m-Labs: Laboratórios de física em dispositivos móveis¶

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A área de ensino de ciências e engenharias tem ampliado suas preocupações com a relação ensino aprendizagem em seus espaços de sala de aula nos últimos tempos, especialmente com expansão dos recursos tecnológicos e computacionais que se desenvolvem em toda a sociedade contemporânea. O avanço imprimido por estes recursos mudam, alteram e influenciam diretamente no nosso modo de vida, principalmente na educação, com sua complexa relação de ensinar e aprender [1] e [2]. Contudo, esta sociedade, imersa em um grande volume de informação, muitas vezes não consegue produzir conhecimento, que consequentemente não produz aprendizagem. Assim, a constante interação de pessoas com computadores, dispositivos móveis e laboratórios experimentais de ciências acoplados a computadores, estão cada vez mais presentes ao indivíduo que possui uma realidade de mobilidade, que quando superam a barreira da informação e do conhecimento, podem construir uma aprendizagem significativa, classificando muitas vezes em uma aprendizagem significativa [3], que poderão a partir de novas metodologias de uso e aprendizagens móveis dentro dos conceitos da aprendizagem móvel (m-learning) e ubíqua (u-learning) tornarem ferramentas essenciais para o futuro dos laboratórios experimentais das ciências e engenharias, que constitui-se em um dos principais entraves na oferta de cursos públicos do ensino superior na modalidade a distância do Brasil.

O Sistema da Universidade Aberta do Brasil (UAB), atualmente com 103 Instituições de Ensino Superior aderidas, possui em sua proposta pedagógica a estrutura de polos de apoio presencial como local onde são realizados encontros e avaliações presenciais (obrigatoriedade da legislação brasileira) e aulas experimentais em alguns cursos. Dada as dimensões continentais do país e analisando criticamente o atual modelo de aulas experimentais nos cursos presenciais de ciências e engenharias, faz-se necessário a reflexão: os laboratórios experimentais conseguem produzir aprendizagem significativa aos discentes? Como reproduzir este modelo pedagógico nos diferentes e distantes pólos de apoio presencial do sistema UAB? Estas questões, vitais na formação de cientistas e engenheiros, unidas às imensas possibilidades dos tablets e smartphones, com seus sensores diversos embarcados e de outros que podem ser integrados a estes dispositivos, permitem uma ampliação do espaço e do tempo da aprendizagem no contexto do mobile learning (m-learning) e ubíqua learning (u-learning). Estes sensores possibilitarão ricas estratégias de aprendizagens experimentais ativas, interativas, colaborativas e o seu uso adequado poderá promover à aprendizagem significativa e mudanças necessárias a experimentação no contexto educacional atual.

Neste trabalho, apresentamos um aplicativo voltado ao entendimento das medidas de força através da construção de um circuito integrado com um transdutor que mede indiretamente tensões, definido como célula de carga. Este por sua vez é acoplado aos dispositivos móveis, possibilitando ao experimentador realizar medidas de tensões, forças, empuxos, flambagens e quaisquer grandezas relacionadas à segunda lei de Newton nos principais meios materiais. Este aplicativo faz parte de um projeto maior do Grupo de Tecnologias Educacionais, Robótica e Física (G-TERF) da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, definido como laboratórios de bolso, que visa introduzir diversos sensores internos e externos (integrados aos tablets e smartphones) para medidas experimentais nas ciências e engenharias, que será constantemente atualizado após desenvolvimentos e novas proposições no Google Play. Estes laboratórios de bolso são pensados dentro de uma proposta pedagógica que engloba a fundamentação teórica, a produção de roteiros de medidas experimentais para iniciar e motivar o estudante na realização de medidas, jogos interativos, vídeo de utilização no processo de medida. E, são elencadas futuras medidas que o experimentador pode fazer em qualquer lugar ou contexto que esteja inserido. Apresentaremos algumas medidas experimentais realizadas com o protótipo, seus desvios, erros e gráficos dos principais resultados.

