Qualificação - Mestrado
Percurso da Pesquisa
Uma Proposta de Desenvolvimento de um Protótipo
de Laboratório Remoto aplicad...
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Sumário
Resumo Geral ..............
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10.4. Ambiente Virtual de Aprend...
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Uma Proposta de Desenvolvimento ...
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Esquema Geral do Projeto
Frente ...
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da justificativa e da metodologi...
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de nãos e voltar ao mesmo proble...
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Takahashi, 2011), e que, com ba...
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10.2 Procedimentos de Construçã...
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12. Análises Possíveis e Testes...
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CAPÍTULO I – Contextualização e...
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os recursos didáticos. Mas como...
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Para a seleção dos periódicos, ...
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Education e IEEE Transactions o...
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pêndulo invertido. Inclusive, r...
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Objetivos Aplicar o experimento...
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presencial. No entanto, o labor...
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Figura 01 – Gráfico de Frequênc...
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5 Objetivos da Pesquisa
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No desenvolvimento do trabalho ...
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de desenvolvimento do Arduino u...
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Alguns pesquisadores na área de...
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Além dos aspectos já mencionado...
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o aspecto científico abordado. ...
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Outro aspecto de grande relevân...
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Descrição do WebLab-Deusto
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 Agilidade no desenvolvimento ...
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 Escalabilidade: A arquitetura...
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mesma forma que permite a criaç...
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Texto apresentado para obtenção da qualificação de mestrado

  1. 1. Qualificação - Mestrado Percurso da Pesquisa Uma Proposta de Desenvolvimento de um Protótipo de Laboratório Remoto aplicado ao Ensino de Física Moderna Projeto de José Neres de Almeida Jr. Orientador: Prof. Dr. Hermes Renato Hildebrand TIDD – PUC-SP – Mestrado – Programa de Pós-Graduação TIDD São Paulo, 2014
  2. 2. 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.......................................................................................................27 5 Objetivos da Pesquisa......................................................................................29 Objetivos Específicos................................................................................29 6 Hipótese: Estratégias para adequação de laboratório remoto como instrumento de utilização complementar a aulas presenciais............................29 7 Fundamentação Teórica...................................................................................31 Introdução...................................................................................................31 WebLab .......................................................................................................32 Arduino No WebLab.....................................................................................................34 O Que o Webduino traz de novo.................................................................................35 Procedimentos ...........................................................................................36 Introdução .....................................................................................................................37 Descrição do WebLab-Deusto ....................................................................................38 Coleta de Dados ...........................................................................................................44 Segurança .....................................................................................................................45 CAPÍTULO II - Desenvolvimento ............................................................................46 8 Metodologia.......................................................................................................46 9 Protótipo - Procedimentos e Desenvolvimento .............................................54 Introdução...................................................................................................54 Contexto da Espectrofotometria no Ensino de Física Moderna ............55 10 Experimento de Espectrofotômetro Remoto Automatizado......................58 Espectrofotômetros e seu Princípio de Funcionamento.....................59 Procedimentos de Construção ..............................................................64 Ajuste Ótico: Montagem do Trilho Emborrachado...................................................65 Montagem dos Circuitos (Sensor Detector de Cor TCS34725, Motor de Passo) ..66 10.2.2.1. Motor de passo e controle no sentido de rotação..................................................66 10.2.2.2. Sensores:................................................................................................................81 10.2.2.2.1. Módulo Sensor Detector de Cores (TCS34725)............................................81 10.2.2.2.2. Sensor Infra-Vermelho....................................................................................82 10.2.3. Procedimentos de medição do comprimento de onda: ...........................................96 10.2.3.1. Espectro projetado por difração .............................................................................96 10.3. Experimento Remoto..............................................................................97 10.3.1. Coleta dos Dados de Intensidade Luminosa e Comprimento de Onda: ................98 10.3.1.1. Saída Serial para a Internet....................................................................................98 10.3.1.2. Interface de Controle Remoto ................................................................................99 10.3.1.2.1. Descrição da Interface....................................................................................99 10.3.1.3. Visualização do experimento pela WebCam........................................................100
