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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSASETOR DE CINCIAS EXATAS E
NATURAIS
DEPARTAMENTO DE FSICA
HERNANI BATISTA DA CRUZ
CONSTRUO DE TELA INTERATIVA, USANDO CONTROLE DE NINTENDOWII, E
SUA UTILIZAO POR PROFESSORES E ALUNOS DA REDE DE
ENSINO
PONTA GROSSA2016
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HERNANI BATISTA DA CRUZ
CONSTRUO DE TELA INTERATIVA, USANDO CONTROLE DE NINTENDOWII, E
SUA UTILIZAO POR PROFESSORES E ALUNOS DA REDE DE
ENSINO
Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa dePs-Graduao no
Curso de Mestrado Profissional deEnsino de Fsica (MNPEF),
apresentada para obteno dottulo de Mestre em Ensino de Fsica na
UniversidadeEstadual de Ponta Grossa.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antnio Bastos Bernardes.Coorientador:
Prof. Dr. Silvio Luiz Rutz da Silva.
PONTA GROSSA2016
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Ficha Catalogrfica
Elaborada pelo Setor de Tratamento da Informao BICEN/UEPG
C957 Cruz, Hernani Batista da Construo de tela interativa,
usando controle de nintendo WII, esua utilizao por professores e
alunos da rede de ensino/ HernaniBatista da Cruz. Ponta Grossa,
2016.179f.
Dissertao (Mestrado Profissional em Ensino de Fsica - rea de
Concentrao: Fsica na Educao Bsica), Universidade Estadual dePonta
Grossa.Orientador: Prof. Dr. Luiz Antnio Bastos
Bernardes.Coorientador: Prof. Dr. Silvio Luiz Rutz da Silva.
1.Ensino de Fsica. 2.Tela interativa. 3.Caderno
pedaggico.I.Bernardes, Luiz Antnio Bastos. II. Silva, Silvio Luiz
Rutz da. III.Universidade Estadual de Ponta Grossa. Mestrado
Profissional emEnsino de Fsica. IV. T.
CDD: 530.01
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DEDICATRIA
Uma dedicatria em trabalho como este pode ser injusta, pois em
cada fase
da elaborao, dos produtos, ou da prpria Dissertao, houve algum
que
contribuiu para a sua completa elaborao. Mesmo assim, fao as
dedicatrias a
seguir.
A minha famlia que sempre esteve ao meu lado, entendendo
minhas
ausncias e minhas escolhas durante estes dois ltimos anos do
Mestrado.
Ao meu irmo Joo Alexandre que em 2011 apresentou o link do
projeto da
tela interativa com controle de Nintendo Wii.
In memorian Loriz Ziemer Cruz, minha Av, que me auxiliou muito
durante os
ltimos anos.
A Minha Tia Elza, que, durante o ltimo ano e meio, auxiliou de
maneira que
nunca esquecerei em minhas passagens por Jaguariava.
E, de maneira muito especial, ao meu orientador Prof Dr. Luiz
Antnio Bastos
Bernardes, o qual me orienta h anos, passando pela iniciao
cientfica, TCC e
agora o Mestrado, contribuindo muito com seu conhecimento e
sugestes, o meu
muito obrigado.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, pela Vida e suas muitas oportunidades de
crescimento.
minha esposa, pelo seu carinho e apoio.
Ao Professor Silvio Luiz Rutz da Silva, na escolha do tema da
presente
Dissertao.
Aos professores e colegas do MNPEF, pelos ensinamentos e
convivncia.
A minha equipe de trabalho nas disciplinas do MNPEF, Wanderley
Veronez e
Luiz Alberto Clabonde, que, alm de colegas de turma, foram
grandes amigos
durante estes dois anos de Mestrado.
Aos meus ex-alunos do Colgio SESI em Jaguariava que participaram
das
oficinas relacionadas com a Dissertao e aos demais que
participaram em cada
projeto que foram desenvolvidos no Colgio.
No posso deixar de fora o meu amigo e Professor do SENAI Tarcso
Ladera,
que alguns meses depois da realizao da primeira oficina
faleceu.
CAPES, pelo apoio financeiro por meio da bolsa concedida.
