Nome do Projeto
Sensoriamento eletrônico direcionado ao ensino de física experimental
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/06/2020 - 01/06/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Atualmente vemos equipamentos comerciais (sistemas proprietários) para ensino de física experimental que podem custar centenas ou milhares de reais se importados ou mesmo adquiridos no mercado nacional. São como “caixas pretas” especialmente construídas para uso nos laboratórios didáticos. Estes equipamentos, que contam com excelentes recursos e desempenho, têm sido projetados para que seus usos sejam feitos a partir de conexões diretas com computadores, principalmente pela porta USB (Universal Serial Bus) e até mesmo através de conexão sem fio. Tais instrumentos didáticos são concebidos, em muitos casos, a partir do uso de componentes eletrônicos e módulos sensores de baixo custo, baseados em princípios de funcionamento bem conhecidos. Paralelamente a isso, o mercado internacional e o mercado nacional, têm disponibilizado esses módulos sensores que se apoiados numa eletrônica adequada podem medir temperatura, campo magnético, posição, pressão, aceleração, tempo, força, entre outras tantas grandezas físicas. Estes módulos sensores podem ser comandados por dispositivos chamados microcontroladores (também hoje popularizados e vendidos a baixo custo) que podem executar tarefas de processamento matemático, fazer conversão entre sinais analógicos e digitais, enviar e receber comandos de um computador através uma conexão devidamente projetada.
Embora já exista uma pequena comunidade de pesquisadores nacionais voltada ao desenvolvimento de projetos de instrumentação eletrônica de baixo custo, baseados em módulos sensores para uso em laboratórios didáticos de Ensino de Ciências, o número de projetos específicos sobre esses sistemas automáticos de aquisição e tratamento de dados assistidos por computador é pequeno e insuficiente para estimular professores e seus alunos do Ensino Superior, e até mesmo Ensino Médio, a replicarem tais projetos e construírem seus próprios equipamentos, podendo assim usufruir de uma gama maior de possibilidades no ensino experimental da Física.
Neste projeto pretendemos desenvolver os seguintes equipamentos: medidor de campo magnético, módulo de transmissão Bluetooth, medidor de intensidade sonora e medidor de posição, velocidade e aceleração baseado em sonares.
Os protótipos desenvolvidos como produto deste projeto deverão ter conexão direta com o computador, sendo possível a apresentação dos dados em tempo real coletados em uma experiência (Física em Tempo Real - FTR). Através destas poderosas ferramentas de laboratório obtemos excelentes possibilidades de abordagens didático-pedagógicas que aliadas ao trabalho docente, junto com guias reflexivos de laboratório, tendem a levar o estudante a sentir-se estimulado ao envolvimento ativo na sua própria aprendizagem, a fazer prognósticos (esboços) do comportamento das grandezas físicas mensuradas, a discutir com os demais alunos em grupo e a estabelecer suas próprias conclusões. Algumas vantagens da FTR: rapidez no registro de dados de entrada, processamento de cálculos complexos e exibição de tabelas, gráficos, etc., registro dos dados oriundos de experiências, permitindo ao estudante dedicar mais tempo à análise e interpretação física contida na informação.
A utilização de sensores conjuntamente com sistemas de aquisição automática de dados em tempo real na construção de práticas de laboratório de Física tem representado uma inovação nas formas de ensinar e de aprender, ainda muito pouco difundidas em nosso país. Espera-se que este projeto contribua na difusão destas novas práticas experimentais integrando tecnologia, teoria e experimento.
Objetivo Geral
Além do conhecimento gerado na área da instrumentação científica e o desenvolvimento de habilidades e competências em hardware e programação pelos alunos de iniciação científica que participarão ao longo deste projeto, destacamos os seguintes objetivos:
Desenvolvimento e publicação de projetos abertos de equipamentos sensores eletrônicos (movimento, Bluetooth, campo magnético e intensidade sonora) interfaceados por microcontroladores com um computador e potencialmente úteis em ambientes de ensino de física experimental. Tais projetos devem primar pelo detalhamento, pelo baixo custo de implementação, alto desempenho e devem permitir leitura do valor de uma ou mais grandezas físicas em tempo real (FTR) durante um experimento.
Auxiliar na solidificação do grupo de pesquisa cadastrado no CNPq cujo proponente faz parte, desenvolvendo pesquisa dentro das Tecnologias no ensino de ciências.