  3. 3. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 3 10.4. Ambiente Virtual de Aprendizagem.....................................................102 10.4.1. Conceitos, Teoria e Aplicabilidade...........................................................................102 10.4.1.1. O Moodle ..............................................................................................................106 10.4.2. Ambientes Virtuais e Ensino de Física ....................................................................109 11. Resultados ...................................................................................................112 11.1. Realização Do Experimento Remotamente ........................................115 11.2. Página do Experimento: montagem, visual e controle......................116 11.2.1. Página “Sobre o Experimento”.................................................................................117 11.2.2. Página “Resultados”..................................................................................................117 11.2.3. Página Tabelas ...........................................................................................................118 11.2.4. Páginas “Teoria” e “Referências” ............................................................................119 11.2.5. Pagina “Simuladores”................................................................................................120 11.2.6. Página do Blog do Experimento ...............................................................................121 11.2.7. Página Faça você mesmo..........................................................................................121 11.2.8. Configurações Finais.................................................................................................122 CAPÍTULO III – Análises, Conclusões Parciais e Próximas Etapas..................124 12. Análises Possíveis e Testes Futuros.........................................................124 12.1. Usabilidade Do Ambiente Virtual De Aprendizagem..........................124 12.1.1. Análise do Tempo de Latência..................................................................................124 12.1.2. Interação Aluno-Interface ..........................................................................................125 13. Conclusões e Próximas Etapas .................................................................130 13.1. Considerações Finais...........................................................................130 13.2. Considerações dos Resultados Parciais............................................131 13.3. Próximas Etapas ...................................................................................132 Referências Bibliográficas ...................................................................................133 ANEXO ...................................................................................................................137 ANEXO 1 .............................................................................................................137 Interface de Controle Remoto: Programação para a Interface de Controle Remoto ..........137 ANEXO 2 .............................................................................................................146 ANEXO 3 .............................................................................................................148 Programação no Arduino ..........................................................................................................148
  4. 4. 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 Moderna, ou seja, um laboratório de sensoriamento remoto que se desenvolve na PUC/SP, focado, portanto, no ensino de conteúdos de Física, e que para tanto, é necessário que esteja adequado a um ambiente virtual de ensino e aprendizagem (ambiente virtual de aprendizagem, AVA). Para tanto, este estudo, e a implementação do experimento, serão 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 posterior utilização do Laboratório Remoto e verificação de possíveis melhorias na aprendizagem de alunos, complementando o ensino ministrado por professores, em escolas. 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 estruturação da arquitetura de rede criada para a adequação do laboratório com acesso remoto, dentro de um ambiente de aprendizagem que seja condizente com as necessidades educacionais do usuário, com relação a tópicos de Física Moderna, bem como à possíveis necessidade pedagógicas dos profissionais da área, esta 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 Virtual a ser modelado, 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, vem se construindo, além do experimento que especifica o laboratório remoto, também o ambiente virtual 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.
  5. 5. 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,
  6. 6. 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
  7. 7. 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
  8. 8. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 8 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;
  9. 9. 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
  10. 10. 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
  11. 11. 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
  12. 12. 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
  13. 13. 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.
  14. 14. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 14 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 das arquiteturas necessárias para o desenvolvimento de um laboratório remoto como complementação, para aulas presenciais, e auxílio à abordagem de tópicos de Física Moderna, seja experimental, seja teórica. Para tratar a questão, é necessário se compreender primeiramente o que é um laboratório remoto, também denominado WebLab. O objetivo de um laboratório remoto é possibilitar a realização e controle em tempo real de experimentos, usando como meio a internet. Esse ambiente, a ser desenvolvido, tanto pratica, quanto teoricamente, deverá ser testado em suas funções e futuramente validado em aplicações ligadas ao ensino de Física. 2 Problema: 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
  15. 15. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 15 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.
  16. 16. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 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
  17. 17. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 17 são necessários para resolver essas questões e chegar a um consenso sobre os pontos fortes e fracos dos laboratórios remotos e seu lugar no currículo, além de discussões acerca da possibilidade de se utilizar com complemento de simulações e como complemento a aulas presenciais. Além destas discussões, há controvérsias em cursos sobre a eficácia dos laboratórios remotos em entregar resultados de aprendizagem, e seus efeitos globais sobre a experiência dos alunos. A maioria dos exemplos de laboratórios remotos hoje são apenas versões remotas dos laboratórios tradicionais e alguns pesquisadores fazem comparações diretas entre os resultados da aprendizagem com os laboratórios tradicionais versus laboratórios remotos. Fato este que evidencia apenas uma transferência da aula expositiva para uma aula laboratorial a distância, o que apenas continua com o problema. Nesse sentido, nosso objetivo, aqui, é começar a investigar de que forma pode se propor a adequação de um laboratório remoto junto a aulas presenciais, no que se diz respeito a conteúdos de Física Moderna, e consequentemente, quais interfaces podem ser melhor elaboradas e utilizadas junto ao ambiente virtual de aprendizagem no qual o laboratório remoto esteja inserido, visando que o usuário (seja professor ou aluno) possam desfrutar dos recursos existentes, os trabalhando de forma em que se possa aprofundar a compreensão dos assuntos tratados. 3 Estado da Arte No capítulo de problematização, abordamos o contexto dos laboratórios e mais adiante (no item “Justificativa”) será analisado a escolha e o porquê do uso do laboratório remoto para os propósitos do projeto, bem como, aqui se inicia a abordagem de como está a situação e o usos dos mesmos. Para continuar essa abordagem, analisemos as questões principais levantadas por Cardoso e Takahashi (2011). Isso nos remete a entender as discussões a respeito do desenvolvimento e o uso no contexto educacional de Física dos Laboratórios Remotos. Para tanto, serão estudados os trabalhos realizados por autores que trabalharam neste mesmo tema, dentro das observações levantadas por Cardoso e Takahashi (2011), e consequentemente quais as dificuldades encontradas, as discussões levantadas por eles, a fim de enquadrar os problemas a serem trabalhados neste projeto.
