplicada ao desenvolvimento de laboratórios remotos, mundialmente.
31. Zacharia, Z.C.; Manoli, C.; Xenofontos, N.; de Jong, T.; Pedaste, M.; van Riesen, S.A.N, Kamp, E.T.; Mäeots, M.; Siiman, L.; Tsourlidaki, E.: Identifying potential types of guidance for supporting student inquiry when using virtual and remote labs in science: a literature review. In: Educational Technology Research & Development, Publication Publisher: Springer US, 2015. Download
SIM. Revisão bibliográfica sobre os potenciais tiposde guias para auxílio a investigação de estudantes no uso de laboratórios remotos e virtuais, nas áreas de Ciências.
Posteriormente a seleção dos artigos ainda restringimos mais a escolha no que
se refere apenas às discussões teóricas ou práticas do uso de laboratórios remotos
nas áreas científicas, tanto quanto nas alternativas de aprendizagem desenvolvidas
neles. Após esta restrição, ficamos com 11 artigos (caracterizados pelos índices 3, 5,
9, 10, 11, 12, 14, 21, 23, 30 e 31) que devem ser comentados nos próximos
parágrafos.
Nesse caso, os artigos de 3 a 10 tratam da temática dos laboratórios remotos
no desenvolvimento dos professores e usuários; nos artigos 12 e 14 tratam do
desenvolvimento de interfaces para facilitar o uso por parte dos professores e a
aprendizagem dos alunos; e nos textos de 23 a 31 tratam da questão da aprendizagem
por investigação aplicada aos laboratórios remotos, seja nas possibilidades que
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apresenta ou mesmo nas consequências que se tem com a metodologia, no ensino
com ambientes remotos de investigação, na concepção das Ciências.
Cabe lembrar que esse levantamento bibliográfico toma os anos mais recentes,
e que como o uso de laboratórios remotos é uma área com recente investigação
educacional, novas possibilidades e uso de novas tecnologias podem influenciar no
próprio uso das plataformas remotas, ou mesmo com melhorias na usabilidade e
aplicabilidade dos sistemas. Por exemplo, em relação ao levantamento realizado por
Cardoso e Takahashi (2011), o qual era justamente visando o estudo e aplicabilidade
dos laboratórios remotos em Física, Engenharia e outras áreas científicas, novas
tecnologias surgiram e melhoraram a eficiência das interfaces possíveis dentro dos
laboratórios. Novos programas surgiram para melhorar o tempo de resposta entre um
comando enviado pelo cliente e recebido pelo servidor (Salzmann et al, 2015).
Isso nos remete a entender as discussões a respeito do desenvolvimento e o
uso no contexto educacional de Física dos Laboratórios Remotos, além das
discussões de usabilidade dos laboratórios remotos e emprego das teorias de ensino
e aprendizagem, da época de Cardoso e Takahashi (2011) em comparação com a
aplicação de, por exemplo, a Aprendizagem Baseada em Investigação (IBL, do inglês
Inquiry Based Learning) (Dikke, et al, 2015), (Pedaste, et al, 2015b) e (Zacharia, et al,
2015), nos tempos mais recentes. Para tanto, como apontado, são 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, em comparação com
as observações e desenvolvimentos ocorridos desde então (Rodrigues-Gil, et al,
2015), (Zervas, et al, 2015), (Sergis, et al, 2015), (Salzmann, et al, 2015), (Rodríguez-
Triana, et al, 2015), (Pedaste, et al, 2015a), (Manske, et al, 2015), (Fernandez, et al,
2015), (Dikke, et al, 2015), (Pedaste, et al, 2015b) e (Zacharia, et al, 2015) 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”, até o ano de 2011. O intuito
dos autores, assim como um dos objetivos deste projeto corrente, era 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-
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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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
deste âmbito, Dikke, et al (2015) e Pedaste, et al (2015b), discorrem sobre a
fundamentação dos laboratórios remotos sob a ótica da aprendizagem baseada em
investigação, tratando das fases de desenvolvimento para se chegar a um objetivo de
estudo.
Dikke, et al (2015) discorrem sobre o desenvolvimento profissional dos
professores dentro dos laboratórios remotos que tratam dentro da perspectiva da IBL,
e quais as melhorias que apresentam. Além disso os autores discorrem sobre o fato
da perspectiva dos laboratórios remotos estarem mais coesos hoje em dia, devido à
ideia de se formar um consórcio europeu para difundir as investigações com
laboratórios remotos aplicados ao estudo de ciência, no que se formulou como o
GoLab (consórcio esse que fundamenta as pesquisas selecionadas para este estudo
bibliográfico). Esse fato, por si só, já avança um dos problemas que se apresentava
na época de Cardoso e Takahashi (2011), no caso, antes de 2011.
Isso porque ao se comparar as pesquisas os autores podem avançar em seus
conhecimentos, compartilhando impressões, levantando novas possibilidades e
trocando materiais de pesquisa e mesmo com mais acessos aos weblabs, se
consegue investigações e desenvolvimentos mais aprofundados. Com o GoLab, os
professores têm a possibilidade de terem uma formação contínua e se envolverem
mais com os avanços dos laboratórios remotos de seus pares e mesmo dos usuários,
que com mais acessos se tornam mais íntimos dos laboratórios e a questão do
estranhamento com a tecnologia vão diminuindo.
A própria perspectiva da experimentação remota ganha mais propriedade
através de uma sistematização de investigação, através das fases de investigação,
definidas em Pedaste, et al, (2015b). Novas motivações e descobertas surgem através
deste viés podem ser trabalhados pelos professores, para que os próprios usuários
sejam autônomos em suas descobertas; com isso, o professor passa a orientar o
usuário remotamente em seu processo de aprendizagem. O usuário, por outro lado,
se familiariza com o processo do método científico. Assim, o estudo científico pode
ser mais atraente e possibilita novas descobertas, dentro de um ambiente remoto que
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não apenas serve ao processo de se obter resultados dentro de um experimento, mas
também entender o seu significado e contexto, quando colocado dentro de uma
perspectiva que tal conhecimento pode ser construído, investigado.
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, em 2011, Cardoso e Takahashi (2011, p. 188) apontavam que:
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 (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011, p. 188):
[...] 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 não
se 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, p.188-
189)
Com base nestas prerrogativas, os autores abordam a metodologia de
aprendizagem baseada em investigação para laboratórios remotos, desde sua
adequação até a sua implementação e uso educacional. Com base nessa
metodologia, que se baseia no método científico e em suas fases, para os autores
Pedaste et al (2015), o objetivo da metodologia de aprendizagem baseada em
investigação é “envolver os alunos em um autêntico processo de descoberta
científica”. (Pedaste et al, 2015, p.48):
“Do ponto de vista pedagógico, o processo científico complexo é dividido em unidades menores, logicamente conectadas que orientam os alunos, chamando-lhes a atenção para aspectos importantes do pensamento
científico. Estas unidades individuais são chamadas fases de investigação e o seu conjunto de conexões forma um ciclo de investigação”.
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Nesse sentido, os autores citados mencionam o modelo do ciclo de
aprendizagem dos 5E, que tratam de cinco fases de investigação (fundamentados em
(Bybee et al, 2015): engajamento, exploração, explanação, elaboração, e avaliação
(em inglês, 5E learning cycle model – engagement, explroation, explanation,
elaboration, evaluation). Nestas fases, dependendo do pesquisador, é observado que
se pode balancear para mais ou para menos abordagens ora indutivas, ora dedutivas,
dependendo da fase de investigação. Por outro lado, para outros autores (Klahr e
Dunbar, apud Pedaste et al, 2015b), o processo de raciocínio científico é caracterizado
em duas esferas – a da experimentação e da hipótese -, e dentro destes espaços se
é trabalhada a investigação em um ambiente remoto, ora indo para a hipótese, ora
indo ao experimento. Por isso, a forma de se optar por recursos indutivos ou dedutivos
pode depender do campo em que se está trabalhando, bem como da fase em que se
está orientando ao usuário.
Assim, com base em um levantamento bibliográfico de 32 (trinta e dois) artigos,
Pedaste et al (2015b) formulam um modelo de 5 (cinco) fases de investigação
(Orientação, Cenceitualização, Investigação e Conclusão – baseado em modelo
formulado por de Jong et al, 2014 (apud Pedaste et al, 2015) , porém mais
sistematizado e com possibilidades de permutações e novos ciclos dentro de um
mesmo processo). Nesta formulação do processo é possível se utilizar como entrada
para o processo uma experimentação ou explanação, para depois se formular
hipóteses, coletar dados e se concluir, ou mesmo, após a coleta de dados, se formar
uma nova contextualização, formular uma nova hipótese, experimentar, explorar,
coletar novos dados, e se concluir. Ou seja, o processo se transforma em vários ciclos
possíveis dentro de um mesmo processo, algo mais próximo do raciocínio científico,
de forma a familiarizar o usuário/aprendiz, e facilitar uma orientação de estratégia ao
professor, que por sua vez, tem a sua escolha deixar o processo mais livre, ou
delimitar a sua estratégia de uso. Essa formulação permite se utilizar o ambiente
remoto tanto dentro de um contexto mais estruturado de ensino quanto em um
ambiente mais livre (Pedaste et al, 2015b).
No caso da formulação das 5 fases – Orientação, Conceitualização,
Investigação e Conclusão -, para os laboratórios remotos, Zacharias et al (2015),
apontam que uma derivação da IBL, a aprendizagem baseada em investigação com
suporte ao computador (do inglês Computer Suported Inquiry Learning, ou
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simplesmente, CoSIL) é uma das metodologias que utiliza o computador como
ambiente para aprendizagem, em conjunto com a ideia de raciocínio científico dentro
de uma metodologia investigativa de modo que o usuário possa realizar as etapas do
método científico dentro de sua pesquisa.
Zacharia et al (2015) apontam que:
“os ambientes de aprendizagem computadorizados foram identificados por
muitos pesquisadores como sendo um dos melhores meios para se ter, de fato, uma aprendizagem, pois fornecem recursos que outros meios tradicionais (por exemplo, papel–e–lápis, atividades, laboratórios físicos) não
podem oferecer, tais como múltiplas representações, feedback pessoal instantâneo, informações estruturadas não-seqüenciais, não-lineares e em que os alunos podem procurar instantaneamente de acordo com as suas
necessidades, interesses ou objetivos [...]” (apud Zacharia et al, 2015)
Além disso os ambientes em que os laboratórios remotos se encontram, de
acordo com Zacharia et al (2015), se projetados apropriadamente, são importantes
para o reforço da aprendizagem do estudante. Pela literatura (Zacaria et al, 2015), se
percebe que a aprendizagem dentro de tais ambientes coloca desafios para a maioria
dos estudantes, principalmente por causa da complexidade cognitiva e meta-cognitiva
das experiências de aprendizagem que esses ambientes oferecem, e muito devido
(Zacharia et al, 2015) à riqueza de informação e da diversidade de relações que o
usuário consegue retirar do ambiente com o qual interage, além da transparência com
a qual o usuário consegue perceber o conteúdo.
Por outro lado, quando o usuário acessa um laboratório on-line (seja virtual ou
remoto), encontra alguns pontos a se considerar, principalmente quando volta a
acessar. Na volta (Zacharia et al, 2015), o estudante pode ver o mesmo objeto através
de múltiplas representações, incluindo representações de objetos abstratos /
conceituais (por exemplo, em uma simulação ou em um laboratório virtual, ele pode
observar simulações de raios de luz, de elétrons), que não estão disponíveis no mundo
real, e melhorar sua compreensão do fenômeno em estudo (Zacharia et al, 2015),
ainda que seja importante mencionar que não se trata do objeto real e sim um conceito
(e isso é importante ser explicado no ambiente e pelo professor).
No caso dos laboratórios remotos, por exemplo, de Jong et al (2013) analisam
as necessidades de guias na metodologia de aprendizagem baseada em
investigação, e apontam que é essencial abordar a questão, a fim de que se obtenha
melhores orientações dentro dos parâmetros utilizados em um ambiente remoto (do
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laboratório remoto). Inclusive sugerem à comunidade concentrem suas pesquisas no
desenvolvimento e utilização de devidas orientações para o abordagem mais eficiente
de práticas que se utilizem da metodologia de aprendizagem baseada em
investigação (IBL) dentro dos ambientes colcoados nos laboratórios, sejam tanto
virtuais quanto remotos.
É importante observar que além da motivação dos espaços de investigação (e
que acabam por utilizar a metodologia IBL), nos projetos que são desenvolvidos pela
proposta do GoLAB, existe uma motivação do apelo científico colocado em núcleos
de grandes ideias (Big Ideas - www.golabz.eu/big-ideas ):
1ª ideia - A energia não pode ser criada nem destruída (apenas pode ser
transforma de uma forma para a outra). A transformação de energia
pode levar à mudança de estado ou de movimento;
2ª ideia - Existem quatro interações/forças fundamentais na natureza
(Gravitação, Eletromagnetismo, Força Nuclear Forte, e Força Nuclear
Fraca – todos os fenômenos naturais são devidos à presença de uma
ou mais dessas interações. As forças atuam nos objetos e podem agir à
distância através do campo físico respectivo, causando uma mudança
no movimento ou no estado da matéria);
3ª ideia - A Terra é uma parte muitíssimo pequena do Universo (o
Universo é composto por bilhões de galáxias, as quais contém bilhões
de estrelas – sóis – e outros objetos celestes. A Terra é uma parte
muitíssimo pequena de um sistema solar com um sol no seu centro, o
qual por sua vez é uma parte muito pequena do Universo);
4ª ideia - Toda a matéria no Universo é composta de partículas muito
pequenas (Elas estão em movimento constante e a ligação entre elas
são formadas por interações entre as mesmas. Partículas elementares
como as conhecemos forma átomos e átomos forma moléculas. Existe
um número finito de tipos de átomos no Universo, os quais são os
elementos da tabela periódica;
5ª ideia - Em escalas muito pequenas, nosso mundo é sujeito às leis da
mecânica quântica (toda a matéria e radiação exibem ambas
propriedades de ondas e de partículas. Nós não podemos
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simultaneamente conhecer a posição e o momento de uma partícula – é
o princípio da incerteza);
6ª ideia - A evolução é a base tanto da unidade da vida quanto da
biodiversidade dos organismos (os organismos passam suas
informações genéticas de uma geração à outra);
7ª ideia - Os organismos são organizados em bases celulares (Elas
requerem uma fonte de energia e de materiais. Toda a forma de vida no
nosso planeta é baseada em um componente-chave comum);
8ª ideia - A Terra é um sistema de sistemas os quais influenciam e são
influenciados pela vida no planeta. (O processo ocorrendo dentro desse
sistema influencia a evolução de nosso planeta, dão forma ao clima e à
superfície terrestre. O sistema solar também influencia a Terra e a vida
no planeta).
Assim, esta seção “Big Ideas of Science” (ou Grandes Ideias da Ciência) são
um conjunto de conceitos-chave científicos que descrevem o mundo que nos rodeia.
Eles nos permitem conceber a conexão entre diferentes fenômenos naturais que, à
primeira vista, podem parecer irrelevantes, mas que na verdade têm suas raízes nos
mesmos princípios e leis da natureza. O GoLab introduz o "Big Ideas" como uma
espinha dorsal pela qual os alunos podem construir seu conhecimento com base
nessa prerrogativa, conforme se conectam aos assuntos da Ciência, diferente da
forma que são ensinados na escola, tanto quanto de eventos e fenômenos de suas
vidas os quais lhes são ensinados de maneira tão diferente durante sua vida escolar.
Desse modo, dentro dos espaços de investigação, e centrado nestas ideias-
chave, o usuário de um laboratório remoto pode experimentar um pouco da prática
científica e usufruir do laboratório remoto de forma diferente do que usaria apenas
como um visitante. Devido a isso, é necessário que quem dirija a experiência do
usuário nestes ambientes tenha a devida orientação e saiba colocar em prática a
necessária didática e permitir ao usuário/estudante que ele percorra os caminhos,
desde a contextualização até a conclusão. Essas discussões de como se colocar
essas orientações às fases do espaço de investigação são discorridas nos artigos de
(de Jong, et al, 2013), (Zacharia et al, 2015), (Dikke e Faltin, 2015), (Pedaste et al,
2015a), (PEdaste et al, 2015b), e principalmente em (Dikke et al, 2015), no artigo
“GOLABZ: TOWARDS A FEDERATION OF ONLINE LABS FOR INQUIRY-BASED
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SCIENCE EDUCATION AT SCHOOL”, o qual faz um apanhado das motivações,
pontos importantes e originais no projeto Go-Lab e que influencia no desenvolvimento
do aprendizado de estudantes através do laboratório (virtual e remoto), com o uso de
espaços de investigação.
Até o momento observamos a situação de pesquisa dos laboratórios remotos
e metdologias associadas ao ensino com laboratórios remotos, para os casos dos
laboratórios desenvolvidos em conjunto pelos comitês europeus, dentro do projeto
GoLAB. O uso de espaços de investigação, da divisão em etapas que simulem o
método científico no âmbito da pesquisa estudantil nos laboratórios remotos é
relativamente recente. Em 2007, Roccard (Dikke et al, 2015) cita o desenvolvimento
de ambientes (espaços) que utilizem a metodologia baseada em investigação
científica, comos endo uma forma renovada de pedagogia, no caso do futuro europeu.
Desde então, e com a união dos laboratórios de 17 países europeus no Go-Lab essa
iniciativa vem tomando mais corpo e tendo novos e eficientes resultados com
estudantes utilizando os laboratórios on-line (remotos e virtuais) de forma mais
instigante e significativa.
No caso brasileiro, os autores Cardoso e Takahashi fizeram o levantamento
bibliográfico, entre os anos 2000 e 2009, entre artigos de periódico Qualis 1A, pela
lista completa da Capes e apuraram todos os periódicos das seções Educação e
Ensino de Ciências e Matemática. Isso com o fim de avaliar a abrangência do uso dos
laboratórios remotos, da experimentação remota. Além desses artigos, 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
correspondentes em inglês e espanhol. Com este critério de seleção, Cardoso e
Takahashi (2011) encontraram 31 artigos. Como forma de comparação, no caso das
publicações do Go-Lab, por exemplo, que tratam de propostas de incentivo ao uso de
laboratórios remotos, utilizando para isso espaços de investigação que se comunicam
com ambientes do laboratório remoto (ou virtual), encontra-se a presença de um
número maior de publicações em congressos e eventos que foram sendo realizados
para tratarem desta temática, principalmente após o ano de 2013.
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No caso de Cardoso e Takahashi (2011), 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.
É interessante notar que, até 2011, em nenhum dos periódicos nacionais Qualis
A foram encontrados artigos sobre experimentos remotos, apesar de existirem
pesquisas e laboratórios remotos no Brasil. Após 2013, contudo o número de
publicações nacionais que tratam sobre o tema começou a aumentar, principalmente
devido aos trabalhos do projeto RexLab, da UFSC (Universidade de Santa Catarina),
publicados em congressos e publicações internacionais (Silva, et al, 2013), como o
caso da VAEP-RITA, da IEEE. Isso explicava o fato de que pouco se divulgava a
criação, elaboração, adequação e implementação de laboratórios remotos, fato este
que impossibilitava um maior acesso de usuários e do público-alvo (professores e
alunos) às potencialidades do uso educacional do laboratório remoto. De 2013 para
cá, contudo muito se avançou, desde a concepção dos laboratórios, até a forma de se
utilizá-los e evidencia-se que essa forma de utilizar os laboratórios tende a se tornar
uma forma muito comum, principalmente devido a possibilidade de se utilizar
experimentos reais, mas que não poderiam ser utilizados no lugar em que se encontra
o usuário e o professor. Com novas metodologias e interfaces de ambientes remotos,
pode-se além disso se obter uma experiência mais significativa, devido ao fato de o
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usuário se colocar como um cientista e trilhar as etapas a fim de se experimentar e
entender o que se observa.
No caso da Física, até 2011, poderíamos notar, conforme Cardoso e Takahashi
(2011) também apuram, que os trabalhos eram 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, existiam poucos trabalhos associados ao uso da
Experimentação Remota nessas áreas, conforme mostra a Figura 01.
Figura 01: Quantidade de artigos por área de conhecimento, até 2011 - reprodução de (Cardoso e Takahashi,
2011).
Pela pesquisa de levantamento realizada pelos autores, se percebia 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.
Justamente com as práticas desenvolvidas pelo grupo do RexLab, da UFSC,
justamente algumas dessas experiências podem ser acessadas remotamente, dentro
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da perspectiva de uma metodologia baseada em investigação, bastando ao professor
no caso criar um espaço de investigação em sua unidade escolar. A diferença para os
projetos desenvolvidos pelo GoLab, da Europa, é que este ambiente de investigação
científica já se encontra no próprio portal (http://www.golabz.eu/spaces ), e nas
unidades das Grandes Ideias, de forma que o usuário, orientado pelo professor, nas
fases do desenvolvimento do conhecimento científico do tema trabalhado, pode
experienciar essa forma de ensino de um modo que lhe seja instigante e curioso (pode
até mesmo ter a liberdade de trilhar suas próprias fases de investigação, sendo
apenas orientado e auxiliado pelo professor/tutor) (Dikke et al, 2015).
Até 2011, contudo, pela análise de Cardoso e Takahashi (2011), além das
considerações anteriores, é importante ressaltar o enfoque que se dava em cada
artigo estudado, ou seja, sob qual ponto de vista os artigos foram desenvolvidos.
Categorizando-os pelos objetivos de cada artigo e, com base no que foi apresentado,
os autores criaram cinco categorias: Aprendizagem do Aluno (representavam 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, eram relacionados artigos
que evidenciavam diferenças, vantagens e desvantagens entre os respectivos tipos
de laboratório), Infraestrutura (artigos que descreviam a implementação e seus
requisitos necessários e ambiente do laboratório remoto), e Viabilidade (artigos que
validavam a utilização da experimentação remota).
Analisando os objetivos dos artigos chegaram ao fato de que 19 dos 31 artigos
estudados se focavam na questão de infraestrutura. Embora os periódicos estejam
publicados em revistas essencialmente voltadas ao ensino e educação, dos artigos
estudados somente 12,9% abordavam 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.
Assim, com essa preocupação é que grupos começaram a se juntar e a
metodologia baseada em investigação científica começou a ser utilizada e ambientes
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de investigação começaram a ser criados e colocados em prática dentro do
laboratórios remotos de forma se analisar pedagogicamente como os usuários
acessariam as experiências e de que forma eles poderiam ser orientados de forma a
terem uma aprendizagem que lhes atribuíssem significado. É justamente sobre isso
que tratam Dikke et al (2015) e Dikke e Faltin (2015) em seus respectivos artigos que
tratam da história do GoLab e o uso das etapas de investigação nas atribuições do
conhecimento dos usuários, também trabalhado por (de Jong et al, 2013); (Pedaste et
al, 2015a); (Pedaste et al, 2015b); (Zacharia et al, 2015).
Com relação aos artigos que enfocavam a aprendizagem (somente 4 – quatro
– dentre os analisados), no caso dos artigos anteriores a 2011, Cardoso e Takahashi
(2011), mostravam 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 (retirado de (Cardoso e Takahashi, 2011)).
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 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
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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: 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.
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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.
Através deste quadro podia se perceber que era possível a adequação dos
laboratórios remotos com uma abordagem de ensino voltada para a investigação
científica, que se foca na aprendizagem significativa. Se feita de maneira rigorosa, no
aspecto metodológico, isso viria (como veio) a beneficiar, possibilitando o uso mais
apropriado deste recurso tecnológico, como nos espaços de investigação (Dikke et al,
2015); (Pedaste et al, 2015b); (Zacharia et al, 2015).
Ainda, para os artigos que tratavam da viabilidade dos laboratórios remotos,
estes focavam tanto o experimento quanto a aprendizagem. Com este aspecto em
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mente, os resultados mostravam que os experimentos remotos são viáveis, pois, além
dos estudantes aprovarem o uso dos laboratórios remotos, eles atingiram os objetivos
educacionais propostos, como de fato se sucede no uso dos laborat´rios remotos
europeus (de Jong et al, 2013) e (Zacharia, et al, 2015).
Dos 19 (dezenove) artigos em que se evidenciavam o enfoque na infraestrutura
poder-se-ia 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 preocupava em
evidenciar a questão estrutural, dado o fato de que ainda era um recurso recente em
termos de uso e assimilação. Porém, dentre estes 19 (dezenove), 13 (treze) aplicavam
e avaliavam os experimentos. Os resultados coletados por Cardoso e Takahashi
(2011) foram de extrema importância no que se refere a evidenciar a montagem do
experimento, mas também de erros e acertos no desenvolvimento dos laboratórios
remotos. Ainda hoje essa preocupação existe e diversas publicações tratam da
questão infraestrutural, justamente porque novas tecnologias e interfaces (como o
Node.js, que assimila as aplicações em java e facilita o uso em novas plataformas),
surgiram desde então (Hech, et al, 2016), além da possibilidade dos laboratórios
remotos acessados por smartphones (Lustig et al, 2015), (Bermudez, et al, 2015),
(Simão, et al, 2016).
Além destes levantamentos, Cardoso e Takahashi ainda analisavam outros
critérios, como o fato de se os artigos disponibilizavam materiais de apoio,
explicitavam metodologia de ensino, citavam utilização de instrutores, ou mesmo
aqueles artigos que não citavam nenhuma estratégia para desenvolvimento dos
experimentos. Dentre estes critérios, 7 artigos disponibilizavam materiais de apoio, 4
utilizavam metodologia de ensino, 8 utilizavam instrutores e 9 artigos não citavam
sequer uma estratégia.
Finalmente, em termos de eficácia em relação à aprendizagem, os laboratórios
remotos se mostravam tão eficiente quanto os laboratórios presenciais. O mesmo
pode ser notado hoje em dia (de Jong et al, 2013) e (Zacharia et al, 2015). Porém o
que era interessante notar, é que, de acordo com Cardoso e Takahashi (2011), ao
passo que alguns autores analisados em seus artigos apontavam o laboratório melhor,
outros, ao contrário, apontavam que o presencial era melhor, embora a diferença seja
pouca. De qualquer modo, conforme os autores explicitavam: “[...] a importância não
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está na diferenciação entre a Experimentação Remota ou presencial e, sim, na
metodologia adotada para o desenvolvimento das aulas práticas. ” (CARDOSO;
TAKAHASHI, 2011). E de fato essa é a mesma conclusão que os pesquisadores
europeus chegaram, justamente com o uso da metodologia baseada em investigação,
quando colocada em prática, confrontando os resultados entre os laboratórios on-line
os presenciais (de Jong et al, 2013) e (Pedaste et al, 2015b).
Sendo assim, após analisar os artigos mencionados segundo todos os critérios
anteriores, os autores, durante o desenvolvimento do trabalho não encontravam
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 era um campo novo e pouco explorado,
concluíam que as consequentes e eventuais limitações na utilização desta ferramenta
de ensino deveriam ser estudadas de forma aprofundada, o que significa dizer que
deveria se estabelecer uma metodologia adequada, a fim de se suprir as
necessidades de uma aula prática.
No cenário atual, observamos tanto nos trabalhos nacionais, como os
desenvolvidos pelo RexLab (Simão et al, 2016), quanto os desenvolvidos dentro do
comitê europeu, no Go-Lab (Pedaste et al, 2015a), (Pedaste, et al, 2015b), (Dikke, et
al, 2015), que o uso da metodologia de investigação adequada é essencial. Assim
como o incremento dos espaços de investigação enriquecem e contribuem para uma
melhoria no processo de ensino-aprendizagem, tanto ao usuário quanto ao professor.
Assim como o uso de novas ferramentas e interfaces veio a contribuir para que os
métodos e as fases de investigação pudessem ser melhor trabalhados pelos usuários
(Dikke et al, 2015).