Desenvolvimento e publicação de projetos abertos de equipamentos sensores eletrônicos (movimento, Bluetooth, campo magnético e intensidade sonora) interfaceados por microcontroladores com um computador e potencialmente úteis em ambientes de ensino de física experimental. Tais projetos devem primar pelo detalhamento, pelo baixo custo de implementação, alto desempenho e devem permitir leitura do valor de uma ou mais grandezas físicas em tempo real (FTR) durante um experimento.
Auxiliar na solidificação do grupo de pesquisa cadastrado no CNPq cujo proponente faz parte, desenvolvendo pesquisa dentro das Tecnologias no ensino de ciências.
Justificativa
A presente proposta se justifica pois terá como contribuição científica e tecnológica, trazer a tona conhecimentos sobre o desempenho de equipamentos baseados em módulos sensores disponíveis no mercado a baixo custo e potencialmente úteis no ensino de física experimental. Para chegar e este ponto, outros conhecimentos que fazem parte do processo serão desenvolvidos como:
• Geração de conhecimento a respeito de códigos de programação em linguagem C/C++ que propiciarão a leitura de sinal analógico e/ou digital do módulo sensor, processamento deste sinal, análise matemática, filtros, transmissão e recebimento de informação pelo computador.
• Geração de conhecimento a respeito da performance de microcontroladores como ponte entre os módulos sensores e o computador nos diversos casos, inclusive na comunicação sem fio com módulos eletrônicos de transmissão de sinal “wireless” disponíveis no mercado.
• Criação de projetos de equipamentos sensores potencialmente úteis para laboratório de ensino usados para controle de experimentos em tempo real através de microcontroladores.
• Geração de conhecimento através dos testes de implementação dos equipamentos sensores e da plataforma flexível em situação de sala de aula e a recepção de alunos e professores a proposta de maior automação das medidas. Embora este não seja o foco principal deste projeto, espera-se também aqui obter possíveis indicadores que apontem para a melhoria da aprendizagem significativa dos alunos através da renovação das práticas de física como aponta a literatura.
• Além destes processos de inovação que contribuirão na geração de tecnologia nacional para tecnologias no Ensino de Ciências, os resultados alcançados no trabalho, quando difundidos através de publicação de artigos científicos discriminando amplamente o funcionamento e a construção dos sistemas, terão a função de aumentar a massa crítica especializada no assunto.
• Geração de conhecimento a respeito de códigos de programação em linguagem C/C++ que propiciarão a leitura de sinal analógico e/ou digital do módulo sensor, processamento deste sinal, análise matemática, filtros, transmissão e recebimento de informação pelo computador.
• Geração de conhecimento a respeito da performance de microcontroladores como ponte entre os módulos sensores e o computador nos diversos casos, inclusive na comunicação sem fio com módulos eletrônicos de transmissão de sinal “wireless” disponíveis no mercado.
• Criação de projetos de equipamentos sensores potencialmente úteis para laboratório de ensino usados para controle de experimentos em tempo real através de microcontroladores.
• Geração de conhecimento através dos testes de implementação dos equipamentos sensores e da plataforma flexível em situação de sala de aula e a recepção de alunos e professores a proposta de maior automação das medidas. Embora este não seja o foco principal deste projeto, espera-se também aqui obter possíveis indicadores que apontem para a melhoria da aprendizagem significativa dos alunos através da renovação das práticas de física como aponta a literatura.
• Além destes processos de inovação que contribuirão na geração de tecnologia nacional para tecnologias no Ensino de Ciências, os resultados alcançados no trabalho, quando difundidos através de publicação de artigos científicos discriminando amplamente o funcionamento e a construção dos sistemas, terão a função de aumentar a massa crítica especializada no assunto.
Metodologia
Para alcançar os objetivos, o grupo de execução deste projeto passará por uma etapa de prospecção de dispositivos (módulos sensores, módulos de transmissão Bluetooth e microcontroladores) disponíveis no mercado nacional e internacional analisando possíveis variações de desempenho. Esta etapa do projeto é importante visto que, embora o grupo de pesquisa já venha trabalhando no assunto e tenha adquirido experiência, a grande oferta de mercado faz o cenário mudar constantemente no sentido de melhor custo/benefício.