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Se cheguei at aqui foi porque me apoiei no ombro de
gigantes.Isaac Newton(1642-1727)
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RESUMO
CRUZ, Hernani Batista da. Construo de tela interativa, usando
controle deNintendo Wii, e sua utilizao por professores e alunos da
rede de ensino.2016, 170 f. Dissertao (Mestrado em Ensino de
Fsica). Universidade Estadual dePonta Gossa, 2016.
De maneira geral, os alunos do Ensino Mdio apresentam
dificuldades em utilizar osprincpios da Fsica para explicar situaes
da vida cotidiana, fenmenos naturais eo funcionamento de aparelhos
tecnolgicos. Na maioria das aulas de Fsica, ocontedo programtico
apresentado atravs do uso de quadro e giz. Algunsassuntos de Fsica
so bastante complexos e abstratos, e, para que o aluno
possacompreend-los, faz-se necessrio algum desenho. De maneira
geral, osprofessores do Ensino Mdio tm uma carga horria grande, e
muitas vezesnecessitam de reproduzir a mesma aula em mais de uma
turma no mesmo dia. Paradiminuir o tempo de elaborao de imagens e
focar na aprendizagem, pode-serecorrer tecnologia disponvel. Um
recurso tecnolgico j presente h alguns anosno Ensino Mdio a tela
interativa. Em grande parte dos colgios usada demaneira parcial,
alm de terem poucas unidades disponveis nos colgios. Destemodo, a
presente Dissertao utilizou como motivao para o uso da tela
interativacom alunos do Ensino Mdio, as discusses de contedos como
ondaseletromagnticas e espectro eletromagntico, diodos e dopagem,
circuitos eltricos,associao em srie e paralelo, e presso em prensas
hidrulicas. Estas discussesforam divididas em duas oficinas. Na
primeira oficina foi construda uma canetaemissora de infravermelho,
a qual foi calibrada com um computador e um controlede Nintendo
Wii. O processo de calibrao a utilizao de um programa queajusta e
determina cada ponto clicado na tela projetada com o computador.
Destemodo, o conjunto (caneta e controle calibrados) tornou-se uma
tela interativa debaixo custo. Na segunda oficina, a tela
interativa construda foi utilizada pelomestrando e alunos do Ensino
Mdio para executar as atividades de um cadernopedaggico de iniciao
em programao e robtica, com algumas aplicaes emFsica (para
explicar, por exemplo, o funcionamento de uma prensa
hidrulicaautomtica). Nas atividades realizadas, para se conseguir
uma aprendizagemeficiente, foi utilizada a teoria
sociointeracionista de Lev Vygotsky e a aprendizagemsignificativa
de David Ausubel.
Palavras-chave: Ensino de Fsica, Tela Interativa, Caderno
Pedaggico.
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ABSTRACT
CRUZ, Hernani Batista da. Interactive screen construction, using
Nintendo Wiicontrol, and its use by teachers and students in the
school network. 2016, 170f. Dissertation (Masters Degree in Physics
Teaching). State University of PontaGrossa, 2016.
In general, the students of High School present difficulties in
using the principles ofPhysics to explain situations of daily life,
natural phenomena and the operation oftechnological devices. In
most physics classes, programmatic content is presentedthrough the
use of chalkboard and chalk. Some subjects of Physics are
quitecomplex and abstract, and in order for the student to
understand them, some drawingis necessary. In general, high school
teachers have a large workload, and often needto play the same
class in more than one class on the same day. To reduce the time
ofimaging and focus on learning, one can draw on available
technology. A technologicalresource already present a few years ago
in High School is the interactive screen. Inmost colleges it is
used in a partial way, in addition to having few units available
incolleges. Thus, the present dissertation used as a motivation for
the use of theinteractive screen with high school students,
discussions of contents such aselectromagnetic waves and
electromagnetic spectrum, diodes and doping, electriccircuits,
serial and parallel association, and pressure in hydraulic presses
. Thesediscussions were divided into two workshops. In the first
workshop was built aninfrared emitting pen, which was calibrated
with a computer and a Nintendo Wiicontroller. The calibration
process is the use of a program that adjusts anddetermines each
point clicked on the projected screen with the computer. In this
way,the set (calibrated pen and control) has become an interactive
low cost screen. In thesecond workshop, the constructed interactive
screen was used by the master's andhigh school students to carry
out the activities of a pedagogical book of initiation
inprogramming and robotics, with some applications in Physics (to
explain, forexample, the operation of a hydraulic press Automatic).