  18. 18. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 18 No artigo de Cardoso e Takahashi (2011), publicado na RBPEC, os autores fazem o “[...] levantamento e análise de trabalhos sobre o assunto em revistas e periódicos de ensino e educação, no Brasil e no exterior. ” O intuito dos autores, assim como um dos objetivos deste projeto corrente, é investigar se (e como) os laboratórios remotos estão sendo utilizados para o ensino, particularmente, de Física, com o objetivo de avaliar o potencial desse recurso para o ensino-aprendizagem da disciplina. Para tanto, os autores discorrem das necessidades de um laboratório remoto e das potencialidades que o uso da experimentação demonstra para o processo de ensino-aprendizagem, fundamentando-se nas avaliações tanto de documentos oficiais como o PCN+ (BRASIL, 2002), quanto de pesquisadores. Dentro desta perspectiva de experimentação, aliada ao princípio de utilização de materiais de fácil acesso e possibilidade de viabilizar a mesma experiência com acesso remoto, Cardoso e Takahashi (2011, p. 188) apontam 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 nãos e dá somente em ambientes que se utilizem de Educação a Distância (EaD), mas também presencialmente: Assim, um laboratório remoto pode auxiliar na aprendizagem de conceitos físicos, sendo um importante recurso nos cursos de Educação a Distância (EaD) que exigem aulas práticas, como também aulas presenciais tornado-a mais interativa e mais dinâmica. Pode, ainda, auxiliar o aprendiz independentemente das aulas e viabilizar a realização de experimentos mais complexos e/ou de difícil acesso. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011, p.188- 189) Com base nestas prerrogativas, os autores abordam a metodologia de investigação de laboratórios remotos, desde sua adequação até a sua implementação e uso educacional. Nesse sentido, Cardoso e Takahashi selecionaram e analisaram artigos de periódicos Qualis1 A, nacionais e internacionais, entre os anos 2000 e 2009.
  19. 19. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 19 Para a seleção dos periódicos, utilizaram a lista completa da Capes, que contém a classificação da produção intelectual, e apuraram todos os periódicos das seções Educação e Ensino de Ciências e Matemática. Além desses, também selecionaram todos os outros periódicos que continham as palavras ensino, educação e seus correspondentes em inglês e espanhol. No total, encontraram 78 periódicos. Como critério de seleção dos artigos, optaram por pesquisar, nos títulos, as palavras-chave “experimentação remota”, “laboratório remoto” e seus correspondentes em inglês e espanhol. Com este critério de seleção, Cardoso e Takahashi (2011) encontraram 31 artigos em apenas 5 periódicos internacionais: “Computer Applications in Engineering Education, Computers & Education”, “IEEE Transactions on Education”, “Journal of Research in Science Teaching” (versão impressa) e “Physics Education” (versão impressa). A partir dos artigos encontrados, eles fizeram um levantamento do número de artigos publicados em cada ano e em cada área de conhecimento, verificando em quais periódicos foram publicados e para qual nível de ensino, de forma a elaborar uma síntese dos objetivos, metodologias e estratégias utilizadas e as principais contribuições para o ensino. A partir disso, os autores fizeram uma análise em relação ao enfoque, à justificativa de utilização da Experimentação Remota, às vantagens e desvantagens do uso do laboratório remoto e à utilização de metodologia de ensino. A partir destas considerações, os autores começam a análise preocupando-se em verificar como vem sendo o desenvolvimento de pesquisas sobre laboratórios remotos nos últimos 10 anos. A partir das análises feitas, constatam que as pesquisas relacionadas a experimentos que podem ser operados remotamente são relativamente recentes, devido ao fato de que a tecnologia só pôde ser desenvolvida devido aos grandes avanços tecnológicos dos últimos tempos, como por exemplo, a engenharia de automação e controle assistida por computadores, Internet (aqui incluso o aumento no poder de processamento dos dados transmitidos, também) e webcams, que são elementos essenciais para esse tipo de experimentação. Dentre o levantamento realizado, o que demonstra um aspecto interessante a ser considerado para fins deste projeto, é que dos 78 periódicos Qualis A que foram analisados, apenas 5 periódicos internacionais continham artigos sobre a questão do laboratório remoto, sendo que dois deles (Computer Applications in Engineering
  20. 20. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 20 Education e IEEE Transactions on Education) apresentam o maior número de publicações sobre laboratórios remotos. Em nenhum dos periódicos nacionais Qualis A foram encontrados artigos sobre experimentos remotos, apesar de existirem pesquisas e laboratórios remotos no Brasil. Isso explica o fato de que pouco se divulga a criação, elaboração, adequação e implementação de laboratórios remotos, fato este que impossibilita um maior acesso de usuários e do público-alvo (professores e alunos) às potencialidades do uso educacional do laboratório remoto. Voltando nossa atenção para a Física, podemos notar, conforme Cardoso e Takahashi (2011) também apuram que os trabalhos são desenvolvidos para determinadas áreas de conhecimento, a citar, as Engenharias, devido à necessidade de experimentação, de prática, para a inserção do egresso no mercado de trabalho e que a prática é de fundamental importância para a aprendizagem dos conceitos relacionados com as disciplinas (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011). Por