Depois de escolhidos, os módulos sensores serão devidamente conectados através das portas de acesso do microcontrolador e serão acessados via programação em C/C++. Estes sistemas (módulo sensor e microcontrolador) adquiridos passarão por um conjunto de testes de desempenho onde se verifica, entre outras coisas: limites de alcance do módulo sensor, resolução de medida, desvios de medida em comparação com outros sensores comerciais do mesmo tipo, calibração, tempo de leitura e processamento da informação pelo microcontrolador e seu microprocessador, performance de transmissão de dados do microcontrolador até o computador e comportamento gráfico da(s) grandeza(s) física(s) em questão em tempo real.
Finalmente, os equipamentos desenvolvidos serão devidamente testados em práticas de ensino de física experimental.
Depois de escolhidos, os módulos sensores serão devidamente conectados através das portas de acesso do microcontrolador e serão acessados via programação em C/C++. Estes sistemas (módulo sensor e microcontrolador) adquiridos passarão por um conjunto de testes de desempenho onde se verifica, entre outras coisas: limites de alcance do módulo sensor, resolução de medida, desvios de medida em comparação com outros sensores comerciais do mesmo tipo, calibração, tempo de leitura e processamento da informação pelo microcontrolador e seu microprocessador, performance de transmissão de dados do microcontrolador até o computador e comportamento gráfico da(s) grandeza(s) física(s) em questão em tempo real.
Finalmente, os equipamentos desenvolvidos serão devidamente testados em práticas de ensino de física experimental.
Indicadores, Metas e Resultados
A presente proposta terá como contribuição científica e tecnológica, trazer a tona conhecimentos sobre o desempenho de equipamentos baseados em módulos sensores disponíveis no mercado a baixo custo e potencialmente úteis no ensino de física experimental. Para chegar e este ponto, outros conhecimentos que fazem parte do processo serão desenvolvidos como:
Geração de conhecimento a respeito de códigos de programação em linguagem C/C++ que propiciarão a leitura de sinal analógico e/ou digital dos módulos sensores, processamento destes sinais, análises matemáticas, filtros, transmissão e recebimento de informação pelo computador.
Geração de conhecimento a respeito da performance de microcontroladores como ponte entre os módulos sensores e o computador nos diversos casos, inclusive na comunicação sem fio com módulos eletrônicos de transmissão de sinal bluetooth disponíveis no mercado.
Criação de projetos de equipamentos sensores potencialmente úteis para laboratório de ensino usados para controle de experimentos em tempo real através de microcontroladores.
Geração de conhecimento através dos testes de implementação dos equipamentos sensores em situação de sala de aula e a recepção de alunos e professores a proposta de maior automação das medidas. Embora este não seja o foco principal deste projeto, espera-se também aqui obter possíveis indicadores que apontem para a melhoria da aprendizagem significativa dos alunos através da renovação das práticas de física como aponta a literatura.
Além destes processos de inovação que contribuirão na geração de tecnologia nacional para tecnologias no Ensino de Ciências, os resultados alcançados no trabalho, quando difundidos através de publicação de artigos científicos discriminando amplamente o funcionamento e a construção dos sistemas, terão a função de aumentar a massa crítica especializada no assunto.
Geração de conhecimento a respeito de códigos de programação em linguagem C/C++ que propiciarão a leitura de sinal analógico e/ou digital dos módulos sensores, processamento destes sinais, análises matemáticas, filtros, transmissão e recebimento de informação pelo computador.
Geração de conhecimento a respeito da performance de microcontroladores como ponte entre os módulos sensores e o computador nos diversos casos, inclusive na comunicação sem fio com módulos eletrônicos de transmissão de sinal bluetooth disponíveis no mercado.
Criação de projetos de equipamentos sensores potencialmente úteis para laboratório de ensino usados para controle de experimentos em tempo real através de microcontroladores.
Geração de conhecimento através dos testes de implementação dos equipamentos sensores em situação de sala de aula e a recepção de alunos e professores a proposta de maior automação das medidas. Embora este não seja o foco principal deste projeto, espera-se também aqui obter possíveis indicadores que apontem para a melhoria da aprendizagem significativa dos alunos através da renovação das práticas de física como aponta a literatura.
Além destes processos de inovação que contribuirão na geração de tecnologia nacional para tecnologias no Ensino de Ciências, os resultados alcançados no trabalho, quando difundidos através de publicação de artigos científicos discriminando amplamente o funcionamento e a construção dos sistemas, terão a função de aumentar a massa crítica especializada no assunto.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| FABIO SARAIVA DA ROCHA | 8 | ||
| TARSO MUZARANHA |