In the activities performed, inorder to achieve an efficient
learning, the socio-interactionist theory of Lev Vygotskyand the
significant learning of David Ausubel was used.
Keywords: Physical education, interactive screen, pedagogical
book.
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Lista de figuras Figura 1: Imagem do aplicativo Open Sankor, que
utilizado para elaborar nota de aula, como a mostrada no centro da
figura . A funo de navegao entre as notas de aula pode ser
observada no lado esquerdo da figura acima. No lado direito pode
ser criado um banco de imagens, vdeos, animaes,
udios..........................................................................................17
Figura 2: Espetro eletromagntico indicando os valores de cada
frequncia e seus comprimentos de
onda..............................................................................................................25Figura
3: Campo eltrico e magntico. Figura adaptada do site
http://www.ufrgs.br/engcart/PDASR/imagem1.JPG. Uma onda
eletromagntica representada por um comprimento do onda
................................................................................................26Figura
4: Um elemento da corda quando uma onda senoidal transversal se
propaga em uma
corda..........................................................................................................................................27Figura
5: Afora na extremidade direita do elemento est dirigida ao longo
de uma reta tangente ao lado direito do
elemento........................................................................................28
Figura 6: Imagem obtida atravs do simulador Bending Light disponvel
no site
phet.colorado.edu......................................................................................................................31Figura
7: Bandas de energia de um isolante, os nveis ocupados so mostrados
em vermelho e os nveis desocupados em cinza
claro.......................................................................................34Figura
8: Bandas de energia de um metal. O nvel mais alto ocupado, chamado
nvel de Fermi, fica perto do meio de uma banda. Como existem nveis
vazios disponveis dentro da banda, os eltrons podem ser
transferidos para estes nveis, e ento o material conduz
correnteeltrica.......................................................................................................................................36Figura
9: Bandas de energia de um semicondutor. Situao semelhante de um
isolante, exceto pelo fato de que nos semicondutores o valor de Eg
muito menor, assim, os eltrons, graas agitao trmica, tm uma
probabilidade razovel de passar para uma banda vazia. 37 Figura 10:
Variao da resistividade com a temperatura para trs condutores. a)
metal; b) supercondutor; c) semicondutor. Figura obtida no Livro
Fsica 3 Eletricidade e Magnetismo pgina 597,
adaptada.................................................................................................................41Figura
11: A densidade de corrente uniforme sobre qualquer seo reta e o
campo eltrico constante ao longo do comprimento. Figura adaptada do
site
http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAesYoAI-31.jpg.......................................................42Figura
12: Esquema mostrando trs resistores ligados em
srie...............................................43 Figura 13:
Representao da resistncia equivalente da Figura
12..........................................44Figura 14: Trs
resistores associados em
paralelo....................................................................45Figura
15: Pilha padro de 3V utilizada para ligar os LEDS durante a
motivao da oficina..53Figura 16: Oficina de construo da caneta
emissora de infravermelho. Explicando como funciona o LED
........................................................................................................................54Figura
17: Circuito constitudo por um LED que emite no amarelo, um boto,
fios de conexoe uma pilha de
3V......................................................................................................................55
Figura 18: Alunas montando o circuito para testar o
LED......................................................56Figura
19: A imagem acima mostra os alunos participantes da oficina,
removendo o contedo de tubos de pincel atmico para uso posterior na
transposio do circuito montado no
protoboard.................................................................................................................................56Figura
20: Foto da oficina de construo da caneta emissora de infravermelho
realizada no Colgio SESI de Jaguariava
PR............................................................................................57
Figura 21: Momento onde o circuito montado por um aluno avaliado
pelo professor.........58
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Figura 22: Com o auxlio do professor do curso de Automao do
SENAI foi mostrado aos alunos como transpor o circuito montando no
protoboard para o interior de um tubo de pincel
atmico......................................................................................................................................59
Figura 23: Primeira verso do Tutorial de construo da tela
interativa, diagramada com
LibreOffice................................................................................................................................60
Figura 24: Distribuio dos alunos participantes na oficina de
utilizao do caderno
pedaggico................................................................................................................................63Figura
25: Imagem do computador de um dos alunos participantes da oficina
de aplicao do caderno
pedaggico...................................................................................................................64Figura
26: Um dos alunos participantes da oficina respondendo uma
atividade proposta no caderno pedaggico para que os demais
participantes verificassem a resoluo.....................64 Figura
27: Ilustrao do layout da sala e da posio do controle de Nintendo
Wii em relao area de
projeo........................................................................................................................68
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SUMRIO
Captulo 1