outro lado, estas características que são necessárias às Engenharias também são necessárias em outras áreas de Ensino, justamente pelo caráter científico das disciplinas correlatas (por exemplo, Física, Biologia, Química, e eventuais articulações entre elas), as quais são bases para as Engenharias. Ainda que se apresente as mesmas necessidades para estas áreas citas, existem poucos trabalhos associados ao uso da Experimentação Remota nessas áreas, conforme mostra o Quadro 1. Quadro 1: Quantidade de artigos por área de conhecimento (reprodução de Cardoso e Takahashi, 2011). Pela pesquisa de levantamento realizada pelos autores, se percebe a presença de alguns experimentos que poderiam ser utilizados no ensino da Física em nível superior, como alguns experimentos de eletrônica, interferômetro de Michelson, imagens ao microscópio eletrônico de varredura, vibração mecânica unidimensional e
  21. 21. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 21 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. Pela análise dos autores, além das considerações anteriores, é importante ressaltar o enfoque que se dá em cada artigo estudado, ou seja, sob qual ponto de vista os artigos foram desenvolvidos. Categorizando o pelos objetivos de cada artigo e, com base no que foi apresentado, os autores criaram cinco categorias: Aprendizagem do Aluno (representam alguma metodologia para ensinar com Experimentação Remota, utilizando planos pedagógicos, estratégias de ensino, etc...), Análise entre Laboratório Virtual e Laboratório Remoto, Análise entre Laboratório Remoto e Laboratório Presencial (nestes dois casos anteriores, em ambas as considerações, são relacionados artigos que evidenciam diferenças, vantagens e desvantagens entre os respectivos tipos de laboratório), Infraestrutura (artigos que descrevem a implementação e seus requisitos necessários e ambiente do laboratório remoto), e Viabilidade (artigos que validam a utilização da experimentação remota). Analisando os objetivos dos artigos chegaram ao fato de que 19 dos 31 artigos estudados se enfocam na questão de infraestrutura. Embora os periódicos estejam publicados em revistas essencialmente voltadas ao ensino e educação, dos artigos estudados somente 12,9% abordam esta temática, evidenciando a baixa prioridade da literatura disponível de análises voltadas a adequação de laboratórios remotos para a temática de aprendizagem. Pois não basta se colocar um laboratório remoto se não houver uma preocupação em que ele esteja bem estruturado em sua questão educacional, o que retornaria somente em uma visualização, um entretenimento, sem um valor significativo para a aprendizagem do usuário. Com relação aos artigos que enfocaram a aprendizagem (somente 4 – quatro – dentre os analisados), eles mostram que é possível atingir os objetivos educacionais com o uso de experimentos remotos e uma metodologia de ensino adequada, conforme quadro abaixo: Quadro 2: Descrição dos objetivos, metodologias e estratégias e as principais contribuições para o ensino dos artigos com foco principal em aprendizagem. Artigo 1 A Distance PLC Programming Course Employing a Remote Laboratory Based on a Flexible Manufacturing Cell
  22. 22. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 22 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 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
  23. 23. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 23 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.  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.
  24. 24. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 24  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 pôde-se perceber que é possível a adequação dos laboratórios remotos com uma abordagem de ensino voltada para a aprendizagem. Se feita de maneira rigorosa, no aspecto metodológico, isso vem a beneficiar, possibilitando o uso mais apropriado deste recurso tecnológico. Ainda, para os artigos que tratam da viabilidade dos laboratórios remotos, estes enfocam tanto o experimento quanto a aprendizagem. Com este aspecto em mente, os resultados mostraram que os experimentos remotos são viáveis, pois, além dos estudantes aprovarem o uso dos laboratórios remotos, eles atingiram os objetivos educacionais propostos. Contudo melhorias com relação ao aspecto de velocidade de transmissão e dados e da interatividade entre o experimento remoto e o usuário devem melhorar e aumentar, respectivamente. Dos 19 (dezenove) artigos em que se evidenciam o enfoque na infraestrutura pode-se argumentar o fato de este ser um primeiro passo e de não ser uma tarefa simples estruturar toda a questão arquitetural para visualização e acesso do experimento remotamente. Isso implica no fato de que a maioria se preocupa em evidenciar a questão estrutural, dado o fato de ser um recurso ainda recente em termos de uso e assimilação. Porém, dentre estes 19 (dezenove), 13 (treze) aplicaram e avaliaram os experimentos. Os resultados coletados pelos autores são de extrema importância no que se refere a evidenciar a montagem do experimento, mas também de erros e acertos no desenvolvimento dos laboratórios remotos. Observando esta questão de evidenciar as justificativas e soluções para as montagens de laboratórios remotos, Cardoso e Takashi (2011) observam que os autores de cada artigo estudado consideram como justificativas mais importantes para a construção de laboratórios remotos: a diminuição de custos, o fato de um laboratório remoto ter potencial para disponibilização para cursos em EaD e não possuir limite de tempo e espaço, conforme Figura 01.