Como consequência desta metodologia a ser aprofundada, Cardoso e
Takahashi (2011) apontavam que uma solução a ser considerada era a de que os
laboratórios on-line, reais ou virtuais, necessitavam de um ambiente completo, como
os espaços de investigação, que existem hoje em dia no Go-Lab, sob a ótica da
metodologia IBL, com as cinco fases de investigação, orientadas dentro de alguma
das oito grandes ideias. Esses ambientes remotos deveriam oferecer ao aluno apoio
para a realização das experiências, a fim de se atribuir uma aprendizagem significativa
ao que o usuário conseguiria interagir e visualizar, coletando dados e analisando-os,
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assimilando assim a teoria acerca do experimento, assim como é hoje em dia nos
espaços de investigação do Go-Lab. E que poderiam ser adaptados em solo nacional.
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 remoto que se tenha etapas da
investigação, desde a conceitualização até a experimentação e que possibilite ao
professor elementos para que ele conduza suas aulas, com base nos materiais
apresentados, e permita ao estudante uma experiência de se colocar como cientista
e com base no método científico, possa ser autor de seu próprio conhecimento.
Com isso, pretendemos possibilitar que os conteúdos vistos na experiência
possam ser melhor trabalhados e demonstrados (como na seção de faça você mesmo,
em que apresentamos a possibilidade de se montar experimentos caseiros em que
sejam visualizados o mesmo fenômeno trabalhado no experimento remoto), 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, p. 711)
Dentro de uma estrutura adequada e melhorias no ambiente do laboratório
remoto, para os conteúdos de superposição e estudo das cores, além de uma
readequação para a ideia das 5 fases dentro de um espaço de investigação, pode ser
uma ferramenta que complemente o estudo de tópicos de Física, auxiliando e
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colaborando com a melhora da aprendizagem do tema proposto. E não somente
destinada ao uso pelos alunos, o ambiente no qual o laboratório remoto está 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, o que vem a se enriquecer pela existência de um espaço
que propicie a investigação do estudo das cores, dentro de parâmetros que visem a
contextualização do tema, o levantamento de hipóteses, a elaboração de teorias (seja
pelo professor ou pelo usuários) a tomada de resultados e a conclusão comparando
o que se teorizou com o que se obteve de resultados.
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, mas de qualquer disciplina que venha a ser
administrada dentro da estrutura colocada, abrindo a possibilidade de aplicação do
projeto também para outras áreas de ensino que usem laboratórios, por exemplo,
disciplinas experimentais de Engenharia (por exemplo, com as áreas de automação e
distribuição de circuitos eletrônicos).
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 de
investigação 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
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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 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 eletromagnéticas, através da visualização
do experimento e da coleta de dados, fatos que são trabalhados neste projeto.
Assim, a justificativa de se poder utilizar o laboratório remoto tanto
complementar as aulas presenciais quanto em ambientes 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 a
adaptar a estrutura presente, previamente montada durante o projeto de Conclusão
de Curso, na Graduação, adequando às propostas de formação de cores, seguindo o
padrão RGB, que será implementado visando abordagens em áreas correlatas de
mídias interativas além da possibilidade de estudo da superposição de cores,
evidenciando a utilização das mesmas em aspectos fisiológicos, além da formação e
cores em monitores e áreas da fotografia e biologia, com materiais a serem
disponibilizados dentro do blog do projeto e no site do experimento.
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5.1 Objetivos Específicos
5.1.1. Adequação do Laboratório Remoto, no que se refere à prática até a
reelaboração para os fins de estudo de superposição e cores, e incremento dos
aspectos de visualização da interface de controle do experimento e atualização dos
conteúdos teóricos, para estudo da formação de cores, explicações sobre os padres
de cores, e aplicações destes conteúdos na prática, além de experimentos do tipo
faça você mesmo, para uso em sala de aula..
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: Estratégias para adequação de laboratório remoto
como instrumento de utilização complementar a aulas
presenciais
Em 2011, Cardoso & Takahashi (2011), após analisarem 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
evidenciavam que os resultados destas:
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, p. 202)
Associado a isso, a partir de 2013 (de Jong et al, 2013), (Dikke et al, 2015),
(Pedaste et al, 2015b), os laboratórios remotos passam a ser utilizados como espaços
de investigação e se tornam ambientes mais adaptados e estruturados para
metodologias que implementem cada vez mais aspectos metodológicos de
aprendizagem baseada em investigação, estruturado pedagogicamente em
atividades, conteúdos, hiperlinks, espaços de discussão e troca d einformações entre
usuário e professor, e mesmo simulações que possam ampliar o conhecimento do
usuário, dentro do laboratório remoto (Dikke e Faltin, 2015)
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Esse fato vem ao encontro do posicionamento dos autores em tela, baseado
nas releituras bibliográficas, de que a importância não está na diferenciação entre a
Experimentação Remota ou presencial (de Jong, et al, 2013) 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), os
autores não encontravam 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. Constatavam que a Experimentação Remota
associada ao ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda era um campo muito
novo e pouco explorado e que as eventuais limitações na utilização desta ferramenta
de ensino deveriam ser estudadas de forma aprofundada e formulavam como uma
hipótese, que uma metodologia adequada deveria ser explorada para suprir as
necessidades de uma aula prática. Essa metodologia citada por Cardoso & Takahashi
(2011), seria posteriormente (de Jong et, 2013), (Rodríguez-Triana, et al, 2015),
(Govaerts, et al, 2015), (Pedaste et al, 2015b) a metodologia de aprendizagem
baseada em investigação, que seria colocada em prática e começaria a apresentar
resultados (Dikke & Faltin, 2015) ao utilizar ambientes de investigação, associados
aos laboratórios remotos, com perguntas em etapas específicas de modo a permitir
ao usuário uma exploração do ambiente e se colocar como um cientista, seguindo as
etapas do método científico, desede a contextualização do tema, passando pela
teoria, levantamento de hipóteses, elaboração de experimentos, obtenção de
resultados, análise e discussão dos mesmos e chegando a uma conclusão frente aos
objetivos iniciais do tema proposto.
Neste sentido, o trabalho dos espanhóis Fernandez et al (2015), explicita a
prática da criação de um laboratório remoto, com a criação de experimentos que
demonstram a utilização e aplicação de experiências da Física, como a decomposição
de cores através de um Led RGB e o funcionamento de servo-motores, aplicados a
classes de 10 a 18 anos. Para tanto, Fernandez et al (2015) citam que é necessária a
criação dos espaços de aprendizagem por investigação (ILS, do inglês Inquiry
Learning Spaces). Para a criação destes espaços, Fernandez et al (2015) se baseiam
nas observações apontadas por Altin et al (2011), texto esse que descreve criação de
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um espaço de investigação para o estudo de robótica, em um estudo piloto, nos
ambientes de aprendizagem baseados na Web. Assim, Fernandez et al (2015)
descrevem a criação dos ILS:
Para este propósito, desenvolveu-se um ILS específico, (Altin, et al, 2011)
que focou seu conteúdo em áreas como mecatrônica, explicação mecânica de dispositivos analógicos e digitais, tais como motores e servomotores, a evolução da robótica, literatura de ficção-científica, história da robótica nas
sociedades ocidentais e orientais, dispositivos e mecanismos robóticos, importância do microprocessador na robótica atual, robótica industrial e para o consumidor e robótica e economia. Tudo isto para permitir a utilização do
ILS, com menor mudança pelo professor, para crianças de diferentes idades - de 10 a 18 anos. (FERNANDEZ et al, 2015, p. 35)
Em seu artigo, Fernandez et al (2015) mostram também as mudanças
necessárias a serem implementadas dentro do laboratório remoto a fim de que se
adeque a experiência dentro de uma arquitetura de software estruturada para que não
haja queda na comunicação nem travamentos durante a execução da experiência
(eles utilizam websockets, ou seja, tecnologias que permitem a comunicação seja para
cliente quanto para servidor, ou seja, estabelece-se uma conexão persistente entre o
cliente e o servidor e ambas as partes podem começar a enviar dados a qualquer
momento, diminuindo assim o tempo de latência na comunicação dos dados); e da
mesma forma mostram que são necessárias adequações na questão dos espaços de
investigação que mostrem a contextualização da temática e coloquem apontamentos
para que o usuário investigue os resultados da experiência do laboratório remoto.
Procedendo-se desta forma, Fernandez et al (2015) apontam que com as devidas
adequações da parte de códigos e estrutura de comunicação, bem como com a
adequação dos ILS, “os laboratórios remotos se apresentam como um a ferramenta
útil para as classes tecnológicas” (Fernandez, et al, 2015, p. 35).
Por essas e outras experiências de casos (Fernandez et al, 2015), (Heitz &
Law, 2015), (Silva, et al, 2013), (Rodríguez-Gil et al, 2015), (Salzman, et al, 2015),
(Sampson, et al, 2015), (Zervas, et al, 2015), pode-se observar que a associação de
laboratórios remotos a espaços de investigação que permitam a contextualização do
tema da experimentação remota ao cotidiano dos usuários, com hiperlinks, vídeos,
simuladores, eventualmente questionários que orientem a trajetória do usuário dentro
do laboratório, entre outros recursos, enriquecem e facilitam o entendimentos dos
estudantes bem como a aprendizagem dos mesmos, que se torna mais fluida com as
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descobertas e investigações realizadas. Assim, a experimentação remota passa a
atribuir maior significância ao usuário, conforme ele evidencia que a experiência se
encontra dentro de um contexto, não apenas tecnológico, mas também histórico, e
que tal experimento tem sua importância, seu significado.
Demonstrando essa questão do significado da experiência dentro de um
contexto de investigação, em 2011 (ano do estudo piloto comandado por Altin et
(2011), que coloca estas questões na prática), Cardoso e Takahashi (2011) escreviam
que os laboratórios on-line, reais ou virtuais, necessitavam de um ambiente de
aprendizagem completo, que oferecesse ao aluno apoio para a realização das
experiências, pois (Séré, 2003, p. 39 – apud Cardoso e Takahashi, 2011):
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; 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.
Com base nos casos realizados recentemente e no que já era levantado como
necessário nos anos anteriores, demonstra-se que 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 baseada em investigação, que demonstre
ao usuário a significância da experiência dentro de um contexto tecnológico, científico
e histórico.
Outra possibilidade de metodologia, associada à metodologia de aprendizagem
baseada em investigação, é a metodologia de desenvolvimento (que será detalhada
no Capítulo 2), a qual também deve levar em consideração o contexto e o significado
dos conceitos mostrados nas páginas dos espaços de investigação. Neste caso, a
metodologia de desenvolvimento é utilizada para a adequação dos recursos
educacionais e tecnológicos dentro do ambiente de aprendizagem, além da própria
construção do experimento de forma que se adeque às necessidades que são
trabalhadas pelos recursos dos espaços de investigação. Neste sentido a metodologia
empregada aqui, além de se propor à construção de uma solução protótipo (o
experimento físico controlado remotamente pelo usuário, no laboratório remoto),
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também se adequará na montagem de um ambiente de aprendizagem que além do
experimento remoto seja utilizada para a construção do conhecimento por parte do
usuário para que este tenha uma aprendizagem significativa e que ele próprio possa
ser o autor de suas descobertas, através das investigações que são realizadas dentros
dos espaços de aprendizagem por investigação (ILS’s).
Concordamos com os apontamentos que eram 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, como também
demonstrados nos estudos mais recentes que dão conta desta temática (Fernandez,
et al, 2015), nossa hipótese é a de que a eficácia na aprendizagem nos laboratórios
remotos será melhorada conforme se adeque a metodologia dos espaços de
aprendizagem, que sejam baseados em investigações dos próprios usuários, dentro
dos ambientes remotos. Por isso, é necessário que estes ambientes estejam
adequados a este propósito, seja nos conteúdos e recursos disponibilizados quanto
nas orientações apresentadas dentro deste ambiente. Além disso, a prática através
do laboratório remoto, se executada de forma significativa, tanto para aluno quanto
para professor, facilita processos cognitivos, relacionados a conhecimentos de Física,
e da Ciência como um todo, a partir do fato de se poder visualizar o experimento, bem
como se interagir com ele, e de se obter novos conhecimentos teóricos e práticos com
o ambiente em que ele se encontra, enriquecendo assim a própria experiência do
usuário.
Assim, para que essa prática seja realmente significativa, com vistas a eficácia
do experimento, foi necessário realizar uma adequação do ambiente de aprendizagem
no qual o laboratório remoto esteja inserido, como novos recursos, vídeos de
experiências relacionadas ao tema, explicações dos fenômenos e conceitos,
hiperlinks para materiais relacionados também ao tema, demonstrações, etc..., de
modo a tornar o espaço de investigação do laboratório (tanto quanto da interface de
controle do experimento) mais intuitivo(a) e rico(a) em análises, tanto teóricas,
conceituais, quanto dos resultados colhidos, na prática experimental a distância.
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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
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
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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
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
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restringem ao uso de simulações, editoração de textos, planilhas de cálculo e internet
para pesquisa de trabalhos escolares. A possibilidade de utilizar o 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.
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A habilidade mais importante que determina a vida das pessoas é a de
aprender mais habilidades, de desenvolver novos conceitos, de avaliar novas
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.
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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 informação? Quantos
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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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 estruturais, ou
mesmo, cuja implementação cause problemas de acesso, etc. Logo, é relevante
analisar, primeiramente, a arquitetura do Weblab.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
54
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 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.
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55
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 (Figura 02). Ele pode se comunicar com qualquer servidor de
um experimento que ofereça uma comunicação XML-RPC como o Java, tecnologias
.NET, Python e LabVIEW.
Figura 02 - 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.
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.
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56
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 (Figura 03).
Figura 03 - 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:
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:
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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;
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.
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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
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 (Figuras 04, 05, 06).
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Figura 04 - 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)
Figura 05 - Tela que mostra a reserva para o experimento (ERA – Espectrofotômetro Remoto Automatizado).
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Figura 06 - Tela de acesso ao experimento.
E as figuras do nosso ambiente remoto e do blog do experimento (ERA –
Espectrofotômetro Remoto Automatizado) (Figura 07 e 08).
Figura 07 – Tela mostrando o acesso ao site do projeto (o ambiente remoto) (http://www.pucsp.br/webduino/experimentos/espectrofotometro-remoto-automatizado/index.html)
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Figura 08 – Tela mostrando o blog do Projeto, com maiores informações de todas as partes do experimento,
inclusive explicando questões teóricas, espaços do tipo “faça-você-mesmo” e questões 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.
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
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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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
servidor principal, o que de certa forma, evitam explorações indevidas em nossos
sistemas.
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CAPÍTULO II - Desenvolvimento
8 Metodologia
8.1 Metodologia do Ambiente Remoto: Laboratório Remoto e Ambiente
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, para testes posteriores a este projeto). 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 às necessidades atuais, proceder-se-á à montagem do
protótipo do experimento, bem como a readequação 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 espaço de investigação, com conteúdos e recursos destinados ao
tema da superposição de cores, um dos tópicos de Física, bem como com
conceituação da luz de LED, explicação sobre a difração, correlações com estudos da
biologia e formação de cores, além de colocação de temas que sejam interessantes
às necessidade pedagógicas dos profissionais da área, bem como elaboração de
possíveis roteiros pedagógicos disponibilizados nas páginas do site
(http://www.pucsp.br/webduino/) e maiores explicações no blog do projeto (www.era-
weblab.blogspot.com )
Esta etapa do projeto foi possível após as adequações do ambiente, e
futuramente (em projeto futuro) serão realizados testes de aplicabilidade do
laboratório remoto, com testes de interação do usuário com o ambiente.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
64
Temos as seguintes etapas de trabalho:
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.
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.
Projeto Futuro:
Etapa 5 Pré-Teste (considerando a continuação do projeto em questão) com usuário
para verificação da eficácia do ambiente de aprendizagem (espaço de
investigação) e que possíveis melhorias devam ser realizadas e futuras
adequações visando um melhor aproveitamento dos recursos existentes no
ambiente (teste de estudo de caso, para projeto futuro).
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;
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
65
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
universidades e centros de pesquisas, analisando-se artigos mais recentes (entre
2011 e 2015), disponíveis em anais de congressos, revistas associadas e publicações,
com as referências disponíveis no site do Go-Lab, http://www.go-lab-project.eu/, (do
inglês, Global Online Science Labs for Inquiry Learning at School) site do comitê
internacional de laboratórios remotos e virtuais que tratam de espaços aprendizagem
pela investigação, associados às experimentações remotas dos laboratórios on-line
(virtuais e remotos).
Como complemento, utilizou-se como medida de comparação da evolução da
aplicação e uso dos laboratórios remotos através dos anos posteriores (à 2011), o
trabalho de Cardoso e Takahashi (2011), que analisa 19 artigos qualificados com
Qualis A, (à época) entre os anos de 2000 a 2009, os quais são referentes aos usos
e metodologias empregadas em Laboratórios Remotos aplicados a conteúdos de
Física, bem como às avaliações realizadas. Segundo a investigação destes
pesquisadores da Universidade Federal de Uberlândia, à época, o intuito era
“investigar se (e como) os laboratórios remotos estavam sendo utilizados no ensino,
particularmente, no ensino de Física” (Cardoso e Takahashi, 2011). Os autores
concluíam que:
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, p.185)
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Após esta análise verificou-se que a utilização dos laboratórios remotos no
contexto de ensino de Física, embora pouco abordado à época do estudo (2011),
passou a ser melhor trabalhada, com novas tecnologias de acesso, novos recursos e
novas metodologias de aprendizagem e de uso dos espaços. Com novos artigos
relatando as experiências de uso dos laboratórios remotos tanto no Brasil (Silva et al,
2013), (Simão et al, 2016), quanto no exterior (Fernandez et al, 2015) e (Sergis &
Sampson, 2015) e, principalmente, com a organização de laboratórios remotos em
torno de uma proposta de espaço de aprendizagem por investigação (Dikke e Faltin,
2015); (Dikke et al, 2015); (Pedaste et al, 2015b); (Zacharia et al, 2015), os
laboratórios remotos, agora com uma metodologia de aprendizagem mais adequada
a uma proposta de investigação, de exploração dos conteúdos e de construção do
conhecimento, assim, apresentam-se como uma prática crescente e cuja utilização
abre um campo de possibilidades e de experimentações, as quais devem continuar a
ser trabalhadas, e melhoradas, com novas tecnologias que surgirem a fim de
permitirem melhores experiências na exploração do laboratório e do tema trabalhado,
visando as potencialidades que advém de uma maior sistematização.
Diante destes levantamentos e das questões surgidas, a procura de respostas
levou-nos a considerar que, em termos metodológicos, o desenho do estudo seria
mais focado em uma metodologia que, se não sistematizada em um espaço
propriamente colocada como o apresentado nos laboratórios remotos europeus, mas
continuando na proposta de aprendizagem baseada em investigação. Nesse sentido,
a preparação do ambiente deve permitir ao usuário sua própria investigação, com
base nas etapas de um método científico, com colocação da contextualização do
tema, a importância dos mesmo para áreas do conhecimento correlatas, um espaço
que permita também a criação de hipóteses e que o usuário verifique a teoria que rege
o fenômeno que se está experimentando remotamente. Assim, esse ambiente deve
ser multifacetado, no sentido de envolver a utilização de instrumentos e amostras, e
recursos diversificados.
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8.2 Metodologia para criação do Experimento Remoto (Protótipo Físico e
Acesso Remoto)
Por outro lado, para a criação do experimento remoto, no que se refere desde
a criação do experimento físico até a comunicação remota e controle do experimento,
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, e métodos descritivos. Com
base nestas considerações, pode-se ressaltar que o estudo da criação do experimento
remoto em questão apresenta 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 DEN AKKEN, 1999),
nomenclatura advinda da área de Desenvolvimento de Softwares.
A metodologia de desenvolvimento é um conjunto de métodos e técnicas que
se baseiam nas ideias das etpas de desenvolvimento de softwares e que, por isso
mesmo, as etapas da investigação, nesta metodologia são, de uma forma
esquemática (COUTINHO e CHAVES, 2001), resumidas da seguinte forma:
Figura 09 – Esquema da Metodologia de Desenvolvimento, para criação e desenvolvimento do protótipo
Pelo esquema acima, percebe-se a influência do Desenvolvimento de
Software, já que a metodologia pode ser subdividida em níveis de análise (analisys
level), de desenvolvimento (design level), de avaliação/teste (evaluation design) e de
documentação (documentation design). Níveis estes que categorizam o problema,
facilitando o desenvolvimento de soluções ao problema, e verificação da mesma, por
sucessivos testes, para que se chegue a uma resposta satisfatória, a qual deve ser
Análise de
problemas
(investigador e
profissionais em
campo)
Desenvolvimento
de soluções em um
quadro de
referencial teórico
Avaliação e teste de
soluções
Documentação e
reflexão que
possam conduzir a
novas
investigações
futuras
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documentada e novamente analisada frente ao problema inicial. Essa metodologia
preferimos implementá-la nesta etapa da criação do experimento pela semelhança
conceitual também com a metodologia de aprendizagem baseada em investigação,
devido à presença da elaboração e uso do método científico durante as etapas do
projeto, e ao caráter de investigação natural às etapas metodológicas.
Dito isto, é interessante se estudar o contexto histórico do desenvolvimento
desta metodologia, principalmente no que se refere ao seu uso na Educação, e em
principal, nas tecnologias educativas.
8.3 Histórico da Metodologia de Desenvolvimento
A metodologia por desenvolvimento, está intimamente ligada ao
desenvolvimento das abordagens veiculando as tecnologias de informação e
comunicação (TIC) à Educação, pois no contexto em que surgiu (COUTINHO e
CHAVES, 2001), por volta da década de 80, ainda predominava o paradigma de uma
epistemologia positivista de idealizar os resultados de uma pesquisa, dando-lhe ares
cientificistas, e não se considerando a perspectiva do cientista, do pesquisador, nem
se focando na investigação em si, o que não permitia considerar aspectos como
subjetividade do pesquisador na área de pesquisa, ou mesmo considerar os erros,
incertezas, complexidades obtidos nos resultados, acarretando na limitação da
capacidade de produzir e aumentar o conhecimento no domínio científico das
tecnologias educativas (COUTINHO e CHAVES, 2001).
Com enfoque voltado a uma perspectiva alternativa, que considerasse bases
epistemológicas construtivistas, vão sendo realizados levantamentos (SALOMON,
1991) que se voltam aos aspectos de uma investigação que levasse em conta o
processo de ensino e aprendizagem e mesmo da comunicação, e que se concentra
nas metodologias, nos contextos (ambientes de aprendizagem) e, sobretudo, nas
características e no modo como o sujeito aprende (COUTINHO e CHAVES, 2001). E
por esse caráter de investigação se assemelha à metodologia de aprendizagem
baseada em investigação, comentada no item anterior.
Por outro lado, havia ainda a questão de como a investigação deveria ser
realizada, ou seja, qual o tipo de investigação deveria ser priorizada: uma investigação
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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básica (que fundamenta teorias, aumentando um dado conhecimento dentro de um
domínio científico) ou aplicada (que soluciona problemas práticos de indivíduos,
grupos ou da sociedade em geral). Coutinho e Chaves (2001), abrem o prisma deste
dilema ao demonstrarem que na verdade existe um tipo de metodologia de
investigação, que complementa estes dois tipos: a metodologia de desenvolvimento.
Devido ao fato de que as tecnologias educativas, nas quais se enquadram as
pesquisas em ambientes de aprendizagem (por exemplo), apoiam-se em um leque
variado de disciplinas afins (desde a Ciência da Comunicação à Psicologia, passando
pela Informática, Sistemas de Informação, etc...), a investigação na área terá
necessariamente de ter uma especificidade própria, na qual não faz sentido a
oposição simplista “básica/aplicada”, mas sim um acordo, uma junção: é nesse
sentido que apontam as metodologias de desenvolvimento, que vieram fazer a ponte
entre os dois polos opostos (ciência básica em oposição à ciência aplicada), propondo
um referencial metodológico próprio, que seja uma mistura entre os dois polos da
investigação científica (uma relação entre o conhecer e a ação, edntre a teoria e a
prática), que seja mais adaptado à investigação das TIC em ambientes de
aprendizagem.
Este tipo de metodologia, foi exemplificada através de uma comparação entre
pesquisas científicas conhecidas, por Stokes (COUTINHO E CHAVES, 2001). Nela,
Stokes, em 1997, compara as pesquisas realizadas por Niels Bohr, Thomas Edison,
Louis Pasteur. O primeiro buscou o conhecimento puro acerca da estrutura do átomo,
logo pertence a uma pesquisa teórica (no caso, seria o tipo de investigação básica).
A investigação desenvolvida pelo inventor norte americano Thomas Edison
preocupou-se com a resolução de problemas práticos pelo desenvolvimento de
tecnologias inovadores. Por sua vez, Edison não expressava qualquer interesse por
publicar os resultados da investigação que desenvolvia, o que enquadra a
investigação no tipo aplicada.
Por último Stokes coloca a investigação do químico francês Louis Pasteur, o
qual buscava o conhecimento teórico, mas no contexto da solução de problemas
práticos. Por isso, este tipo de investigação poderia ser enquadrado como um tipo de
mescla entre os tipos citados anteriormente. Há ainda, mais um tipo de investigação,
que de tão estéril e sem contrapartida prática, não pode ser considerado nem
fundamental, nem aplicada. Infelizmente, este tipo de pesquisa prolifera em muitas
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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áreas do saber, se tratando do caso de quem investiga apenas com o objetivo de
progredir na carreira.
Obviamente, Stokes quando exemplificou a problemática da metodologia de
desenvolvimento, incentivou, em sua análise, que a investigação nas áreas das TIC
na educação seja a do tipo conduzida por Pasteur e a que chama "use inspired basic
research" (que se pode traduzir como investigação básica inspirada na prática).
Defendeu ainda que não faz sentido pensar que só a investigação básica ou pura
conduzirá ao desenvolvimento de novas tecnologias, e exemplifica mostrando que na
ciência contemporânea o desenvolvimento de inovações tecnológicas permitiu o
avanço de novos tipos de investigação revertendo completamente a direção do
modelo tradicional básica seguida de aplicada (COUTINHO E CHAVES, 2001).
Esta simbiose teoria/prática ajustava-se de um modo tão perfeito à investigação
realizada em ambientes de aprendizagem onde se usam tecnologias, que, nos
Estados Unidos, passou a encarar-se o instructional development (desenvolvimento
instrucional), como um dos cinco grandes setores dentro da investigação nas
tecnologias educativas americanas, tal o volume de projetos de investigação que,
desde a década de1980 se implementaram sob este novo referencial metodológico.
As versões mais atuais das metodologias de desenvolvimento podem surgir na
literatura sob designações diversas, como (COUTINHO E CHAVES, 2001) é o caso
dos chamados "design experiments" ou da "formative research", mas a filosofia de
base é sempre a mesma: "a inter-relação entre a teoria e a prática" (VAN DEN AKKER,
1999).
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 em relação aos
métodos propriamente ditos: “os métodos da investigação de desenvolvimento não
são necessariamente diferentes de outras abordagens de investigação educativa”
(VAN DEN AKKER, 1999). Ou seja, as metodologias de desenvolvimento utilizam,
para a coleta e análise de dados, instrumentos e técnicas tanto das abordagens
quantitativas quanto qualitativas.
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71
As diferenças situam-se na forma diferente em como abordam os problemas e
em 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 (embora esteja presente), mas
resolver problemas práticos dos professores;
Abordagem de problemas complexos em ambientes tecnológicos de
aprendizagem;
Integração de todo o tipo de conhecimentos teóricos (comprovados e mesmo
com levantamento de hipóteses) e tecnológicos no sentido de se encontrarem
soluções viáveis para a complexidade dos problemas em análise;
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 selecionadas as metodologias a serem empregadas,
no caso tanto da metodologia de desenvolvimento (para criação do protótipo e acesso
remoto, com relação a elaboração, desenvolvimento e avaliação do mesmo), quanto
da metodologia baseada em investigação (para elaboração e readaptação do espaço
do ambiente remoto, no que se refere à adequação do tema, elaboração de práticas
relacionadas, teorias, levantamento de hipóteses, coleta de dados do experimento
remoto, e o uso do experimento remoto), assim, o passo seguinte foi a escolha do
laboratório remoto que utilizamos como referência para o desenvolvimento do próprio
laboratório remoto, inserido em no ambiente remoto.