INTRODUO...............................................................................13
1.1
Motivao........................................................................................................................13
O Ensino de Fsica sempre foi interpretado por muitos como um
desafio difcil, pois requerabstrao dos alunos para a compreenso dos
assuntos e das equaes apresentadas, tendo em vista que estas equaes
representam um modelo mental que explica os fenmenos fsicos e faz
algumas previses sobre o comportamento de partculas, objetos,
etc.............131.2 Objetivos e
hipteses......................................................................................................151.3
Justificativa.....................................................................................................................161.4
Descrio dos
produtos...................................................................................................181.5
Breve resumo dos contedos dos captulos 2, 3, 4, 5 e
6................................................211.6 Descrio dos
anexos......................................................................................................22
Captulo 2 A FSICA DA TELA
INTERATIVA.................................................24
2.1 Espectro
Eletromagntico...............................................................................................242.2
As Equaes de
Maxwell................................................................................................292.2.1
Lei de Gauss para a
eletricidade..................................................................................292.2.2
Lei de Gauss para o
magnetismo.................................................................................292.2.3
Lei de
Ampre-Maxwell..............................................................................................302.2.4
Lei de
Faraday..............................................................................................................302.3
Reflexo e
refrao.........................................................................................................302.4
Conduo de Eletricidade nos
Slidos............................................................................322.4.1
Propriedades Eltricas dos
Slidos..............................................................................322.4.2
Isolantes.......................................................................................................................342.4.3
Metais...........................................................................................................................352.4.4
Semicondutores............................................................................................................372.4.5
Semicondutores
dopados..............................................................................................372.4.6
A juno
p-n.................................................................................................................382.4.7
O diodo Emissor de Luz
(LED)...................................................................................392.7
Corrente e
Resistncia.....................................................................................................392.7.1
Corrente........................................................................................................................402.7.2
Resistividade................................................................................................................412.7.3
Resistncia...................................................................................................................412.8
Associaes de
Resistores...............................................................................................432.8.1
Srie.............................................................................................................................432.8.2
Paralelo.........................................................................................................................44
Captulo 3 REVISO BIBLIOGRFICA E FUNDAMENTAO TERICA. .47
3.1 Reviso
bibliogrfica......................................................................................................473.2
Fundamentao
terica...................................................................................................50
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Captulo 4 CONSTRUO E CALIBRAO DE UMA TELA INTERATIVA COM
CONTROLE DE NINTENDO
Wii.........................................................53
4.1 Procedimento
experimental.............................................................................................534.2
Descrio do
Tutorial......................................................................................................60
Captulo 5 APLICAO DA TELA INTERATIVA NO ENSINO DE ROBTICAE
PROGRAMAO, COM APLICAES DE FSICA, PARA ALUNOS DA PRIMEIRA SRIE DO
ENSINO MDIO, NO COLGIO SESI DE JAGUARIAVA
PR........................................................................................62
Captulo 6 RESULTADOS E
DISCUSSO.....................................................66
REFERNCIAS................................................................................................70
Anexo A Tutorial Tela interativa com controle de Nintendo
Wii.............74
Anexo B Caderno Pedaggico Iniciao em robtica e programao com
algumas aplicaes em
Fsica..........................................................122
Anexo C Trabalho apresentado no IV Simpsio Nacional de Ensino de
Cincias e
Tecnologia..................................................................................161
Anexo D Trabalho apresentado na XVIII Semana de Fsica e I
Simpsio de Pesquisa e Ensino de Fsica dos Campos
Gerais...............................168
Anexo E Resumo Expandido enviado para o 14 CONEX -
UEPG..........170
Anexo F Resumo enviado e aceito no 2
WCPE.......................................177
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13
Captulo 1 INTRODUO
1.1 Motivao
O Ensino de Fsica sempre foi interpretado por muitos como um
desafio difcil,
pois requer abstrao dos alunos para a compreenso dos assuntos e
das equaes
apresentadas, tendo em vista que estas equaes representam um
modelo mental
que explica os fenmenos fsicos e faz algumas previses sobre o
comportamento
de partculas, objetos, etc.
