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PROJETO UCA na CUCA: robótica educacional na sala de aula Projeto de pesquisa científica, pesquisa tecnológica e inovação pedagógica Período 2011-2012 Coordenadores: Fábio Ferrentini Sampaio, Ph.D. Marcos da Fonseca Elia, Ph.D. (ffs, melia)@nce.ufrj.br Instituição Executora: Universidade Federal do Rio de Janeiro – Instituto Tércio Pacitti de Aplicações e Pesquisas Computacionais – iNCE Edital CNPq/CAPES/SEED-MEC n o. 76/2010 Fevereiro 2011

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PROJETO UCA na CUCA: robótica educacional

na sala de aula

Projeto de pesquisa científica, pesquisa tecnológic a e inovação

pedagógica

Período 2011-2012

Coordenadores: Fábio Ferrentini Sampaio, Ph.D.

Marcos da Fonseca Elia, Ph.D.

(ffs, melia)@nce.ufrj.br

Instituição Executora: Universidade Federal do Rio de

Janeiro – Instituto Tércio Pacitti de Aplicações e

Pesquisas Computacionais – iNCE

Edital CNPq/CAPES/SEED-MEC n o. 76/2010

Fevereiro 2011

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A presente proposta tem como Instituição de Execução do Projeto o Instituto Tércio Pacitti de Pesquisas e Aplicações Computacionais da Universidade Federal do Rio de Janeiro –iNCE/UFRJ, e está organizada de acordo com o item II.2.2 e respectivas sub-itemizações do Edital CNPq/CAPES/SEED-MEC no. 76/2010.

II.2.2.1 CARACTERIZAÇÃO

O projeto UCA na CUCA propõe ações que contemplam as modalidades de pesquisa científica, pesquisa tecnológica e inovação pedagógica para um período de 18 meses, elegendo como tema problematizador a Robótica Educacional.

As escolas participantes do Programa PROUCA- Fase II, parceiras no projeto UCA na CUCA e que serão o nosso locus laboratorial para realização das pesquisas de campo:

1. Escola Centro Integrado de Educação Pública (CIEP 477) Professora Rosa da Conceição Guedes do Município de Piraí. Diretor: Jocemar Rodrigues de Moraes Telefone: (24) 3333-1387 [email protected]

2. Escola Madrid do Município do Rio de Janeiro; Diretora: Marina Campos Kickinger Telefone: (21) 22204-2374

II.2.2.2 APRESENTAÇÃO

a) IDENTIFICAÇÃO DA PROPOSTA

Profundas mudanças de ordem metodológica e conceitual ocorridas nas ciências, aliadas ao rápido crescimento do fluxo de informações dos últimos cinqüenta anos, constituem a base da moderna sociedade da informação e, pelo impacto que elas têm provocado no dia-a-dia das pessoas, têm sido popularizadas como ‘processo de globalização’. Nas escolas brasileiras, este processo tem sido basicamente de fora para dentro colocando-as a reboque e não como sujeito dessas mudanças como deve ser o

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papel da escola. Políticas públicas recentes têm tentado reverter este quadro, mas o muito ainda é pouco quando se considera o potencial das tecnologias da informação aplicadas à educação (TIAE).

O programa “Um computador por aluno (PROUCA)” do governo federal [1], voltado para garantir a inclusão social das crianças brasileiras através de um processo de inclusão digital integrado aos primeiros anos de escolaridade, vem se consolidando como uma dessas iniciativas oficiais que despertam interesse de profissionais dedicados ao estudo do uso das tecnologias da informação aplicadas à Educação –TIAE.

O Grupo de Informática Aplicada à Educação (GINAPE) do Instituto Tércio Pacitti de Aplicações e Pesquisas Educacionais (iNCE) da UFRJ – é originário de políticas federais análogas, implementadas no início dos anos 80 e conhecidas como Projeto EDUCOM: o computador na educação [2].

Na década de 80, o Projeto EDUCOM/UFRJ produziu cerca de 200 programas (publicados apenas 144) de computador “courseware” para o ensino das disciplinas de Biologia, Física, Matemática e Química no 2º Grau, os quais foram aplicados e avaliados em uma escola pública do Rio de Janeiro com enfoque de pesquisa, por meio de um experimento–piloto de grande escala envolvendo todas as turmas do 2º Grau da escola. Esses programas foram produzidos para o computador MSX da época, mas boa parte deles já foi emulada para uma plataforma Windows e está hoje disponível na web: EDUCOM na Web (http://educom.interatia.com).

Em 1989, a nova política do MEC considerou concluída a fase piloto do EDUCOM iniciado em 1981, institucionalizando no seu lugar o PRONINFE –Programa Nacional de Informática na Educação [3]- cujo foco era a criação de estruturas de suporte à formação de profissionais em informática na educação, em todos os níveis educacionais e em todas as regiões do país (CIED, NIET, CIES, NIES, CEIE)1.

Para se ajustar a essa nova orientação, o EDUCOM/UFRJ transformou-se em CIES/EDUCOM-UFRJ e colocou a formação de professores em Tecnologias da Informação Aplicada à Educação (TIAE) como carro-chefe de suas ações prioritárias, tendo desde então ofertado:

• Curso de Atualização em TIAE (CIES/EDUCOM 1993, apoio MEC/OEA).

• 1a Pós-Graduação Lato Sensu (Especialização) em TIAE no Estado do RJ (CIES/EDUCOM 1994-95).