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
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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, principalmente no que se refere ao aspecto pedagógico e conceitual
de tópicos de Física, inicialmente no aspecto do estudo de cores, desde a concepção
teórica dos experimentos (como a possibilidade de abordar diversas temáticas, como
a formação das cores para a fisiologia, e mesmo para a fotografia, além de
comparação entre os padrões RGB e CMYK) até questões de aplicações tecnológicas
advindas do estudo fenômeno trabalhado no experimento remoto (como a confecção
de um experimento do tipo “faça-você-mesmo”, para publicação no espaço do
ambiente remoto, como forma de possibilitar um produto de aprendizagem, com
adequação ao tema proposto, evidenciando as mesmas questões trabalhadas dentro
do experimento remoto, com comparações dos resultados), que podem favorecer uma
maior aprendizagem.
Com as informações obtidas através da literatura, do Estado da Arte e da
criação do ambiente remoto, no qual está inserido o laboratório remoto (tanto o
experimento como o acesso remoto), resta a última fase deste projeto de pesquisa: o
desenvolvimento do protótipo, o experimento físico propriamente dito, o qual foi
aplicado em testes de verificação de reprodutibilidade dos resultados em comparação
com o experimento do tipo faça-você-mesmo. Um esquema com o plano de
investigação das etapas pode ser observado na Figura 10.
Figura 10 - Esquema do plano de investigação, adaptado de (Bottentouit, 2007).
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73
Para implementações em campo, em projetos futuros, o laboratório remoto
deverá ser testado com relação à sua usabilidade e aplicação, visando a adequação
ao aspecto educacional, na continuação desta pesquisa.
Considerando ainda, que este protótipo inclui não somente a montagem física,
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 está alocado o ambiente remoto, para que o aspecto educacional não
fique relegado a segundo plano, é necessário, então, que se evidencie a preocupação
com o ensino de tópicos de Física. Ou seja, no ambiente remoto está disponível
conteúdos e práticas relacionadas ao estudo das cores, padrões RGB e CMYK,
formação de cores para fisiologia e fotografia, bem como estudo do fenômeno da
difração, redes de difração, e um tópico da Física Moderna, que é o estudo do LED,
através do estudo dos semicondutores, além outras interfaces que possibilitam o
acesso e visualização do experimento.
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9 Protótipo - Procedimentos e Desenvolvimento
9.1 Introdução
Com base na metodologia de desenvolvimento, proposta por Van den Akeen
(1999), foi montado o protótipo, após um estudo de avaliação dos laboratórios
existentes, e das potencialidades que necessitavam ser explorados; da mesma forma,
com base na metodologia baseada em investigação, foi montado o ambiente remoto,
com etapas de investigação centrada nos diversos conteúdos relacionados aos
tópicos de Física, desde o estudo das cores até tópicos como difração e estudo de
semicondutores, focando na possibilidade de interação com o usuário, com a
presença de práticas pedagógicas, sugestões de experimentos que possam ser feitos
pelo próprio usuário, em etapas do tipo “faça-você-mesmo” (espectrofotômetro
caseiro). Da mesma forma, após a montagem do protótipo, para projetos futuros, ainda
pretendemos realizar um estudo de caso, frente ao ambiente remoto com o laboratório
remoto montado, como continuação dos desenvolvimentos das etapas correntes.
Sendo assim, nos próximos itens mostraremos os procedimentos
implementados para a construção do protótipo, além das especificidades de cada
componente, bem como os usos para os quais pode ser destinado o emprego deste
equipamento, para fins educacionais. Também mostraremos, a fim de se melhorar o
uso do protótipo, desenvolvimentos do ambiente remoto, junto a estrutura virtual já
montada da interface disponível no WebLabDeusto, no qual está inserido o laboratório
remoto. Testes de usabilidade do Laboratório Remoto com o Ambiente Remoto
pretendemos desenvolver em projetos posteriores, como foi dito, em um possível
estudo de caso.
Para fins de descrição do protótipo, dos procedimentos de montagem,
demonstraremos aqui, o 1) Contexto da Espectrofotometria e do Estudo de Cores em
relação ao Ensino de Física, seguindo de etapas e imagens do 2) Experimento de
Espectrofotômetro Remoto Automatizado, propriamente dito, partindo para a 3)
Programação no Arduino para o Espectrofotômetro Remoto Automatizado, até as 4)
Interfaces: 4.1) de Visualização do Experimento; 4.2) de Controle Remoto para
acionamento da lâmpada de LED, além das etapas de construção do 5) Ambiente
Remoto, no qual estará contido o experimento.
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Além das etapas iniciais de demonstração da construção do protótipo,
pretendemos demonstrar, também, 6) Teste de Funcionamento da Programação do
Arduino (vídeo disponível no blog do projeto: https://era-
weblab.blogspot.com.br/p/blog-page.html); 7) Teste de Funcionamento da
Programação de Acionamento da Lâmpada de LED (vídeo disponível no blog do
projeto: https://era-weblab.blogspot.com.br/p/blog-page.html); 8) Teste de
Acionamento do Experimento e Coleta de Dados (vídeo disponível no blog do projeto:
https://era-weblab.blogspot.com.br/p/blog-page.html); etapas estas que evidenciam
os códigos e resultados obtidos, necessários para uma análise mais aprofundada a
posteriori.
Da mesma forma, nos procedimentos e metodologias de cada uma destas etapas
realizadas para construção do protótipo serão mostrados também resultados
alcançados até o momento, ou seja, os procedimentos das programações,
descrevendo-as, bem como fotos do protótipo, descrevendo cada item e suas funções,
além de esquema, circuito elétrico, e fluxograma da programação.
De outra maneira, também, serão comentadas algumas “inovações” desta etapa
do projeto: a) as programações do php da interface de controle do acionamento das
luzes de LED, em comunicação com os dados mandados pelo sensor de
reconhecimento de cor, em que são mostradas as porcentagens de cada r, g e b em
cada uma das cores que são acionadas. Ou seja, a ideia aqui é demonstrar como
desenvolver os mecanismos na php, e repassá-los a central que está disponível pelo
WebDeusto. E b) a descrição de como foi a readequação do ambiente remoto (que foi
projetado para experimento anterior, da graduação e está sendo readequado para os
propósitos atuais), bem como a associação da interface de controle junto à interface
do WebDeusto, pela qual evidenciam-se as melhorias a serem realizadas, permitindo
uma aprendizagem mais informal dentro do ambiente lá proposto.
Com base nos procedimentos, podemos analisar o contexto que implica nestas
tomadas de decisões e passos que foram desenvolvidos, como segue-se.
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76
9.2 Contexto da Espectrofotometria no Ensino de Física Moderna
Desde 2002, e até antes, na verdade, já se discute, no meio acadêmico, em
especial, nos corredores das faculdades de Física, de que forma o ensino de Física
pode ser mais atualizado, despertando o interesse dos jovens para a formação na
área, ou em áreas tecnológicas. Ivemos em uma sociedade na qual a tecnologia está
presente nas mais diversas formas, desde ponteiro laser, passando por CDs, DVDs,
bluetooths, até sistemas de comunicação por radiofrequência, WiFi, motores híbridos,
aceleradores de partículas, além de discussões de qual será o futuro da tecnologia e
o papel do ser humano neste “novo mundo”. É interessante notar que todas estas
tecnologias citadas dependem fortemente do conhecimento dos fenômenos físicos
que as regem. Mas da mesma forma que seria bom que entendêssemos esses
conceitos para compreender melhor o funcionamento destas novas tecnologias (além
das citadas), poucos de fato compreendem este funcionamento, muito devido a pouca
assimilação dos conceitos físicos das mesmas; e consequentemente não entendendo
estas tecnologias, para que servem, como funcionam e de que modo podem vir a
serem usadas, o papel do próprio ser humano fica aquém em um futuro próximo (pelo
menos para a sociedade que desfrutará de uma potente ferramenta, mas sem saber
como ela funciona).
Se no caso de nossa sociedade a discussão de Ciência e Tecnologia fica à
deriva, nas escolas, então, que deveriam fomentar essas discussões atuais, pelo
menos no nível de entender o funcionamento destas tecnologias e os conceitos físicos
por detrás delas, a Física fica restrita a “um bojo de conhecimentos que se acabou no
final do século XIX. Quando muito, nossos estudantes aprendem a resolver problemas
da Física Newtoniana. Se a escola for mais exigente, possivelmente poderão aprender
alguns grandes princípios da Física dos séculos XVIII e XIX”.
Essa crítica aparece no editorial da Revista Brasileira de Ensino de Física, de
2002. Passados 13 anos, estamos na mesma discussão de como trazer os estudantes
do Ensino Médio para a compreensão de conceitos físicos, e muito mais ainda, de
como trazer a Física para o cotidiano deles, como se a Física fosse algo fora do
alcance de nossos alunos.
Somente para constar, neste mesmo editorial, a revista cita que em 2000, o
Comitê Nobel havia premiado “as pesquisas em Física que foram fundamentais para
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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a moderna Tecnologia da Informação, baseada na óptica-eletrônica, constituída de
lasers, diodos, transistores, fibras ópticas e usadas em dispositivos modernos como
celulares, CDs e satélites de comunicação, dentre outros”, ao passo que continuamos
ensinando no máximo a Física de pêndulos, balística do séc. XVII, termometria, etc.
E ressalta que a parte mais interessante da Física “como aquela contida, por exemplo,
no modelo padrão, na interação da radiação com a matéria, na cosmologia moderna,
nos novos materiais fabricados pelo homem” fica para o pesquisador, nas instituições,
e quando aparecem para o estudante, aparecem em revistas de divulgação científica,
à época, de pouca disponibilidade1.
Assim, a Física Moderna (e Contemporânea, ou FM, ou até FMC) que abarcaria
o estudo destes conceitos deveria ser mais difundida nos ambientes e Ensino Médio.
Justificativas para isso são muitas, desde os próprios PCNs+ (BRASIL, 2002) até a
própria literatura (OSTERMANN e MOREIRA, 2001, p. 24). Destes últimos autores,
podemos citar alguns pontos que justificam o estudo do tema:
“estudantes precisam ter contato com o excitante mundo da pesquisa atual em Física; os PCN's para o ensino médio apontam na direção de uma profunda reformulação do currículo de Física na escola média e a inserção
da FMC nos currículos; uma maneira de atrair jovens para a carreira científica; disseminar os conhecimentos que a ciência e a tecnologia propiciam à população; esclarecer o estudante quanto às pseudo-ciências. Os autores
também concluem que as pesquisas desenvolvidas sobre FMC estão mais concentradas na ‘apresentação de um tema de FMC [...]’"
Ou seja, o estudo da Física Moderna pode e deveria ser mais utilizado nas
escolas de Ensino Médio, como forma de propiciar aos estudantes o interesse pela
carreira científica, e um maior entendimento da tecnologia. Porém como sabemos, as
escolas, de uma forma geral, ainda estão “patinando” no uso de recursos, ferramentas
e na própria abordagem da Física Moderna, priorizando os assuntos que ainda estão
sendo discutidos em vestibulares, os quais também visam uma abordagem
contemporânea, mas que se fundamentam na mesma Física do séc. XVII e XVIII.
1 em tempo, as revistas de divulgação científica estão mais acessíveis hoje em dia, com preços mais acessíveis, também, e em maior número; mas, assim como antes, continuam pouco divulgada nas
grandes mídias – uma saída é a internet, que à época deste editorial não era tão acessível quanto hoje, em com velocidades bem menores. Mas mesmo na internet, que apresenta um repertório de acesso às informações e conceitos de Física, e das recentes descobertas, bem maior, também se apresenta o
mesmo problema de cuidado com o tratamento das informações e a mesma necessidade do estudante que se interessa pelo assunto procurar alguém, um professor, por exemplo, que dê mais critério e rigor a informação encontrada.
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Assim, de que forma podemos trabalhar a Física Moderna para tornar esse
discurso realidade, e diminuir a distância entre o falar e o fazer, é o que pretendemos
discutir nos próximos procedimentos. A ideia aqui, assim como Ostermann e Moreira
(2001) citam é descrever a “apresentação de um tema de FMC”, mas utilizando
recursos tecnológicos mais próximos do estudante como a internet, dentro de um
ambiente que lhe favoreça o aprendizado, podendo ser formalizado, ou mesmo dentro
de uma estrutura informal, no que se refere ao aspecto do ambiente virtual e
aprendizagem (AVA).
Dentro deste aspecto de utilizar um tópico de Física Moderna, preferimos a
utilização da área de Espectrometria (e Espectrofotometria), devido a possibilidade de
trabalhar, no que tange ao assunto deste projeto, a representação dos padrões RGB,
e das quantidades de cada padrão presente dentro de uma mesma cor, e a partir
disso, estudando a composição das cores (área, aliás pouco abordada nas escolas
médias brasileiras), mas além disso, para se decompor essa mesma cor é necessário
que ela seja difratada por uma rede de difração (ou mesmo um CD – que é uma
estrutura com muitas cavidades, às quais difratam os feixes de luz, e que portanto
podem ser utilizados como uma rede de difração), e a partir daí podemos apresentar
mais conceitos da Física Moderna, como a interferência (construtiva e destrutiva),
decomposição da luz, feixes monocromáticos e policromáticos, entre outros tópicos.
Por essa diversidade de temas dentro da Física Moderna, e por poder trabalhar
um assunto tão amplo de uma forma que pudesse ser ao mesmo tempo interessante
dentro do aspecto técnico, tanto quanto dentro do aspecto lúdico (dentro do AVA, na
estrutura a ser montada, com interface de controle do sistema físico, e apresentação
da formação das cores e visualização da decomposição da luz), possibilitando ao
professor um tratamento de temas da Física Moderna conforme seja a sua criatividade
é que cremos que o estudo da espectrometria possa ser adequado aos interesses do
Ensino Médio.
10 Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado
Para que a abordagem da espectrometria possa ser veiculada ao interesse
proposto, criamos um sistema físico, o espectrofotômetro, em que seja evidenciado a
formação do espectro, e também do espectrofotômetro, bem como a possibilidade
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controle remoto do mesmo. Isso permite ao usuário do sistema tanto a visualização
quanto a interação com o sistema, à distância, de modo a verificar a formação de
diferentes cores e a porcentagem cada padrão na formação da mesma. A seguir,
descreveremos os procedimentos para a construção do espectrofotômetro, além de
seus objetivos.
10.1 Espectrofotômetros e seu Princípio de Funcionamento
Um espectrofotômetro é um equipamento capaz de discriminar comprimentos
de onda, por meio da decomposição de cores em redes de difração. A luz branca
comum tem seus vários comprimentos de ondas separados e analisados pelo
equipamento, em função da variação da intensidade luminosa. O espectrofotômetro
pode ter um custo elevado, considerando os disponíveis no mercado comercial e para
usos didáticos (Lüdke, 2010). Apesar de boa precisão (PASCO, 2008) estes
equipamentos apresentam custos ainda muito elevados para a maioria das escolas
brasileiras.
Em termos de funcionamento, pode-se ter dois tipos de espectrofotômetros
com rede de difração: aqueles que analisam o feixe de luz refletido e aqueles que
analisam o feixe de luz transmitido. Para fins de adequação ao projeto, analisaremos
apenas o do tipo de feixe transmitido.
a) Análise Espectral do Feixe Transmitido
No espectrofotômetro temos a seguinte situação: Um feixe de luz, na cor
branca, incide sobre uma rede de difração, a partir da qual, este feixe será difratado,
ou seja, o feixe original será separado em suas diferentes componentes, chamadas
raias do espectro (o conjunto destas raias é o feixe de luz transmitido). A partir do
momento que a rede de difração gira (estando colocada em um suporte montado
sobre um motor, por exemplo), as raias do espectro que foram difratadas
anteriormente, serão observadas em um anteparo, podendo ser cada uma delas
analisadas separadamente, através de um sensor colocado em posição determinada.
Para compreender melhor este funcionamento, é bom considerar o
funcionamento de um dos componentes principais desta montagem: a rede de
difração. As redes de difração por reflexão (Lopes, 2007) consistem em uma superfície
com muitas ranhuras, ou sulcos (Figura 11) com um espaçamento d entre cada
ranhura. As dimensões dessas ranhuras são muito pequenas, podendo variar de 600
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a 2400 linhas por mm dependendo da rede. Quanto maior o número de ranhuras ou
sulcos, maior a capacidade de decomposição/resolução da rede.
Figura 11 – À esquerda, modelo educacional de uma rede de difração (de 1000 linhas ou ranhuras/mm). À
direita, em detalhe obtido por microscópio eletrônico, se vê as ranhuras de uma rede de difração
Aqui ocorre o fenômeno físico da interferência construtiva, devido à diferença
de caminho óptico ∆ (ou seja, o menor ângulo para que haja um desvio, em relação
ao ângulo de incidência, θ), em que a luz sofre após ser refletida em diferentes
ranhuras (Figura 12). Essa interferência é do tipo construtiva devido ao fato de cada
uma das frentes de onda que incidem nas ranhuras da rede de difração se sobrepõem
em fase, aumentando a amplitude das ondas resultantes (e consequentemente a
intensidade do feixe resultante).
Na figura a seguir, pode ser observado, em vermelho, a projeção da onda
incidente sobre as ranhuras da rede de difração. Ao chegarem na rede de difração, as
ondas incidentes, com ângulo incidente θ, são decompostas entre várias outras ondas
(que irão sofrer a interferência construtiva, mencionada anteriormente), por cada uma
das ranhuras, espaçadas entre si pela distância d.
d
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81
Figura 12 – Decomposição do feixe incidente na rede de difração por reflexão, com separação entre ranhuras
de d.
Dado o fenômeno que ocorre na rede de difração, podemos analisar agora a
disposição dos componentes no referido espectrofotômetro. Para este tipo de
espectrofotômetro (Alfons, 2010) fixa-se a posição da fonte de luz e um fotosensor
(LDR – light dependente resistor, Conversor de frequência TSL235R, ou algum sensor
de reconhecimento de cor, como o TCS3200 – dentro do encapsulado há o mesmo
conversor de frequência anterior) como indica a Figura 13. Girando a rede de difração
observamos o ângulo de desvio observado para cada linha a partir da fenda.
Figura 13 - Esquema para um espectrofotômetro com a rede de difração girando ao redor de um eixo.
Finalmente, o valor do comprimento de onda (λ) pode então ser obtido via Eq 1:
𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑛𝜆 (n=1, 2, 3,...) (Eq. 1)
Onde n é um número inteiro, que se designamos por ordem espectral; d é a
distância de separação entre cada uma das ranhuras da rede de difração (é também
um parâmaetro para definição da resolução da rede de difração – se mede em m-1, ou
ainda em linhas/m, ou como é mais convencional linhas/mm) e θ é o ângulo de
incidência do feixe, em relação ao plano dos feixes difratado pela rede de difração.
Este ângulo pode ser calculado a partir da relação entre as distâncias do centro da
fenda até as raias decompostas (x) pela distância entre a rede de difração e a
respectiva raia do espectro (D). Essa relação é desenvolvida na (Eq. 2):
𝑠𝑒𝑛𝜃 =𝑥
𝐷=
𝑥
√𝑥2+𝑙2 (Eq. 2)
Em que l é a distância da rede de difração até o centro da projeção da fenda. Por sua
vez, x por ser a distância do centro da fenda até cada uma das raias, varia conforme
Sensor Detector de Cor – TCS34725
Rede de difração
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o conjunto motor e rede de difração giram. Devido a isso, cada plano formado pelos
feixes difratados que geram cada raia do espectro muda de direção, o que torna
necessário que se faça uma correção para que as raias que cheguem ao sensor sejam
calculadas tendo o plano normal ao centro da fenda como referência.
A devida correção e os cálculos necessários para a determinação do
comprimento de onda, bem como as programações associadas a estes cálculos na
programação geral do arduino são apresentadas no Anexo 2, deste projeto.
Com vistas ao caso do projeto em tela, há ainda a possibilidade de se gerar
resultados, a partir de prévio controle pela plataforma arduino, das diferentes
proporções de cores presentes em diferentes cores de uma mesma fonte de luz. Por
exemplo, ao se usar uma lâmpada de LED RGB, há a emissão de um feixe de luz,
com a cor que se desejar (vermelho, verde azul, laranja, amarelo, ciano, roxo, lilás,
etc...), e nas quais existe a composição de cores por diferentes proporções dos
padrões R, G e B. Portanto, ao se fazer incidir este feixe colorido na rede de difração,
a mesma decomporá a luz incidida nas três cores primárias (Vermelho (R), Verde (G)
e Azul (B)).
Ao se projetar estas raias decompostas em um anteparo, podemos associar o
sensor (por exemplo, o de reconhecimento de cores – TCS34725), e coletar os dados
das diferentes proporções destes padrões, fazendo com que a rede de difração gire,
e permitindo que o sensor colete, a cada vez, os sinais de cada uma das raias do
espectro formado.
Com estes dados coletados pelo sensor, o qual se liga ao arduino, coletamos as
diferentes proporções de R, G e B, e a partir daí usamos estes dados em tabelas para
posterior visualização no ambiente virtual de aprendizagem, dentro da plataforma de
controle do experimento remoto, permitindo ao usuário que está interagindo com o
experimento observar para cada cor projetada da lâmpada de LED, quanto há de cada
um dos padrões R,G e B que compõem a cor observada (bem como observará o
espectro projetado no anteparo, através da visualização do experimento).
Sendo assim, segue a imagem da montagem do experimento físico, em que esta
descrita cada um dos componentes do sistema:
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Figura 14 – 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 L298N, 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 (J, de 1000 linhas/mm). O
motor está colocado acima de dissipadores para evitar superaquecimento. K. Anteparo, para projeção do espectro difratado. L. Sensor detector de cores (TCS 34725, Adafruit®) fixado no anteparo. M, câmera
webcam de IP Fixo (D-Link), para visualização remota do experimento. A Fonte de alimentação (regulável)
para alimentação do motor (12V, 600mA) está atrás da estrutura metálica que serve de suporte ao experimento, e por isso não é observada na imagem.
Finalmente, a seguir, é mostrado o 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. O anteparo se encontra a uma
distância de 11,2cm, posição a qual a fenda fica focalizada no anteparo.
Figura 15 –Na imagem de cima, detalhe do experimento físico montado, em que o espectro é mostrado no anteparo com papel sulfite, no qual está colocado o sensor detector de cores, que enviará os dados de
irradiância à saída serial do Arduino.
Sensor de cor
TCS34725
Verde Azul Fenda
projetada
Anteparo
K
I
M
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Sendo assim, podemos partir para o detalhamento dos procedimentos de
construção do experimento. Com respeito a programação completa no Arduino para
o Espectrômetro, se encontra anexo a este projeto (Anexo 3).
10.2 Procedimentos de Construção
O feixe de luz colimado proveniente de uma lâmpada de LED foi projetado em
um anteparo. A decomposição espectral é realizada através de uma rede de difração
disposto a uma distância D do anteparo. (Cavalcante, Tavolaro, & Haag, 2005).
O feixe sofre difração, de modo a decompor os vários componentes de
comprimentos de onda no anteparo, onde está localizado um fotosensor (CF-
TCS34725) que faz a coleta de cada raia do espectro projetado. O TCS34725 recebe
as diferentes raias do espectro, devido ao giro da rede de difração, montada em cima
do eixo de um motor de passo (Mitsumi).
Todo o monitoramento e controle do experimento são realizados através do
microcontrolador Arduino. A distância entre os sulcos da rede de difração é
determinada pelo fabricante (1000 linhas/mm), e tal parâmetro é utilizado no cálculo
do comprimento de onda.
A seguir faremos a descrição da montagem do trilho óptico no qual se dispõem
os componentes para obtenção do espectro difratado. Depois, são descritos sensores
e programações associadas a eles, dentro de cada etapa do experimento. Estas
etapas compreendem: montagem do circuito associado ao motor de passo (fonte de
alimentação e ponte H para geração de corrente para o motor), esquema eletrônico
associado aos sensores: detector de cores TCS34725; emissor Infra Vermelho (IV), o
qual aciona a lâmpada de LED. Estes sensores e demais componentes junto à
programação tornam possível a obtenção do espectro da lâmpada de LED.
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10.2.1 Ajuste Ótico: Montagem do Trilho Emborrachado
Para possibilitar melhor ajuste ótico do sistema acrescentamos um trilho2 para
alocação das peças componentes do espectrofotômetro (lente convergente, rede de
difração alocada sobre o motor de passo, e espelho refletor – para direcionamento do
feixe proveniente da lâmpada de LED). Neste trilho introduzimos os componentes a
cerca de 10 cm de distância entre cada um, de forma a permitir que com o
direcionamento do feixe de luz (pelo espelho refletor), vindo da lâmpada de LED, este
seja convergido pela lente convergente, chegando a rede de difração, na qual este
feixe é separado nas diferentes raias do espectro. Esta rede de difração ao girar junto
ao eixo do motor de passo, permite que cada raia do espectro possa ser detectada
pelo sensor de conversor de frequência, ou pelo sensor de cores, os quais estão
colocados no anteparo para observação do espectro formado. A 16 mostra um perfil
desta montagem:
(a) (b)
Figura 16 – (a) Vista de cima do espectrofotômetro. (b) Detalhes das distâncias observadas junto a escala que fica ao lado do trilho.
2 um perfil de trilho emborrachado, do tipo usado em montagens de equipamentos fotográficos , o qual dispõe de uma régua com escala, para verificação das distâncias entre os componentes, além de encaixes nas pontas e ao meio, para melhor fixação dos componentes .
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10.2.2 Montagem dos Circuitos (Sensor Detector de Cor TCS34725, Motor de
Passo)
Para a construção do espectrofotômetro com Arduino, foi necessária a
montagem de circuitos com aplicações distintas; um, principal, associado ao controle
do motor de passo, e outro para captura da variação da intensidade luminosa, ou
irradiância: lida através do próprio Sensor Detector de Cores TCS34725, o qual possui
um sensor de irradiância (em W/m²). A partir deste sensor, poderemos obter os
gráficos do espectro de radiação luminosa (irradiância, em W/m2, versus comprimento
de onda, em nm), bem como obter as proporções de cada cor para as cores da luz de
LED.
10.2.2.1. Motor de passo e controle no sentido de rotação
O motor de passo utilizado, da marca Mitsumi Electronics, modelo M35SP-7
(Mitsumi Co., 2011), e tem seu controle realizado através das saídas digitais do
Arduino, que fornecem corrente elétrica no máximo igual a 20 mA, insuficientes para
acionar as bobinas do motor (Figura 1a).
Para amplificar a corrente elétrica de saída do Arduino utilizamos um módulo
ponte H (L298N) Figura 1b. Neste esquema, foi associado uma fonte de tensão
regulável (LTS Company, de 10V a 24V), para sua alimentação de tal modo a
possibilitar a corrente mínima necessária para o giro do motor de passo. Os pinos que
permitem o controle das bobinas do motor de passo são os pinos digitais 8,9,10 e 11
do Arduino e a
Para se proceder a ligação do motor ao módulo, utilizamos um motor bipolar de
4 fios, como se pode observar no esquema abaixo:
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Figura 17 – Esquema mostrando as ligações entre arduino MEGA, Motor de Passo (Mitsumi), a ponte H Dupla (CI L298N) e a fonte de tensão (até 24V, 4A)
Neste esquema, os pinos de comando são ligados ao Arduino, exatamente
como seria feito com um motor CC. Liga-se então as bobinas como se fossem os
motores CC, cada bobina a um dos conectores para os motores CC. No caso, as
bobinas A e C se conectam a um dos lados do módulo (no esquema, OUT 1 e OUT
2), com as respectivas saídas indo para as portas digitais D2 e D3. Respectivamente,
as bobinas B e D se comunicam ao outro lado do módulo (OUT 3 e OUT4, no
esquema), o qual tem suas saídas conectadas as portas D4 e D5. No caso do motor
utilizado (4 fios), a entrada da fase positiva de alimentação vem direto da bateria, que
se liga a entrada de 12V (representada no esquema pelo pino VS do módulo ponte H
dupla – L298N). A bateria representa a fonte de alimentação do motor, que não será
o Arduino, devido a sua baixa corrente para alimentação do motor. Observa-se a
necessidade de conectar os GNDs (terra) dos dois sistemas. Também existe na placa
uma saída 5V, que pode ser usada para alimentar o Arduino, mas que para os fins
deste projeto não utilizaremos. Assim, se segue a tabela de ligações do sistema.
