Aplicações da Robótica noEnsino Secundário: O SistemaLEGO MINDSTORMS e a Física

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraDepartamento de Física

José Cardoso TeixeiraCoimbra, 2006

Sumário

� A robótica e a Área de Projecto� A robótica� A reforma curricular e a Área de Projecto� Utilização da robótica na Área de Projecto

� Lego Mindstorms� Constituição e funcionamento� Programação

� Propostas de projectos a desenvolver na Área deProjecto� Veículo solar� Estudo de motores DC� Outros projectos

� Lego Mindstorms em acções de promoção da Física

Objectivos

� Clarificação do conceito de robótica e conceitosassociados

� Estudo das linhas orientadoras do trabalho adesenvolver na Área de Projecto – 12º ano

� Implementação da robótica no ensino� Robótica na Área de Projecto

� Estudo do sistema Lego Mindstorms� Desenvolvimento de propostas de trabalho a para a

Área de Projecto� Preparação de trabalhos de robótica para acções de

promoção da Física

A robótica

� Noção essencial de robô:

Sensores

Unidade deProcessamento

Actuadores

Percepção da robótica

� Desinformação acerca do que é a robótica

� Visão redutora

� Incorrecta

� Futebol robótico, Aibo, ficção científica, ...

� Pode constituir um entrave à sua integração emcontexto educativo

� Clarificação de conceitos

� Promoção de uma imagem de proximidade

A Área de Projecto

� Reforma do Ensino Secundário – 2003� Nova área curricular (12º ano)� Funcionamento a partir do ano lectivo

2006/2007

”espaço de confluência e integração desaberes e competências adquiridas ao

longo do curso”Documento Orientador da Revisão Curricular

Objectivos da Área de Projecto

� Cultura de liberdade, participação, reflexão, qualidade eavaliação

� Cidadania participada e aprendizagem ao longo da vida

� Orientação escolar e profissional

� Competências associadas a:� concepção e desenvolvimento de investigações concretas e de

qualidade

� articulação transdisciplinar de conhecimentos teóricos/práticos

� recolha, selecção e análise de informação

� trabalho de grupo, resolução de problemas, tomada de decisão

� comunicação escrita e oral

� utilização das TIC nas suas diversas potencialidades

Robótica no ensino� Reforço de competências/sedimentação de conhecimentos� Promoção da interdisciplinaridade� Motivação para o estudo nas disciplinas ligadas à robótica

(Nagchaudhuri et al., Rogers e Portsmore)

� Motivação para a escola, de uma forma geral

� Motivação para a opção por áreas ligadas à Ciência e àTecnologia (Nagchaudhuri et al.)

� Estímulo do interesse das alunas (Rogers e Portsmore)

� Capacidade de resolução de problemas, persistência ecriatividade (Petre e Price)

� Capacidade de abstracção: programação (Lau et al.)

� Consciência da utilização de modelos e suas limitações� Desenvolvimento de capacidades de investigação� Individualização e personalização do ensino (projectos)

Lego Mindstorms: razões da escolha

� Mérito e qualidades reconhecidas (LDAPS, NSF,NASA, ...)

� Não exigência de conhecimentos relevantes aonível da electrónica

� Facilidade de construção, grau de familiaridade eentusiasmo proporcionado

� Capacidade de recolha e tratamento de dados� Software produzido especificamente para a

educação� Apoio prestado (Lego, CEEO)� Facilidade de aquisição e garantia de continuidade� Preço

LDAPS – LEGO Design and Programming System

CEEO – Center fo Engineering Education Outreach

Lego Mindstorms na Área de Projecto:possíveis constrangimentos

� Perspectiva dos professores face à Área de Projecto

� Visão desajustada do que é a robótica

� Preconceito relativamente ao uso de “Legos”

� Formação dos professores

� Critérios de escolha dos professores

� Limitações financeiras

O Sistema Lego Mindstorms

� 1998: parceria Lego – MIT Media Laboratory(Seymour Papert, Mitchel Resnick – Epistemology and Learning Group)

� Vocacionado para o mercado educacional

� Grande interesse por parte de adultos

� Política de abertura da marca (SDK)