1 CIED- Centro de Informática na Educação (voltados para Educação média) NIET- Centro de Informática na Educação Técnica CIES/NIES- Coordenação/Núcleo de Informática na Educação Superior, ligados às universidades com diferentes graus de institucionalização CEIE- Centro de Excelência em Informática na Educação (indicados na época a UFRJ e UFRGS)

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• Disciplina TIAE no curso de Licenciatura (Noturna) dos Institutos de Física e de Matemática da UFRJ (1994).

• Programa de Pós-Graduação em Informática da UFRJ (PPGI). Desde 1997, o Grupo GINAPE é responsável pela área de concentração em Informática, Educação e Sociedade do PPGI, tendo orientado desde então cerca de 70 profissionais em pesquisas de dissertações de mestrado. Os tópicos atuais de interesse são (http://www.nce.ufrj.br/ginape ):

o Aplicações educacionais da Modelagem Dinâmica de Sistemas.

o Ambientes Educacionais Cooperativos.

o Tecnologias da Informação para uma Educação Especial Inclusiva-TIEEI.

o Robótica na Educação.

o Web 2.0.

o Modelos de Serviços de Avaliação da Aprendizagem pela Internet com Orientação a Objetos (Mosaico).

• Curso de extensão CAF-TIC em parceria com a SEED-RJ (2006)

• Pós-Graduação Lato Sensu (Especialização) (PGTIAE, 2007 |2008|2009|2010 )

Assim, em atendimento ao Edital CNPq/CAPES/SEED-MEC no. 76/2010 e com base na expertise e infraestrutura na área de TIAE consolidadas ao longo de 30 anos, o Grupo GINAPE vem manifestar seu interesse em participar com ações voltadas para as três modalidades previstas no edital: pesquisa científica, pesquisa tecnológica e inovação pedagógica, elegendo como tema problematizador a ROBÓTICA EDUCACIONAL.

b) QUALIFICAÇÃO DO PRINCIPAL PROBLEMA A SER ABORDADO

As interações primeiras da criança com o mundo físico são as mais importantes e determinantes para o resto da vida. Piaget [4] foi o epistemólogo construtivista que melhor sistematizou essas ideias sobre a importância para o desenvolvimento cognitivo das interações dos sujeitos com os objetos da natureza. Suas teorias construtivistas sobre as interações sujeito-objeto (físico), doravante S-O, têm servido de referencial teórico para muitos modelos de ensino-aprendizagem.

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Em uma linha construtivista análoga, mas com foco na interação social sujeito-sujeito, doravante S-S, tem-se os modelos de ensino-aprendizagem centrados nas teorias construtivistas de Vygotsky [5], cujas contribuições conceituais fundamentais para esse tema seriam: (i) a importância que a interação S-S traz para construção da linguagem, e esta para a aprendizagem, e esta para o desenvolvimento cognitivo; e (ii) o papel potencial que alguns sujeitos podem ter sobre a aprendizagem de seus pares, estabelecendo um campo de influência que Vygotsky denominava Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP).

Um desdobramento quase que natural das ideias construto-interacionista apontadas acima, seriam aquelas que valorizam a construção do conhecimento por meio da interação com objetos criados pelos próprios sujeitos, ou seja, com os artefatos tecnológicos criados pelos seres humanos que formam o acervo cultural da Humanidade. A interação dos sujeitos com objetos resultantes de sua cultura, aqui representada como S-C, tem sido denominada de “construcionismo”, sendo Papert [6] o seu principal protagonista.

No entendimento do Grupo GINAPE, o uso da Robótica Educacional combinado com o programa PROUCA deverá constituir uma tecnologia educacional potencializada, sob o ponto de vista dos referenciais teóricos construtivistas de Piaget, Vygotsky e Papert, posto que, além da interação sócio-verbal (S-S) que o meio escolar proporciona, as crianças terão também a oportunidade de uma interação integrada (S-O) e (S-C), através da criação de objetos animados, automatizados e comandados pelas suas próprias estratégias cognitivas, sob a supervisão firme de um projeto pedagógico engendrado e executado por seus professores.

A robótica educacional é uma atividade desafiadora e lúdica, que utiliza o esforço do educando na criação de soluções, sejam essas compostas por hardware e/ou software, visando a resolução de um problema proposto – podendo o mesmo ser real. Para Schons et al. [7], a robótica pedagógica “constitui nova ferramenta que se encontra à disposição do professor, por meio da qual é possível demonstrar na prática muitos dos conceitos teóricos, às vezes de difícil compreensão, motivando tanto o professor como principalmente o aluno”.

Segundo Zilli [8], a robótica educacional pode desenvolver as seguintes competências: raciocínio lógico; formulação e teste de hipóteses; habilidades manuais e estéticas; relações interpessoais e intrapessoais; integração de conceitos aprendidos em diversas áreas do conhecimento para o desenvolvimento de projetos; investigação e compreensão; representação e comunicação; trabalho com pesquisa; resolução de problemas por meio de erros e acertos; aplicação das teorias formuladas a atividades concretas; utilização da criatividade em diferentes situações; e capacidade crítica.

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Antes de concluirmos esta apresentação, cabe uma breve reflexão para destacar que estas ideias construtivistas, que modelam as interações sujeito-objeto e dão suporte ao uso da robótica educacional, fazem parte da evolução do pensamento científico, a qual tem revelado ao longo da história períodos prolongados em que o foco dessa relação ora estava centrado no sujeito (razão pura), como demonstra o período do pensamento aristotélico, ora na observação dos objetos tangíveis (mecânica newtoniana), ora nas observações prováveis dos objetos microscópicos (mecânica quântica) e, mais recentemente, 50-60 anos, nas observações possíveis fora do equilíbrio de um sistema de muitos objetos (teoria da complexidade).