Tabela 2 mostra a relação das cores dos fios provenientes do motor M35SP-7 e
as conexões com o módulo ponte H (L298N) e Arduino.
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Para se proceder a ligação do motor ao módulo, utilizamos um motor bipolar de
4 fios, como se pode observar no esquema abaixo:
Figura 17 – Esquema mostrando as ligações entre arduino MEGA, Motor de Passo (Mitsumi), a ponte H Dupla (CI L298N) e a fonte de tensão (até 24V, 4A)
Neste esquema, os pinos de comando são ligados ao Arduino, exatamente
como seria feito com um motor CC. Liga-se então as bobinas como se fossem os
motores CC, cada bobina a um dos conectores para os motores CC. No caso, as
bobinas A e C se conectam a um dos lados do módulo (no esquema, OUT 1 e OUT
2), com as respectivas saídas indo para as portas digitais D2 e D3. Respectivamente,
as bobinas B e D se comunicam ao outro lado do módulo (OUT 3 e OUT4, no
esquema), o qual tem suas saídas conectadas as portas D4 e D5. No caso do motor
utilizado (4 fios), a entrada da fase positiva de alimentação vem direto da bateria, que
se liga a entrada de 12V (representada no esquema pelo pino VS do módulo ponte H
dupla – L298N). A bateria representa a fonte de alimentação do motor, que não será
o Arduino, devido a sua baixa corrente para alimentação do motor. Observa-se a
necessidade de conectar os GNDs (terra) dos dois sistemas. Também existe na placa
uma saída 5V, que pode ser usada para alimentar o Arduino, mas que para os fins
deste projeto não utilizaremos. Assim, se segue a tabela de ligações do sistema.
Tabela 2: Ligações entre motor de passo e módulo L298N, e do módulo com o Arduino.
Arduino
Mega
Motor de Passo
Ponte H Dupla
L298N
Fonte até
24V/4A
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Cor do fio Motor de Passo – Módulo Módulo – Arduino
Laranja Bobina A – Entrada 1Dir. D2 Amarelo Bobina C – Entrada 2Dir, D3 Preto Bobina B – Entrada 1Esq. D4 Marrom Bobina D – Entrada 2Esq. D5 Vermelho Saída 12V módulo ---
Na Figura 18(a) pode-se ver a montagem esquemática, bem como a disposição
do módulo com CI e do motor na montagem final.
Figura 18 – (a) Circuito de acionamento do motor de passo, montado no programa fritzing®, como descrito no
texto, e como montado na versão final.
Para um experimento controlado remotamente não temos a possibilidade de
ajuste manual da fenda e sim o acionamento do sistema pelo usuário, desde que
remotamente. Todo o sistema pode ser acionado automaticamente, ou controlado
pelo usuário, por exemplo, ao se dar um comando pelo teclado, para início da coleta
de dados. Ou seja, a leitura deve se iniciar na fenda e deve terminar ao final espectro
visível. Para isso, como o sensor permanece fixo e a rede pode girar em torno do eixo
do motor de passo, fazemos com que a rede de difração gire em determinados
ângulos, a fim de que o espectro incidente possa ser difratado e as respectivas raias
que foram separadas possam incidir no sensor.
Desse modo, o sensor recebe a cada giro da rede de difração uma raia diferente
do espectro de modo a poder se contabilizar a irradiância respectiva de cada raia.
Durante o processo de coleta o usuário deve visualizar na tela o gráfico de intensidade
(irradiância) versus comprimento de onda. Estes dados podem ser salvos pelo usuário
e a rede de difração deve retornar a posição inicial à espera de um novo usuário,
lembrando que o sensor permanece fixo recebendo as diferentes raias do espectro,
com as respectivas irradiâncias.
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Quadro 1- Programação envolvendo comando do teclado, via Ethernet. Esta programação somente é
acionada para ajuste do giro da rede de difração, montada sobre o eixo do motor de passo. 1. #include <Stepper.h>
2. #include "Wire.h" 3. #include "Adafruit_TCS34725.h"
4. #include <IRremote.h>
5.
6. IRsend irsend; //commando para iniciar envoi dos dados pelo sensor IR.
7. 8. //variaveis de passos para giro do motor//
9. const int stepsPerRevolution = 48;
10. Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 22, 23, 24, 25);
11. int passos; // numero de passos necessarios para mover o motor para a próxima posicao
12. int posicaoAtual; 13. int posicaoFutura;
14.
15. //para calculos de comprimento de onda//
16. float lambdaVermelha; // comprimento de onda da raia Vermelha
17. float lambdaVerde; // comprimento de onda da raia Verde 18. float lambdaAzul; // comprimento de onda da raia Azul
19. float d = pow(10,-6);// parametro de rede
20. float l = 0.112; // dist da rede ao anteparo
21.
22. boolean ReceberColetaDados; //definição para variavel booleana do tipo verdadeira ou falsa. 23. //sensor de cor//
24. Adafruit_TCS34725 tcs = Adafruit_TCS34725(TCS34725_INTEGRATIONTIME_101MS,
TCS34725_GAIN_60X);
25.
26. 27. void setup()
28. Serial.begin(9600);
29. Serial.println("Mestrado TIDD - Analise Seus espectro");
30. myStepper.setSpeed(40); 31. delay(100);
32. DetectaCores();
33.
34.
35. 36. void loop()
37. ligar_motor();
38. delay(200);
39. int client = Serial.available();
40. if (client) 41. Serial.println("novo cliente");
42. char c = Serial.read();
43. if (c == 'i') // Testamos se os bytes que vieram do Client conectado sao para uma nova coleta
44. IniciarColeta();
45. 46.
47. if (ReceberColetaDados == true)
48. ColetaDados();
49. ColetaCores();
50. 51.
Nesta programação preferimos o acionamento da coleta de dados, via teclado
(o qual comanda a seleção das cores da lâmpada de LED – tais comandos do teclado
são posteiriormente utilizados na interface em php para acionamento do experimento
remotamente), com o ajuste de posição da raia em direção ao sensor de cores,
previamente fixado. Com o sensor permanecendo fixo, o cliente pode clicar em uma
letra do teclado, e o sistema de giro do motor de passo roda a rede de difração em
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determinados números de passos, até que o sensor receba cada raia do espectro, até
o fim do mesmo, a partir de onde, volta-se até a posição da fenda, permitindo que um
novo usuário recomece a coleta de novos dados, no caso do espectro de novas cores.
Os procedimentos de ajuste e coleta de dados são descritos a seguir.
Para acionamento do motor e início da coleta de dados, futuramente,
pretendemos implementar um sensor infravermelho para detecção de distância, a ser
modificado via código para determinação de ângulo. Até o momento, procedemos ao
posicionamento do motor de modo que se assegure que a rede de difração esteja de
frente para a projeção da fenda luminosa. Garantimos esse posicionamento, por ora,
fazendo com que o motor, assim que acionado, dê o determinado número de passos
para que gire a rede de difração na distância entre a raia atual e a próxima raia.
Também, no arranjo geométrico fizemos com que a situação inicial seja sempre com
a raia vermelha do espectro na posição do sensor, a fim de facilitar os cálculos.
No caso, inicialmente, fizemos um teste com uma programação da biblioteca
“Stepper.h”, do Arduino, e calculamos para o motor rodando passo a passo, quantos
passos seriam necessários para que a projeção no anteparo variasse 1 cm.
Encontramos que são necessários 3 passos para o motor variar a distância da
projeção em 1cm. Assim, calculando a distância, com régua, entre cada uma das
raias, conseguimos encontrar quantos passos são necessários para que o motor gire
e mude a posição de cada uma das fendas até a posição do sensor (que se encontra
a 9cm da projeção da fenda luminosa, no anteparo).
Portanto, encontramos que a distância entre a raia vermelha e a verde se situa
em 2,1cm, o que representa uma variação de 7 passos do motor de passo. Com esse
número de passos fazemos com que a raia verde chegue à posição do sensor.
Continuando, a distância entre as raias vermelha e azul é de 3,3 cm, o que representa
uma variação de 11 passos do motor; com esse número de passos fazemos com que
o motor gire o suficiente para que a raia azul chegue a posição do sensor, a partir da
ria vermelha. Finalmente, o número de passos para que o motor gire o suficiente e
permita que a raia azul chegue ao sensor, saindo da raia verde, é de 11 – 7 = 4 passos.
Desse modo, dentro da programação para cada uma das cores da lâmpada de
LED acionadas pelo teclado, fazemos com que o motor rode o determinado número
de passos, para permitir que a raia seguinte do espectro difratado da respectiva cor
chegue ao sensor. Assim, por exemplo, na cor branca, a situação inicial se dá com a
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raia vermelha na posição do sensor. Espera-se alguns segundos, e roda-se o motor
de passo em 7 passos, no sentido anti-horário, para a raia verde chegar ao sensor.
Assim, a próxima etapa é fazer com que o motor rode mais 4 passos, nos entido anti-
horário para que a raia azul chegue ao sensor. Ao fim da coleta desses dados, roda-
se o motor em sentido horário, 7 + 4 = 11 passos para que motor volte a posição
original.
Ao fazer esse procedimento para cada uma das cores, sendo que ao final o
motor volte em sentido horário a soma dos passos dados, garantimos que a coleta de
dados seja sempre a partir de uma mesma referência.
E com o motor retornando à posição original, de frente para a fenda, encerra-
se a conexão do cliente anterior e pode-se acionar a conexão com o próximo cliente,
para observação da formação do espectro para as demais cores do LED RGB. Vemos
estas considerações no quadro a seguir (Quadro 2):
Quadro 2 - Programação da Segunda parte da programação do Experimento Off-Line: Ajuste de
posicionamento das raias do espectro, com cálculo dos comprimentos de onda e detecção de cores. 1. void IniciarColeta() 2. ReceberColetaDados = true;
3. Serial.println("Coleta de Dados do Experimento");
4. motor.step(-(stepsPerRevolution));
5. delay(100); 6.
7.
8. void ColetaDados()
9. ReceberColetaDados = true;
10. delay(10); 11. myStepper.step(-(stepsPerRevolution));
12. delay(100);
13. myStepper.step(0);
14. int geralPassos = 0;
15. delay(1000); 16. Serial.println("Pronto Para comecar!");
17.
18.
19. void(*resetFunc)(void)=0;
20. 21. void PararCliente()
22. delay(200);
23. Serial.println("resetando...");
24. resetFunc();
25. delay(100); 26. Serial.println("OK. Pronto para novo Cliente");
27.
28.
29. void posiciona_motor_vermelho()
30. delay(50); 31. myStepper.step(0);
32. lambda_raiaVermelha();
33. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
34. Serial.print(" ");
35. Serial.println(lambdaVermelha,DEC); 36. delay(500);//para leitura da raia vermelha
37. ColetaCores();
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38. delay(50);
39. myStepper.step((0)); // volta à posição original
40. PararCliente(); 41. delay(10);
42. Serial.println("Proximo Cliente...");
43.
44. void posiciona_motor_verde()
45. delay(50); 46. myStepper.step(7); // para leitura da raia verde (a partir da cond inicial).
47. lambda_raiaVerde();
48. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
49. Serial.print(" ");
50. Serial.println(lambdaVerde,DEC); 51. delay(500);
52. ColetaCores();
53. delay(50);
54. myStepper.step(-(7)); // volta à posição original
55. PararCliente(); 56. delay(10);
57. Serial.println("Proximo Cliente...");
58.
59. void posiciona_motor_azul()
60. delay(50); 61. myStepper.step(11); // para leitura da raia azul (a partir da con inicial)
62. lambda_raiaAzul();
63. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
64. Serial.print(" ");
65. Serial.println(lambdaAzul,DEC); 66. delay(500);
67. ColetaCores();
68. delay(50);
69. myStepper.step(-(11)); // volta à posição original
70. PararCliente(); 71. delay(10);
72. Serial.println("Proximo Cliente...");
73.
74. void posiciona_motor_branco()
75. //vermelho 76. delay(50);
77. myStepper.step(0);
78. lambda_raiaVermelha();
79. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
80. Serial.print(" "); 81. Serial.println(lambdaVermelha,DEC);
82. delay(500);//para leitura da raia vermelha
83. ColetaCores();
84. delay(500);
85. //verde 86. delay(50);
87. myStepper.step(7); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia vermelha.
88. lambda_raiaVerde();
89. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
90. Serial.print(" "); 91. Serial.println(lambdaVerde,DEC);
92. ColetaCores();
93. delay(500);
94. //azul
95. delay(50); 96. myStepper.step(4); // para leitura da raia azul - considerando a partir da raia verde.
97. lambda_raiaAzul();
98. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
99. Serial.print(" ");
100. Serial.println(lambdaAzul,DEC); 101. ColetaCores();
102. delay(500);
103. myStepper.step(-(11)); // volta à posição original
104. PararCliente();
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105. delay(10);
106. Serial.println("Proximo Cliente...");
107. 108. void posiciona_motor_comb1() //comb1 = vermelho + verde
109. //vermelha
110. delay(50);
111. myStepper.step(0);
112. lambda_raiaVermelha(); 113. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
114. Serial.print(" ");
115. Serial.println(lambdaVermelha,DEC);
116. ColetaCores();
117. delay(500);//para leitura da raia vermelha 118. //verde
119. delay(50);
120. myStepper.step(7); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia vermelha.
121. lambda_raiaVerde();
122. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 123. Serial.print(" ");
124. Serial.println(lambdaVerde,DEC);
125. ColetaCores();
126. delay(500);
127. myStepper.step(-(7)); // volta ao inicio. 128. PararCliente();
129. delay(10);
130. Serial.println("Proximo Cliente...");
131.
132. void posiciona_motor_comb2() // comb2 = verde + azul 133. // verde
134. delay(50);
135. myStepper.step(7);// para leitura da raia verde - considerando a partir da raia vermelha.
136. lambda_raiaVerde();
137. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 138. Serial.print(" ");
139. Serial.println(lambdaVerde,DEC);
140. ColetaCores();
141. delay(500);//para leitura da raia verde
142. //azul 143. delay(50);
144. myStepper.step(4); // para leitura da raia azul - considerando a partir da raia verde.
145. lambda_raiaAzul();
146. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
147. Serial.print(" "); 148. Serial.println(lambdaAzul,DEC);
149. ColetaCores();
150. delay(500);
151. myStepper.step(-(11)); // volta ao inicio.
152. PararCliente(); 153. delay(10);
154. Serial.println("Proximo Cliente...");
155.
156. void posiciona_motor_comb3() // comb3 = vermelho + azul
157. //vermelho 158. delay(50);
159. myStepper.step(0);
160. lambda_raiaVermelha();
161. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
162. Serial.print(" "); 163. Serial.println(lambdaVermelha,DEC);
164. ColetaCores();
165. delay(500);
166. //verde
167. delay(50);//para leitura da raia verde 168. myStepper.step(11); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia vermelha.
169. lambda_raiaAzul();
170. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
171. Serial.print(" ");
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172. Serial.println(lambdaAzul,DEC);
173. ColetaCores();
174. delay(500); 175. myStepper.step(-(11)); // volta ao inicio.
176. PararCliente();
177. delay(10);
178. Serial.println("Proximo Cliente...");
179.
Na programação demonstrada no quadro 2 podemos observar algumas funções de
cálculo de comprimento de onda (lambda_raiaVermelha(), lambda_raiaVerde() e
lambda_raiaAzul()), as quais dependem do arranjo geométrico (vide Anexo 2) –
posteriormente dependerão do sinal vindo de um sensor infravermelho, para cálculo
de distância, o que deverá alterar estas linhas de programação – e além disso, a
função para detecção (DetectaCores()) do sensor detector de cores (TCS 34725) e
finalmente a função para leitura e detecção das cores (ColetaCores()) e dos valores
de irradiância do mesmo sensor. A programação destas funções são apresentadas e
descritas a segui, no Quadro 3.
Quadro 2 - Programação da Terceira parte da programação do Experimento Off-Line: Aqui são calculados os valores de irradiância (através de programação do sensor TCS 34725) por
comprimento de onda (através de cálculo considerando o arranjo geométrico – ver Anexo 2). 1. ////Descrições das funções de cãlculos de comprimento de onda///////
2. void lambda_raiaVermelha()
3. lambdaVermelha = ((d*0.093)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.093,2)))*pow(10,9);
4. delay(100);
5. 6. void lambda_raiaVerde()
7. lambdaVerde = (((d*0.117)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.117,2)))-sin((((d*0.117)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.117,2)))-
((d*0.069)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.069,2))))))*pow(10,9);
8. delay(100);
9. 10. void lambda_raiaAzul()
11. lambdaAzul = (((d*0.129)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.129,2)))-sin((((d*0.129)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.129,2)))-
((d*0.057)/sqrt(pow(l,2)+pow(0.057,2))))))*pow(10,9);
12. delay(100);
13. 14.
15. ////////descrições das funções de detecção do sensor de cores e da leitura do mesmo///////////////////
16. void DetectaCores()
17. /*programação de inicialização do sensor detector de cores TCS34725
18. Mais detalhes em https://learn.adafruit.com/adafruit-color-sensors/program-it */ 19. Serial.println("Detectando cores");
20. if (tcs.begin())
21. Serial.println("Sensor encontrado:");
22. else
23. Serial.println("Sem TCS34725! Check conections!"); 24. while (1);
25.
26.
27. void ColetaCores()
28. ReceberColetaDados = true; 29. uint16_t clearcol, red, green, blue;
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30. float average, r, g, b;
31. delay(100);
32. tcs.getRawData(&red, &green, &blue, &clearcol);
33. average = (red + green + blue) / 3;
34. r = red / average;
35. g = green / average;
36. b = blue / average; 37. Serial.print("\t NADA:"); Serial.print(clearcol);
38. Serial.print("\t VERMELHO:"); Serial.print(r);
39. Serial.print("\t VERDE:"); Serial.print(g);
40. Serial.print("\t AZUL:"); Serial.print(b);
41. 42. if ((r > 1.7) && (g < 1.0) && (b < 1.0))
43. Serial.print("\t VERMELHO");
44.
45. else if ((r < 0.5) && (g > 1.50) && (b < 1.00))
46. Serial.print("\t VERDE"); 47.
48. else if ((r < 0.5) && (g < 1.5) && (b > 1.45))
49. Serial.print("\t AZUL");
50.
51. else 52. Serial.print("\t NENHUMA COR ENCONTRADA");
53.
54.
55. Serial.println(" ");
56. delay(100); 57.
Com estas programações definidas, temos a seguinte situação: ao se
posicionar o motor de frente a fenda luminos, inicia-se a coleta de dados
(IniciarColeta()), a qual ativa a função ColetaDados(), responsável pela inicialização
do recebimento dos dados, e define a posição do motor (posição_motor_vermelho(),
entre outras raias). Essa função é a responsável por fazer o motor rodar o determinado
número de passos e fazer as raias do espectro chegarem até o sensor. A partir dessa
função, por exemplo, para a cor branca, o espectro formado terá as três raias para
serem discriminadas.
A função de posicionamento faz com o sistema de detecção de cores possa
coletar os dados de cores da raia vermelha, inicialmente; espera-se determinados
segundos, e roda-se tantos outros números de passos, em sentido anti-horário, para
se chegar à raia verde, repetindo o mesmo procedimento, até que se vá, em sentido
anti-horário, também, para a raia azul.
Ao fim da coleta dos dados de cores da raia azul, o sistema volta, em sentido
horário, o número do somatório de passos dados até aquele momento, o que significa
dizer que o sistema volta à posição inicial a cada término de coleta de dados, isso
para cada combinação de cores da lâmpada de LED (seja para a raia vermelha, para
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a raia verde, para a raia azul, para a cor branca – que envolve as três raias, seja para
qualquer combinação das três cores – comb1 = vermelho mais verde, comb2 = verde
mais azul, comb3 = vermelho mais azul). E ao fim de cada coleta e volta a posição
inicial, com a fenda na direção da rede de difração, encerra-se a conexão com o cliente
(função PararCliente(), a qual depende da função e reset()), esperando por outra
conexão.
Finalmente, para que se complete esta programação, é necessário que seja
observada a programação para ligar o motor (liga_motor()), a qual está no loop como
a função principal. Esta função aciona via comando do teclado (e que posteriormente
é comandado via interface em php, pelo usuário remoto) a mudança das cores da
lâmpada de LED, através do envio dos sinais decodificados do controle remoto da
lâmpada de LED.
Assim, o teclado comanda o envio de sinais ao emissor IR, e este, por sua vez,
envie os sinais ao receptor IR que está dentro da lâmpada (a programação e o
processo de decodificação dos sinais do controle remoto da lâmpada são melhor
apresentados no item 10.2.2.2.2.3.1). Ao receber estes sinais, a lâmpada muda de
cor. Ao se mudar as cores, a programação aciona as funções descritas anteriormente
relacionadas ao posicionamento do motor (posiciona_motor-vermelho(),
posiciona_motor_verde(), etc...), para as respectivas cores que representam as
diferentes combinações das cores da raia do espectro.
Consequentemente, com estas funções sendo acionadas, o motor também é
acionado e roda os determinados números de passos, fazendo com que as raias
cheguem ao detector de cores. O qual coleta os dados de cores e de irradiância, bem
como se calcula também os comprimentos de onda. E ao fim de cada procedimento,
o motor roda de volta aposição original, esperando pelo próximo cliente. Nesta parte
da programação, o comando de ligar (letra “L” do teclado) aciona a função
IniciarColeta(), e o comando de desligar (letra “D” do teclado) aciona o comando
PararCliente(), a fim de se encerrar a conexão e parar o motor.
Essa parte da programação é apresentada no quadro 4, a seguir
Quadro 4 - Programação comando via teclado para acionamento das cores da lâmpada de LED. Nesta parte da programação, associa-se as programações apresentadas anteriormente, através da
função posiciona_motor().
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1. void ligar_motor()
2. if (Serial.available() > 0)
3. char tecla = Serial.read(); 4.
5. if (tecla == '1')
6. for (int i = 0; i < 1; i++)
7. irsend.sendNEC(0xFFA05F, 32); // Sony TV power code
8. delay(200); 9.
10. delay(200);
11. Serial.println ("Aumenta Brilho");
12.
13. if (tecla == '0') 14. for (int i = 0; i < 1; i++)
15. irsend.sendNEC(0xFF20DF, 32); // Sony TV power code
16. delay(200);
17.
18. delay(200); 19. Serial.println ("Diminui Brilho");
20.
21. if (tecla == 'D')
22. for (int i = 0; i < 1; i++)
23. irsend.sendNEC(0xFF609F, 32); // Sony TV power code 24. delay(400);
25. Serial.println ("DESLIGA");
26.
27. myStepper.step((stepsPerRevolution));
28. delay(200); 29. PararCliente();
30. Serial.println ("Ate a proxima!");
31.
32. if (tecla == 'L')
33. for (int i = 0; i < 1; i++) 34. irsend.sendNEC(0xFFE01F, 32); // Sony TV power code
35. Serial.println ("LIGA");
36. delay(400);
37.
38. IniciarColeta(); 39. Serial.println ("Dispositivo pronto para coletar dados!");
40.
41. if (tecla == 'R')
42. for (int i = 0; i < 1; i++)
43. irsend.sendNEC(0xFF906F, 32); // Sony TV power code 44. delay(400);
45.
46. Serial.println ("Vermelho");
47. posiciona_motor_vermelho();
48. delay(30); 49.
50. if (tecla == 'G')
51. for (int i = 0; i < 1; i++)
52. irsend.sendNEC(0xFF10EF, 32); // Sony TV power code
53. delay(400); 54. Serial.println ("Verde");
55.
56. posiciona_motor_verde();
57. delay(30);
58. 59. if (tecla == 'B')
60. for (int i = 0; i < 1; i++)
61. irsend.sendNEC(0xFF50AF, 32); // Sony TV power code
62. delay(400);
63. Serial.println ("Azul"); 64.
65. posiciona_motor_azul();
66. delay(30);
67.
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99
68. if (tecla == 'W')
69. for (int i = 0; i < 1; i++)
70. irsend.sendNEC(0xFFD02F, 32); // Sony TV power code 71. delay(400);
72. Serial.println ("Branco");
73.
74. posiciona_motor_branco();
75. delay(30); 76.
77. if (tecla == 'o')
78. for (int i = 0; i < 1; i++)
79. irsend.sendNEC(0xFFB04F, 32); // Sony TV power code
80. delay(400); 81. Serial.println ("Laranja");
82.
83. posiciona_motor_comb1();
84. delay(30);
85. 86. if (tecla == 'g')
87. for (int i = 0; i < 1; i++)
88. irsend.sendNEC(0xFF30CF, 32); // Sony TV power code
89. delay(400);
90. Serial.println ("Verde Claro"); 91.
92. posiciona_motor_comb2();
93. delay(30);
94.
95. if (tecla == 'b') 96. for (int i = 0; i < 1; i++)
97. irsend.sendNEC(0xFF708F, 32); // Sony TV power code
98. delay(400);
99. Serial.println ("Azul Esmeralda");
100. 101. posiciona_motor_comb3();
102. delay(30);
103.
104. if (tecla == 'F')
105. for (int i = 0; i < 1; i++) 106. irsend.sendNEC(0xFFF00F, 32); // Sony TV power code
107. delay(400);
108.
109. Serial.println ("Flash");
110. 111. if (tecla == 'O')
112. for (int i = 0; i < 1; i++)
113. irsend.sendNEC(0xFFA857, 32); // Sony TV power code
114. delay(400);
115. Serial.println ("Laranja Escuro"); 116.
117. posiciona_motor_comb1();
118. delay(30);
119.
120. if (tecla == 'z') 121. for (int i = 0; i < 1; i++)
122. irsend.sendNEC(0xFF28D7, 32); // Sony TV power code
123. delay(400);
124. Serial.println ("Azul Anil");
125. 126. posiciona_motor_comb2();
127. delay(30);
128.
129. if (tecla == 'x')
130. for (int i = 0; i < 1; i++) 131. irsend.sendNEC(0xFF6897, 32); // Sony TV power code
132. delay(400);
133. Serial.println ("Roxo");
134.
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135. posiciona_motor_comb3();
136. delay(30);
137. 138. 139. if (tecla == 'S')
140. for (int i = 0; i < 1; i++)
141. irsend.sendNEC(0xFFE817, 32); // Sony TV power code
142. delay(400); 143.
144. Serial.println ("Estrobo");
145.
146. if (tecla == 'y')
147. for (int i = 0; i < 1; i++) 148. irsend.sendNEC(0xFF9867, 32); // Sony TV power code
149. delay(400);
150. Serial.println ("Amarelo Claro");
151.
152. posiciona_motor_comb1(); 153. delay(30);
154.
155. if (tecla == 'c')
156. for (int i = 0; i < 1; i++)
157. irsend.sendNEC(0xFF18E7, 32); // Sony TV power code 158. delay(400);
159. Serial.println ("Azul Turquesa");
160.
161. posiciona_motor_comb2();
162. delay(30); 163.
164. if (tecla == 'P')
165. for (int i = 0; i < 1; i++)
166. irsend.sendNEC(0xFF58A7, 32); // Sony TV power code
167. delay(400); 168. Serial.println ("Pink");
169.
170. posiciona_motor_comb3();
171. delay(30);
172. 173. if (tecla == '<')
174. for (int i = 0; i < 1; i++)
175. irsend.sendNEC(0xFFD827, 32); // Sony TV power code
176. delay(400);
177. 178. Serial.println ("Fade");
179.
180. if (tecla == 'Y')
181. for (int i = 0; i < 1; i++)
182. irsend.sendNEC(0xFF8877, 32); // Sony TV power code 183. delay(400);
184. Serial.println ("Amarelo");
185.
186. posiciona_motor_comb1();
187. delay(30); 188.
189. if (tecla == 'C')
190. for (int i = 0; i < 1; i++)
191. irsend.sendNEC(0xFF08F7, 32); // Sony TV power code
192. delay(400); 193. Serial.println ("Verde-Agua");
194.