� Utilizações diversificadas

Constituição

� RCX

� Sensores

� Actuadores

RCX

� Microprocessador H8 (Hitachi)� 8 bit, 16 MHz� 16 Kb ROM� 524 bytes RAM

� 32 Kb RAM� Firmware� Programação (5 programas)� Data logging

� Porta IV (2400 bps)

� Portas de entrada (sensores)� ADC 10 bit

� Portas de saída (actuadores)

Sensores� “Unpowered”

� Toque� Temperatura

� “Powered”� Luz� Rotação

Actuadores

� Altifalante

� Lâmpada

� Motores DC

� Modulação pulsada (125 Hz)

Nível 1 (Robolab) Nível 4 (Robolab)

Programação

� Robotics Invention System (RIS)

� NQC (“Not Quite C”)

� Robolab

� Programação através de ícones

� “Low entry, no ceiling”

� Recolha de dados

� Análise de dados

� Limitações (utilização do firmware convencional)

� Ultimate Robolab� Sampling rate mais elevada: 3,2 kHz (até 55kHz em condições especiais)

Propostas de projectos adesenvolver na Área de Projecto

� Abordagem de problemas efectivos

� Forte presença de conteúdos de Física

� Desenvolvimento de competências transversais

� Flexibilização do grau de dificuldade

� Professor como orientador de todo o processo

� Carácter de investigação

� Preparação de propostas abertas

� Abordagens possíveis – linhas gerais para o professor

Construção de um veículo solar

� Energia solar (autonomia energética)� Fluxo energético/potência� Células fotovoltaicas

� Funcionamento� Optimização (10º ano)� Limitações

� Electricidade� Mecânica� Programação

� Abordagens progressivamente mais complexas

� Base para um trabalho mais abrangente

Estudo de motores DC

� Electromagnetismo (11º ano)� Funcionamento de um motor eléctrico DC

� Forças e movimento; binário do motor� Potência� Rendimento� Trabalho e energia (Em, Ec, Epg, Wf, ...)

� Recolha sistemática, tratamento e análise dedados experimentais

� Folha de cálculo (análise de dados)� Programação muito simples

Elevador vertical/oblíquo

Projecto “Robótica para todos”, ESE de Viana do Castelo – Física I

Outros projectos

� Maior peso de outras áreas� Biologia, Química, ...� Sistemas de monitorização e controlo

� Projectos articulados

� Mergulhador cartesiano� Controlo de temperatura/estudo energético� Sistema de acompanhamento do Sol

ROBÓTICA ? REALIMENTAÇÃO

“Aprender Física com Mindstorms”

� Sessões para alunos do 11º ano

� Sensibilização para a Ciência e a Tecnologia

� Actividades mãos na massa

� Detecção e localização de uma fonte de IV

� Três horas e meia� Pré-montagem de blocos

� Programação abreviada

� Execução por “patamares”� Todos os alunos deverão ser capazes de algum grau de

sucesso

� Preparação de monitores

Sessões piloto

� Escola Sec. Henrique Medina

� Instituto Pedro Hispano

� Escola EB2,3/S de Barroselas

Resultados das sessões piloto

� Motivação

� Empenho

� Superação das expectativas prévias (capacidades)

� Professores: “E eles vão conseguir fazer isso?”

� Alunos (teste do carro na pista)

� Reconhecimento do papel da Física na resolução

de problemas concretos

Conclusões� A integração da robótica no ensino (A. P.) é possível

� Permite abordar problemas:

� significativos

� com forte carácter experimental

� mobilizadores de competências diversas (Física, ...)

� promotores de novas competências

� Boa resposta aos pressupostos da Área de Projecto

� A integração noutros contextos é igualmente possívele potencialmente proveitosa

� Preparação de materiais/metodologias

� Implementação e avaliação

Trabalhos em curso

� “Aprender Física com Mindstorms” (Dep. Física, U.C.)� Preparação de monitores e materiais

� Execução

� Avaliação

� Projecto “Robótica para todos” (ESEVC)� Física I

� Estudo do Meio Físico e Natural

� Física II

� Curso de Verão

Trabalhos futuros

� Avaliação do impacto da utilização da robótica naÁrea de Projecto� Receptividade dos professores

� Resultados nos alunos� Resultados das sessões “Aprender Física com Mindstorms”

� Utilização da robótica noutros contextos educativos� Física - “Physics by Design”

� Clubes de robótica/clubes de ciência

� Lego Mindstorms NXT