Neste último caso, as inovações conceituais [9][10][11][12] têm provocado importantes consequências teóricas e práticas para a CTS (Ciência-Tecnologia-Sociedade). Em termos teóricos, por exemplo, tem-se hoje uma melhor compreensão de que qualquer indivíduo pode ser fonte de conhecimento inovador em qualquer área: empresas, escolas, na bolsa de valores e na sociedade como um todo, usando informações “just in time” que as novas tecnologias de informação e de comunicação (TIC) disponibilizam. Esta possibilidade, que desafia a autoridade do conhecimento consolidado, tem sido cunhada pela metáfora “efeito borboleta” e, devido às consequências e não às causas, tem um papel globalizante.

Em áreas da cognição, e também da sociologia, pode-se dizer que os reflexos do paradigma da complexidade são o desenvolvimento de teorias construtivistas, como as que foram apresentadas anteriormente. E que na área da ciência da informação, o reflexo tangível é o desenvolvimento vertiginoso das TIC.

Um olhar mais direcionado para os avanços nas duas últimas décadas na área de TIC coloca foco em aplicações voltadas para computadores em rede, com as principais características resumidas abaixo:

• Em meados dos anos 90, tem-se a popularização e a exploração comercial da web (Wide World Web) que, em termos de aplicações educacionais, basicamente permitia a disponibilização de conteúdos na rede de computadores na forma digital através dos chamados ambientes virtuais de aprendizagem (AVA), que reúnem várias ferramentas úteis para o ensino-aprendizagem, tentando reproduzir uma sala virtual [13].

• Em menos de uma década, esta web inicial (Web 1.0) rapidamente foi sucedida pela Web 2.0 [14], caracterizada pela oferta de serviços distribuídos em rede, com características que se aproximam cada vez mais daquelas que constituem o paradigma complexo que deu origem conceitual à era digital e à rede de computadores.

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• A Web 2.0 representa bem a metáfora do “efeito borboleta”, a qual tem sido adequadamente substituída por outra: “computação em nuvens” (cloud computing) [15]; e estendida para o contexto educacional como “educação em nuvens”, posto que tecnologicamente, agora se torna viável colocar os alunos na rede também como autor das ações de ensino-aprendizagem, deixando de ser estas uma exclusividade do professor ou da instituição de ensino, propiciando assim um processo de ensino-aprendizagem mais interativo e colaborativo, ainda que as ações continuem sendo orientadas pelo projeto pedagógico da escola e do professor.

• Na concepção de EAD/TIC Web 2.0, os alunos passam a dispor dos meios necessários sob a forma de serviços web para constituir, eles próprios, seu ambiente de comunicação no ciberespaço, seja com o objetivo de formar uma comunidade de aprendizagem interpessoal ou de relacionamento social, ou ainda, que seja apenas para publicar seus textos (Blog), vídeos (YouTube) e opiniões (Twitter). Dessa forma, o conhecimento é construído dinamicamente na interação entre os sujeitos que participam do processo, despojado, portanto de proprietários e com uma natureza de um constructo cultural, denominado de inteligência coletiva por Pierre Lévy [16], formando um todo integrado maior que soma das contribuições das inteligências individuais que constitui esse constructo.

Retornando ao tema da robótica educacional, agora mais respaldado pelo resgate histórico-científico acima, vê-se que, no contexto da TIAE em rede, o desafio pela frente é estabelecer novas alianças de cooperação com aqueles que têm algo a contribuir, constituindo uma teia ampliada de comunicação, intercâmbio de informações científicas e de experiências pedagógicas, tendo como função precípua promover a inclusão digital - dos professores, pesquisadores e alunos, sendo eles próprios os sujeitos de todo o processo. É a democratização do conhecimento através de uma construção coletiva distribuída. A não ocupação deste espaço, ou a sua ocupação tardia, poderá provocar danos irreparáveis.

A nossa proposta é, portanto, utilizar a robótica educacional como tema problematizador, tirando vantagem dos dispositivos de baixo-custo que hoje permitem o interfaceamento homem-máquina (Human Interface Device-HID) [17], tais como o projeto Arduino, criado em 2005 na Itália [18]. Na sua concepção, o projeto Arduino prevê uma plataforma de hardware e de software de código aberto de fácil utilização2, 2 A título de registro, é importante mencionar que quando testamos o projeto Arduino no Linux (desenvolvido pela Metasys) dos

computadores PROUCA para a oficina realizada durante o Seminário Piraí Digital, ele não funcionou. Como não foi possível naquele momento realizar alterações no Linux nativo do laptop PROUCA (Metasys) para que pudéssemos utilizar o Arduino, utilizamos como alternativa a instalação de uma outra distribuição de Linux embarcada em um pendrive. A distribuição escolhida foi o Linux Mint 9 com interface gráfica KDE (similar ao Metasys).

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acessível não somente para especialistas na área de Eletrônica, mas também para hobbystas, artistas e qualquer pessoa interessada na criação de objetos ou ambientes interativos.

c) OBJETIVOS E METAS A SEREM ALCANÇADOS

Os objetivos principais da presente proposta consistem em:

(i) Aprender a construir robôs.