195. posiciona_motor_comb2();
196. delay(30);
197. 198. if (tecla == 'V')
199. for (int i = 0; i < 1; i++)
200. irsend.sendNEC(0xFF48B7, 32); // Sony TV power code
201. delay(400);
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202. Serial.println ("Violeta");
203.
204. posiciona_motor_comb3(); 205. delay(30);
206.
207. if (tecla == '-')
208. for (int i = 0; i < 1; i++)
209. irsend.sendNEC(0xFFC837, 32); // Sony TV power code 210. delay(400);
211.
212. Serial.println ("Smooth");
213.
214. Serial.println("\n"); 215.
216.
Para fins de completude, embora apresentada anteriormente convém lembrar
que a função que encerra a conexão com o cliente e para o motor quando volta a
posição inicial é novamente apresentada a seguir:
Quadro 5 - Programação de encerramento de conexão com o cliente e parada do motor na posição
inicial. void(*resetFunc)(void)=0; // comando que diz ao Arduino que as próximas instruções devem ser executadas,até // se chegar a função resetFunc, a qual esta dentro da função PararCliente()
void PararCliente() // função que faz a ordem de parar a medição e fecha conexão com o cliente até se
//estabelecer outra.
delay(200);
Serial.println("resetando..."); resetFunc(); // função que reseta a leitura de dados, fechando a conexão com o cliente.
delay(100);
Serial.println("OK. Pronto para novo Cliente");
Os dados coletados serão disponibilizados na saída serial em ambiente virtual,
de modo que o usuário possa não somente controlar o experimento, como também
visualizar o gráfico gerado. Tais gráficos estão em php, junto com as tabelas,
atualizadas pela programação do Processing, conforme novos dados sejam coletados
na serial, com o apertar do botão (em php) na tela da interface de controle, criada para
acionamento da lâmpada de LED. Estes dados são lidos pelo Processing, que os
comunica via arquivo txt, com uma página php (a interface de controle), e desta se
repassa à página html (o ambiente virtual no qual esta inserida a interface de controle.
Além disso, o usuário poderá observar o experimento funcionando, com
visualização do experimento por WebCam. Nos próximos itens serão estudadas as
particularidades de cada sensor utilizado, além do funcionamento do experimento
remoto.
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10.2.2.2. Sensores:
10.2.2.2.1. Módulo Sensor Detector de Cores (TCS34725)
Figura 19 – Imagem esquemática dos pinos (à esquerda) e do sensor, em si (à direita), com a barra de pinos.
O sensor de cor RGB TCS34725 (Figura 19) vem com Filtro IV (infravermelho),
possibilitando reconhecimento cores de forma rápida e eficaz, e sem ruídos vindo de
detecções afetadas pelo IV. Possui também um sensor para detecção de intensidade
luminosa, em lux ou para irradiância (em W/m²). A programação do mesmo foi descrita
anteriormente no item 10.2.1., no Quadro 3.
Baseado no chip TCS34725, o dispositivo possui sensores de luz RGB que em
conjunto com o filtro IV minimizam a influência do espectro IV, como outras luzes,
deixando assim uma medição mais precisa, em relação aos sensores detectores de
cor, que não possuem o filtro IV. A placa possui um regulador de tensão 3.3V, a qual
possibilita alimentar o módulo com 3-5VDC, além de um LED neutro a fim de iluminar
melhor o objeto a ser lido. Este fator possibilita também maior precisão nas detecções
de cores, principalmente entre cores muito próximas no espectro. Este LED pode ser
ligado e desligado através de um sinal digital e permite conexão com
microcontroladores (Arduino, PIC, entre outros)
Especificações:
Chip: TCS34725 (datasheet em anexo.)
Tensão de operação: 3-5V
Comunicação: I²C
Dimensões: 21 x 21mm
Características
O dispositivo TCS3472 oferece um retorno digital do vermelho, verde, azul
(RGB), e os valores de luz de sensoriamento de forma clara. Um filtro de bloqueio de
IR, integrada no chip e localizada para os fotodiodos sensores de cor, minimiza o
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componente espectral de IV da luz de entrada e permite medições de cor feitas com
precisão. A alta sensibilidade, ampla faixa dinâmica e filtro de bloqueio de IV tornam
o TCS3472 um sensor de cor ideal para o uso sob diferentes condições de luz e
através de materiais atenuantes.
O sensor de cor TCS3472 tem uma vasta gama de aplicações, incluindo o
controle de LED RGB retroiluminado, iluminação de estado sólido, produtos de saúde,
controles de processos industriais e equipamentos de diagnóstico médico. Além disso,
o bloqueio do filtro de IV permite que o TCS3472 realize a detecção de luz ambiente
(ALS, em inglês, Ambient Lght Sensing). O ALS é amplamente utilizado em produtos
com displays, como telefones celulares, notebooks e TVs para sentir a iluminação
ambiente e permitir o brilho automático da tela, para visualização e economia de
energia ideais.
10.2.2.2.2. Sensor Infra-Vermelho
Figura 20 – À esquerda: Imagem da lâmpada de LED utilizada como fonte emissora, a qual apresenta o receptor infravermelho. À direita, controle remoto que vem com a lâmpada e que permite o acionamento e
mudanças de cores da lâmpada, e que é reproduzido no experimento remoto através da interface remota, dentro do ambiente virtual de aprendizagem.
Figura 21 – À esquerda: Imagem do emissor LED infravermelho utilizado, para enviar os comandos que controlam as mudanças de estados (ligado, desligado e mudança de cores, de brilho, etc...), do LED RGB. À
direita: o LED IV-emissor vai acoplado na estrutura da lâmpada de LED para melhor comunicação com o receptor, que fica acoplado dentro da estrutura dos chips SMD do LED RGB.
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Especificações
Comprimento de onda: 940 nm
Ângulo do feixe: +/- 17º
Intensidade de radiante: 60 mW/sr
Corrente em avanço máxima:100 mA
Temperatura operacional máxima: + 100 C
Temperatura operacional mínima: - 55 C
Tempo de queda: 800 ns
Corrente em avanço: 100 mA
Voltagem em curso:1.35 V
Formato da lente: Circular
Classificação energética: 210 mW
Tempo de ascensão: 800 ns
10.2.2.2.2.1. Características
Um diodo emissor de luz infravermelha (LED-IV) (Figura 21) é um tipo de
dispositivo eletrônico que emite luz infravermelha, não visível a olho nu. Um LED
infravermelho funciona como um diodo emissor de luz normal, mas pode utilizar
diferentes materiais para produzir a luz infravermelha. No caso, o emissor infra-
vermelho emite uma luz cuja radiação está no comprimento de onda do infra-vermelho
acima de 800nm até 1mm frequência de 300GHz a 400 THz. Dividida em três
categorias: radiação infravermelha curta (0,8-1,5 µm), média (1,5-5,6 µm) e longa (5,6-
1.000 µm). Esta radiação infravermelha pode ser utilizada em um controle remoto, na
transferência de dados entre os dispositivos, como é o caso do uso do LED IV neste
experimento (usamos o emissor LED-IV para enviar os comandos de acionamento
das funções da lâmpada de LED, a qual possui um receptor de LED IV dentro dela).
Um LED infravermelho é, como todos os LEDs, um tipo de diodo, ou um
semicondutor simples. Os diodos são projetados de modo que a corrente elétrica só
pode fluir em uma direção. Por sua vez, o comprimento da onda e a cor da luz emitida
dependem do material utilizado no diodo. LEDs infravermelhos utilizam o material que
produz luz na parte infravermelha do espectro.
Um lugar muito comum de encontrar a tecnologia de LED infravermelho está
em um controle remoto de um televisor ou outro dispositivo. Um ou mais LEDs dentro
do controle remoto transmitem pulsos rápidos de luz infravermelha para um receptor
na televisão. O receptor decodifica e interpreta esses impulsos como um comando e
realiza a operação desejada. Ou seja, assim como a lâmpada de LED possui um
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105
controle remoto para alterar as funções e selecionar as variadas cores, e outras
funções, aplicaremos este princípio para efetuar a mudança das funções via comando
pelo arduino. Estes comandos são enviados ao emissor, o qual os recebe, e reenvia
ao receptor o qual os decodifica, realizando a função requisitada pelo comando do
arduino.
Por outro lado, embora invisíveis aos olhos humanos, muitos tipos de câmeras
e outros sensores podem detectar a luz infravermelha. Isso faz com que emissores de
LED possam ser testados (no caso de teste da ligação se está correta) por meio das
câmeras digitais.
10.2.2.2.2.2. Funcionamento
A radiação IV emitida, quando refletida por um objeto, alcança o receptor
infravermelho, que gera uma tensão proporcional a quantidade de radiação recebida
(normalmente o receptor é um foto-transistor, e a radiação IV incidente polariza sua
base, deixando passar corrente do coletor para o emissor, conforme a intensidade de
polarização recebida).
Figura 22 - Reflexão do infravermelho. No caso do nosso experimento, o receptor se encontra dentro da lâmpada, e o emissor sobre o suporte que a reveste. O emissor se conecta ao Arduino recebendo os devidos
comandos. Adaptado de http://arduinobymyself.blogspot.com.br/2013/01/sensor -ir-projetos.html .
Figura 23 - Par emissor TIL32 e receptor TIL78. TIL78 é um foto-transistor. Imagem retirada de
http://arduinobymyself.blogspot.com.br/2013/01/sensor-ir-projetos.html .
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106
A tensão de saída pode ser medida de forma analógica, ou se necessário, com
componentes externos tais como amplificadores operacionais e schmitt-trigger que
podem ser usados para transformar em sinal digital. Ou mesmo microcontroladores,
como o caso do Arduino utilizado neste projeto.
Para os componentes TIL32 (emissor) e TIL78 (receptor) (Figura 23), existem
diversos tipos de cores no encapsulamento (Figura 25) e muito parecidos, podendo
haver confusão; para testar, deve-se polarizar o emissor com um resistor de 330Ω e
verificar com uma câmera fotográfica, se ele está "acendendo". Utilizamos este
método para confirmação da polaridade do emissor.
Figura 24 - Símbolo do fototransistor. Imagem retirada de
http://arduinobymyself.blogspot.com.br/2013/01/sensor-ir-projetos.html .
Figura 25 - Invólucro e substrato, à esquerda; Pinagens e dimensões do receptor infravermelho, à direita. Este receptor é o mesmo que está inserido no sistema de acionamento interno da lâmpada. Imagem da esquerda, retirada de http://arduinobymyself.blogspot.com.br/2013/01/sensor -ir-projetos.html ; da direita,
retirada de http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial -emissor-e-receptor-infra-vermelho-com-arduino .
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10.2.2.2.2.3. Procedimentos para decodificação do controle remoto – Emissor e
receptor infravermelho
Para fins deste projeto utilizamos o emissor apenas para enviar as mesmas
funções que o controle remoto próprio do sistema da lâmpada de LED envia ao
receptor IV, interno à lâmpada. Para os procedimentos desta decodificação
empregamos o circuito mostrado na figura a seguir (Figura 26) e descrito no próximo
parágrafo.
Figura 26 - Imagem do circuito de teste para procedimentos de decodificação do controle remoto, para usar o
emissor junto ao receptor da lâmpada de LED RGB, posteriormente.
Os componentes que foram utilizados nesta etapa foram 1 receptor IV (interno
à lâmpada de LED – na figura utilizamos um receptor IR para teste e reconhecimento
dos padrões do controle remoto), 1 led emissor infravermelho (IV), cabos de conexão
e 1 controle remoto (como mostrado na figura acima), que veio com a lâmpada de
LED.
Primeiramente é importante utilizar o receptor IV (ou IR, do inglês infrared) para
receber os comandos do controle remoto, a fim de se decodificar cada uma das teclas.
Posteriormente, com estes padrões de decodificação utiliza-os nos comandos de if
dentro da rotina do emissor infravermelho, a fim de que possa se comandar a lâmpada
de LED remotamente, por meio do arduino (o emissor envia os códigos ao receptor
infravermelho, por meio do arduino; com isso o receptor decodifica os sinais e permite
a mudança de cada uma das cores da lâmpada, além de outras funções).
Controle remoto Arduino MEGA
Receptor Emissor
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10.2.2.2.2.3.1. Programação para o receptor infravermelho – decodificação
Para a programação do receptor, montamos um circuito de teste com receptor
que consistiu basicamente do receptor conectado a um resistor de 220ohms (apenas
por questão e segurança, mas a inclusão do resistor é opcional) no terminal que se
conecta aos 5V do arduino. O primeiro terminal do receptor conecta-se a uma porta
digital (para o teste utilizamos a porta 2) e o último ao GND do Arduino. Com isso,
temos o seguinte circuito (Figura 27):
Figura 27 - Circuito montado para decodificção do controle remoto. No caso do nosso projeto, não
precisamos utilizar o LED vermelho (opcional) pois o propósito foi apenas a decodificação do controle remoto. Na montagem, colocamos um resistor de 220ohms como segurança, mas não é necessário, para fins de
teste.
Assim, basta rodar a programação e quando compilada, apertar os botões do
controle remoto e anotar cada código gerado na saída do monitor serial. Finalizado o
processo, volta-se a programação do receptor e se insere cada um dos códigos em
várias condições if, de modo a verificar se correspondem a função e cada uma das
teclas. Caso esteja certo, pode-se utilizar estas condições na programação para o
emissor, criando assim um controle remoto para a lâmpada de LED (que possui um
receptor dentro dela), acionado pelo arduino. Assim, vamos às programações:
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109
10.2.2.2.2.3.1.1. Programação do Receptor
Antes de mais nada, deve-se baixar uma bilbioteca para controlar o
infravermelho, a biblioteca IRemote. Após isso, se extrai a bilbioteca na pasta
"libraries" da IDE do Arduino. Para a versão 1.0, e posteriores, da IDE do Arduino,
abra o arquivo "IRRemoteInt.h" com um editor de texto e no editor troca-se a linha
"#include <WProgram.h>" para "#include <Arduino.h>".
Esta programação permite reconhecer os códigos do controle remoto ao aperto
de um botão. Ou seja, decodifica-se assim cada uma de suas funções. Primeiramente
devemos utilizar esta programação (quadro 6):
Quadro 6: Programação inicial do receptor para decodificação do controle remoto da lâmpada de LED. #include <IRremote.h>
#define FNV_PRIME_32 16777619
#define FNV_BASIS_32 2166136261
int ledPin1 = 13; //Onde será ligado o led 1 int RECV_PIN = 2; //Onde será ligado o Receptor IR
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;
void setup()
pinMode(ledPin1, OUTPUT); //Configurando o pino como saida
irrecv.enableIRIn(); //Iniciando a recepção do sinal
Serial.begin(9600);
int compare(unsigned int oldval, unsigned int newval)
if (newval < oldval * .8)
return 0;
else if (oldval < newval * .8) return 2;
else
return 1;
unsigned long decodeHash(decode_results *results)
unsigned long hash = FNV_BASIS_32;
for (int i = 1; i+2 < results->rawlen; i++)
int value = compare(results->rawbuf[i], results->rawbuf[i+2]); hash = (hash * FNV_PRIME_32) ^ value;
return hash;
void loop() if (irrecv.decode(&results))
Serial.print("'real' decode: "); //Mostra o valor recebido
Serial.print(results.value, HEX); //!!!!!!!PARA IDENTIFICAR AS TEClAS
Serial.print(", hash decode: ");
unsigned long hash = decodeHash(&results); Serial.println (hash); //Mostra o valor já decodificado!
irrecv.resume(); // Obrigatório a reinicialização da recepção!
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110
Compilando esta programação, permitimos ao sistema decodificar os sinais de
cada uma das funções do controle remoto. Ao apertar cada um dos botões, na saída
serial são mostrados os respectivos códigos. Os códigos de cada um dos botões do
controle remoto são mostrados a seguir:
Quadro 7: Códigos obtidos para cada um dos botões do controle remoto no processo de decodificação
anterior. AUMENTA BRILHO - 1 - 'real' decode: FFA05F --- hash decode: 2878444831
DIMINUI BRILHO - 0 - 'real' decode: FF20DF --- hash decode: 1373912347
OFF ------------ D - 'real' decode: FF609F --- hash decode: 4287727287
ON ------------- L - 'real' decode: FFE01F --- hash decode: 4034314555
RED ------------ R - 'real' decode: FF906F --- hash decode: 3855596927
GREEN ---------- G - 'real' decode: FF10EF --- hash decode: 2351064443
BLUE ----------- B - 'real' decode: FF50AF --- hash decode: 713627999
WHITE ---------- W - 'real' decode: FFD02F --- hash decode: 3577243675
ORANGE --------- o - 'real' decode: FFB04F --- hash decode: 4039382595
LITE GREEN ----- g - 'real' decode: FF30CF --- hash decode: 2534850111
MEDIUM BLUE ---- b - 'real' decode: FF708F --- hash decode: 1153697755
FLASH ---------- F - 'real' decode: FFF00F --- hash decode: 900285023
DARK ORANGE ---- O - 'real' decode: FFA857 --- hash decode: 2747854299
LITE BLUE ------ z - 'real' decode: FF28D7 --- hash decode: 324312031
PURPLE --------- x - 'real' decode: FF6897 --- hash decode: 3238126971
STROBE --------- S - 'real' decode: FFE817 --- hash decode: 1541889663
DARK YELLOW ---- y - 'real' decode: FF9867 --- hash decode: 2538093563
BLUE GRREN ----- c - 'real' decode: FF18E7 --- hash decode: 1033561079
VIOLET --------- V - 'real' decode: FF58A7 --- hash decode: 3691091931
FADE ----------- < - 'real' decode: FFD827 --- hash decode: 2259740311
YELLOW --------- Y - 'real' decode: FF8877 --- hash decode: 2666828831
DARK BL. GREEN - C - 'real' decode: FF08F7 --- hash decode: 1162296347
LITE VIOLET ---- P - 'real' decode: FF48B7 --- hash decode: 4084712887
SMOOTH --------- - - 'real' decode: FFC837 --- hash decode: 2388475579
Assim, com os códigos obtidos para cada botão, voltamos a programação do
receptor e testamos o mesmo controle para fins de verificação, associando cada
código decodificado a uma respectiva tecla (conforme quadro anterior):
Quadro 8: Programação do Receptor infravermelho, atualizada para cada botão do controle remoto, decodificado.
#include <IRremote.h>
#define FNV_PRIME_32 16777619
#define FNV_BASIS_32 2166136261
int ledPin1 = 13; //Onde será ligado o led 1
int RECV_PIN = 8; //Onde será ligado o Receptor IR
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;
void setup()
pinMode(ledPin1, OUTPUT); //Configurando o pino como saida irrecv.enableIRIn(); //Iniciando a recepção do sinal
Serial.begin(9600);
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111
int compare(unsigned int oldval, unsigned int newval)
if (newval < oldval * .8) return 0;
else if (oldval < newval * .8)
return 2;
else
return 1;
unsigned long decodeHash(decode_results *results) unsigned long hash = FNV_BASIS_32;
for (int i = 1; i+2 < results->rawlen; i++)
int value = compare(results->rawbuf[i], results->rawbuf[i+2]);
hash = (hash * FNV_PRIME_32) ^ value;
return hash;
void loop()
char tecla;
tecla = Serial.read();
if (irrecv.decode(&results))
unsigned long hash = decodeHash(&results);
irrecv.resume(); // Obrigatório a reinicialização da recepção!
if (tecla == '1')
hash = 2878444831;
Serial.println (" Aumenta o Brilho!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100); digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == '0')
hash = 1373912347;
Serial.println (" Diminui o Brilho!"); digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'D') hash = 4287727287;
Serial.println (" Desliga!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'L')
hash = 4034314555;
Serial.println (" Liga!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH); delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'R')
hash = 3855596927; Serial.println (" VERMELHO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'G')
hash = 2351064443;
Serial.println (" VERDE!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
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delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'B')
hash = 713627999;
Serial.println (" AZUL!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100); digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'W')
hash = 3577243675;
Serial.println (" BRANCO!"); digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'o') hash = 4039382595;
Serial.println (" LARANJA!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'g')
hash = 2534850111;
Serial.println (" VERDE CLARO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH); delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'b')
hash = 1153697755; Serial.println (" AZUL MEDIO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'F')
hash = 900285023;
Serial.println (" FLASH!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100); digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'O')
hash = 2747854299;
Serial.println (" LARANJA ESCURO!"); digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'z') hash = 324312031;
Serial.println (" AZUL CLARO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'x')
hash = 3238126971;
Serial.println (" ROXO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH); delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'S')
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hash = 1541889663;
Serial.println (" ESTROBO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH); delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'y')
hash = 2538093563; Serial.println (" AMARELO ESCURO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'c')
hash = 1033561079;
Serial.println (" VERDE ÁGUA!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100); digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'V')
hash = 3691091931;
Serial.println (" VIOLETA!"); digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == '<') hash = 2259740311;
Serial.println (" ESMAECER");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'Y')
hash = 2666828831;
Serial.println (" AMARELO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH); delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'C')
hash = 1162296347; Serial.println (" COBALTO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == 'P')
hash = 4084712887;
Serial.println (" VIOLETA CLARO!");
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100); digitalWrite(ledPin1, LOW);
if (tecla == '-')
hash = 2388475579;
Serial.println (" SMOOTH!"); digitalWrite(ledPin1, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(ledPin1, LOW);
Serial.println (“\n");
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114
Compilada e verificada, notamos que as funções estavam corretas, conforme
acionamos as respectivas teclas do teclado do PC, responsáveis pelo acionamento
das respectivas funções (como mostrado no quadro 6). Sendo assim, utilizamos esta
mesma lógica na programação do emissor infravermelho. No caso do emissor a
montagem que utilizamos é mostrada na figura abaixo, ou seja, um emissor
infravermelho conectado a um resistor de 220ohms, em seu terminal positivo (ânodo),
conectando-se a porta digital D3, com o outro terminal conectando-se ao GND do
Arduino.
10.2.2.2.2.3.1.2. Programação do Emissor:
Figura 28 - Esquema da montagem de teste utilizada para o emissor infravermelho, consistindo de um LED
emissor infravermelho e um resistor de 220 ohms conectado ao terminal positivo do LED, o qual conecta-se a
porta D3.
Desse modo verificamos a programação do emissor para acionamento da
lâmpada de LED RGB utilizada no projeto. Como os códigos do controle remoto da
lâmpada foram decodificados anteriormente, basta utilizar a parte das condições de if
junto a programação normal do emissor, a qual foi apresentada no Quadro 4.
Para o teste final com a lâmpada de LED RGB, associamos o emissor a um
arduino MEGA (o que utilizamos no projeto), de modo que é necessário que saibamos
o pino que fará a comunicação com o emissor (no Arduino MEGA os pinos de
comunicação para o emissor são diferentes do UNO). No arquivo da biblioteca
IRemote, no arquivo IRemoteInt.h é possível se notar quais os pinos que são utilizados
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115
para comunicação com o emissor. Escolhemos o pino 9. Sendo assim, testamos o
emissor junto à lâmpada para cada uma das funções sendo acionadas via teclado do
computador, que acionava o arduino, o qual por sua vez envia o comando ao emissor
que repassa ao receptor da lâmpada de LED, fazendo com que a lâmpada tenha a
mudança de cor, ou de outra função, realizada. Abaixo, imagem da lâmpada em
funcionamento sendo acionada via teclado.
Figura 29 - Imagem mostrando acionamento pelo teclado, apagando (à direita) e acendendo (à direita) a
lâmpada
Assim, com fins de ajuste a programação do experimento, a programação inicial
de cada sensor é adaptada dentro das condições de cada etapa do experimento,
conforme pôde ser notado nos Quadros 1 a Quadro 4.
Sendo assim, temos as seguintes sequências de uso dos sensores:
1. O motor gira tantos graus quanto se determinar dentro da programação, via
controle dos passos, a fim de fazer com que as raias do espectro cheguem a
posição do sensor detector de cores.
2. Os respectivos comandos do teclado fazem o motor girar os determinados
graus, de modo a fazer a varredura de cada uma das raias, dentro das
respectivas combinações de cada cor.
a. Quando se aciona uma das teclas do teclado, portanto, o motor é
acionado para girar determinados graus, para a raia vermelha, verde ou
azul, de modo que ao final volte a posição inicial.
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116
3. Por sua vez, o comando do teclado é compartilhado remotamente a um botão
em uma página em php,
a. Este botão ao ser acionado remotamente, transmite o comando como
se fosse uma das teclas do teclado.
b. Esse comando é recebido pelo emissor IV, no experimento real, o qual
retransmite ao receptor IV (dentro da lâmpada de LED).
c. Ao receber esse comando, como se fosse de um teclado do experimento
real, a lâmpada de LED muda sua cor, de acordo com o respectivo
comando recebido.
4. Por sua vez, este comando recebido, na programação do arduino, permite que
seja encaminhado ao motor os determinados ângulos, de modo que, pela
programação, o motor rode os números determinados de passos.
5. Portanto, ao mesmo tempo em que o usuário remoto aciona a mudança de cor
na lâmpada ele controla o giro do motor.
a. Os ângulos de giro são alterados sequencialmente, via programação
prévia colocada no arduino, para que cada raia seja detectada pelo
sensor detector de cor (TCS34725, Adafruit®)
6. Posteriormente, recebe-se os dados de iluminância ou irradiância por
comprimento de onda,
a. O comprimento de onda que é obtido através de cálculo colocado dentro
da programação, o qual considera o arranjo geométrico do experimento
7. Esse cálculo, por sua vez, depende da distância (D, a distância da raia do
espectro até a rede de difração) calculada via sensor infravermelho (sensor de
proximidade, sensor IR – SHARP® GP2Y0A21YK0F), o qual possui um
alcance de 10 a 80cm, e que por ser pequeno se torna um sensor possível de
ser anexado junto ao suporte da rede de difração.
10.2.3. Procedimentos de medição do comprimento de onda:
10.2.3.1. Espectro projetado por difração
Com os dados do parâmetro da rede d, da rede de difração, podemos calcular
o comprimento de onda, a partir da difração do feixe da luz para um dado valor de
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117
distância D fixada entre a rede de difração e a tela, substituindo-se nas linhas de
programação os valores destas grandezas.
Encontrada a posição da fenda projetada (n = 0), o processo de coleta das
medidas se inicia quando a tecla “L”, o botão na página php que aciona o ligamento
da lâmpada, e acionamento do relé, para depois se pressionar algum botão na página
php que acione alguma das cores da lâmpada de LED. Assim os valores dos desvios
X da Eq. 2 são obtidos diretamente, e um simples cálculo conduz ao valor do
comprimento de onda, à medida que a rede de difração gira, de modo que cada raia
do espectro possa ser detectada pelo sensor (detector de cores, TCS34725 –
Adafruit®), até a última raia, no caso, a azul, em relação a posição original do conjunto
rede e motor de passo. Por isso é necessário que se faça algumas correções na
fórmula que é utilizada dentro da programação (conforme indicado no Anexo 2),
considerando para tanto as distâncias do conjunto rede e motor até o sensor detector
de cor. Essa distância é determinada pelo sensor infravermelho (IV) de distância. A
partir deste ponto, a programação faz o conjunto rede e motor voltarem a posição
original, da fenda projetada. Finalmente, pela saída do monitor serial, podemos
registrar:
Os dados coletados de comprimento de onda, determinados a partir da
distância entre o sensor detector de cores TCS34725 (que será
determinada via sensor de proximidade) e a rede de difração;
Os dados de irradiância, no mesmo sensor (TCS34725);
Com estes dados é possível tanto usar a tabela dos dados quanto montar o
gráfico ou tabela do espectro eletromagnético de Irradiância (W/m2) ou Iluminância
(lux) vs Comprimento de Onda (nm), seja em um editor de texto, seja em um programa
que rode paralelo à programação do Arduino, como é o caso do Processing, no qual
podemos coletar a tabela mencionada, ao mesmo tempo em que o sistema coleta a
série de dados.