  25. 25. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 25 Figura 01 – Gráfico de Frequência de justificativas quanto ao uso de laboratórios remotos (extraído de Cardoso e Takahashi, 2011). Além destes levantamentos, Cardoso e Takahashi ainda analisaram outros critérios, como o fato de os artigos disponibilizarem materiais de apoio, explicitar metodologia de ensino, citar utilização de instrutores, ou mesmo aqueles artigos que não citam nenhuma estratégia para desenvolvimento dos experimentos. Dentre estes critérios, 7 artigos disponibilizam materiais de apoio, 4 utilizam metodologia de ensino (conforme foi evidenciado anates no quadro 2), 8 utilizam instrutores e 9 artigos não citam sequer uma estratégia. Finalmente, em termos de eficácia em relação à aprendizagem, os laboratórios remotos se mostraram tão eficiente quanto os laboratórios presenciais. Porém o que é interessante notar, é que, de acordo com Cardoso e Takahashi (2011), ao passo que alguns autores analisados em seus artigos apontam o laboratório melhor, outros, ao contrário, apontam que o presencial é melhor, embora a diferença seja pouca. De qualquer modo, conforme os autores explicitam: “[...] a importância não está na diferenciação entre a Experimentação Remota ou presencial e, sim, na metodologia adotada para o desenvolvimento das aulas práticas. ” (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011). Sendo assim, após analisar os artigos mencionados segundo todos os critérios anteriores, os autores, durante o desenvolvimento do trabalho não encontraram relatos de pesquisa sobre como o acesso remoto a experimentos reais pode incrementar o processo de ensino e aprendizagem de Física e de que forma isso pode
  26. 26. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 26 ser feito. Evidenciando que a Experimentação Remota associada ao ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda é um campo muito novo e pouco explorado, concluem que as consequentes e eventuais limitações na utilização desta ferramenta de ensino devem ser estudadas de forma aprofundada, o que significa dizer que deve- se estabelecer uma metodologia adequada, a fim de se suprir as necessidades de uma aula prática. Como consequência desta metodologia a ser aprofundada, Cardoso e Takahashi (2011) apontam que uma solução a ser considerada é a de que os laboratórios on-line, reais ou virtuais, necessitam de um ambiente de aprendizagem completo, que ofereça ao aluno apoio para a realização das experiências, a fim de se atribuir uma aprendizagem significativa ao que o usuário consegue interagir e visualizar, coletando dados e analisando-os, assimilando assim a teoria acerca do experimento: Sendo assim, o ambiente de aprendizagem deve conter material de apoio, como por exemplo, hipertextos contendo fundamentação teórica, conceitos, metodologia de relatório (exemplos). E a Experimentação Remota deve ser embasada em uma metodologia própria, devidamente elaborada, da mesma forma que uma aula prática presencial também necessita de uma metodologia específica baseada em teorias de ensino-aprendizagem. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011, p. 203) Em seus comentários finais, os autores sugerem que os Laboratórios de Experimentação Remota surgem como algo novo e promissor, com tendência de se tornarem instrumentos de experimentação muito eficientes, mas que ainda precisam de uma quantidade maior de pesquisas sistemáticas sobre suas reais potencialidades, particularmente, na aprendizagem significativa em Física. (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011, p. 203) Com base nestes apontamentos, nas evidências demonstradas pelas análises dos variados artigos referentes aos usos do Laboratório Remoto, em especial, com enfoque no ensino de Física, é que montaremos primeiramente um protótipo com experimentação remota, veiculado a um ambiente virtual de aprendizagem. Com isso, pretendemos possibilitar que os conteúdos vistos na experiência possam ser melhor trabalhados e demonstrados, de modo a permitir uma maior interatividade do usuário, não somente com o experimento, mas com o projeto como um todo. Assim, também pretendemos permitir que esse usuário (seja o aluno ou o professor) possa aprender