(ii) Reconhecer que o interfaceamento Homem-Máquina representa um novo espaço de ensino-aprendizagem interdisciplinar e lúdico para crianças, porque:

a. permite integrar o desenvolvimento das habilidades cognitivas, conativas e afetivas, através de interações (S-S)(S-O)(S-C).

b. Permite criar situações problematizadoras em sala de aula promovendo discussões interdisciplinares e experimentações concretas com os modelos criados pelos alunos.

c. pode ser utilizado em sala de aula (presencial) e compartilhado remotamente através da Internet por professores e alunos de todo o país, formando dentro do contexto do PROUCA uma rede virtual de laboratórios de atividades didáticas em robótica educacional- LabVad/RobEd.

Trata-se portanto de uma proposta de ações inovadoras, reflexivas e práticas, sobre o uso da robótica educacional em sala de aula, a serem desenvolvidas com

Desta forma, conseguimos carregar(dar boot) este novo Linux via um pendrive conectado em uma das portas USB do laptop PROUCA para então instalar os recursos necessários para o funcionamento do Arduino. Estes recursos são:

- Pacote “JAVA JRE” - Pacote “avr-libc” - Pacote “avr-gcc”

O pacote JRE (JAVA Runtime Enviroment) é necessário para que execução do ambiente de programação do Arduino. Os pacotes “avr-libc” e “avr-gcc” são necessários para comunicação entre o laptop PROUCA e a placa Arduino.

Durante o Seminário Piraí Digital fizemos contato com os representantes da empresa Metasys que se encontravam presentes, que prometeram dar uma solução rápida para o problema. Caso isto, não seja feito, nós mesmos o faremos pois se trata de código aberto, assegurando assim a viabilidade da presente proposta.

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enfoque de pesquisa científica básica e tecnológica, implicando no alcance das seguintes metas:

1. Proposta, desenvolvimento, aplicação e avaliação de uma metodologia para formação de professores em robótica educacional. (Pesquisa científica & Inovação Pedagógica)

2. Produção de kit didático centrado na plataforma Arduino: testado, validado, documentado, que deverá estar pronto para o re-uso em rede web e/ou para ser distribuído. (Pesquisa Tecnológica & Inovação Pedagógica)

3. Adaptação para o PROUCA e plataforma Arduino de uma linguagem de programação visual “ProgrameFácil” desenvolvida no GINAPE. (Pesquisa Tecnológica)

4. Ambiente virtual de acesso remoto de atividades didáticas em Robótica Educacional –LabVad/RobEd. (Pesquisa científica & Pesquisa Tecnológica)

5. Avaliação sistêmica da intervenção nas escolas parceiras. (Pesquisa científica)

As escolas-piloto do programa PROUCA, parceiras no projeto UCA na CUCA: Escola Centro Integrado de Educação Pública (CIEP 477) Professora Rosa da Conceição Guedes do Município de Piraí e a Escola Madrid do Município do Rio de Janeiro; serão o nosso locus laboratorial para realização das pesquisas de campo.

d) METODOLOGIA A SER EMPREGADA

Conforme apresentado no item anterior, as metas do projeto envolvem ações diferenciadas e, portanto, metodologias diferenciadas também.

Meta 1: Curso de formação em robótica educacional com hardware livre

O curso de formação em robótica educacional com hardware livre é parte integrante de um projeto destinado a professores de ensino fundamental e médio das escolas públicas do Estado do Rio de Janeiro, o qual está sendo desenvolvido como parte da pesquisa de dissertação de mestrado “Aplicação de arquitetura pedagógica na formação de professores em Robótica educacional com componentes de baixo custo”, de autoria de Marcos Castro Pinto, em vias de conclusão no PPGI/UFRJ.

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No contexto da presente proposta, o curso terá como primeiro objetivo a sensibilização de professores das escolas participantes do Projeto PROUCA para o uso da robótica educacional como elemento motivador da aprendizagem de seus alunos. Esta sensibilização será feita através de uma oficina presencial de um ou dois dias em que os professores serão provocados a refletirem sobre o tema em tela e o seu uso em sala de aula, inicialmente sem e depois com o computador. Em realidade, dois encontros de sensibilização já foram realizados com absoluto sucesso com professores envolvidos com o progrma PROUCA durante a realização do 1º Seminário Educação & Tecnologia -Piraí Digital - em 16-17/09/2010 e do 1ª Encontro UCA ocorrido em 21/12/2010 no Colégio Santo Inácio.

Este processo de sensibilização pode ir além do encontro presencial de um dia, digamos, prolongado por mais uma ou duas semanas utilizando-se um fórum virtual para discussões e um acesso remoto à placa Arduino que estará disponível no ambiente web do projeto (vide Meta 4 e http://146.164.3.24/labvad/acesso.html).

Para o grupo de professores que decidirem fazer o curso, o objetivo adicional será apresentar a tecnologia eletrônica de baixo custo para implementação de trabalhos em sala de aula em robótica educacional de forma acessível a professores e alunos. Isto será feito atuando diretamente sobre o grupo de professores e, indiretamente, sobre os alunos (através de seus respectivos professores, mas ainda sob supervisão do curso).

O curso possui dois eixos de orientação: pedagógico e tecnológico; conforme ilustrado pela rede sistêmica da figura 1.