Por outro lado, outra possibilidade é, com os dados de porcentagem de cor
lidos pelo detector de cores (sensor TCS34725, utilizando os dados coletados de
iluminância e a detecção das cores para as diferentes raias do espectro) e evidenciar
a composição de cores para cada cor selecionada na lâmpada de LED.
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118
No caso do espectro coletado, com a programação do Processing necessária
para coletar os dados da saída serial, pode-se gerar um arquivo texto, o qual por sua
vez, alimenta uma página em php, a qual é inserida (como uma iframe - um código
html que faz com que uma página seja aberta dentro de outra), dentro do ambiente
virtual e aprendizagem. Com isso, poderemos associar em ambiente remoto, a tabela
coletada bem como a visualização do experimento, via Web Cam. Além de associar
em outra página php, a formação de cores obtidas a partir da difração do feixe de luz
incidente na rede, proveniente da lâmpada de LED
Para o gráfico de irradiância por comprimento de onda, o processo é
semelhante, entretanto, pelo fato de o arquivo texto ser usado para gerar valores em
eixos de um programa chamado pChart (http://pchart.sourceforge.net/), que cria gráficos
em php.
A partir do gráfico criado, também cria-se um iframe dentro do ambiente virtual,
de modo a se observar o gráfico sendo coletado, desde que junto a ele (e também a
tabela), rode-se um aplicativo extensível, em Java, para que se atualizem os dados
do arquivo texto (são gerados arquivos, que podem ser salvos pelo usuário, a cada
coleta de dados).
10.3. Experimento Remoto
O experimento remoto consiste na transmissão dos dados utilizando a ethernet,
ou a própria saída serial para ambiente remoto (internet). No caso da saída serial,
essa transmissão é possível, desde que em associação ao Processing o qual roda um
arquivo extensível das informações da saída serial, extensão essa que pode ser
acessada pelo usuário remoto, de forma a poder rodar a programação e coleta de
dados. Nessa transmissão é possível também a visualização dos gráficos (Irradiância
por comprimento de onda), com a possibilidade de visualização da composição de
cores e consequente observação do experimento real, via webcam. Todas estas
etapas estão disponíveis no ambiente virtual de aprendizagem, dentro de um iframe
(uma página em html, dentro do espaço reservado no ambiente), disponível na
internet. Por sua vez, no AVA, o qual esta em etapa de reformulação, também é
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119
possível acessar conteúdos teóricos para melhor entendimento do funcionamento e
conceitos do experimento.
A seguir mostraremos as etapas de programação envolvidas para a
visualização do experimento via webcam, visualizações gráficas (das interfaces de
controle do experimento e também de gráficos gerados e da interface de combinação
de cores) e os passos para comunicação via ethernet do arduino para a comunicação,
via telnet, repassando os dados para que haja o acesso remoto.
10.3.1. Coleta dos Dados de Intensidade Luminosa e Comprimento de Onda:
10.3.1.1. Saída Serial para a Internet
A coleta de dados deve fornecer, ao usuário, uma tabela de intensidade
luminosa (irradiância) e de comprimento de onda, a qual será obtida direto da
programação do arduino, já que desta programação os dados são enviados ao
servidor pelo arquivo extensível criada em Processing, o qual coleta as informações
colocadas na saída serial. Dentro da programação os comandos são dados em
determinadas linhas a fim de se estabelecer a conexão dos dados do servidor (quem
manda os dados vindos da programação, que se comunicará com o servidor de
experimentos) com o cliente (o elemento que recebe os dados – neste caso quem
acessar o experimento, obterá os dados que estão no servidor, pelo arquivo extensível
do Processing, a partir do acionamento do experimento).
Com a tabela gerada no servidor de experimentos, vinda dos dados disponíveis
no arquivo extensível (a partir do acionamento do experimento), estes dados são
posteriormente transferidos para a página do experimento. Ou seja, o cliente/usuário
acessa o experimento, e ao clicar no botão para rodar o experimento, visualiza, pela
webcam o próprio acontecendo, com a coleta dos dados de irradiância por
comprimento de onda; ao fim do processo, o Arduino envia os dados, pelo arquivo
extensível, ao servidor de experimentos; este disponibiliza, enfim, os dados em forma
de tabela na página que o cliente/usuário estiver acessando, podendo ser
armazenados pelo cliente para posterior analise.
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120
10.3.1.2. Interface de Controle Remoto
Tendo a comunicação entre a saída serial e o servidor sido estabelecido (pelo
arquivo .exe criado no Processing), é interessante que comentemos e mostremos a
interface de controle remoto, a qual será inserido dentro do ambiente virtual de
aprendizagem, e que através do apertar dos botões será acionada determinada
lâmpada de LED, e rodando o experimento. Nesta interface também será disponível
a visualização da composição de cores que forma a determinada cor da lâmpada.
10.3.1.2.1. Descrição da Interface
Esta é a imagem (Figura 30) 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. 30 – Interface de Controle Remoto (Aciona as cores da Lâmpada de LED)
Esta interface ao apertar um dos botões, dispara o comando para acionamento
de uma das respectivas cores da lâmpada de LED, via emissor infra-vermelho (cujo
funcionamento foi previamente descrito no item 10.2.2.2.2). O sinal vindo do emissor
IV, é recebido pelo receptor dentro da lâmpada de LED, a qual muda de cor (ou liga,
caso esteja desligada – depende do comando dado, na programação o arduino).
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121
O feixe de luz que saiu da lâmpada de LED incide no espelho refletor, sendo
direcionado na lente convergente, até convergir na posição da rede de difração, que
está montada sobre o eixo do motor de passo. Assim, com o feixe chegando a rede
de difração, pela programação do Arduino, a rede de difração recebe o comando para
girar de modo que as raias do espectro incidam sobre o sensor detecto de cor
(TCS34725). Assim, se obtém tanto o espectro de irradiância por comprimento de
onda quanto uma composição de cores, esta que posteriormente poderá ser
observada como resultado dentro da interface de controle. Para maiores informações
a respeito do código-fonte desta interface vide Anexo 1.
10.3.1.3. Visualização do experimento pela WebCam
Associamos também a visualização pela WebCam. Para tanto utilizamos a
câmera da D-Link, cujo driver é devidamente instalado no servidor. Criamos uma conta
no computador como administrador, e com a visualização na internet, retiramos do
código fonte da página as linhas referentes a visualização propriamente dita, ou seja,
o aplicativo que gera a sequência de imagens ou o vídeo, relacionados ao IP fixo, com
informações referentes a D-Link.
Nestas linhas, o “applet” gerador do vídeo se comunica com o IP da câmera3,
a partir do qual, determina vários parâmetros para a visualização do vídeo, sendo
necessário o pacote Java, por ser um tipo de API (vide item Error! Reference source
not found.). Ainda, para maior conveniência, é necessário que o arquivo “aplug.jar”
seja baixado para a mesma pasta de onde se estão as páginas em html.
Esta mesma câmera está posicionada ao lado da lente convergente de modo a
captar o giro do sistema motor de passo com a rede de difração, mostrando ao cliente
o funcionamento do experimento, conforme Figura e Figura .
3 Nota-se com isso a necessidade de uma câmera de IP fixo, também para posterior uso em rede que não seja somente a interna.
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122
Figura 31 - Angulo de visão da câmera para visualização do experimento.
Figura 32 - Imagem do experimento captada pela câmera
Ainda, como a câmera é conectada independentemente do servidor web (servidor
das páginas de internet), a transmissão de imagem não depende do processamento
pelo servidor web. A renderização/processamento da página e a imagem da câmera
se dão na máquina cliente (web browser).
Com o código da visualização através da WebCam, geração dos gráficos e
arquivos TXT em tabela sendo atualizada em ambiente virtual (via php), pode-se
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123
montar a página html geral, com todas as funções apresentadas, e readequadas aos
dados do experimento real (dados de irradiância e de comprimento de onda). Esta
será a base do experimento remoto o qual estará inserido dentro do ambiente virtual
de aprendizagem.
10.4. Ambiente Virtual de Aprendizagem
10.4.1. Conceitos, Teoria e Aplicabilidade
Atualmente, estamos vivenciando um tempo de grandes informações
tecnológicas que estão ao alcance de qualquer pessoa (MOZZER, 2010, p.38). Desde
que a Internet se popularizou e devido ao grande avanço da EaD, faz-se necessário
implementar ferramentas pedagógicas que possibilitem uma maior interação entre
aluno e professor, tornando a ligação entre ambos mais estreita.
Com o avanço da EaD, formaram-se as comunidades virtuais de
aprendizagem. Para atingir seus objetivos educacionais, essas comunidades
necessitam de princípios de comportamento que favoreçam a aprendizagem, como a
construção coletiva e a existência de interesse mútuo, assim como de regras de
resolução de conflitos, permitindo que as simples agregações eletrônicas de pessoas
tornem-se uma comunidade virtual de aprendizagem.
Para facilitar a criação das comunidades, surgiram diversos softwares de
agregação pessoal. Muitos desses softwares trazem consigo discussões pedagógicas
para o desenvolvimento de metodologias educacionais utilizando canais de interação,
possibilitando fácil manuseio e controle de aulas, discussões, apresentações e outras
atividades de forma virtual.
Para a criação de comunidades de aprendizagem surge o conceito de
ambientes virtuais de aprendizagem. Sabe-se que os ambientes de aprendizagem on
line se caracterizam como cooperativos, automatizados e interativos, pressupondo a
presença de diversos autores como professor/aluno; professor/equipe;
professor/grupo de alunos. Neste sentido, a aprendizagem, e o próprio conhecimento
não ficam limitado a apenas um elemento, o professor, ele é compartilhado, e o
entendimento, a aprendizagem, compartilhada.
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124
Sabemos que a EaD está inserida dentro deste contexto de ambientes virtuais.
Portanto, é um processo que enfatiza a construção e a socialização do conhecimento,
assim como a operacionalização dos princípios educacionais. Logo, os ambientes
virtuais de aprendizagem são facilitadores para a educação à distância.
Assim, esses ambientes permitem uma interação assíncrona e síncrona entre
alunos e professores tutores, através de ferramentas que variam de acordo com cada
ambiente. Com os ambientes virtuais surgem as comunidades virtuais de
aprendizagem e, consequentemente, a aprendizagem colaborativa. Desta forma, é
necessário entender como esses ambientes funcionam, que características o
representam, e de que forma pode ser utilizado para que se tenha uma aprendizagem
mais significativa.
Nos últimos anos, os Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs) estão sendo
cada vez mais utilizados no âmbito acadêmico e corporativo como uma opção
tecnológica para entender a demanda educacional (MESSA, 2010, p.7). A partir disso,
verifica-se a importância de um entendimento mais crítico sobre o conceito que orienta
o desenvolvimento destes ambientes, assim como, o tipo de estrutura humana e
tecnológica que oferece suporte ao processo ensino-aprendizagem
Em termos conceituais, pode-se dizer que os AVAs consistem em mídias que
utilizam o ciberespaço para veicular conteúdos e permitir interação entre os atores do
processo (PEREIRA, 2007, p.4 apud MESSA, 2010, p.8). Em consonância com essa
evolução e realidade educacional, e na tentativa de alinhar as produções de materiais
didáticos que servissem como referenciais para as mais variadas ofertas de cursos na
modalidade de educação a distância, o Ministério da Educação (2007), conceitua os
AVAs como:
Programas que permitem o armazenamento, a administração e a disponibilização de conteúdos no formato Web. Dentre esses, destacam-se: auals virtuais, objetos de aprendizagem, simuladores, fóruns, salas de bate-
papo, conexões e materiais externos, atividades interativas, tarefas virtuais (webquest), modeladores, animações, textos colaborativos (wiki).
Pode-se dizer que o AVA é uma excelente opção de mídia que esta sendo
utilizada para mediar o processo ensino-aprendizagem a distância (MESSA, 2010).
Sendo assim, para que esse processo flua de forma significativa para as interações
aluno-professor, pode-se dizer que o design do material consistem em um dos
aspectos essenciais. Fatores como tecnologia, interação, cooperação e colaboração
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
125
entre os aprendizes e professores contribuem para a efetividade do ensino, e
consequentemente da aprendizagem.
Os AVAs provém recursos para dispor grande parte dos materiais didáticos nos
mais diferentes formatos, podendo ser elaborado de forma escrita, hipertextual, oral
ou áudio-visual (MESSA, 2010). É interessante portanto, observar algumas
recomendações sugeridas por (PEREIRA, 2007, p. 14 apud MESSA, 2010, p. 9), para
o desenvolvimento do material didático a ser disponibilizado no ambiente virtual, entre
elas:
Utilizar hipertextos;
Utilizar textos impressos em forma de apostilas, com recursos gráficos e
imagens;
Disponibilizar previamente, um resumo auditivo do material para ajudar na
recomendação de maneira a conduzir a formação de conceito
Não subestimar o uso de Cd e DVD por serem tecnologias de mão única, pois
esses possibilitam o controle total do aprendiz, al~em de serem de baixo
custo
Fazer o uso da voz humana quando possível, pois essa é uma excelente
ferramenta pedagógica
Oferecer a opção de áudio junto com o material textual, a fim de ativar mais
um canal sensorial no processo ensino-aprendizagem, contemplando assim,
diferentes perfis de aprendizes
Disponibilizar vídeo-conferências para possibilitar a interação de pessoas e
grupos dispersos geograficamente em tempo real
Utilizar simulações e animações de forma a facilitar o ensino de conceitos
abstratos e pouco conhecidos, além daqueles que necessitam de muito
tempo de ensino, oferecem perigo e são inacessíveis devido aos altos custos
e à distância
(PEREIRA, 2007, p.14 apud MESSA, 2010, p.9)
Para auxiliar no processo do aprendizado significativo, é necessário que os
AVAs sejam dotados de várias mídias, como vídeos, gráficos, áudios textos, dos quais
apresentam inúmeras vantagens: promover od esenvolvimento de habilidades e
formação de conceitos, possibilitar inúmeras modalidades de aprendizagem,
aumentar a interatividade, facultar a individualidade, podendo o aluno administrar o
seu tempo, permitir aos alunos maior compreensão dos conteúdos, já que utiliza várias
mídias e não apenas textos, facilitar a aprendizagem por meio de palavras utilizadas
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
126
simultaneamente e ajudar no aprendizado, pois utiliza animações e narrações
audíveis, que é mais consistente do que a animação e o texto em tela.
Muitas são as ferramentas disponíveis para permitir a aprendizagem
significativa em AVAs, das quais podemos citar: blogs, wikis, e-portfólios, social
networking, social bookmarking, photo sharing, second life, online forums, video
messaging, YouTube®, audiographics, entre outras. Em AVAs (MESSA, 2010),
pretende-se fomentar nos alunos, habilidades de aprendizagem autônoma, embora
preferencialmente coletiva, desenvolver habilidades de construção do conhecimento,
motivar a aprendizagem sem fim. Enfim, nos AVAs se é possível, através dos vários
recursos e das várias mídias que se intercomunicam, favorecer uma aprendizagem
que venha a serr mais significativa ao aluno, transformando-o em autor de seu próprio
conhecimento, e incentivando-o a pesquisar e refletir o que ele está elaborando.
Além das ferramentas, é importante ressaltar que para gerenciá-las todas
temos de escolher o Sitema de Gerenciamento de Aprendizagem (ou LMS – da sigla
em inglês para Learning Management System). Este sistema é importante, pois pode
ser um fator decisivo na implantação e sustentação do projeto que envolverá
gerenciamento administrativo, custos financeiros e recursos humanos (FERNANDES
et al, 2010, p.7) . A definição de LMS surgiu para dar nome a um conjunto de
ferramentas que integram um sistema que é responsável pela gestão de cursos e
treinamentos à distância, com o objetivo de simplificar a administração em uma
organização. Esses sistemas poderão integrar-se a outros de gestão já existentes.
O sistema deve ser capaz de personalizar perfis de administração, para facilitar
o acesso dos instrucionais, tutores, suporte técnico e alunos. Algumas questões
devem ser levadas em consideração antes de adotar uma solução, seja ela,
proprietária ou software livre. A empresa ou instituição pode optar pelo
desenvolvimento próprio do LMS, para uma maior autonomia de customizações de
regras de negócio que se adaptem à sua realidade. O número de usuários envolvidos
e a previsão de crescimento envolverão a escala desejada, desde a infra-estrutura de
servidores como o desempenho do LMS em questão. Os sistemas de código aberto
levam grande vantagem, já que são disponibilizados de graça para download e
adaptação. O Moodle, ambiente mais adotado, oferece no seu website oficial, vários
plugins (funcionalidades separadas) e temas (interfaces) para download.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
127
Os servidores são divididos em comerciais e os de código aberto. Os
comerciais são: Angel Learning, Blackboard, Desire2Learn, e College, Ensinarnet,
FirstClass, IntraLearn, LearningServer .NET, MPLS2, Portal Educação, SumTotal,
WebAula. E os de código aberto são: AulaNet, .LRN, Moodle, Sakai Project, TelEduc.
Devido ao fato de querermos disponibilizar nosso projeto em um sistema de
código aberto e que permita um maior numero de funcionalidades e que tenha uma
plataforma amigável e flexível em sua manutenção, casos eja necessário, preferimos
optar pelo Moodle. Trataremos este sistema de gerenciamento com mais
profundidade, dado que será a plataforma escolhida para as definições do nosso
ambiente virtual de aprendizagem.
10.4.1.1. O Moodle
O Moodle se trata de uma sistema de gerenciamento de aprendizagem, ou
simplesmente o próprio ambiente virtual de aprendizagem, de código aberto, livre e
gratuito (FERNANDES et al, 2010, p.8), com os usuários podendo baixá-lo, usá-lo,
modificá-lo e distribuí-lo seguindo apenas os termos estabelecidos pela licença GNU
GPL.
Ele pode ser executado, sem nenhum tipo de alteração, em sistemas
operacionais Unix, Linux, Windows, Mac OS X, Netware e outros sistemas que
suportem a linguagem PHP. Os dados são armazenados em bancos de dados MySQL
e PostgreSQL, mas também permite a utilização de outros programas.
O Moodle mantém-se em desenvolvimento por uma comunidade que abrange
participantes de todas as partes do mundo. Essa comunidade, formada por
professores, pesquisadores, administradores de sistema, designers instrucionais e,
principalmente, programadores, mantém um portal (http://www.moodle.org ) na Web
que funciona como uma central de informações, discussões e colaborações. Além das
discussões e colaborações disponíveis em inglês e outros idiomas o portal conta com
relatório de perguntas freqüentes, suporte gratuito, orientações para realização do
download e instalação do software, documentação completa e a descrição do
planejamento de atualizações futuras do ambiente.
O sistema Moodle começou a ser idealizado, no início da década de 90, quando
Martin Dougiamas era o Webmaster na Curtin University of Technology na Austrália e
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128
responsável pela administração do LMS, usado pela Universidade naquela época.
Martin conhecia muitas pessoas, em escolas e instituições, pequenas e grandes, que
gostariam de fazer melhor uso da Internet, mas não sabiam como iniciar devido à
grande quantidade de ferramentas tecnológicas e pedagógicas existentes na época.
Ele gostaria de proporcionar a essas pessoas uma alternativa gratuita e livre, que
pudesse introduzi-los ao universo on-line.
As crenças de Martin nas inúmeras possibilidades da Educação baseada na
Internet o levaram a fazer mestrado e doutorado na área de Educação, combinando
sua experiência em ciência da computação com teorias sobre construção do
conhecimento e natureza da aprendizagem e da colaboração. Várias versões do
software foram produzidas e descartadas até a versão 1.0 ser aceita e bastante
utilizada em 2002. Com o crescimento da comunidade de usuários, novas versões do
software foram desenvolvidas. A essas novas versões foram adicionadas
funcionalidades, desenhadas por pessoas em diferentes situações do ensino.
O Moodle não é usado apenas por Universidades, mas em escolas de ensino
médio, escolas primárias, organizações, companhias privadas e por professores
independentes. O desenvolvimento do ambiente Moodle foi norteado por uma filosofia
de aprendizagem – a teoria sócio construtivista (Social Construtivismo). Pela teoria
sócio construtivista, que tem o principal expoete em Vygotsky, defende a construção
de idéias e conhecimentos em grupos sociais de forma colaborativa, uns para com os
outros, criando assim uma cultura de compartilhamento de significados. Os
participantes ou usuários do sistema são o Administrador – responsável pela
administração, configurações do sistema, inserção de participantes e criação de
cursos; o Tutor – responsável pela edição e viabilização do curso, e que será o
mediador na construção deste conhecimento compartilhado e o Estudante/Aluno.
Os usuários do Moodle são globais no servidor. Isso significa que eles têm
apenas um login para todos os cursos. A função permite, por exemplo, que um usuário
seja aluno em um curso e professor/tutor em outro curso. O Moodle permite criar três
formatos de cursos: Social, Semanal e Modular. O curso Social é baseado nos
recursos de interação entre os participantes e não em um conteúdo estruturado. Os
dois últimos cursos são estruturados e podem ser semanais e modulares. Esses
cursos são centrados na disponibilidade de conteúdos e na definição de atividades.
Na estrutura semanal informa-se o período em que o curso será ministrado e o sistema
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129
divide o período informado, automaticamente, em semanas. Na estrutura modular
informa-se a quantidade de módulos.
O Moodle conta com as principais funcionalidades de um ambiente virtual de
aprendizagem. Possui ferramentas de comunicação, de avaliação e de administração
e organização. Elas são acessadas pelo tutor de forma separada em dois tipos de
entradas na página do curso. De um lado adiciona-se o Material e do outro as
Atividades. Em atividades podem ser adicionadas ferramentas de comunicação,
avaliação e outras ferramentas complementares ao conteúdo como glossários, diários
de bordo – para comunicação mais informal com outros tutores, ou mesmo com
alunos, em casos particulares -, ferramenta para importação e compartilhamento de
conteúdos.
As ferramentas de comunicação do ambiente Moodle são o fórum de
discussões e o Chat (os dois voltados para comunicação mais próxima ao estudante,
dado que a ferramenta fórum permite ao participante enviar e receber mensagens via
e-mail externo padrão). Elas apresentam um diferencial interessante com relação a
outros ambientes, pois não há ferramenta de e-mail interna ao sistema. Ele utiliza o e-
mail externo (padrão) do participante. Por isso, o participante tem a facilidade de
cooperar com uma discussão a partir do seu próprio gerenciador de e-mails.
As ferramentas de avaliação disponíveis no Moodle são avaliação de curso,
pesquisa de opinião, questionário, tarefas e trabalhos com revisão. As ferramentas
permitem, respectivamente, a criação de avaliações gerais de um curso; pesquisas de
opinião rápidas, ou enquetes, envolvendo uma questão central; questionários
formados por uma ou mais questões (10 tipos diferentes de questões) inseridas em
um banco de questões previamente definido; disponibilização de tarefas para os
alunos onde podem ser atribuídas datas de entrega e notas e por fim trabalhos com
revisão onde os participantes podem avaliar os projetos de outros participantes e
exemplos de projeto em diversos modos.
As ferramentas de administração, apresentadas ao tutor do curso na lateral
esquerda da tela de curso, permitem controle de participantes - alunos e tutores como
inscrições e upload de lista de aluno; backups e restore de cursos; acesso aos
arquivos de logs; logs da ultima hora; gerenciamento dos arquivos dos cursos;
disponibilização de notas, etc.
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130
Assim, a ideia de uso do ambiente virtual de aprendizagem em tela será a
montagem e estruturação dos conteúdos a serem relatados nos próximos itens dentro
da estrutura disponível no Moodle, adaptado para as características do projeto. A
seguir, listamos as páginas já criadas, que devem ser inseridas dentro do ambiente
Moodle, com eventuais adaptações, e com o devido link para o experimento remoto.
10.4.2. Ambientes Virtuais e Ensino de Física
O uso dos ambientes virtuais também pode ser incrementado com simulações,
imagens e experimentos remotos que possibilitem alunos a distância acessarem os
conteúdos de disciplinas estudadas em seus celulares, ou no computador, sendo
possível assim uma aprendizagem fora de um ambiente escolar, ou mesmo dentro de
um laboratório sob a orientação de um professor que poderá lhe mostrar mais
assuntos relacionados, dando-lhe subsídios para que este usuário seja autor de seu
conhecimento.
Fato esse que evidencia um caráter construtivista da própria questão da
experimentação, já que o usuário acessa o experimento e ele próprio o controla, sob
determinadas variáveis, e dentro do ambiente no qual o experimento se encontra, ele
pode descobrir mais assuntos que sejam interessantes, fazendo assim uma
aprendizagem por descoberta, o que pode ser bem vindo dentro de uma aula que se
baseie em projetos com o professor formando grupos de alunos com interesse comum
ao acessar experimentos remotos tirarem outras possibilidades associadas ao estudo
do que motivou aquele experimento, enriquecendo assim o conhecimento de todos
(alunos e professores).
Essas possibilidades foram discutidas e evidenciadas por Lima et al (2013), em
artigo publicado nos anais da ICBL (International Conference on Interative Computer
on Blended Learning, de 2013), e nele os autores discutem as características da
Experimentação Remota como um Sistema (quando considerado junto ao usuário) e
que portanto este sistema, dentro de uma perspectiva de Teoria Geral de Sistemas,
acaba por se tornar maior que o todo, ou seja as associações e interações
estabelecidas dentro de um AVA, na experimentação, permite ao usuário descobrir
mais inferências e associações do que se tivesse em uma aprendizagem tradicional.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
131
De acordo com os autores (LIMA et al, 2013), através da experimentação, o
próprio conteúdo das aulas, para os alunos:
deixa de ser aquele quadro de conceitos hierárquico linearmente organizado e passa a ser o conhecimento que os próprios alunos construíram. Como tal, o conteúdo é impregnado das suas concepções alternativas que devem ser
tratadas desde suas origens para permitir mudanças conceituais que aproximem-se conhecimento do saber científico atual e provisório.
(LIMA, et al, 2013, p. 257)
E pela experimentação, por outro lado, os alunos também passam a ser sujeitos
mais participantes na construção de seus conhecimentos. Isto exige um maior esforço
intelectual para exercitar a utilização de conceitos, metodologias e práticas,
aproximando as atitudes da metodologia cientifica atual. A experimentação possibilita
ao aluno conhecer o trabalho científico e vivenciá-lo na prática, e em suas possíveis
variáveis.
Sendo assim, para Lima et al (2013), a experimentação remota se utiliza de
elementos do ensino eletrônico (e-learning) no ensino presencial para disponibilizar
experimentos físicos a distância dentro de uma aula que os alunos não usufruem
destes recursos ou são impossibilitados de frequentar espaços laboratoriais.
Os experimentos remotos são elementos físicos que interagem por comandos
ativados remotamente através da Web em experimentos ligados à microservidores
Web ou placas Arduino com porta ethernet (SILVA, 2007), ou mesmo pela saída serial,
dentro de uma arquitetura de software apropriada. Desta forma, as interações são
diretas com equipamentos reais controlando relés, circuitos ou sensores, e se obtém
o feedback em tempo real dos resultados das experiências online, que também são
observados através de streaming de vídeo de uma câmera IP direcionada.
Neste processo podem ser observados efeitos dinâmicos muitas vezes
complexos de serem explicados, mas compreensíveis em abordagens realistas para
resolver problemas, e que muitas vezes, por uma questão de impossibilidade técnica
não podem ser considerados dentro de um modelo utilizado em uma simulação, por
exemplo, ou mesmo em uma explicação em uma aula presencial mais tradicional.
Outro aspecto importante é a resposta rápida, Neto et al (2012), observam que
nestes laboratórios “os elementos são reais, seu acesso é virtual e as suas
experiências reais”. Diferente da simulação e dos laboratórios virtuais, os laboratórios
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132
remotos utilizam experimentos reais, o que aproxima os resultados dos obtidos pelos
laboratórios presenciais (hands-on).
Uma gama de outras tecnologias ainda pode tornar a experimentação mais
atrativa e fácil de interagir, o desenvolvimento de novas tecnologias, dispositivos
móveis, mundos virtuais e sensores inovam na interação com o usuário. A mediação
do professor, à distância, pode ser ampliada pela imersão proporcionada pelos
dispositivos móveis e suas possibilidades de interação, como a possibilidade de
associar imersão por realidade virtual aumentada em determinado experimentos.