Aprendizagem Significativa, m-learning e u-learning¶

As experimentações no campo das ciências exatas e tecnológicas devem englobar os meios multimídias e a interatividade, presentes nas tecnologias móveis, no contexto social dos discentes e sociedade, ensejando sempre uma Aprendizagem Significativa (AS), construindo pontes dimensionais geográficas e motivacionais. Este conceito de AS está baseada na Psicologia Cognitiva de Ausubel [3], o qual estabelece que aprendizagem ocorra por assimilação de novos conceitos e proposições na estrutura cognitiva do aprendiz. Assim, novos conceitos e ideias são aprendidos, quando o conhecimento prévio do sujeito e as novas informações formam pontos de estabilidade na sua estrutura cognitiva. De maneira contrária, existe a Aprendizagem Mecânica (AM) que corresponde à aprendizagem de novas informações com pouco ou nenhuma associação a conceitos da estrutura cognitiva, ocorrendo de forma aleatória. Como exemplo da AM, podemos observar o atual modelo de experimentação dos cursos de ciências físicas e engenharias, geralmente iniciados com um roteiro prévio que descreve o procedimento experimental, em que os estudantes o repetem de maneira mecânica, obtendo os valores e aferindo as grandezas, muitas vezes sem nenhuma transposição ao conceito físico observado, não se tornando co-autor do fenômeno experimental reproduzido. Este fato deve-se muitas vezes a falta de compreensão fenomenológica, pois a pouca interatividade, baixo estímulo a reflexão e senso crítico, no momento da aula experimental, não produzem a liberdade de medir objetos, forças e grandezas de maneira livre, vivendo novas experiências no processo experimental, vital para a construção de uma aprendizagem significativa.

A aprendizagem móvel, definida como mobile learning (m-learning), em fase de iniciação nos espaços acadêmicos, com uma grande gama de conceitos imbuídos, na definição de Attewell (2005)[4] indicam que a aprendizagem móvel permite uma aprendizagem personalizada, em qualquer hora e lugar. Assim, conectados à grande rede, os usuários não necessitam de um espaço fixo ou formal de aprendizagem [5] e [6], apenas conectado, de maneira síncrona ou assíncrona as pessoas recebem comunicações e informações instantâneas, que são processadas em curtos intervalos de tempo, cada vez mais otimizados, gerando múltiplos contextos entre as pessoas e seus dispositivos móveis, amplamente interativos e pessoais, possibilitando aprendizagens extremamente ricas e complexas, ou simplesmente descarte.

Para a UNESCO a integração do celular à educação tem o potencial de romper paradigmas pedagógicos tradicionais [7]. Os telefones móveis são diferentes das ferramentas tradicionais de educação, como livro, giz e lápis, porque permitem acesso simultâneo, tem espaço de armazenamento de dados, são informativos e compartilham o conhecimento entre indivíduos e grupos independentemente de tempo e da localização física. Por estas razões, aquele órgão está interessado no seu potencial para apoiar o ensino, aprendizagem e assim melhorar a educação com um todo.

Tablets e Smartphones como ferramentas de laboratórios¶

A experimentação nas aulas das ciências físicas e tecnológicas é vital ao entendimento da fenomenologia. O discente, através do empirismo consegue expandir suas aptidões e capacidade de inovar em outros aparatos, produtos, materiais e análises de construtos científicos e tecnológicos. Todavia, as aulas dos laboratórios de ciência e tecnologia, geralmente o tempo em que os estudantes estão interagindo com o aparato experimental, normalmente ele gasta mais da metade do tempo na montagem e construção dos passos para realização da medição [8], não permitindo uma maior utilização deste para o esgotamento das hipóteses de possibilidades e da exploração de outras metodologias e/ou medidas que podem ser obtidas e construídas.

Como ferramenta de auxílio aos entraves dos laboratórios didáticos experimentais, introduziu-se o uso de computadores no ensino de ciências e tecnologias. Nestes, a tomada de apresentação dos dados, tornaram-se muito rápidas, reduzindo o tempo de montagem e aumentando significativamente a aprendizagem e o desenvolvimento cognitivo das aulas experimentais. O uso de computadores, geralmente laptops, requer que interfaces e sensores de alta complexidade sejam introduzidos [9], além da instalação de softwares especializados para captação dos valores experimentais que estão distante da realidade dos pólos de apoio presenciais do sistema da Universidade Aberta do Brasil. Pois, os cursos da área de ciência e tecnologia, geralmente possuem uma média superior a trezentos estudantes distribuídos em regiões afastadas geograficamente uma das outras, o que inviabiliza estas aulas experimentais na sede das universidades, bem como torna complexo o envio destes materiais aos pólos, mesmo sabendo que a solução encontrada por algumas universidades foi a montagem de veículos itinerantes que visitam os pólos e realizam os procedimentos experimentais. Em ambos os casos, o contato dos estudantes com os aparatos experimentais ocorre de maneira pontual e por muito tempo não reincidente, necessitando assim, de ferramentas mais próximas de suas utilizações e que estejam no seu convívio para realização de experimentos na hora e desejo de aprendizagem.