Figura 1

Eixo pedagógico

Eixo Tecnológico

Curso de formação em

Robótica educacional com

Hardware livre

Interação Pesquisador-Professor

Interação Professor-Professor

Interação Professor-Aluno

Hardware

Software

Componentes eletrônicos

Arduino

Computador

Ling. Procedural (Wiring)

Ling. Visual ProgrameFácil

Firmware Carregador (BootLoader)

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Descrição

O eixo pedagógico propõe aplicação de um modelo 3C (três camadas), mostrado esquematicamente na figura 2, de interação entre os participantes do projeto (S-S), com os objetos do mundo físico (S-O) e com os artefatos tecnológicos (S-C). O eixo tecnológico apresenta recursos de hardware (componentes eletrônicos) e software (ambiente de programação) para aplicação em robótica educacional.

Figura 2

Na primeira camada pesquisadores e professores do projeto participam de discussões em fóruns virtuais para orientações quanto à proposta do projeto. São indicados materiais bibliográficos para leitura e debate sobre tópicos relacionados ao tema, tais como os que foram citados na apresentação desta proposta, para os professores construirem o que chamamos de contextualização cognitiva da robótica educacional. Esta discussão teórica é permeiada com instâncias práticas, propostas pela equipe de pesquisadores do projeto, que ajudem a ilustrar e a compreender os conceitos em tela.

No segundo nível (camada 2), professores discutem entre si propostas de atividades didáticas no contexto do projeto e as constróem. Em seguida (camada 3), os professores aplicam as atividades didáticas junto aos seu alunos, ou seja, discutem com os seus alunos o que construir dentro de um projeto pedagógico previamente desenhado por eles. É importante ressaltar que mesmo nas camadas 2 e 3 permanece a participação da equipe de pesquisadores do projeto, só que de maneira cada vez mais discreta.

Note-se também que com a inclusão do ambiente virtual web (Meta 4) haverá uma continuidade no processo de formação, através do compartilhamento de experiências e de dúvidas, por professores e alunos de todo o país, dentro do contexto do programa PROUCA.

O eixo tecnológico destaca o ponto motivador para elaboração da presente proposta de uso da robótica educacional em sala de aula: o aparecimento de tecnologias para desenvolvimento de “Kits de Robótica” de baixo custo. Entre estas tecnologias

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está o projeto Arduino que consiste em uma placa eletrônica programável para receber sinais de diversos tipos de sensores e acionar luzes, motores, atuadores, etc. de acordo com um programa elaborado.

Para concepção do programa, o projeto Arduino disponibiliza um ambiente de desenvolvimento que utiliza uma linguagem de programação procedural própria, baseado no projeto Wiring [19]. Conforme será discutido na metodologia para a meta 3, será desenvolvida pelo Grupo GINAPE uma linguagem visual “ProgrameFácil”, mais amigável e intuitiva para usuários não especializados (no caso, professores e alunos do ensino básico).

Uma vez concebido o programa, seja na linguagem procedural Wiring ou visual “ProgrameFácil”, este é interpretado e enviado para a placa eletrônica via computador através de interfaceamento serial ou USB (BootLoader).

Assim, o eixo tecnológico do curso será composto pela compreensão do(a):

1. Computador, que no caso dos professores e alunos do programa PROUCA já entraria como um pré-requisito.

2. Lógica embutida na placa controladora Arduino (figura 3-a) de baixíssimo custo que será utilizada ao longo do projeto.

3. Componentes eletrônicos (figura 3-b).

4. Linguagem de programação desta placa, seja através da linguagem procedural original de baixo nível (figura 4-a), seja através da linguagem visual mais amigável “ProgrameFácil” representada na figura 4-b.3

Ementa:

1) Introdução 2) O que é o Arduino 3) Ambiente de desenvolvimento -

instalação 4) Programação – estrutura 5) Programação – instruções do Arduino 6) Breve introdução à Eletrônica 7) Componentes Eletrônicos para as

experiências

Figura 3

3 Esta imagem foi extraída da linguagem “ProgrameFácil” desenvolvida para o Projeto “RoboFácil [20]

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(a)

(b)

Figura 4

Organização do curso

O curso de robótica educacional com hardware livre será no formato semipresencial tendo no máximo 20 professores por turma das escolas-piloto do programa PROUCA parceiras. Mesmo se tratando de uma pesquisa, serão abertas tantas turmas quanto forem necessárias, em períodos defasados.

O curso será dividido em três fases de acordo com o diagrama de atividades mostrado na figura 5. As fases mostradas no diagrama representam as camadas da arquitetura pedagógica proposta (modelo 3C).

Figura 5

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Fase 1 – Nesta etapa, pesquisadores e professores discutirão sobre tecnologias na educação utilizando ambiente online apropriado. Esta discussão estará aberta durante todo o curso. Nesta fase os professores serão apresentados ao mundo da robótica através de laboratório de robótica com hardware livre. Carga horária nesta fase: 9h presenciais (três encontros de 3h) e 9h à distância.

Fase 2 – Os professores participantes do curso discutirão, com base nas discussões e estudos na primeira fase, propostas de atividades didáticas com uso da robótica educacional. Para melhor organização nesta fase, os professores serão divididos em grupos e cada grupo apresentará sua proposta de atividade didática. Carga horária nesta fase: 12h à distância.

Fase 3 - Os professores participantes aplicarão as atividades criadas nas escolas onde lecionam e debaterão no fórum de discussão do curso os resultados encontrados. Carga horária nesta fase: 20h à distância.