  27. 27. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 27 (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 virtual de aprendizagem, o laboratório remoto pode ser uma ferramenta que complemente o estudo de tópicos de Física Moderna, auxiliando e colaborando com a melhora da aprendizagem. E não somente destinada ao uso pelos alunos, o ambiente virtual no qual o laboratório remoto 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. Indo além, podemos argumentar sobre a própria aplicação da estrutura que temos com um viés educacional, ou seja, justifica-se a ideia de criação de espaços na web para divulgar recursos existentes e também para viabilizar a criação de laboratórios de sensoriamento remoto que venham possibilitar que tanto estudantes quanto professores, em diferentes níveis de aprofundamento, estudem conceitos importantes, não somente de Física Moderna, mas de qualquer disciplina que venha a ser administrada dentro da estrutura a ser montada, no ambiente virtual, abrindo a possibilidade de aplicação do projeto também para outras áreas de ensino que usem de laboratórios, por exemplo, disciplinas experimentais de Engenharia. E por isso, até como forma de complementar eventuais experimentos mais sofisticados que estão sendo tratados em aulas presenciais, possibilita se abordar questões que não puderam ser tratadas antes, devido a questões de tempo, estrutural,
  28. 28. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 28 entre outras. Com isso, outra justificativa para este projeto centra-se em seu uso complementar a aulas presenciais, de forma a poder ampliar as noções tratadas em sala de aula, e até mesmo evidenciar outras discussões que possam ser melhor trabalhadas com o experimento acessado remotamente. Nesse sentido, as questões que envolvem o processo de Ensino e Aprendizagem tornam-se relevantes, com o aspecto de se poder criar ambientes virtuais de aprendizagem que possibilitem o uso de laboratórios remotos complementando a realização de experimentos concretos (os quais embora tenham maior interesse no que se refere à aprendizagem em sala de aula, devido à questão de poder se abordar consequências pragmáticas do experimento), da mesma forma apresentam problemas de custos elevados para muitos experimentos, sensores de difícil aquisição, ou mesmo questões de indisponibilidade do laboratório. Sendo assim, disponibilizar uma plataforma remota, cujo experimento possa ser acessado e controlado remotamente oferece possibilidades pedagógicas interessantes quando complementares ao uso do laboratório presencial, desde que tratados com abordagens diferentes. E, por outro lado, abre a possibilidade concomitante de uma abordagem veiculada a disciplinas que estejam sendo tratadas a distância, de forma on-line; disciplinas estas cada vez mais presentes, principalmente em cursos on-line de Engenharia (dentro de matérias como Automação, por exemplo, que trabalham questões de eletrônica ao mesmo tempo que se trabalham aspectos da própria máquina, de modo que o laboratório remoto seja uma solução adequada) (LOURENÇO, 2014), em que os conceitos de Física, bem como de Física Moderna venham a ser trabalhados e analisados, além das disciplinas de Física, propriamente dita, que possam ser trabalhadas on-line, como a Física Moderna, com experimentos em que sejam estudados o comportamento das radiações eletromagnéticas, através da visualização do experimento e da coleta de dados, as quais são trabalhadas neste projeto em questão. Assim, a justificativa de se poder utilizar o laboratório remoto tanto complementar as aulas presenciais quanto em ambientes virtuais bem elaborados em disciplinas e cursos on-line evidenciam adequação do projeto e a ampla possibilidade de estudos e aplicabilidade.
  29. 29. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 29 5 Objetivos da Pesquisa O objetivo desta pesquisa se centra no desenvolvimento de um protótipo e estruturação da arquitetura de acesso e controle de um laboratório remoto, para experimento de espectrofotometria (com objetivo de uso em ensino de tópicos de Física Moderna) e que permita interação do usuário com o experimento, em tempo real. Objetivos Específicos 5.1.1. Construção do Laboratório Remoto, desde sua concepção teórica e prática até a elaboração e estruturação. 5.1.2. Implementação e Testes de Funcionamento, evidenciando necessidades e possíveis melhorais, com relação aos aspectos necessários para o bom funcionamento e interação do Laboratório Remoto. 6 Hipótese: Estratégias para adequação de laboratório remoto como instrumento de utilização complementar a aulas presenciais Após analisar 19 artigos qualificados com Qualis A, referente aos usos e metodologias empregadas em Laboratórios Remotos aplicados a conteúdos de Física, bem como com as avaliações realizadas, Cardoso & Takahashi, evidenciam que os resultados destas: 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) Esse fato vem ao encontro do posicionamento dos autores citados, de que a importância não está na diferenciação entre a Experimentação Remota ou presencial e, sim, na metodologia adotada para o desenvolvimento das aulas práticas. Ou seja, de que a metodologia empregada deva evidenciar aspectos que tornem a aprendizagem mais significativa ao aluno.