Diversas vantagens apoiam a utilização de experimentos, a experimentação
remota proporciona um barateamento dos recursos tecnológicos, já que o mesmo
experimento pode ser acessado por diversas escolas, em diversas localidades. Além
disso, as configurações de equipamento necessárias para o acesso aos experimentos
são mínimas, sendo o mais importante o acesso à internet.
E mais, exemplo práticos do uso dos ambientes virtuais com a experimentação
remota que pode ser citado é quando o professor está explicando determinado
conteúdo em aula, no qual o aluno imaginará tal ensinamento com a sua própria visão
de mundo, que é única e de acordo com sua própria história de vida. Mesmo que a
informação passada seja a mesma, cada estudante vai observar e construir
mentalmente o objeto a sua própria maneira, de acordo com sua própria habilidade
cognitiva. Alunos, professores, são sistemas únicos, organizações. Por isso é
extremamente complicada a questão da avaliação de aprendizagem em sala de aula,
pois as pessoas ali envolvidas, cada uma delas, é um sistema próprio, único, o que
os torna diferentes uns dos outros, justamente pelas diferentes visões que possuem
dessa mesma realidade.
Portanto, as mudanças nas visões de mundo desdobram-se em novas formas
de ação nos meios em que se vive e atua. “O mundo é, para cada um, do tamanho do
conhecimento que cada um tem dele”, sendo essencial levar em conta o papel central
da escola: o de ampliar o conhecimento dos estudantes, tarefa dos educadores nas
instituições.
A capacidade de observação do homem permite a construção de sistemas
integrados por uma estrutura sensorial do seu entorno. Logo, a observação torna-se
fundamental para a estruturação clara de uma visão sistêmica. Segundo Alves (2012),
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
133
a “visão de mundo é individual, ou seja, pertence à pessoa que a construiu na mente
consciente; e é portanto, única e dinâmica, posto que atualizada constantemente.
Também convenciona que a visão sistêmica, é por meio da Teoria Geral de Sistemas
a ciência da inteireza, totalidade. Estuda o sistema, seu ambiente, suas respectivas
estruturas, a fronteira que o separa do ambiente e, finalmente o acoplamento
estrutural sistema-ambiente, independentemente da área de conhecimento envolvida.
Uma visão de mundo pode ter seu estado alterado e a experimentação
proporciona esta mudança. Esta mudança passa por quatro domínios, segundo
Maturana e Varela (2001), como:
1. Domínio das mudanças de estado: isto é, as mudanças estruturais que
uma unidade pode sofrer sem que mude sua organização, ou seja,
mantendo a sua identidade de classe;
2. Domínio das mudanças destrutivas: todas as modificações estruturais
que resultam na perda da organização da unidade e, portanto, em seu
desaparecimento como unidade de uma certa classe;
3. Domínio das perturbações: ou seja, todas as interações que
desencadeiam mudanças de estado;
4. Domínio de interações destrutivas: todas as perturbações que resultam
numa modificação destrutiva.
Segundo Alves (2012), “o estado de um sistema em um instante de tempo é
tão somente uma fotografia desse sistema naquele instante de tempo” E o
aprendizado pela experimentação proporciona exatamente isso: uma mudança na
maneira de se enxergar a aprendizagem dos conteúdos, por meio da experimentação,
já que o mesmo experimento pode ser acessado por diversas escolas, em diversas
localidades.
11. Resultados
Os resultados estão sendo coletos, e estamos em fase de testes da montagem
para adequação ao ambiente virtual, o qual, por sua vez, também está sendo
readequado às necessidades pedagógicas (possíveis) futuras.
O Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA) que está sendo montado contém
os materiais instrucionais relacionados ao fenômeno da difração de feixe de luz,
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134
difração de elétrons, interferência construtiva e formação de espectro por meio da
difração, além de itens relacionados aos aspectos históricos, simuladores para se
investigar de maneira mais aprofundada e itens que demonstram como se pode
montar o experimento, caso se deseja investigar o assunto. Além disso, o AVA permite
o acesso ao experimento remoto através de uma interface gráfica, que controla tanto
o acionamento da lâmpada de LED quanto o giro do motor, e possibilita a visualização
do experimento. O AVA encontra-se no endereço eletrônico e pode ser acessado a
partir de um computador pessoal (PC) ou um dispositivo móvel.
Na montagem do weblab, montamos um ambiente dividido em sete páginas:
“Sobre o Experimento”, “Resultados”, “Teoria”, “Simuladores”, “Blog do Experimento”,
“Faça Você Mesmo” e “Referências.
A página de Teoria apresenta cronologias de contribuições técnicas e
científicas a respeito do comportamento ondulatório e corpuscular da luz, que
culminaram na realização de experimentos a respeito da difração da luz, e também
em outros tantos a respeito da difração de elétrons, por exemplo.
Mais detalhes a respeito se encontram na página Blog do Experimento, a qual
remete ao Blog criado a fim de mostrar mais detalhes históricos a respeito do assunto,
bem como detalhes técnicos e operacionais a respeito de cada componente utilizado
(mortores de passo, rede de difração, lente convergente, obtenção de espectro visível,
comportamento dual da luz, difração, interferência construtiva, etc...).
Nestas duas páginas e na página Simuladores disponibilizamos hipertextos
descrevendo brevemente essas contribuições. Os esquemas elétricos das conexões
elétricas do aparato experimental utilizado também estão disponíveis no blog.
Enquanto isso, o link Utilizar O Experimento direciona o usuário ao ambiente
de realização remota do experimento.
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Fig. 33 – Versão do experimento remoto como simulador, disponível em http://www.weblab.pucsp.br/era/simulador
Na página Simuladores (Figura 33) é mostrado um simulador da montagem
experimental, em linguagem Flash, e que permite que o usuário altere a fonte de
emissão de luz (fonte de Mercúrio (Hg), fonte de Sódio (Na)), altere a tensão inical
(que faz com que o espectro seja mais intenso ou menos intenso), altere a distância
da rede de difração à fonte, entre outros fatores. Embora um pouco diferente do
experimento real (no que se refere à semelhança física, não ao conceito de obtenção
do espectro), por essa simulação o usuário pode comparar o experimento de
simulação virtual ao equipamento experimental apresentado no AVA.
Isto permite que o estudante faça a correlação entre a teoria (esquemas
elétricos, obtenção de espectro visível) e a prática (montagem do experimento, função
de cada um dos componentes, e diferenças entre os equipamentos). Além disso,
disponibilizamos esse simulador com um exemplo de tarefa que pode ser aplicada em
sala de aula, com referências e um pequeno relatório auxiliar descrevendo
procedimentos pedagógicos que podem ser implementados para o uso do simulador.
Com isso, o professor que quiser trabalhar conceitos em sala de aula, pode usar estas
tarefas como forma de otimizar o conteúdo trabalhado, possibilitando o ensino mais
atrativo, visando uma aprendizagem que possa ser mais significativa.
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Fig. 34 – Versão do experimento remoto como simulador, com uma breve descrição de sugestão de tarefa
possível de ser trabalhada em sala presencial (ou mesmo a distância), com roteiro proposto para uso do simulador - disponível em http://www.weblab.pucsp.br/era/simulador
11.1. Realização Do Experimento Remotamente
Deverá ser realizada uma simulação da obtenção do espectro da luz visível,
para cada uma das cores da lâmpada de LED, além de se coletar os espectros de
irradiância por comprimento de onda, para cada uma das cores. Se possível,
pretendemos disponibilizar na interface de controle uma possibilidade para
visualização da composição e cores, ao mesmo tempo em que se observa o espectro
pela webcam. Em testes futuros, pretendemos disponibilizar o sistema pronto para
estudantes do ensino superior, a fim de utilizarem o experimento remoto desenvolvido.
Os detalhes acerca da fundamentação teórica associada ao procedimento
experimental foram apresentados no capítulo 10.1.
Desta forma, por meio do ambiente virtual de aprendizagem, o usuário deverá
manipular o acionamento da lâmpada ao apertar o botão de acionamento da mesma,
além de poder controlar o giro do motor, permitindo que o mesmo gire em ângulos
específicos, fazendo com que as raias do espectro atinjam o sensor detector de cores
e o conversor de frequência, coletando assim os dados para geração do espectro.
Este procedimento poderá ser realizado para todas as cores disponíveis da lâmpada
de LED.
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Pretendemos realizar, futuramente, um estudo de caso do uso deste
experimento remoto em situação real de ensino para uma turma de estudantes do
ensino médio. Além disso ainda pretendemos realizar alguns testes de uso do AVA,
assim que estiver terminado, com estudantes de ensino superior (TAKAHASHI et al,
2014).
A seguir, mostramos as páginas do weblab.
11.2. Página do Experimento: montagem, visual e controle
A partir dos códigos de comunicação entre o experimento real e o servidor, a
página final (para acomodação do experimento remoto, além dos outros conteúdos
associados para melhor compreensão do experimento), foi construída seguindo o
template disponível no site http://www.dotemplate.com/, a partir do qual seleciona-se
o template desejado, insere-se imagens e altera-se o design do mesmo.
Posteriormente a essa configuração inicial, as páginas criadas foram readequadas à
identidade visual e design adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP.
Voltando ao template da página, a partir de concluídas as mudanças, no próprio
site, é possível se baixar o código fonte do referido template e alterá-lo conforme as
necessidades. No nosso caso, além do index, ainda acrescentamos, como comentado
no item anterior, outras páginas (sempre seguindo o modelo da primeira página) para
que representassem os links da aba inicial, a citar: “Sobre o Experimento”,
“Resultados”, “Teoria”, “Simuladores”, “Blog do Experimento”, “Faça Você Mesmo” e
“Referências”. É necessário que se salve todas as páginas dentro da mesma pasta
com os arquivos de visualização da Câmera, e dos arquivos em php,
GerarGraficoResultados.php e leituraResultados.php, que comandam a geração do
gráfico e da tabela dos dados de irradiância e comprimento de onda (que irão para a
página dos resultados, na html).
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11.2.1. Página “Sobre o Experimento”
No caso da página de “Sobre o Experimento”, mostramos a visualização da
câmera remota do espectrofotômetro e um breve texto explicando o que esta
acontecendo, e dando boas-vindas. Segue exemplo da página na Figura .
Figura 35 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: página do experimento (index), cujo design foi adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP.
11.2.2. Página “Resultados”
Na página de resultados, enquanto o mesmo vídeo roda, é possível se ler um
resumo dos objetivos do projeto e justificativas, acompanhadas dos gráficos em tempo
real, obtidos via streaming dos comportamentos de irradiância por tempo e de
comprimento de onda por tempo. Para tanto, insere-se os códigos fontes respectivos
nas linhas destinadas pelo próprio template (tanto vídeo quanto gráficos). Segue
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visualização da página na
Figura .
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140
Figura 36 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: página dos resultados , cujo design
foi adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP.
11.2.3. Página Tabelas
Na página de tabelas é possível se observar a tabelas dos dados atualizados,
conforme a cabeça de leitura se movimenta para frente a partir da posição da fenda,
resultados que são enviados pela saída serial ao Processing que os coletando, cria
um arquivo texto, e o envia ao php. Este arquivo pode ser baixado, via link
correspondente na html; e da mesma forma, o acionamento é realizado pelo botão
criado em php, usando um servlet em Java, o qual também é utilizado para atualização
da tabela de dados. Segue visualização dos dados coletados bem como da php que
aciona a coleta de dados (Figura )
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(a) (b)
Figura 37 – Páginas mostradas (a) ao se apertar o botão, mostrando, em php, que a coleta de dados se inciou, e ao fim da coleta, (b) o arquivo dos dados gerados, que podem ser baixados
11.2.4. Páginas “Teoria” e “Referências”
Na página de teoria e referências são apresentados os conceitos e como
funciona o experimento, bem como as referências teóricas utilizadas. Segue
visualizações na Figura (a) e (b):
(a) (b)
Figura 38 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: página da teoria (a) e das referências (b), cujos designs foram adaptados pelo DTI-NMD, da PUC-SP
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11.2.5. Pagina “Simuladores”
Figura 39 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: página dos simuladores (cujo design foi adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP), empregados como uma ferramenta para entender os
conceitos experimentais, com abordagem diferente.
Nesta página (Figura ) alguns simuladores correlacionados com o tema são
disponibilizados para o usuário, bem como links para roteiros de atividades que podem
ser desenvolvidas através destes simuladores. Consideramos esta página muito útil
para a compreensão do experimento e suas aplicações, além da motivação
pedagógica para inserção de hiperlynks e simulações, animações que favoreçam um
aprendizado mais significativo ao tema trabalhado. Esta página deverá ser atualizada
com futuras propostas pedagógicas que auxiliem o professor no uso da
experimentação remota, além de poder ser uma área a ser mais explorada para
descoberta dos conceitos que estão no experimento trabalhado.
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11.2.6. Página do Blog do Experimento
Figura 40 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: página de referencia ao blog do
experimento. Design foi adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP
Nesta página (Figura ) o usuário encontra um link ao blog dos experimentos,
em que estão disponíveis informações de todas as etapas de confecção do
experimento, bem como informações úteis a respeito de cada um dos componentes
utilizados, além dos simuladores e parte teórica, além de itens a respeito da parte
pedagógica que da base ao experimento e sua implementação em sala de aula, além
de links para os códigos-fontes utilizados.
11.2.7. Página Faça você mesmo
Nesta página (Figura ) apresentamos alguns links para vídeos e demonstrações
disponíveis sobre este e outros experimentos de baixo custo correlacionados ao tema
dos laboratórios remotos.
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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Figura 41 - Página html criada com base em template de dotemplate.com: “faça você mesmo” (cujo design foi adaptado pelo DTI-NMD, da PUC-SP), criada com intuito de incentivar que o experimento e outras propostas
seja reproduzidas pelo usuário, como uma forma do próprio tirar suas conclusões e aprendizagem.
Esta página está inserida como uma forma de motivar o usuário a montar seus
experimentos e mostrar ideias, seja a professores que queiram trabalhar estes
experimentos em sala de aula, seja a alunos que queiram investigar mais
detalhadamente a Física Moderna, de como pode-se trabalhar conceitos de Física
Moderna Experimental com itens de amplo acesso e que custem pouco.
11.2.8. Configurações Finais
Sendo assim, com toda a infraestrutura de arquitetura de rede e de
acionamento remoto montada podemos descrever sobre como se dará o acionamento
remoto e coleta de dados do experimento.
Implementada a função de status (o arquivo txt com mensagem de comando
executado, que foi gerado a partir da confirmação do arquivo executável, ao término
da rotina) no php associado ao botão, dentro da página do experimento remoto – este
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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montado na WebLabDeusto -, o arquivo gerado automatiza o experimento se
comunicando com o servidor via arquivo executável, pela saída serial, e no qual está
disponível os dados em tabela de irradiância por comprimento de onda, vindos do
experimento, que foi acionado com o clicar do botão. Todo o procedimento é rodado
na máquina do servidor, recebendo sempre as informações da saída da Serial, por
onde também se envia a programação do Arduino.
Resumindo, ao se apertar botão com função de status, implementado em php,
o arquivo gerado automatiza o experimento, recebendo dele os dados de coleta de
sinais e de status do programa, pela saída Serial, junto à programação do Arduino,
que está rodando em paralelo (o botão aciona também a programação no Arduino).
Assim, atualizam-se os arquivos de resultados automaticamente, com o gráfico e a
tabela de dados também sendo atualizados, pois os arquivos que lhes geram também
são atualizados. E este mesmo arquivo pode ser baixado pelo usuário através de um
link, de modo que ele possa montar o gráfico em sua máquina.
Ainda é inserida mais uma função para reconhecer as funções “iniciar
experimento”, dentro da programação do Arduino, como comentada no quadro 1, que
é acionada no momento em que o cliente/usuário estabelece comunicação com o
servidor pela serial, o qual aciona a programação do Arduino; também foi adicionada
a função de parar o experimento (função “PararCliente()” - comentada no quadro 5).
Ao final da coleta de dados o experimento cessa e o motor gira de volta a
posição original. Na programação que roda no Arduino, é implementada mais uma
função que reseta os dados conforme o cliente já rodou o experimento. Assim, se gera
um novo arquivo, a cada tomada de dados realizada, após determinado tempo, o qual
pode ser delimitado na programação.
Devido a fase de readequações do Ambiente Virtual de Aprendizagem, ainda
não há resultados de visualizações ou de acessos. Logo, as análise ainda devem ser
melhor elaboradas para futuros relatórios. Os resultados das programações
finalizadas encontram-se disponíveis nos anexos deste projeto (Anexo 1 –
Programação da Interface de controle, do acionamento da lâmpada; Anexo 3 –
Programação do Arduino, para controle do sistema e obtenção dos resultados).
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CAPÍTULO III – Análises, Conclusões Parciais e Próximas Etapas
12. Análises Possíveis e Testes Futuros
12.1. Usabilidade Do Ambiente Virtual De Aprendizagem
12.1.1. Análise do Tempo de Latência
De acordo com (TAKAHASHI et al, 2014), o qual aplicou esta série de testes,
que devem ser aplicado ao projeto em tela, “Um fator importante na experimentação
remota para que o estudante tenha a sensação de estar manipulando presencialmente
o experimento é o tempo de resposta entre um dado comando e a visualização da
resposta a este comando”. Ou seja, quanto menor o atraso no tempo de resposta,
melhor a sensação de realidade e menor a sensação de frustação ao experimento.
Principalmente nos dias atuais, com estudantes procurando respostas imediatas às
suas dúvidas.
De acordo com (TAKAHASHI et al, 2014), em seus testes, para acessos ao
experimento realizado a partir de um notebook em localidades próximas ao laboratório
de experimentação remota, o tempo de latência é desprezível e a sensação de
realidade é máxima. Isto significa que a utilização do experimento remoto por escolas
da região é altamente viável. Considerando a região central de São Paulo, na quais e
localiza o experimento, esta viabilidade dado o bom número de escolas no entorno,
essa viabilidade se faz em uma questão de escolha (e de disponibilidade, claro, da
escola em poder realizar os testes e verificação dos acessos).
Obviamente, o acesso remoto do experimento a grandes distâncias é bastante
dependente das condições de tráfego da rede internet. Takahashi et al (2014)
realizaram testes de distância e neles, acessos feitos de Praga (República Tcheca),
Dublin (Irlanda) e Londres (Inglaterra), em diversos horários do dia e com o mesmo
notebook, mostraram a instabilidade do sistema de transmissão, com a degradação
no tempo de latência entre o envio de um comando e a observação do efeito deste
comando na tela, diminuindo a sensação de realidade ao se manipular o experimento.
Como exemplo, o mesmo grupo (TAKAHASHI et al, 2014) realizou medidas do tempo
que decorria desde o instante em que o usuário enviava um comando para ligar (ou
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desligar) o aparato experimental e o instante em que esse comando era percebido na
tela.
Medidas nos tempos de latência feitas ao se acessar o experimento
(TAKAHASHI et al, 2014), a partir de Londres, ao redor das 7:00 h locais (3:00 h no
Brasil) e realizar as mencionadas ações, mostram que o tempo de latência mínimo
médio ocorria ao se desligar o aparelho e correspondeu a 2,40s, enquanto o tempo
de latência máximo médio foi de 3,27s, ao se ligar o aparato experimental.
A assimetria nos tempos de latência verificada ao se ligar e desligar o
experimento, relata Takahashi et al (2014), pode ser explicada pelo fato de que, ao se
ligar o experimento, o processo de energizar todos os elementos necessários para
fazer funcionar todo o aparato experimental demanda maior tempo do que o corte da
energia a todos estes elementos, ao se desligar o mesmo.
A partir desses dados, fica evidenciado que o uso do experimento remoto a
distâncias muito grandes passa a ser dependente das condições de tráfego da rede
internet, com degradação da qualidade em função do número de usuários utilizando
a rede. Ou seja, quanto mais usuários usam a mesma rede, o tráfego fica
sobrecarregado e uma chamada realizada para acionamento do experimento acaba
se sobrepondo a outras de modo que o sistema tende a ficar mais lento para suprir a
demanda intensa.
Uma possibilidade de se dirimir estes aspectos de lentidão é criar uma fila de
chamadas, de modo que um usuário por vez venha a usar o experimento, além de se
colocar um tempo de espera entre usuários distintos, o que possibilita ao sistema de
se esfriar, além de permitir que o tráfego fique mais rápido. Estas possibilidades de
melhoria de qualidade envolvem trabalhos cooperativos entre diferentes instituições
de pesquisa nacionais e internacionais que estão a se dedicar ao uso educacional da
experimentação remota.
12.1.2. Interação Aluno-Interface
A análise da interação aluno-interface deverá ser feita com base nos seguintes
componentes de usabilidade propostos por Nielsen (2007): facilidade de
aprendizagem, erros e satisfação.
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Para Nielsen, a usabilidade é um atributo de qualidade que permite avaliar a
facilidade de utilização de interfaces pelo usuário. Para este autor, o componente
“facilidade de aprendizagem” relaciona-se à facilidade do usuário em realizar tarefas
básicas no sistema desde o seu primeiro uso; o componente erros relaciona-se à
gravidade dos erros cometidos pelos usuários na manipulação do sistema e à
facilidade em retornar e dar continuidade às atividades que executava antes do erro
cometido; a componente satisfação está associada ao fato do usuário considerar
agradável utilizar o sistema.
Por isso, realizaremos uma análise qualitativa da usabilidade do AVA, cujo
teste, da mesma forma que foi realizada por Takahashi (2014), deverá ser feito com
cinco ex-alunos de curso de Licenciatura em Física da PUC-SP, que não acessaram
ao AVA. De acordo com (NIELSEN, 1997; apud TAKAHASHI, 2014), a identificação
de 100% dos problemas de usabilidade pode ser obtida com quinze usuários, mas o
teste pode ser considerado suficientemente confiável com cinco deles (detecção de
mais de 85% dos problemas).
Para tanto, deverão ser distribuídas tarefas para serem realizadas com o uso
do AVA, de forma que o estudante navegue por todos os menus principais sem o
auxílio do avaliador. Para a coleta de dados, devem ser utilizadas a captura de tela do
computador e a técnica do protocolo verbal (think aloud protocol) (BALDO, 2011) com
gravação sonora, a exemplo da técnica empregada em Takahashi (2014), o qual se
baseia no processo de modelagem cognitiva de think aloud protocol (SOMEREN,
1994).
As telas devem ser capturadas pelo uso do software livre AutoScreenRecorder,
ou por software semelhante (WISDOM SOFTWARE INC., 2013), enquanto a gravação
das falas dos estudantes ao manipular o AVA deverá ser feita com uso do gravador
de som do próprio sistema operacional do computador.
A técnica think aloud protocol, de acordo com (TAKAHASHI et al, 2014),
consiste em solicitar que o usuário pense em voz alta enquanto realiza as ações e
suas falas são gravadas para posterior análise em conjunto com a captura da tela do
computador. Esta técnica é considerada mais confiável do que solicitar respostas a
questionários, onde é mais fácil ao usuário falsear uma resposta (NIELSEN, 1997). E
apresenta a vantagem de se ter uma comparação visual com o registro da tela.
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De acordo com Takahashi et al (2014), as tarefas apresentaram algumas
características:
Tarefa 1: é cumprida por todos os estudantes, mas o requisito de utilizar proxy
nas conexões à internet feitas no interior da faculdade exige intervenção de
avaliador para resolver eventuais problemas de acesso à rede. Os problemas de
segurança e acesso a rede variam de entre instituições, mas os protocolos de
segurança em geral são mais restritos dentro de uma universidade, por isso é
sempre interessante a presença de avaliadores nesta etapa para dirimir
eventuais bloqueios que aconteçam.
Tarefa 2: no desenvolvimento desta tarefa, Takahashi indica que alguns
estudantes reclamaram da falta de plugin Flash (instalado ou atualizado), em
detrerminados browsers e, por esta razão, não era possível a visualização da
imagem panorâmica do laboratório contendo os experimentos montado e
desmontado e de um vídeo disponibilizado nas primeiras páginas do AVA.
Alguns deles, diante dessa descoberta, instalaram, por decisão própria, o plugin
necessário e retomaram a navegação pelo ambiente virtual sem problemas. Por
outro lado, o autor comenta que outros estudantes, indecisos, questionaram
colegas próximos sobre o procedimento a ser tomado, obtendo recomendações
para instalar o plugin. Posteriormente, também retomaram a navegação sem
encontrar outros problemas nesta tarefa.
Em tempo, nas mais recentes atualizações dos sistemas desses browsers (a
citar, Google Chrome e Mozilla Firefox), a presença do plugin Flash foi descontinuada,
e na verdade ela vem sendo uma recomendação dos sistemas de navegação, devido
a questões de vulnerabilidade e segurança, além de problemas de acessibilidade e
usabilidade. Para tanto, recomenda-se que estas imagens sejam disponibilizadas em
formato HTML5, fato que deve ser considerado na montagem do AVA referente ao
projeto em tela.
Tarefa 2: Como o erro é considerado como uma ação que não atinge a
expectativa do usuário, o problema da inexistência do plugin em alguns
browsers, alerta Takahashi (2014), enquadra-se nesta descrição e a
componente erros manifestou-se nesta atividade.
Tarefa 3: Takahasi (2014) aponta outro aspecto relacionado a componente erros
na realização desta tarefa, quer seja, no momento em que o estudante deve
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acessar o Fórum para discutir sobre uma questão ali postada. Isto é, como a
página do Fórum não havia sido desenvolvida pelo grupo e utilizou-se de uma
programação já existente, era necessário realizar um novo cadastramento para
poder acessá-lo. Isso originou dúvidas sobre como e porque realizar novamente
um cadastramento. A solução encontrada pelo grupo da UFU (TAKAHASHI et
al, 2014) foi realizar a programação de um ambiente próprio para o Fórum, sem
a necessidade de novo cadastramento.
Para o AVA do projeto em tela, pretendemos atualizar a página do weblab, já
existente, incrementando-a com funções que permitam uma interação maior, no que
se destina a resolução de dúvidas dos usuários, como a criação de fóruns, dentro do
WebLab (se necessário, pretendemos atualizar o weblab dentro da estrutura do
moodle), espaços para discussões, entre outras funções que estamos analisando.
Tarefas 4, 5 e 7: realizadas sem qualquer registro que merecesse uma atenção
especial e não apresentaram destaques negativos durante o desenvolvimento
(Takahashi et al, 2014).
Tarefa 6: uso de um simulador com imagens reais dos equipamentos
experimentais, de acordo com um esquema elétrico apresentado. Por ter um
caráter semelhante a um jogo, com um alto grau de interatividade, demonstrou
ser uma das partes mais atrativas do AVA para os estudantes.
Dentro das especificidades do sistema proposto no projeto do grupo de
Takahashi (2014) (ou seja, o usuário deveria realizar corretamente conexões elétricas,
de acordo com um esquema elétrico apresentado), foi observado, entretanto, que a
prática da montagem do experimento por tentativa e erro predominou. É interessante
notar essa característica dentro de um AVA, no que se refere ao uso de simuladores.
Isso porque a simulação molda uma situação, a fim de que determinados conceitos
possam ser melhor trabalhados. Com isso, se esse trabalho não apresentar reflexão
por parte do usuário, perde-se a função da própria simulação. E por isso é importante
colocar elementos que bloqueiem os “atalhos”, para que o usuário perceba o que
realmente esteja fazendo.
Aqui, Takahashi et al (2014) apontam que uma possibilidade é a inserção de
mensagens a cada vez que o aluno faça uma tentativa errada, sugerindo que ele
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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consulte o esquema elétrico e tente novamente; outra possibilidade, de acordo com o
mesmo autor, é limitar a quantidade de vezes que ele pode tentar acertar uma
conexão de forma aleatória.
Na tarefa 6, é importante colocar que (TAKAHASHI et al, 2014, p. 152)
reconhecem que,
ainda que os estudantes tenham demonstrado facilidade em utilizar o
simulador, os registros de capturas de tela dos PCs apontam que as componentes erro e satisfação manifestaram-se claramente nesta atividade, ficando evidente também nas verbalizações.