Os professores participantes do curso:

1. Deverão preparar um relatório final para descrever como foi a aplicação da atividade em sala de aula e qual é a sua avaliação sobre a experiência realizada. Para aqueles que não realizarem a etapa 3 (aplicação em sala de aula), deverá ser elaborado um relatório contendo 3 novas sugestões de atividades didáticas. Em ambos os casos, os professores deverão sugerir formas de avaliar seus alunos, diante das atividades propostas.

2. Serão avaliados principalmente pelos seguintes critérios:

• Participação nos fóruns de discussão;

• Qualidade do trabalho em grupo que será realizado e entregue na etapa 2;

• Relatório individual entregue ao final do curso.

• Receberão um certificado de curso de extensão emitido pelo Tércio Pacitti de Aplicações e Pesquisas Computacionais da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Para ser considerado aprovado e fazer jus ao certificado, o participante deverá:

• Ter freqüência e participação nas atividades programadas;

• Concluir com aproveitamento as etapas do curso;

• Entregar o trabalho final em formato de relatório, descrevendo como foi a aplicação da atividade em sala de aula e seus resultados;

• Preencher uma pesquisa de avaliação do curso.

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Segue o cronograma de atividades do curso de formação em robótica educacional (Figura 6) com uma duração máxima de 12 semanas (50 horas-aula) para a sua realização completa.

Atividade Duração prevista

Reunião presencial – Oficina de apresentação e esclarecimentos sobre o projeto

1 dia

Adesão ao curso, assistida pela equipe do projeto através de um fórum virtual disponível no site

Até 2 semanas

Fase 1 –Pesquisadores e professores - Fórum: Tecnologia na Educação - Laboratório de robótica educacional

Até 3 semanas

Reunião presencial – Avaliação dos resultados 1 dia

Fase 2 – Interação entre professores - Discussão para criação de atividades didáticas

Até 4 semanas

Fase 3 – Professores e alunos - Aplicação das atividades didáticas com os alunos

Até 3 semanas

Reunião presencial – Avaliação dos resultados 1 dia

Figura 6

Meta 2: Produção de material didático centrado na plataforma Arduino

As aplicações didáticas de robótica para uso na sala de aula, produzidas pelos grupos Professor-Professor e Professor-Alunos ao longo do curso de formação, serão analisadas pela equipe de pesquisadores do projeto com o objetivo de criar um repositório de objetos de aprendizagem baseados em robótica, que possa ser compartilhado por todos os participantes do programa PROUCA, através do ambiente virtual de acesso remoto (LabVad/RobEd, vide meta 4). Deverá ser identificado também o melhor modelo pedagógico e padrão de parâmetros para criação desta base de objetos de aprendizagem.

Para ilustrar o que se pretende, segue o seguinte relato: Em setembro de 2010 os alunos de Robótica da Escola Técnica Estadual Ferreira Viana (ETEFV ) participaram da Gincana LABVAD promovida pela equipe de pesquisa do Projeto LABVAD do NCE-UFRJ. A proposta da gincana era motivar os alunos na criação de experimentos gerenciados por microcontroladores, especificamente usando a placa Arduino (http://www.arduino.cc/).

O projeto do aluno Antonio Carvalho se destacou por apresentar um sistema, gerenciado pela placa Arduino, que pode ser utilizado para diferentes aplicações com

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o movimento circular. Inicialmente foi apresentado um sistema semelhante ao utilizado em parques de diversão conhecido como Chapéu Mexicano, com cadeiras suspensas girando. O sistema é programado para que inicie o giro suavemente e depois de 2 min seja desligado também de forma suave.

Chapéu Mexicano-diversão Sistema com Arduíno-girando

Figura 7

Como segunda aplicação desse sistema, apresentou-se o Disco de Newton em versões coloridas de formas diversas.

Disco de Newton - em repouso Disco de Newton - girando

Figura 8

Assim, a consecução da meta 2 é um produto colateral que decorre naturalmente de uma realização bem sucedida da meta 1 e será conduzida como uma atividade de pesquisa-ação pela equipe de pesquisadores do projeto, professores e alunos das escolas parceiras. Se tomarmos 2 escolas-parceiras, 2 turmas com 20 professores por escola fazendo o curso em duas (2) rodadas, podemos estimar uma produção de 2x2x20x2= 120 aplicações didáticas de robótica, das quais, pelo menos 2/3 estarão com certeza em condições de disponibilidade para re-uso.

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Meta3:Adaptação para o PROUCA e plataforma Arduino de uma linguagem de programação visual “ProgrameFácil” desenvolvida no GINAPE.

Em 2006 foi concluído no PPGI/UFRJ o projeto de pesquisa de dissertação de mestrado “RoboFácil: Especificação e Implementação de Artefatos de Hardware e Software de Baixo Custo para um Kit de Robótica Educacional” de autoria de Leonardo Cunha de Miranda. Segundo o autor:

“Uma vez que os principais usuários dessa pesquisa são os estudantes de ensino médio, observou-se que a dificuldade de utilização – programação – do Kit de Robótica Educacional RoboFácil poderia ser elevada, visto que, inicialmente na 1a versão do protótipo, novas formas de comportamento – programas de um modelo – eram codificadas apenas utilizando a linguagem assembly do microcontrolador (MCU) adotado no projeto desse hardware.”

Com base nestas considerações, o autor propôs e desenvolveu uma linguagem

visual mais amigável denominada “ProgrameFácil”, ilustrada na figura 4-a, para intermediar (Firmware) a comunicação de usuários não especialistas com o hardware do kit de robótica “RoboFácil” desenvolvido por ele.