Entretanto, muitas vezes os alunos so submetidos apenas a uma
abordagem
terica. Ainda que benfica para alguns, mas no motiva os alunos
que no
compreenderam os conceitos. Da mesma forma, muitos alunos
apresentam
dificuldade em fazer uma ligao com a realidade dos fenmenos
naturais, das
situaes cotidianas e dos aparelhos tecnolgicos.
Outra situao que muito frequente nos colgios a falta de um
Laboratrio
de Fsica, onde o aluno possa testar o conhecimento obtido
teoricamente, fazendo
suas prprias descobertas.
Durante as aulas, professores j contam com algumas TICs
(Tecnologias da
Informao e Comunicao) como projetores multimdia, TV pendrive,
entre outros
equipamentos. No entanto, esses aparelhos geralmente so
utilizados apenas como
meios para ministrar aulas expositivas com contedos que muitas
vezes no
permitem que o aluno possa fazer o que a cincia nos proporciona
todos os dias, ou
seja, essas aulas no possibilitam aos alunos a observao dos
fenmenos naturais
e a elaborao de modelos para explic-los de tal modo que eles
possam descobrir
como estes fenmenos ocorrem e possam sentir a mesma emoo que os
fsicos
tiveram quando estavam trabalhando em suas teorias.
A utilizao de recursos como quadro e giz apresenta algumas
limitaes
como, por exemplo, um desenho sobre o campo eltrico que o
professor utilize num
primeiro momento em sua aula permanece sempre em exibio. Desse
modo, esse
desenho ocupa um espao no quadro que poderia ser utilizado para
outros
exemplos ou atividades. Por outro lado, quando o professor faz a
sntese
-
14
integradora, podem surgir dvidas sobre uma figura, ou a equao
apresentada no
incio da aula, mas j apagadas do quadro.
Uma alternativa falta de laboratrio e s dvidas que os alunos
possam
apresentar a utilizao de recursos didticos que sejam utilizados
em ensino, os
quais permitam que o professor possa retornar ao ponto em que
houve a dvida,
inserindo, por exemplo, imagens e vdeos que contribuam para a
melhor
compreenso do contedo apresentado. A tela interativa um desses
recursos e
considerado uma TIC.
A maioria das escolas particulares e parte das escolas pblicas,
no Estado do
Paran, j possuem um exemplar desse equipamento. No entanto,
pouco utilizado.
O pouco uso pode ser atribudo ao medo inicial que o recurso
desperta no professor,
pois torna uma simples superfcie branca em um ambiente em que
ele pode
adicionar e remover objetos, escrever como um quadro de giz,
fazer recortes de uma
cena de filme, quando nela est presente um conceito que est
sendo tratado em
aula e precisa ser mais bem explorado.
Essa ferramenta permite ao professor construir ao longo do tempo
um
material didtico de suas aulas que estar sempre em constante
evoluo. Cada
nova descoberta da cincia pode ser incorporada ao seu caderno de
anotaes
digital. Dessa maneira, o material utilizado na aula estar
sempre em construo, e
atualizado com as novas descobertas, alm de permitir que o
professor possa
retornar pginas e esclarecer eventuais dvidas que os alunos
venham a
demonstrar. Alm disso, o professor pode explorar dvidas surgidas
em uma turma,
incorporando-as em suas notas de aula digitais e usando-as como
questes de
motivao em aulas para outras turmas.
A tela interativa tambm pode ser usada como uma extenso de
nosso
computador e mos, assim como o mouse. Desse modo, ela pode ser
usada
facilmente como grande aliada na realizao de tarefas cotidianas
tais como
elaborao de textos, edio de imagens e navegao na internet. Por
outro lado, o
uso da tela interativa permite que o professor esteja em frente
aos alunos, e no
escondido atrs de um monitor, e pode tornar a sua interao com a
turma bem mais
dinmica e proveitosa.
-
15
Tendo em vista o que foi apresentado nos pargrafos anteriores, a
seguir
sero apresentados os problemas que motivaram a escolha desta
dissertao de
Mestrado Profissional em Ensino de Fsica.