Aqui se tem uma demonstração de que a satisfação veio acompanhada pelo
erro dado que o usuário pôde fazer as conexões livremente, sem não
necessariamente refletir sobre o que fazia (o que aumentou o grau de satisfação, mas
permitiu uma maior incidência de ligações erradas). Aqui é importante mencionar que
dentro de um AVA é interessante que o usuário possa ter elementos em que se sinta
satisfeito, mais livre para agir, ao mesmo tempo em que se tenha elementos cujos
erros possam ser refletidos e analisados, por ele próprio, também, o que facilitaria a
noção de aprendizagem por descoberta, e também aumentando o grau crítico da
análise do usuário. Por isso é importante que se tenham simuladores adequados para
as duas finalidade dentro de um AVA, mesmo dentro de um laboratório de
experimentação remota, justamente por poder treinar a análise crítica do usuário e
poder permitir mais descobertas, que facilitem seu trabalho no experimento remoto.
Outra funcionalidade que pretendemos incrementar para um futuro próximo, é
a criação de um sistema de gerenciamento de manipulação do experimento, a
exemplo do que foi realizado por TAKAHASHI (2014). A ideia aqui é poder permitir
que professores/tutores tenham permissões diferenciadas, até para um eventual
estudo de uso de caso futuro, a fim de se avaliar o trabalho de tutores e de alunos,
ambos enquanto usuários com permissões e funções distintas. Este sistema será
criado para acesso por apenas um usuário (por vez), enquanto os demais
(tutores/professores, ou mesmo outros usuários que possam ser avaliadores
eventuais, dentro de uma estratégia de avaliação) observam em suas telas. Para tanto
deve ser criado um novo ambiente (ambiente de experimentação, na nomenclatura de
Takahashi et al (2014)), que exige outro login.
No artigo apresentado por (TAKAHASHI et al, 2014), na Tarefa 7, após acessar
o ambiente de experimentação, o professor pode alterar a permissão de controle do
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experimento entre os alunos que estão navegando naquele ambiente, de forma
independente a quem estiver navegando nos demais ambientes do site.
No AVA que estamos implementando pretendemos montar essa
funcionalidade, com as devidas permissões também, além da execução das tarefas
para verificação das questões de usabilidade e acessibilidade do sistema, além da
implementação das tarefas pedagógicas, com respeito a verificação de utilidade das
mesmas.
13. Conclusões e Próximas Etapas
13.1. Considerações Finais
Dentre as diversas pesquisas desenvolvidas na área da Educação, que
apontam potenciais recursos para o processo de ensino e aprendizagem, os
Laboratórios de Experimentação Remota surgem como algo novo e promissor
(NIELSEN, 1997) (MENDES e FIALHO, 2005), 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, pois “as aplicações das
TICs em contextos educativos sugerem que os laboratórios realizados através do uso
da Internet podem fornecer mais oportunidades para experiências de laboratório e
melhorar o método de ensino” (OMID et al, 2008).
Neste trabalho, descrevemos a construção de um sistema para acesso e
controle remoto de um experimento didático real e o desenvolvimento de um Ambiente
Virtual de Aprendizagem no qual o experimento remoto está inserido. São necessárias
melhorias e ajustes no AVA, além de testes de usabilidade do mesmo, o que permite
dizer que melhorias relacionadas à usabilidade também devem ser realizadas.
Espera-se que estes aspectos de usabilidade (como plugin Flash) não venham a ser
aspectos que comprometem a sua utilização em um contexto de ensino formal
(TAKAHASHI et al, 2014), podendo contribuir para a realização de práticas
experimentais inovadoras. Estes ambientes de aprendizagem são dinâmicos, razão
pela qual necessitam submeter-se, também, a avaliações periódicas, no sentido de
terem suas fragilidades devidamente identificadas e superadas.
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O desenvolvimento do AVA para a observação e estudo do espectro difratado
por uma lâmpada de LED RGB, além de resultar em um produto educacional que seja
acessível às escolas da educação básica, contribui, ainda, para o estabelecimento de
trabalhos de pesquisa cooperativos entre estudantes de diferentes níveis da educação
formal e pesquisadores com diferentes formações profissionais, no caso das tarefas
que ainda serão realizadas. Além de poder permitir um aprofundamento maior em
tópicos de Física Moderna, como funcionamento de semicondutores (LED), espectro
eletromagnético, espectro visível, fenômeno da difração, entre outros.
13.2. Considerações dos Resultados Parciais
Retomando, 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 30), a fim de possibilitar um maior suporte a uma aprendizagem mais
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.
Assim, recordando, nesta fase do projeto, realizamos:
1. A montagem do experimento físico,
a. fixando cada um dos componentes,
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b. melhorando a resolução do espectro,
c. melhorando o envio dos dados através da inserção do sensor de cores
(sensor de cores RGB TCS3200), no lugar do conversor de frequência
2. A adequação da Programação no Arduino para enviar a coleta de dados e
receber os comandos da interface de controle
3. Inserção com 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.
Nesta mesma interface é possível o usuário visualizar as porcentagens de cada
componente Vermelha (R), Verde (G) e Azul (B), no momento em que aciona a
respectiva cor visualizada pela interface, ao mesmo tempo em que visualiza a
formação do respectivo espectro difratado.
13.3. Próximas Etapas
Ainda pretendemos realizar:
1. Adequação da Interface de Controle para torná-la mais apropriada para fins
de um Ambiente Virtual de Aprendizagem:
a. Incrementando o AVA 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, ou pelo menos colocar a interface
em uma página que contenha esses elementos.
b. Colocando itens dentro do AVA que permita uma interação maior
com o usuário remoto, como por exemplo, hiperlinks 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 do Experimento Remoto.
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.
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ANEXO
ANEXO 1
Interface de Controle Remoto: 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.
<?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; padding: 10px 20px; text-decoration: blink;
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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; 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"/> <input type="submit" name="tecla" class="botao14" id="azulclaro" value="azul cla ro"/>
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<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>
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ANEXO 2
A2.1-) Cálculo do Comprimento de Onda
Para o cálculo do comprimento de onda, temos como Fórmula Geral:
𝜆(𝑛𝑚) = 𝑑 sin(𝜃) = 𝑑𝑥
𝐷= (𝑑
𝑥
√𝑙2 +𝑥2) × 109, (eq. A2 – 1),
em que θ é o ângulo entre o feixe transmitido (no mesmo eixo do feixe incidente) e o
feixe difratado.
Porém para a situação em que ocorre o giro do motor e consequentemente, os
planos de feixe que são difratados também se deslocam temos uma situação que
devemos proceder a uma correção, de forma a calcular os comprimentos de onda
para a situação de referência inicial, em que o feixe estava na direção da projeção da
fenda no anteparo. Esta Fórmula com Correções é dada pela eq. A2 – 2:
𝜆(𝑛𝑚) = ((𝑑𝑥
√(𝑙2+𝑥2 ))) × 109 (eq. A2 – 2).
Nesta fórmula, temos:
d parâmetro de difração da rede, medido em linhas/m (o fornecedor da rede de
difração indica 1000linhas/mm = 1.000.000) linhas/m.
D0 = √𝒍𝟐 + 𝒙𝟎𝟐 distância entre a raia respectiva e o centro da rede de difração, na
situação original
D = √𝒍𝟐 + 𝒙𝟐 distância entre a raia respectiva e o centro da rede de difração, na
situação do giro do motor
l distância entre o centro da rede de difração e o centro da projeção da fenda, no
anteparo, muda conforme o giro do motor. Esse parâmetro é lido pelos ensor de
proximidade SHARP.
x distância entre a fenda e o centro da projeção da fenda (considerando já o giro
do motor). Essa distância é alterada conforme o giro do motor. É tomada em relação
ao plano que seja normal à difração. Por isso deve-se calcular em relação à situação
original. Por exemplo, para a raia vermelha, em que não há giro do motor essa
distância permanece de 9cm, para a verde, será de 9 – 2,1 = 6,9cm (isso porquê 2,1cm
é a diferença entre a raia vermelha e a raia verde na situação original; logo, em relação
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a situação original, a raia verde, após o giro do motor, estaria a 6,9cm).
Consequentemente para a raia azul, dada a diferença de 3,2cm entre a raia vermelha
e a azul no original, temos uma distância após o giro do motor de 9-3,2 = 5,8cm.
x0 distância entre a respectiva raia e o centro da projeção da fenda no anteparo, na
condição inicial (espectro da luz branca), sem que haja ainda a movimentação do
motor.
Assim, conforme ocorre o giro do motor as raias se movimentam em direção a
posição a qual se encontra o sensor de cores. Como essa movimentação
consequentemente faz com que os feixes que se difratram não fiquem mais
perpendiculares ao plano original (o da projeção da fenda), é necessária que se faça
essa correção, a fim de se tomar o comprimento de onda para a condição inicial.
Com as fórmulas agora sabidas, procedemos a montagem do cálculo junto a
programação do arduino. Por isso, seguem-se as fórmulas para cálculo dos
comprimentos de onda para cada uma das raias em cada uma das cores:
Raia vermelha lambdaVermelho = (𝑑 ∗0.09
𝑠𝑞𝑟𝑡 (𝑝𝑜𝑤 (𝑙,2) +𝑝𝑜𝑤(0.091,2))) ∗ pow(10,9)
Raia verde lambdaVerde = ((𝑑∗0.062
𝑠𝑞𝑟𝑡 (𝑝𝑜𝑤 (0.062,2)+𝑝𝑜𝑤(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ,2) ))) ∗ pow(10,9)
Raia azul lambdaAzul = ((𝑑∗0.058
𝑠𝑞𝑟𝑡 (𝑝𝑜𝑤(0.058,2)+𝑝𝑜𝑤(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ,2)))) ∗ pow(10,9)
E dessa forma se pode calcular os comprimentos de onda das raias do espectro
mais adequadamente, junto à programação do Arduino.
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ANEXO 3
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), bem como é responsável
pelo acionamento do motor e controle de giro do mesmo e da rede de difração.
1. #include <Stepper.h> 2. #include "Wire.h"
3. #include "Adafruit_TCS34725.h" 4. 5. #include <IRremote.h>
6. #include <IRremoteInt.h> 7. IRsend irsend; 8.
9. //variaveis de passos para giro do motor// 10. const int stepsPerRevolution = 48; 11. Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 22, 23, 24, 25);
12. int passos; // numero de passos necessarios para mover o motor para a proxima posicao 13. int posicaoAtual; 14. int posicaoFutura;
15. 16. //para calculos de comprimento de onda// 17. float lambdaVermelha; // comprimento de onda da raia Vermelha
18. float lambdaVerde; // comprimento de onda da raia Verde 19. float lambdaAzul; // comprimento de onda da raia Azul 20. float d = pow(10, -6); // parametro de rede
21. float l = 0.112; // dist da rede ao anteparo 22. 23. //Definições Sensor de Proximidade Sharp////
24. int valSens; 25. float sharp; 26. int redPinSharp=0;
27. 28. //definições para função de coleta de dados/// 29. boolean ReceberColetaDados;
30. 31. //sensor de cores// 32. Adafruit_TCS34725 tcs = Adafruit_TCS34725(TCS34725_INTEGRATIONTIME_101MS,
TCS34725_GAIN_60X); 33. 34. //para acionar ethernet//
35. //byte ip[] = 192, 168, 1, 51 ; //setup manual apenas 36. //// Caso seja necessário mudar o valor do endereço MAC (muito raro)// 37. //byte mac[] = 0xAB, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED ;
38. //EthernetServer server(80); //porta '80' 39. //EthernetClient client = server.available(); 40. ////obs: Pinos 10,11,12 & 13 sáo usados pela ethernet shield
41. 42. 43.
44. void setup() 45. Serial.begin(9600); 46. Serial.println("Mestrado TIDD - Analise Seus espectro");
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47. myStepper.setSpeed(40);
48. pinMode(redPinSharp,OUTPUT); 49. delay(100); 50. DetectaCores();
51. 52. 53. // ///////ETHERNET//////////////
54. // Ethernet.begin(mac); //Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet); //for manual setup 55. // server.begin(); 56. // delay(10);
57. // Serial.println(Ethernet.localIP()); 58. // Serial.println("conectando"); 59.
60. 61. 62. void loop()
63. ligar_motor(); 64. delay(200); 65. int client = Serial.available();
66. if (client) 67. Serial.println("novo cliente"); 68. char c = Serial.read();
69. if (c == 'i') // Testamos se os bytes que vieram do Client conectado sao para uma nova coleta
70. IniciarColeta();
71. 72. 73. if (ReceberColetaDados == true)
74. ColetaDados(); 75. ColetaCores(); 76.
77. 78. 79.
80. void IniciarColeta() 81. ReceberColetaDados = true; 82. Serial.println("Coleta de Dados do Experimento");
83. //myStepper.step(-(stepsPerRevolution)); 84. delay(100); 85.
86. 87. void ColetaDados() 88. ReceberColetaDados = true;
89. delay(10); 90. //myStepper.step(-(stepsPerRevolution)); 91. delay(100);
92. myStepper.step(0); 93. int geralPassos = 0; 94. delay(1000);
95. Serial.println("Pronto Para comecar!"); 96. 97.
98. void DetectaCores() 99. //programação de inicialização do sensor detector de cores TCS34725
https://learn.adafruit.com/adafruit-color-sensors/program-it
100. Serial.println("Detectando cores"); 101. if (tcs.begin()) 102. Serial.println("Sensor encontrado:");
103. else 104. Serial.println("Sem TCS34725! Check conections!");
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105. while (1);
106. 107. 108.
109. void ColetaCores() 110. ReceberColetaDados = true; 111. uint16_t clearcol, red, green, blue;
112. float average, r, g, b; 113. delay(100); 114. tcs.getRawData(&red, &green, &blue, &clearcol);
115. 116. average = (red + green + blue) / 3; 117. r = red / average;
118. g = green / average; 119. b = blue / average; 120. Serial.print("\t NADA:"); Serial.print(clearcol);
121. Serial.print("\t VERMELHO:"); Serial.print(r); 122. Serial.print("\t VERDE:"); Serial.print(g); 123. Serial.print("\t AZUL:"); Serial.print(b);
124. 125. if ((r > 1.7) && (g < 1.0) && (b < 1.0)) 126. Serial.print("\t VERMELHO");
127. 128. else if ((r < 0.7) && (g > 1.50) && (b < 1.20)) 129. Serial.print("\t VERDE");
130. 131. else if ((r < 0.5) && (g < 1.5) && (b > 1.45)) 132. Serial.print("\t AZUL");
133. 134. else 135. Serial.print("\t NENHUMA COR ENCONTRADA");
136. 137. 138. Serial.println(" ");
139. delay(100); 140. 141.
142. 143. void(*resetFunc)(void) = 0; 144. void PararCliente()
145. delay(200); 146. Serial.println("resetando..."); 147. resetFunc();
148. delay(100); 149. Serial.println("OK. Pronto para novo Cliente"); 150.
151. 152. 153. void lambda_raiaVermelha()
154. float moveVermelho = 0.09; //é a diferença entre a posição original e o que o motor fez a raia se mover, nesse caso, 9-0 = 9cm
155. lambdaVermelha = ((d * (moveVermelho)) / sqrt(pow(sharp, 2) +
pow((moveVermelho), 2))) * pow(10, 9); 156. delay(100); 157.
158. void lambda_raiaVerde() 159. float moveVerde = 0.069; //é a diferença entre a posição original e o que o motor fez
a raia se mover, nesse caso, 9-2,1 = 6,9cm
160. lambdaVerde = ((d * (moveVerde)) / sqrt(pow(sharp, 2) + pow((moveVerde), 2))) * pow(10, 9);
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161. delay(100);
162. 163. void lambda_raiaAzul() 164. float moveAzul = 0.058; //é a diferença entre a posição original e o que o motor fez a
raia se mover, nesse caso, 9-3,2 = 5,8cm 165. lambdaAzul = ((d * (moveAzul)) / sqrt(pow(sharp, 2) + pow((moveAzul), 2))) * pow(10,
9);
166. delay(100); 167. /*OBS: na passagem entre as raias verde e azul a referência passa a ser a raia verde. 168. Contudo, frente a distancia ser 6,9, a distância a ser considerada na moveAzul
169. será de 6,9-(3,2-2,1) = 5,8cm, igual.*/ 170. 171.
172. void posiciona_motor_vermelho() 173. delay(500); 174. myStepper.step(0);
175. lambda_raiaVermelha(); 176. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 177. Serial.print(" ");
178. Serial.println(lambdaVermelha, DEC); 179. delay(2000);//para leitura da raia vermelha 180. ColetaCores();
181. delay(500); 182. myStepper.step(0); //volta à posição original 183. PararCliente();
184. delay(2000); 185. Serial.println("Proximo Cliente..."); 186.
187. void posiciona_motor_verde() 188. delay(500); 189. myStepper.step(-(3)); // para leitura da raia verde (a partir da cond inicial).
190. lambda_raiaVerde(); 191. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 192. Serial.print(" ");
193. Serial.println(lambdaVerde, DEC); 194. delay(2000); 195. ColetaCores();
196. delay(500); 197. myStepper.step((3)); // volta à posição original 198. PararCliente();
199. delay(2000); 200. Serial.println("Proximo Cliente..."); 201.
202. void posiciona_motor_azul() 203. delay(500); 204. myStepper.step(-(5)); // para leitura da raia azul (a partir da con inicial)
205. lambda_raiaAzul(); 206. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 207. Serial.print(" ");
208. Serial.println(lambdaAzul, DEC); 209. delay(2000); 210. ColetaCores();
211. delay(500); 212. myStepper.step((5)); // volta à posição original 213. PararCliente();
214. delay(2000); 215. Serial.println("Proximo Cliente..."); 216.
217. void posiciona_motor_branco() 218. //vermelho
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219. delay(500);
220. myStepper.step(0); 221. lambda_raiaVermelha(); 222. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
223. Serial.print(" "); 224. Serial.println(lambdaVermelha, DEC); 225. delay(2000);//para leitura da raia vermelha
226. ColetaCores(); 227. delay(500); 228. //verde
229. delay(500); 230. myStepper.step(-(3)); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia
vermelha.
231. lambda_raiaVerde(); 232. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 233. Serial.print(" ");
234. Serial.println(lambdaVerde, DEC); 235. ColetaCores(); 236. delay(2000);
237. //azul 238. delay(500); 239. myStepper.step(-(2)); // para leitura da raia azul - considerando a partir da raia verde.
240. lambda_raiaAzul(); 241. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 242. Serial.print(" ");
243. Serial.println(lambdaAzul, DEC); 244. ColetaCores(); 245. delay(2000);
246. myStepper.step((5)); // volta à posição original 247. PararCliente(); 248. delay(2000);
249. Serial.println("Proximo Cliente..."); 250. 251.
252. void posiciona_motor_comb1() //comb1 = vermelho + verde 253. //vermelha 254. delay(500);
255. myStepper.step(0); 256. lambda_raiaVermelha(); 257. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
258. Serial.print(" "); 259. Serial.println(lambdaVermelha, DEC); 260. ColetaCores();
261. delay(2000);//para leitura da raia vermelha 262. //verde 263. delay(500);
264. myStepper.step(-(3)); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia vermelha.
265. lambda_raiaVerde();
266. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 267. Serial.print(" "); 268. Serial.println(lambdaVerde, DEC);
269. ColetaCores(); 270. delay(2000); 271. myStepper.step((3)); // volta ao inicio.
272. PararCliente(); 273. delay(500); 274. Serial.println("Proximo Cliente...");
275. 276. void posiciona_motor_comb2() // comb2 = verde + azul
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277. // verde
278. delay(500); 279. myStepper.step(-(3));// para leitura da raia verde - considerando a partir da raia
vermelha.
280. lambda_raiaVerde(); 281. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 282. Serial.print(" ");
283. Serial.println(lambdaVerde, DEC); 284. ColetaCores(); 285. delay(500);//para leitura da raia verde
286. //azul 287. delay(500); 288. myStepper.step(-(2)); // para leitura da raia azul - considerando a partir da raia verde.
289. lambda_raiaAzul(); 290. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 291. Serial.print(" ");
292. Serial.println(lambdaAzul, DEC); 293. ColetaCores(); 294. delay(2000);
295. myStepper.step((5)); // volta ao inicio. 296. PararCliente(); 297. delay(2000);
298. Serial.println("Proximo Cliente..."); 299. 300. void posiciona_motor_comb3() // comb3 = vermelho + azul
301. //vermelho 302. delay(500); 303. myStepper.step(0);
304. lambda_raiaVermelha(); 305. Serial.print("Comprimento de Onda = "); 306. Serial.print(" ");
307. Serial.println(lambdaVermelha, DEC); 308. ColetaCores(); 309. delay(2000);
310. //AZUL 311. delay(500);//para leitura da raia vermelha 312. myStepper.step(-(5)); // para leitura da raia verde - considerando a partir da raia
vermelha. 313. lambda_raiaAzul(); 314. Serial.print("Comprimento de Onda = ");
315. Serial.print(" "); 316. Serial.println(lambdaAzul, DEC); 317. ColetaCores();
318. delay(2000); 319. myStepper.step((5)); // volta ao inicio. 320. PararCliente();
321. delay(2000); 322. Serial.println("Proximo Cliente..."); 323.
324. 325. void ligar_motor() 326. if (Serial.available() > 0)
327. char tecla = Serial.read(); 328. if (tecla == '1') 329. for (int i = 0; i < 1; i++)
330. irsend.sendNEC(0xFFA05F, 32); // Sony TV power code 331. delay(200); 332.
333. delay(200); 334. Serial.println ("Aumenta Brilho");
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335.
336. if (tecla == '0') 337. for (int i = 0; i < 1; i++) 338. irsend.sendNEC(0xFF20DF, 32); // Sony TV power code
339. delay(200); 340. 341. delay(200);
342. Serial.println ("Diminui Brilho"); 343. 344. if (tecla == 'D')
345. for (int i = 0; i < 1; i++) 346. irsend.sendNEC(0xFF609F, 32); // Sony TV power code 347. delay(400);
348. Serial.println ("DESLIGA"); 349. 350. myStepper.step(-2*(stepsPerRevolution));
351. delay(200); 352. PararCliente(); 353. Serial.println ("Ate a proxima!");
354. 355. if (tecla == 'L') 356. for (int i = 0; i < 1; i++)
357. irsend.sendNEC(0xFFE01F, 32); // Sony TV power code 358. Serial.println ("LIGA"); 359. delay(400);
360. 361. //IniciarColeta(); 362. ColetaDados();
363. Serial.println ("Dispositivo pronto para coletar dados!"); 364. 365. if (tecla == 'R')
366. for (int i = 0; i < 1; i++) 367. irsend.sendNEC(0xFF906F, 32); // Sony TV power code 368. delay(400);
369. 370. Serial.println ("Vermelho"); 371. posiciona_motor_vermelho();
372. delay(30); 373. 374. if (tecla == 'G')
375. for (int i = 0; i < 1; i++) 376. irsend.sendNEC(0xFF10EF, 32); // Sony TV power code 377. delay(400);
378. Serial.println ("Verde"); 379. 380. posiciona_motor_verde();
381. delay(30); 382. 383. if (tecla == 'B')
384. for (int i = 0; i < 1; i++) 385. irsend.sendNEC(0xFF50AF, 32); // Sony TV power code 386. delay(400);
387. Serial.println ("Azul"); 388. 389. posiciona_motor_azul();
390. delay(30); 391. 392. if (tecla == 'W')
393. for (int i = 0; i < 1; i++) 394. irsend.sendNEC(0xFFD02F, 32); // Sony TV power code
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395. delay(400);
396. Serial.println ("Branco"); 397. 398. posiciona_motor_branco();
399. delay(30); 400. 401. if (tecla == 'o')
402. for (int i = 0; i < 1; i++) 403. irsend.sendNEC(0xFFB04F, 32); // Sony TV power code 404. delay(400);
405. Serial.println ("Laranja"); 406. 407. posiciona_motor_comb1();
408. delay(30); 409. 410. if (tecla == 'g')
411. for (int i = 0; i < 1; i++) 412. irsend.sendNEC(0xFF30CF, 32); // Sony TV power code 413. delay(400);
414. Serial.println ("Verde Claro"); 415. 416. posiciona_motor_comb2();
417. delay(30); 418. 419. if (tecla == 'b')
420. for (int i = 0; i < 1; i++) 421. irsend.sendNEC(0xFF708F, 32); // Sony TV power code 422. delay(400);
423. Serial.println ("Azul Esmeralda"); 424. 425. posiciona_motor_comb3();
426. delay(30); 427. 428. if (tecla == 'F')
429. for (int i = 0; i < 1; i++) 430. irsend.sendNEC(0xFFF00F, 32); // Sony TV power code 431. delay(400);
432. 433. Serial.println ("Flash"); 434.
435. if (tecla == 'O') 436. for (int i = 0; i < 1; i++) 437. irsend.sendNEC(0xFFA857, 32); // Sony TV power code
438. delay(400); 439. Serial.println ("Laranja Escuro"); 440.
441. posiciona_motor_comb1(); 442. delay(30); 443.
444. if (tecla == 'z') 445. for (int i = 0; i < 1; i++) 446. irsend.sendNEC(0xFF28D7, 32); // Sony TV power code
447. delay(400); 448. Serial.println ("Azul Anil"); 449.
450. posiciona_motor_comb2(); 451. delay(30); 452.
453. if (tecla == 'x') 454. for (int i = 0; i < 1; i++)
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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455. irsend.sendNEC(0xFF6897, 32); // Sony TV power code
456. delay(400); 457. Serial.println ("Roxo"); 458.
459. posiciona_motor_comb3(); 460. delay(30); 461.
462. if (tecla == 'S') 463. for (int i = 0; i < 1; i++) 464. irsend.sendNEC(0xFFE817, 32); // Sony TV power code
465. delay(400); 466. 467. Serial.println ("Estrobo");
468. 469. if (tecla == 'y') 470. for (int i = 0; i < 1; i++)
471. irsend.sendNEC(0xFF9867, 32); // Sony TV power code 472. delay(400); 473. Serial.println ("Amarelo Claro");
474. 475. posiciona_motor_comb1(); 476. delay(30);
477. 478. if (tecla == 'c') 479. for (int i = 0; i < 1; i++)
480. irsend.sendNEC(0xFF18E7, 32); // Sony TV power code 481. delay(400); 482. Serial.println ("Azul Turquesa");
483. 484. posiciona_motor_comb2(); 485. delay(30);
486. 487. if (tecla == 'P') 488. for (int i = 0; i < 1; i++)
489. irsend.sendNEC(0xFF58A7, 32); // Sony TV power code 490. delay(400); 491. Serial.println ("Pink");
492. 493. posiciona_motor_comb3(); 494. delay(30);
495. 496. if (tecla == '<') 497. for (int i = 0; i < 1; i++)
498. irsend.sendNEC(0xFFD827, 32); // Sony TV power code 499. delay(400); 500.
501. Serial.println ("Fade"); 502. 503. if (tecla == 'Y')
504. for (int i = 0; i < 1; i++) 505. irsend.sendNEC(0xFF8877, 32); // Sony TV power code 506. delay(400);
507. Serial.println ("Amarelo"); 508. 509. posiciona_motor_comb1();
510. delay(30); 511. 512. if (tecla == 'C')
513. for (int i = 0; i < 1; i++) 514. irsend.sendNEC(0xFF08F7, 32); // Sony TV power code
Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP
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515. delay(400);
516. Serial.println ("Verde-Agua"); 517. 518. posiciona_motor_comb2();
519. delay(30); 520. 521. if (tecla == 'V')
522. for (int i = 0; i < 1; i++) 523. irsend.sendNEC(0xFF48B7, 32); // Sony TV power code 524. delay(400);
525. Serial.println ("Violeta"); 526. 527. posiciona_motor_comb3();
528. delay(30); 529. 530. if (tecla == '-')
531. for (int i = 0; i < 1; i++) 532. irsend.sendNEC(0xFFC837, 32); // Sony TV power code 533. delay(400);
534. 535. Serial.println ("Smooth"); 536.
537. Serial.println("\n"); 538. 539.