O “ProgrameFácil” é uma linguagem de programação visual – do inglês, Visual

Programming Language (VPL) – que permite programar dispositivos eletrônicos e eletromecânicos como, por exemplo, lâmpadas, displays, leds, motores de passo, e sensores de luminosidade e temperatura, fazendo uso das tradicionais construções de programação estruturada, tais como, condicional e repetição. Inicialmente a linguagem foi desenvolvida para controlar o hardware do Kit RoboFácil, uma vez que o mesmo, na sua versão inicial só poderia ser (re)programado pelas vias tradicionais, fazendo uso das linguagens Assembly e C.

O Kit de Robótica baseado na projeto Arduino (2005), escolhido para o presente

projeto pelo seu baixo-custo e por se tratar de software livre, apresenta também um firmware em uma linguagem procedural (Figura 4-a), não tão amigável para alunos do ensino fundamental que fazem parte do programa PROUCA.

Portanto, considerando a experiência adquirida no desenvolvimento do firmare

para o projeto RoboFácil, o Grupo GINAPE vem propor o desenvolvimento de uma linguagem análoga ao “ProgrameFácil” para funcionar nos computadores do programa PROUCA. Naturalmente, serão re-aproveitados os mesmos requisitos e especificações levantados na pesquisa anterior, mas será utilizado um framework mais moderno a ser decidido ao longo do projeto, baseado em uma plataforma Linux, provavelmente usando a linguagem Python. O prazo estimado para atingir esta meta será de 6 meses.

Apresenta-se na arquitetura da figura 9, para maior entendimento, os níveis e

fluxos dos processos realizados quando da utilização integrada da placa Arduino com o ambiente visual de programação – software ProgrameFácil.

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Figura 9 Meta4:Ambiente virtual de acesso remoto de atividades didáticas em Robótica Educacional –LabVad/RobEd

O projeto Uca na Cuca prevê também um ambiente web para acesso remoto a práticas com robótica educacional, possibilitando que o estudo da programação para o Arduino quanto a compreensão dos principais dispositivos eletro-eletrônicos e eletro-mecânicos utilizados em robótica seja feito a distância e sem custos iniciais na aquisição do Kit de Robótica.

Através de um simples navegador (browser), usuários (professores e alunos) participantes do projeto poderão acessar o ambiente virtual proposto para manusear remotamente instrumentos e aparatos experimentais que se encontram em um laboratório real montado no iNCE/UFRJ (e em outros locais também). Para visualizar aquilo que está sendo acionado ou controlado, o usuário disporá de câmeras (webcam) instaladas sobre o aparato experimental, sendo essas imagens enviadas continuamente (como imagens de TV) pela internet, via um servidor de streaming de vídeo.

A pesquisa aqui proposta também contempla a criação de uma comunidade “UCA na CUCA” com a finalidade de troca de experiências entre os professores que utilizam a robótica educacional em suas práticas pedagógicas. Sob o paradigma da

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WEB 2.0, professores poderão relatar suas experiências, trocar idéias com outros colegas podendo, inclusive, ver vídeos com gravações de experimentações já feitas por outros, pedir esclarecimentos ou tirar dúvidas on line com os autores, enviar os seus programas com o Arduino para a comunidade de forma a compartilhar e aprimorar suas experiências com robótica. A idéia aqui é a criação de um repositório de programas para que outros usuários possam executá-los e estudá-los para que possam servir de apoio ao desenvolvimento de atividades didáticas com a robótica educacional.

A equipe do projeto vem considerando duas soluções tecnológicas que possibilitam o controle remoto da placa Arduino. A primeira solução seria através de uma placa adicional (shield) para comunicação ethernet. Existem duas versões de shield ethernet para o Arduino: uma com o chip Wiznet W5100 (mais popular na comunidade Arduino) e outra com o chip ENC28J60 da empresa Microchip. Nesta solução com o shield ethernet, o Arduino é conectado diretamente à internet, não sendo necessário a presença de um computador servidor interfaceando a internet e o Arduino. Porém, como todo dispositivo conectado a internet, é necessário a atribuição de um endereço de rede (endereço IP) ao Arduino para que seja possível a localização do mesmo na rede mundial de computadores.

Uma segunda solução tecnológica para controle do Arduino remotamente, está no desenvolvimento de uma aplicação web que recebe o programa do usuário remoto e o carrega (grava) na placa Arduino. O que a aplicação web realmente faz é realizar a chamada de um software específico para a gravação de programas no Arduino denominado de “bootloader”. Nesta solução tecnológica para controle remoto do Arduino há a necessidade da existência de um computador servidor web interfaceando a internet e o Arduino.

Note que a existência de um computador servidor propicia maiores recursos para controle de usuários (como o laboratório é físico, somente um usuário poderá acessar em cada sessão), repositório de experiências criadas por alunos e professores, criação de comunidade UCA na Cuca para troca de experiências com robótica educacional, etc. Além disso, esse computador servidor poderá alojar o serviço de streaming de vídeo, necessário para enviar as imagens do experimento, captadas pela webcam, de forma contínua para internet.

A figura 10 ilustra a sistemática de utilização pelo usuário, sob qualquer uma das duas opções tecnológicas:

• O professor ou aluno prepara seu programa para o Arduino através de uma linguagem visual amigável.

• Executa testes para verificação de erros no programa e então

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• Envia o mesmo, via internet, para o laboratório remoto com o Arduino.

