Experimentos de baixo custo para o ensino de física em nível médio usando a placa Arduino-UNO

Abstract

Um dos principais desafios que um professor de Física enfrenta ao tentar atualizar suas aulas e trazer novas abordagens para o contexto escolar diz respeito a infraestrutura necessária para implementá-las. O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de materiais instrucionais de baixo custo para a realização de experimentos de Física relacionados ao conteúdo de Cinemática usando a placa Arduino-UNO como interface para aquisição de dados. Para isto foi desenvolvido um material didático, amparado na Teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel, composto por: I) equipamento constituído por sensores ópticos infravermelhos e ultrassônico; II) três modelos de shield para a placa Arduino-UNO; III) softwares desenvolvidos em Python para visualização em tempo real dos gráficos de posição, velocidade e aceleração em função do tempo; IV) vídeos tutoriais mostrando a montagem de todo o equipamento utilizado para aquisição de dados; V) guias pedagógicos para orientar o professor na aplicação das aulas; VI) guias de atividades elaborados com a metodologia “Predizer, Interagir e Explicar” (P.I.E.). O material instrucional foi elaborado dentro de um conceito de Recursos Educacionais Abertos (REA). Atribuímos licenças permissivas a todo o material desenvolvido neste trabalho a fim de que professores, pesquisadores, estudantes e demais membros da sociedade possam usar, estudar, modificar e compartilhar livremente todo o seu conteúdo. A proposta foi implementada em três turmas do primeiro ano do Ensino Médio na Escola Técnica Frederico Guilherme Schmidt na cidade de São Leopoldo (RS), durante o terceiro trimestre de 2014, totalizando dezenove períodos. Durante a aplicação do projeto foram realizadas duas provas como instrumento de avaliação da aprendizagem, além dos questionários que fazem parte do guia de atividades dos alunos, entregues no final de cada tarefa. Os resultados indicam que o uso de experimentos com aquisição automática de dados nas aulas de Física, em conjunto com uma metodologia adequada de ensino, contribuíram para o aprendizado e motivação dos alunos. Acreditamos que, por se tratar de um material didático de baixo custo, elaborado com uso de softwares livres e hardware aberto, é altamente disseminável e tornar-se-á muito útil para o desenvolvimento de projetos e práticas educacionais no Ensino de Física.

One of the main challenges faced by physics teachers to bring innovative teaching approaches to class is related to the lack of infrastructure to implement it. The objective of this work was to develop low cost instructional materials to conduct didactical experiments about Kinematics using the Arduino-UNO board as an interface for data acquisition. It was developed a teaching material, supported by the Theory of Meaningful Learning (David Ausubel), composed of: i) an equipment with infrared and ultrasonic sensors; II) three shields for the Arduino-UNO board; III) a software developed in Python for real time visualization of graphs position, velocity and acceleration versus time; IV) video tutorials showing the assembly of all equipment used for data acquisition; V) teaching guides to orient the lessons; VI) activity guides designed with the methodology "Predict, Interact and Explain" (P.I.E.). The instructional material was prepared within a concept of Open Educational Resources (OER). We attribute permissive licenses to all material developed so teachers, researchers, students and other members of society can use, study, modify and freely share all the content. The proposal was implemented in three high school classes at the Frederico Guilherme Schmidt Technical School in São Leopoldo (Brazil) during the third quarter of 2014, totalizing 19 class periods. Questionnaires and exams were carried on to evaluate students learning. Our results suggests the use of experiments with automatic data acquisition in physics classes, together with an appropriate teaching methodology, contributed to the learning and student's motivation. Considering the low cost of the hardware and the use of open source software and open hardware the materials developed can be easily adopted giving to the teachers minimal conditions for the development of projects and educational practices in physics teaching.