Arduino Science Kits: plataforma open-hardware para práticas laboratoriais no ensino das ciências experimentais

• Autor(a) principal: Ferreira, Paulo Jorge Craveiro
• Data de Publicação: 2015
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.19/3103
• topic: Plataforma de hardware e software; Arduino; Atividades laboratoriais; Ensino; Disciplinas de ciências; Física; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática

Este trabalho propõe uma plataforma de hardware e software baseada no Arduino para suporte a atividades laboratoriais da disciplina de Física. No ensino das disciplinas das ciências experimentais a demonstração prática é fundamental e legalmente obrigatória. Estas demonstrações implicam a aquisição de kits de experiências por parte das Escolas para utilização nos laboratórios das disciplinas de Física, Química e Biologia. Os kits existentes no mercado são caros e pouco flexíveis, normalmente funcionam para uma só experiência e não é fácil extrair os dados para posterior análise de forma flexível, como por exemplo, numa folha de cálculo. Além disto, o preço destes kits dificulta a execução das tarefas pelos próprios alunos, uma vez que limita o número de experiências que podem ser executadas em simultâneo. Com este projeto, pretende-se desenvolver uma plataforma de captura e tratamento de dados recolhidos por diversos sensores, com recurso a uma ou várias plataformas Arduino que possam ser utilizadas de forma flexível pelos docentes, em sala de aula, com os seus alunos. O Arduino é uma plataforma eletrónica open-source que inclui um microcontrolador programável com uma linguagem baseada em C/C++ e que dispõe de portas digitais e analógicas onde podem ser ligados diversos sensores para interagir com o mundo. Uma das motivações para este projeto é a necessidade existente nas Escolas de disporem de um modo mais acessível de executar as experiências. Mais acessível do ponto de vista económico e do ponto de vista de operacionalização. Não é de desprezar, também, o valor pedagógico de serem os próprios alunos a construírem os kits a partir dos componentes, podendo, deste modo, desfrutar de um ensino mais participativo e aliciante. Existe também uma motivação pessoal que justifica por si só o projeto, mas que, aliada à necessidade existente no sistema de ensino e sentida pelos docentes, permite considerar uma vertente prática e financeira do mesmo. A arquitetura geral da plataforma é composta por três níveis, ou camadas: · No nível mais baixo estará o Arduino e os sensores. Neste nível é implementado um protocolo de comunicação que se pretende que seja universal, de modo a suportar todas as experiências. Este funcionará como um sistema operativo para a plataforma, gerindo os sensores e controlando a comunicação. · Num nível intermédio foi desenvolvido o mesmo protocolo de comunicação, mas do lado das aplicações. Este componente foi implementado para as plataformas Windows .NET e Android e dá suporte às aplicações de nível superior. Estes componentes poderão, no futuro, ser reutilizados na execução de outros projetos, daí a sua separação na arquitetura geral da plataforma. · No nível superior encontram-se as aplicações com as quais os docentes e os discentes vão interagir. Foi implementado sob a forma de uma aplicação para Windows que permite ligar um ou vários Arduinos em simultâneo e outra aplicação para Android que se liga ao Arduino através de Bluetooth. Em geral estas aplicações permitem capturar e apresentar os dados bem como partilhá-los com outras aplicações. Durante a fase de desenvolvimento o projeto foi testado com um grupo de alunos em sala de aula. O teste foi realizado numa fase em que as aplicações ainda se encontravam em desenvolvimento devido aos constrangimentos de tempo, os alunos estavam já na última semana de aulas do ano letivo. O objetivo deste teste foi realizar uma avaliação do trabalho realizado. Foi interessante ver a reação de curiosidade dos discentes quando lhes foi apresentado o Arduino e os sensores, tendo os alunos participado na construção do aparato a utilizar na experiência, instalando os componentes no Arduino. Nesta sessão foram realizadas duas atividades laborais: Queda Livre e Bola Saltitona. A aplicação de captura de dados utilizada foi a versão Windows, ainda em versão inacabada, mas que não foi de difícil utilização, tendo os alunos compreendido com facilidade os comandos disponíveis bem como os dados que foram sendo apresentados. Os resultados obtidos foram precisos e dentro das margens de erro previsíveis para as atividades laboratoriais em sala de aula. Para além disso a plataforma despertou nos alunos o interesse em conhecer melhor os seus componentes. É, por isso, possível dizer que a plataforma produziu resultados não só ao nível das atividades laboratoriais, mas também ao nível pedagógico. O trabalho não termina aqui. De futuro podem ser adicionadas novas funcionalidades que permitam abranger outras disciplinas e outras atividades laboratoriais.