Os tablets e smartphones resolvem tanto o problema da mobilidade, da praticidade e do encurtamento das distâncias geográficas. A alta portabilidade é característica desses aparelhos, além disso estes computadores portáteis, com processadores altamente eficientes, manuseios interativos, geometrias ergonômicas e de grande acesso à sociedade, dada a expansão de fabricantes e seu baixo custo de aquisição, tornam-se ferramentas ainda mais poderosas, quando são conhecidos seus sensores internos que empoderam enormemente os experimentadores de ciência e tecnologia. A exemplo, podemos citar mais de dez sensores altamente complexos e caros de introduzir em computadores laptops que existem nos tablets e smartphones que realizam medidas físicas, como: acelerômetro, magnetômetro, câmeras de alta resolução, microfones, giroscópios, luxímetros, sensores de proximidade e outros que podemos acoplar através das entradas físicas e digitais (wi-fi, e bluetooth). A utilidade dos tablets e smartphones para o ensino de ciências e de tecnologia vem sendo gradativamente reconhecido, existem diversos relatos descrevendo atividades práticas bem sucedidas com esses aparelhos [9-19]. Porém, muito precisa ser investigado a transformar estes equipamentos em laboratórios de bolso completos e capazes de medir fenômenos experimentais em qualquer lugar e momento em que o experimentador necessite e que seja capaz de transformar sua realidade. Neste sentido, este trabalho contribui com seu primeiro estudo de outros que estão sendo elaborados com temas, sensores e medidas diferentes.

Metodologia pocket labs¶

Neste trabalho, foi proposta a realização do estudo da mecânica dos fluidos, especificamente, medir o empuxo aplicado a um corpo imerso parcial ou totalmente em água. O princípio de Arquimedes estabelece que, para um corpo imerso em um fluido, existe a atuação de uma força ascendente, denominado empuxo. Em um laboratório tradicional de ciências, a medida do empuxo é realizada através de instrumentos analógicos. O instrumento utilizado para medir forças é o dinamômetro. Uma das montagens possíveis é ilustrado na próxima página.

O empuxo é obtido a partir da análise das forças que atuam no corpo em equilíbrio. O primeiro procedimento consiste em medir o peso do objeto. Para isto, procedemos de acordo com a Figura 1a, analisando as forças que atuam no corpo quando ainda não está submerso em água de acordo com a Figura 2.

Utilizando a segunda lei de Newton teremos que

\noindent onde \emph{F} é a leitura no dinamômetro. Obtemos então o peso, $P=F$.

O segundo passo é realizar a imersão, analisar as forças atuantes e empregar novamente a segunda lei de Newton. De acordo com a Figura 2b, temos

\noindent o que dá $E= F'-P$.

A nossa proposta utiliza os smartphones e tablets para conduzir o processo de medida de modo que o estudante tenha muitos instrumentos de medida em um único dispositivo. Isto tornaria a experimentação um processo dinâmico e passível de realização não só na sala de aula.

Sabemos que em um laboratório de física é imperativo um instrumento que seja capaz de medir forças e apesar da maioria dos aparelhos possuírem um acelerômetro integrado, a medida de uma força aplicada no aparelho nem sempre é possível, já que em uma situação de equilíbrio não temos aceleração. Ainda que fosse possível a medida em forças num sistema em equilíbrio, encontra-se outra dificuldade em realizar a medida do empuxo aplicado no corpo. Isso ocorreria pelo fato de que a maioria dos tablets e smartphones não podem ser submetidos à imersão. Assim a realização dessa medida, por imersão, seria inviável. Desta forma, é necessária a construção de um dispositivo que seja capaz de realizar a medida de força, como um dinamômetro. Como a nossa proposta é a construção de um laboratório a partir de um telefone celular, logo precisamos de um dispositivo digital para fazer a leitura das forças aplicadas e transmiti-las ao dispositivo mobile através de um dos seus sensores embarcados.

Outro ponto a ser desenvolvido foi uma interface para o usuário. Esta interface assume a forma de um aplicativo e deve ser capaz de orientar o usuário através de um processo de medida padrão para que o usuário entenda os princípios de funcionamento do dispositivo para depois realizar a medida desejada. Deve também contemplar também uma fundamentação teórica que seja capaz de instruir de maneira simples e objetiva o usuário. Outra característica do aplicativo é permitir a experimentação livre e desapegada do ambiente de sala de aula, o que potencializa o aprendizado nas situações cotidianas. Dessa forma, o projeto Pocket Labs para a medida de empuxo tem a estrutura sugerida na Figura 3.