  30. 30. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 30 No desenvolvimento do trabalho citado (CARDOSO; TAKAHASHI, 2011) não encontraram relatos de pesquisa sobre como o acesso remoto a experimentos reais pode incrementar o processo de ensino e aprendizagem de Física e nem de que forma isso pode ser feito. Constataram que a Experimentação Remota associada ao ensino de ciências, no Brasil e no mundo, ainda é um campo muito novo e pouco explorado e que as eventuais limitações na utilização desta ferramenta de ensino devem ser estudadas de forma aprofundada e formulam como uma hipótese, que uma metodologia adequada deve ser explorada para suprir as necessidades de uma aula prática. Para tanto, de acordo com Mendes e Fialho (2005, p. 7): Temos aí uma tecnologia que necessita e merece aprimoramentos, pois ao contrário dos experimentos simulados, a experimentação com laboratórios remotos não apresenta resultados provenientes de cálculos teóricos com apresentação gráfica imitando fenômenos naturais. Não se trata de ilusão próxima da realidade, trata-se de experimentação real, mas remota, tele- controlada. (MENDES; FIALHO, 2005, p. 7) Ainda, de acordo com os mesmo autores, os laboratórios on-line, reais ou virtuais, necessitam de um ambiente de aprendizagem completo, que ofereça ao aluno apoio para a realização das experiências, pois, como diz Séré (2003, p. 39), Através dos trabalhos práticos e das atividades experimentais, o aluno deve se dar conta de que para desvendar um fenômeno é necessária uma teoria. Além disso, para obter uma medida e também para fabricar os instrumentos de medida é preciso muita teoria. Pode-se dizer que a experimentação pode ser descrita considerando-se três pólos: o referencial empírico; os conceitos, leis e teorias; e as diferentes linguagens e simbolismos utilizados em física. As atividades experimentais têm o papel de permitir o estabelecimento de relações entre esses três pólos. Sendo assim, o ambiente de aprendizagem deve conter material de apoio, como por exemplo, hipertextos contendo fundamentação teórica, conceitos, metodologia de relatório (exemplos). E a Experimentação Remota deve ser embasada em uma metodologia própria, devidamente elaborada, da mesma forma que uma aula prática presencial também necessita de uma metodologia específica baseada em teorias de ensino-aprendizagem. Concordamos com os apontamentos evidenciados por Cardoso e Takahashi (2011), frente às questões metodológicas e de organização do ambiente de aprendizagem, de modo que em reforço a esta evidência, nossa hipótese é a de que a eficácia na aprendizagem nos laboratórios remotos será melhorada conforme se adeque a metodologia de ensino, em conjunto com a aula prática, evidenciando um
  31. 31. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 31 significado tanto a aluno quanto ao professor. Além disso, a prática através do laboratório remoto, se executada de forma significativa para aluno e professor, facilita processos cognitivos, relacionados a conhecimentos de Física Moderna, a partir do fato de se poder visualizar o experimento, bem como se interagir com ele. Assim, para que essa prática seja realmente significativa, com vistas a eficácia do experimento, é necessária uma melhor adequação do ambiente virtual de aprendizagem no qual o laboratório remoto esteja inserido, de modo a tornar a interface mais intuitiva e rica em análises, tanto teóricas, conceituais, quanto dos resultados colhidos, na prática experimental a distância. 7 Fundamentação Teórica Neste tópico serão levantados e analisados o referencial que se tem a respeito da teoria e métodos utilizados na construção, adequação e elaboração de um Laboratório Remoto aplicado ao Ensino, e em particular como se dá a construção, a estruturação e a adequação do WebLab da PUC-SP 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
  32. 32. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 32 de desenvolvimento do Arduino utiliza um compilador GCC (para linguagens de programação C# e C++), o qual possui interface gráfica construída em Java. Basicamente, é um programa IDE muito simples de se usar que utiliza bibliotecas passíveis de serem facilmente encontradas. As funções da IDE do Arduino são basicamente duas: permitir o desenvolvimento de um software e enviá-lo para a placa para ser executado. Neste projeto, a placa de controle Arduino será utilizada juntamente ao experimento de Física, o Espectrofotômetro, para envio e recebimentod e dados de usuários, de modo a permitir o acionamento e controle das diversas variáveis a serem implementadas no experimento. Em conjunto ao Arduino, é necessário se compreender mais especificamente como será utilizado o laboratório remoto, no qual o experimento está inserido. 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.
  33. 33. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 33 Alguns pesquisadores na área de ensino de Física no Brasil têm se dedicado à produção de diferentes recursos de fácil aquisição que possibilitam a inserção de novas tecnologias no ensino de Física e, particularmente, na aquisição automática de dados (AGUIAR; LAUDARES 2001), (MAGNO; MONTARROYOS, 2002), (SOUZA et al, 1998), (MONTARROYOS; MAGNO, 2001), (DIONISIO; MAGNO, 2007), (HAAG, 2001), (CAVALCANTE; TAVOLARO, 2003), (CAVALCANTE et al, 2002), (CAVALCANTE et al, 2008), (CAVALCANTE et al, 2009), (SOUZA et al, 2011). Apesar destas publicações e de todo o avanço tecnológico das últimas décadas, as salas de aula da grande maioria das escolas brasileiras ainda estão bem distantes deste universo e o ensino de Física ainda continua desconectado deste mundo tão fascinante que nos cercam. Os recursos computacionais em geral se restringem ao uso de simulações, editoração de textos, planilhas de cálculo e internet para pesquisa de trabalhos escolares. A possibilidade de utilizar o 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).
  34. 34. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 34 Além dos aspectos já mencionados não podemos deixar de mencionar que a partir de 2004 iniciou-se um grande movimento na internet conhecido como Web 2.0 (W3C, 2009). Na Web 2.0, o usuário deixa de ser um sujeito passivo e passa a fazer parte de uma imensa rede de compartilhamento de informações e construção de conhecimento. A consequência imediata deste processo é que o conhecimento já não está centralizado em uma única pessoa ou em um único lugar, ele distribui-se entre os usuários da rede. A aprendizagem deixou de ser uma construção individual do conhecimento, para ser um processo social onde o educador já não é a fonte única de conteúdos e o “aprendiz não aprende” de forma isolada. A interação social, o desenvolvimento de novas formas de linguagem e a comunicação são condições importantes e necessárias para a aprendizagem. A habilidade mais importante que determina a vida das pessoas é a de aprender mais habilidades, de desenvolver novos conceitos, de avaliar novas 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. 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
  35. 35. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 35 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. 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.