1.2 Objetivos e hipteses
De maneira geral, quando estamos bem familiarizados com algum
dispositivo,
por exemplo, celular, projetor ou computador, nosso desempenho
torna-se muito
mais fcil e com resultados mais rpidos. O uso se torna mais
eficiente se
estivermos mais familiarizados com sua aplicabilidade. A tela
interativa um recurso
relativamente novo disponvel na educao. Professores das mais
diversas reas
demonstram receio na sua utilizao. Desse modo, comum observar
que, para a
maioria dos professores, a tela interativa torna-se apenas uma
ferramenta para
passar apresentaes de Slide; ou melhor, todas as possibilidades
de uso da tela
interativa para tornar a aula mais dinmica e produtiva no so
exploradas.
Em face dessas consideraes, podemos elencar os seguintes
problemas:
A construo e calibrao de uma tela interativa, como tema gerador
pode
contribuir para o processo de aprendizagem de alunos do Ensino
Mdio, alm
de torn-los mais motivados e participativos nas aulas?
A utilizao da tela interativa pelos professores em suas aulas
pode contribuir
para tornar o processo de aprendizagem dos alunos mais eficiente
e
significativo?
Ao tentar solucionar os problemas apresentados, os seguintes
objetivos foram
traados para a presente Dissertao:
Construir e utilizar a tela interativa de baixo custo pode ser
um agente
facilitador da abordagem sociointeracionista associada
aprendizagem
significativa no Ensino de Fsica;
Usar recursos tecnolgicos como tema gerador pode auxiliar na
aquisio e
apropriao de novos conhecimentos por parte do aprendiz.
As hipteses que foram testadas atravs dos dois produtos desta
Dissertao
(o tutorial e o caderno pedaggico) foram as seguintes:
O uso da tela interativa pode ser um agente facilitador da
abordagem
sociointeracionista associada aprendizagem significativa no
ensino de
fsica;
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16
O uso de recursos tecnolgicos pode auxiliar na aquisio e
apropriao de
novos conhecimentos por parte do aprendiz.
1.3 Justificativa
Em muitos Colgios, j existe uma tela interativa mas, na grande
maioria das
vezes, ela no utilizada ou utilizada apenas para apresentar
Slide porque o
professor no conhece todas as possibilidades de uso deste tipo
de tela.
Usando uma tela interativa, com o auxlio de um projetor e uma
superfcie lisa
para projeo, o professor e/o aluno podem interagir facilmente
com a imagem
projetada. Essa interao pode ser realizada atravs de um
aplicativo que simula um
quadro branco (aplicativo Open Sankor) e que permite fazer
anotaes sobre uma
imagem congelada de um vdeo. Dessa maneira, o professor pode
realizar
demonstraes e explicaes ao lado. O vdeo, as demonstraes e
explicaes
podero ser visualizadas pelos alunos atravs da tela interativa.
O professor
tambm pode anotar as perguntas e respostas feitas pelos alunos.
Tudo que tiver
sido escrito poder ser arquivado pelo professor e utilizado em
outras aulas. A
Figura 1 abaixo mostra uma tela do aplicativo Open Sankor, o
qual permite que as
notas de aula possam ser salvas, alm de editadas, e, conforme a
necessidade,
pode-se realizar vrias inseres de contedo para tonar as notas de
aula mais
atualizadas e interessantes. Atravs desse mesmo aplicativo
pode-se navegar entre
as pginas geradas.
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17
Figura 1: Imagem do aplicativo Open Sankor, que utilizado para
elaborar nota de aula, como a mostrada no centro da figura . A funo
de navegao entre as notas de aula pode serobservada no lado
esquerdo da figura acima. No lado direito pode ser criado um banco
de imagens, vdeos, animaes, udios.
A tela interativa construda, calibrada e utilizada na presente
dissertao est
baseada no projeto de Johnny Chung Lee. Nesse projeto, a tela
interativa formada
por uma caneta emissora de infravermelho, um controle de
Nintendo Wii e um
projetor multimdia. Alm disso, o projeto utiliza uma biblioteca
(.dll) para que o
controle de Nintendo Wii seja reconhecido pelo computador com
sistema
operacional Windows, e um software intitulado WiimoteWhiteboard
que permite
realizar a calibrao da tela, disponvel no site
, acesso em 18 mar.
2016.