A ferramenta utilizada para desenvolvimento do aplicativo foi uma plataforma de desenvolvimento online, MIT app inventor. Esta plataforma disponibiliza a elaboração de um aplicativo com as telas formadas a partir de imagens e a programação na forma de diagrama de blocos, o que torna a programação descomplicada e dinâmica. A montagem das telas segue a estrutura mostrada na Figura 3.

Aplicativo Pocket Labs¶

O aplicativo construído para ampliar a interface dos discentes dos cursos de ciência e tecnologia, denominado Pocket Labs pode ser obtido gratuitamente no Google Play. Neste, o usuário encontra uma tela de apresentação, e a partir de sua escolha direciona-o para o campo experimental proposto, neste caso Empuxo. Após esta etapa, o experimentador encontra um vídeo com um apresentador virtual que indica quais são os principais botões e sua utilização inicial, os botões são cinco: (a) conceitos teóricos, (b) vídeo zero, © conectar, (d) medir e (e) análises; (a) na ordem, o primeiro está associado a fundamentação teórica, caso o experimentador não tenha obtido contato com o processo de medida que ora está por iniciar; (b) vídeo zero consiste em introduzir um pequeno vídeo em que carrega as potencialidades do experimento e como fazer o processo de medida zero; © conectar está associado ao acoplamento e pareamento do circuito de medida com o smartphone ou tablet, notando claro que o módulo bluetooth deste equipamento deverá estar ligado; (d) o processo de medição levantará uma série de dados, que podem ser exportados ou analisados no próprio equipamento, para isso introduziu-se um botão de análises (e), que realiza as análises gráficas através de pacotes específicos da GoogleLabs, podendo ser alterados ou levados para outras plataformas para outras interpretações.

Considerações finais¶

Neste artigo, consideramos os benefícios e possibilidades de experimentação nas ciências físicas e tecnológicas utilizando tablets e smartphones dentro das teorias de aprendizagem m-learning e u-learning. A experimentação tem papel vital no processo de ensino aprendizagem das ciências, sendo que sua importância transcende a repetição de práticas experimentais ou de aprendizagens mecânicas. Sobretudo, em laboratórios que os estudantes gastam maior parte do tempo na montagem e na reprodução de procedimentos experimentais, sem muita reflexão e possibilidade ampla de utilização, caracterizando em um empirismo ingênuo e pontual. Assim, a transposição didática entre os conceitos e as medidas reais, objetivo principal dos experimentos nas ciências e tecnologias, centrados na coleta de dados, na interface e praticidade de utilização de equipamentos de medidas e na portabilidade destes instrumentos é caracterizado na construção do aplicativo Pocket Labs.

Com os Pocket Labs, vimos que é possível desenvolver experimentos didáticos e de aprendizagem livre na área da mecânica dos fluidos, especialmente nos conceitos hidrostáticos de empuxo. A versatilidade dos smartphones e do tablet unidos a circuitos simples e de fácil manipulação abre muitas portas aos estudantes, que de posse dos seus aparelhos pessoais podem realizar medidas, coletas e análises em quaisquer espaços de aprendizagem e disseminar junto aos seus pares metodologias adotadas e medidas realizadas.

A utilização de aplicativos e células de interface potencializa os objetos virtuais de aprendizagem nas aulas experimentais dos diversos cursos de educação, em particular educação a distância da Universidade Aberta do Brasil. Em posse de um conjunto de experimentos desta natureza, poderão integrar e co-participar como construtores de diversas metodologias e aplicações dos Pocket Labs em seus contextos de cursos, podendo ser da física, matemática, química, biologia e das engenharias, ou de qualquer demanda de formação nestas áreas científicas. Contudo, tão importante quanto a construção, a segunda etapa que está por vir, é a adequação deste aplicativo e de outros objetos. também serão as escolhas dos ambientes a serem utilizados e a forma de apoio dada aos estudantes que serão iniciados a esta utilização.

A expansão de outros aplicativos dentro do Pocket Labs é fundamental para avançarmos neste contexto de ensino experimental através do m-learning, saindo dos laboratórios de repetição sem muito tempo para a interpretação e reflexão de dados para situações complexas e ricas, em que o estudante estará construindo suas situações problemas e junto aos seus dispositivos móveis buscar traçar qual conclusão, quais desafios a serem pensados e os erros cometidos. Assim, os Pocket Labs estarão alcançando seu clímax maior de propor uma aprendizagem significativa aos seus usuários.

Referências¶

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