  36. 36. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 36 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 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. 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
  37. 37. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 37 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. 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).
  38. 38. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 38 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. 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 (Fig. 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. Fig. 02 - Esquema do funcionamento do WebLab com o WebDeusto (UNIVERSIDADE DE DEUSTO, 2015).
  39. 39. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 39 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. o Servidores do experimento: possuem a programação específica para a experiência.  Cliente: Conjunto de páginas estáticas que será acessível a partir de um servidor web (Apache), e acessados de um browser, que fará chamadas para os servidores do experimento (Fig. 03). Fig. 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:
  40. 40. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 40  Agilidade no desenvolvimento de páginas em Javascript com uma linguagem de programação robusta, o Java, gerando um código compilado para cada navegador;  Acesso em qualquer aparelho com um browser que dê suporte para HTML, CSS e Javascript;  Reaproveitamento de código – classes Java podem ser facilmente modificadas (excelente para a etapa de desenvolvimento). Podem ser acopladas outras tecnologias ao GWT (Google Web Toolkit), a partir de modificações e adição de algumas classes e bibliotecas:  HTML5: Entre suas principais vantagens apresenta portabilidade para as principais tecnologias mobile atuais; consegue executar vídeos sem ajuda de outros aplicativos, editar imagens 2D e visualizar imagens 3D além de apresentar recursos mais interativos que o HTML.  FLASH: Muito utilizada na Internet para executar vídeos e como plataforma para jogos online e construção de sites, o flash apresenta uma grande possibilidade de interação e manipulação através de ActionScript. Não é uma plataforma a ser utilizada na construção de sistemas complexos, mas como complemento para alguma atividade interativa.  PHP: uma linguagem de script open-source de uso geral, muito utilizada e especialmente utilizada para o desenvolvimento de aplicações Web inseridas no HTML; amplamente utilizada por sua facilidade de aprendizado, mas com recursos avançados. Algumas características importantes que nos fizeram escolher esta plataforma:  Autenticação: WebLab-Deusto oferece um sistema de autenticação extensível que suporta nome de usuário e senha armazenados em um banco de dados MySQL, LDAP servidores remotos, e também OpenID para verificar as credenciais em outra Universidade, Facebook, e autenticação confiável com base no endereço IP do cliente que requisita acesso;  Gerenciamento de fila: WebLab-Deusto gera filas diferentes de reserva para as diferentes plataformas experimentais disponíveis, impedindo sobrecarga aos experimentos disponíveis;
  41. 41. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 41  Escalabilidade: A arquitetura WebLab-Deusto é apresentada em escala horizontal e ferramentas de teste estão disponíveis para testar diferentes implementações;  Segurança: A arquitetura distribuída WebLab-Deusto mantém em isolamento o hardware e software que está acoplado à experiência, de modo que qualquer problema relacionado com um uso errado do experimento nunca não coloca todo o laboratório remoto em risco.  Implementação: O sistema de implantação WebLab-Deusto torna fácil e flexível a configuração do mapa da rede em que todos os servidores e experimentos estão envolvidos.  Acompanhamento do usuário: Os usos do laboratório remoto são armazenados automaticamente. No caso dos experimentos gerenciados, mesmo os comandos trocados entre o servidor e o cliente são armazenados, para eventuais correções necessárias e acompanhamentos. A quantidade de eventos a serem registrados cabe ao administrador-WebLab-Deusto.  Administração: O WebLab-Deusto oferece ferramentas de administração tais como; monitorar usuários em tempo real, verificar acessos, adicionar/remover permissões, grupos e usuários, etc.  Facebook: WebLab-Deusto está integrado com o Facebook, assim os usuários podem vincular suas contas e usá-lo com ferramentas fornecidas pelo Facebook, como o bate-papo (lista de aplicativos).  Dispositivos móveis: A interface de usuário-WebLab Deusto também é adaptada para dispositivos móveis, e os experimentos gerenciados também podem ser adaptados para fornecer uma versão mais amigável com o usuário, possibilitando a aprendizagem móvel.  Extensibilidade: experiências existentes também podem ser adaptadas para Weblab-Deusto. A partir destas considerações concluímos que o WebDeusto se mostra como uma ferramenta interessante para criação de laboratórios remotos e flexível para 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
  42. 42. Nome: José Neres de Almeida Junior – RA00005091 - Qualificação – Mestrado TIDD – PUC-SP 42 mesma forma que permite a criação de interfaces diferentes para especificações diferentes, como o caso das interfaces para professor e usuário/aluno, as quais desejamos implementar futuramente. Outras ferramentas que possibilitam maior aproximação com o usuário podem ser utilizadas, tal como o flash, garantindo-lhe uma experiência mais amigável com o programa, e o HTML5, pela portabilidade oferecida. A seguir apresentaremos algumas telas de acesso ao Weblab, da PUC/SP, o Webduino, baseado na plataforma WebLab-Deusto (Fig. 04, 05, 06). Fig.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) Fig.05 - Tela que mostra a reserva para o experimento (ERA – Espectrofotômetro Remoto Automatizado).

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