A construo da caneta emissora de infravermelho, apesar de ser
simples
para quem tem familiaridade com as aplicaes da eletrnica,
torna-se difcil para
muitos professores e alunos do Ensino Mdio. Tendo em vista a
dificuldade desses
professores e alunos, foi elaborado um tutorial que mostra
detalhadamente como
construir e instalar a tela interativa. Esse tutorial o primeiro
produto da presente
Dissertao. Tambm foi elaborado um caderno pedaggico, com
atividades de uma
oficina sobre iniciao programao e robtica, com algumas aplicaes
destes
temas em Fsica. Essas atividades, alm de testarem as hipteses da
presente
-
18
dissertao, apresentam maneiras simples e criativas de usar a
tela interativa com
alunos do Ensino Mdio.
No pargrafo seguinte, sero descritos os produtos da presente
dissertao.
1.4 Descrio dos produtos
Os produtos desenvolvidos durante o Mestrado Nacional
Profissional em
Ensino de Fsica so um caderno pedaggico intitulado Iniciao em
Robtica eProgramao, com algumas aplicaes em Fsica e o Tutorial Tela
Interativacom controle do Nintendo Wii.
Cada captulo do caderno pedaggico inicia com um texto e um link
para
vdeo o qual apresenta uma motivao para o estudo daquele
captulo.
O caderno pedaggico foi elaborado para testar a utilizao da tela
interativa
construda e calibrada pelos alunos, com o uso do Tutorial. Esse
caderno tem vrias
ilustraes, tais como charges e figuras, as quais ilustram seus
contedos. Em cada
captulo, os alunos devem responder no caderno pedaggico a
resposta adequada
atividade proposta. Tambm h atividades que os alunos devem
resolver utilizando a
tela interativa. Em seguida, eles retornam ao caderno pedaggico
e, no campo
adequado, elaboram um texto em que comparam a realizao da
atividade no
caderno pedaggico com a elaborao da atividade na tela
interativa.
O primeiro captulo do caderno pedaggico trata de algoritmos.
Neste
captulo, os alunos so convidados a solucionar vrias questes de
lgica. Em
seguida, h um captulo em que os alunos so motivados a calcular,
com o auxlio
do BASIC 256, a distncia entre a Terra e o Sol. Para isso,
fornecido alguns dados
para que os alunos encontrem a distncia entre Terra e o Sol.
Assim, usando a
velocidade da Luz (3 x 10 m/s) e o tempo gasto para a Luz chegar
Terra
(aproximadamente 8,3 minutos), os alunos tm condies de obter o
valor da
distncia entre a Terra e o Sol.
Para encontrar o valor da distncia entre a Terra e o Sol, foi
necessrio que
eles elaborassem um algoritmo que transformava o valor de 8,3
minutos em
segundos. Na sequncia, atravs do uso de variveis, e com base na
equao para
obteno da velocidade
v= dt,
-
19
e isolando d na equao acima, os alunos obtm o valor da distncia
entre a Terra
e o Sol, que
d=v . t .
Em um outro captulo, um dos cuidados na elaborao das atividades
deste
caderno pedaggico,Iniciao em Programao e Robtica, com
algumas
aplicaes em Fsica, fazer com que os alunos sejam colocados na
situao de
engenheiros, buscando soluo para proteo de operadores de
mquinas. Alguns
alunos do Colgio SESI de Jaguariava-PR (onde foi aplicado o
caderno didtico)
tm membros na famlia que j sofreram acidente em uma das empresas
da cidade.
A cidade possui uma grande quantidade de empresas madeireiras, e
estas utilizam
ferramentas de corte. Infelizmente, muitos funcionrios destas
empresas sofrem
acidentes. Aproveitando esta situao, foi proposta no caderno
pedaggico uma
atividade em que os alunos pudessem vivenciar uma situao de
empresa
madeireira. Nessa atividade eles seriam os responsveis por
desenvolver e
implementar a programao de um dispositivo simulando uma prensa
hidrulica e a
segurana do usurio do equipamento, o que dependeria da correta
programao
dos sensores.
O kit de programao da LEGO apresenta uma grande quantidade
de
sensores. No caderno pedaggico, os alunos devem construir e
programar, com
auxlio do NXT LEGO, um sistema que controle um motor atravs do
acionamento
de alguns sensores.
Na elaborao desta atividade, inicialmente os alunos escrevem um
algoritmo
que permita que o motor s comece a girar aps ser apertado um
sensor de toque.