• A placa Arduino, localizada inicialmente no servidor do iNCE4, será “carregada” com o programa enviado e atuará nos dispositivos eletro-mecânicos (relés, servos, motores DC, etc.) e/ou eletro-eletrônicos (LED, displays, sensores, etc.) de acordo com o que foi estabelecido no programa do usuário.

Figura 10

A figura 11 apresenta uma esquematização da arquitetura computacional utilizada para o laboratório de acesso remoto LabVad/RobEd, tomando como referência a segunda opção tecnológica descrita acima.

Como se pode notar, a placa experimental Arduino fica conectada fisicamente ao servidor localizado no Instituto iNCE e os dispositivos periféricos poderão conectar-se ao Arduino sob dois cenários:

Cenário rígido – neste caso, a conexão entre os dispositivos periféricos e os pinos da placa Arduino já estão previamente definidos. Por exemplo, o LED de cor Verde estará sempre ligado ao pino digital 9 da placa Arduino. O servo motor estará sempre conctado ao pino digital 11. Isto é, o usuário não determinará as conexões entre os dispositivos periféricos e a placa Arduino.

4 Ao longo do projeto pretendemos formar uma rede servidores em que determinadas escolas atuariam como multiplicadoras.

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Figura 11

Cenário flexível – neste cenário, o laboratório de acesso remoto com o Arduino contará com um sistema de comutação e multiplexação para que o usuário possa escolher em qual pino da placa Arduino conectará determinado dispositivo periférico.

O laboratório de acesso remoto proposto nesta pesquisa, será inicialmente desenvolvido sob o cenário rígido, onde diversos dispositivos periféricos já estarão conectados ao pinos da placa Arduino. Posteriormente, ao avançar das pesquisas, caminharemos para o desenvolvimento de uma estrutura de comutação e multiplexação que permita ao usuário programar em um cenário mais flexível.

A título de ilustração, um protótipo da segunda solução tecnológica implementada em uma plataforma Windows, pode ser vista em http://146.164.3.24/labvad/acesso.html, onde o usuário poderá acionar remotamente um motor para rotacionar n vezes um tubo de comprimento h contendo uma quantidade m de chumbo de caça provocando um aquecimento ∆θ. Usando os valores para essas quantidades, que seriam medidos e mostrados na tela do computador, o professor ou aluno poderia calcular a equivalência mecânica (4,18 J/Cal) entre a energia ∆E = nmgh, medida em Joules(J), transformada em calor latente ∆Q=mc ∆θ, medida em calorias(Cal), conforme proposto inicialmente por Joule no séc. XVIII.

Meta5: Avaliação sistêmica da intervenção nas escolas parceiras

A intervenção do Projeto UCA na CUCA nas escolas não pode ser analisada de forma independente do que ocorre dentro e fora da sala de aulas nestas escolas como um todo. Assim, faz parte da nossa proposta avaliar diversos aspectos e atores dessas escolas, de acordo com o seguinte planejamento sumário:

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1. Medida Educacional & Avaliação Educacional. Trataremos tanto da medida educacional quanto da avaliação educacional:

a. Por medida educacional entende-se toda observação, de natureza qualitativa ou quantitativa, sobre um constructo (atributo, propriedade, comportamento, atitude, opinião, etc.), que seja reprodutível (confiabilidade) e que guarde uma relação de verdade com aquilo que o constructo representa (validade).

b. Por avaliação educacional entende-se uma tomada de decisão a partir de medidas educacionais e juízos de valor acordados por um processo de negociação.

2. Pontos focais de observação e Avaliação O projeto terá interesse em avaliar os seguintes pontos:

a. Tecnologias da Informação Aplicada à Educação- TIAE a. Ensino-Aprendizagem (Português, Matemática e Ciências) b. Desempenho na realização de atividades, tarefas ou projetos c. Responsabilidade social d. Atitude opinativa, conativa e afetiva

3. Instâncias de avaliação

O projeto procurará fazer um levantamento das escolas (Marco Zero, Raio X) antes de iniciar suas atividades de intervenção e, ao longo das mesmas, serão acompanhados os processos e produtos

a. Marco Zero, Raio X das escolas b. Processos c. Produtos

4. População-alvo. Nossa atenção estará voltada para a população-alvo primária e secundária da escola, gerando quatro unidades de observação: ALUNO, PROFESSOR, GESTOR E PAIS.

5. Instrumentos

Estes serão definidos, adaptados e/ou construídos, após conhecimento mais detalhado das escolas parceiras.

e) PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES CIENTÍFICAS, TECNOLÓGICAS OU DE INOVAÇÃO DA PROPOSTA

a. Contribuições científicas

i. Validação conceitual de todas as propostas.

ii. Avaliação sistêmica e integrada com as demais ações do PROUCA nas escolas parceiras.

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b. Contribuições Tecnológicas

i. Compatibilização do Arduino com o Linux Metasys

ii. Enriquecimento das bibliotecas e rotinas que fazem a ligação entre o Arduino e o sistema operacional Linux PROUCA

iii. Desenvolvimento da linguagem visual (VLP) ProgrameFácil.

iv. Criação de uma biblioteca de componentes para interfaceamento do UCA com outros artefatos tecnológicos.

v. Criação de Kits Didáticos (hardware) de robótica educacional.

c. Inovação (Pedagógica)

i. Repositório de objetos de aprendizagem para uso da robótica em sala de aula.

ii. Modelo 3C para formação de professores na forma de uma pesquisa-ação.

iii. Construção de uma comunidade de prática na web em robótica educacional e no contexto do PROUCA.

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