Em seguida, o motor s pode iniciar o movimento quando dois
sensores de toque
sejam pressionados simultaneamente. Para terminar a atividade,
um terceiro sensor
adicionado ao sistema, o sensor ultrassnico, responsvel por
medir a distncia
entre o aluno e o motor.
Os contedos que so utilizados no caderno pedaggico vo desde
conceitos
de matemtica bsica, como ordem de operaes, at clculos
computacionais
sobre astronomia, presso, fora e utilizao de sensor ultrassnico
para obter
distncias.
-
20
O segundo produto o Tutorial Tela Interativa com controle do
Nintendo
Wii. Nesse tutorial so abordados os conhecimentos prvios de
Fsica
necessrios para entender e efetuar a montagem da caneta emissora
de
infravermelho e, tambm, descrito detalhadamente o processo de
montagem e
calibrao desta caneta.
O captulo de introduo do tutorial explica o funcionamento dos
componentes
necessrios para montagem do circuito, como por exemplo, o
protoboard. Nessa
etapa, a partir de uma imagem do equipamento, mostrado como esto
divididas as
suas trilhas para conexo dos componentes eletrnicos. Em seguida,
necessrio
explicar a associao de resistores. Isto muito importante, pois
uma pessoa que
queira reproduzir a montagem da caneta pode enfrentar alguma
dificuldade na hora
de encontrar os resistores adequados. Para isso, so apresentados
o diagrama e as
propriedades de associao em srie e paralelo, bem como a equao
para
obteno da resistncia equivalente. Outro componente importante o
LED. Um
LED comum de emisso de infravermelho possui uma tenso de
trabalho entre 1,2 a
1,5V. Para o funcionamento pode-se utilizar tanto uma pilha AAA
de 1,5V como uma
pilha de controle remoto que possui 12V. Para a montagem com a
pilha de 1,5V no
h necessidade de associar um resistor em srie com o circuito,
porm caso seja
feito a escolha por alimentar o circuito com uma pilha de 12V,
um resistor adequado
deve ser ligado em srie com o LED. O valor do resistor pode ser
obtido atravs da
relao:
R=V entradaV LED
Imax
em que,
Ventrada o valor da tenso da pilha (12 V);
VLED o valor de tenso que consumida pelo LED (1,5V);
Imax a corrente mxima que o LED necessita (60mA).
Com os dados acima, o resistor (R) apropriado que deve ser
inserido em srie
com o LED igual a 175. Buscando nos valores tabelados de
resistores, podemos
verificar que os valores comerciais ficam entre 160 e 180.
O captulo 2 do Tutorial foi dedicado a apresentar os
equipamentos
necessrios para o processo de soldar os componentes
eletrnicos.
-
21
No captulo 3, inicia-se o processo de montagem do circuito no
protoboard.
Foi utilizado o programa Fritzing.
A transposio do circuito montado no captulo 3 mostrada no
captulo 4.
Cada etapa da montagem da caneta emissora de infravermelho
acompanhada de
uma fotografia que ilustra o procedimento que necessita ser
realizado.
No captulo 5 o usurio do Tutorial encontra os arquivos para
download,
necessrios para a configurao do computador com o controle de
Nintendo Wii e
os procedimentos para instalao dos arquivos de calibrao.
Os contedos necessrios para compreender a Fsica envolvida na
Tela
Interativa so os seguintes: espectro eletromagntico, Equaes de
Maxwell, Lei de
Gauss, Lei de Gauss para o magnetismo, Lei de Ampre, Lei de
Faraday, Reflexo e
refrao, Conduo de Eletricidade nos Slidos, Propriedades Eltricas
dos Slidos,
Isolantes, Metais, Semicondutores, Semicondutores dopados, A
juno p-n, Diodo
Emissor de Luz (LED), Corrente e Resistncia, Corrente,
Resistividade, Resistncia,
Associaes de Resistores, Srie, Paralelo. Estes contedos sero
tratados no
Captulo 2 da presente dissertao.
No item seguinte, ser apresentado um breve resumo dos contedos
dos
captulos restantes da presente Dissertao.
1.5 Breve resumo dos contedos dos captulos 2, 3, 4, 5 e 6
O captulo 2 apresenta a reviso bibliogrfica e a fundamentao
terica da
Dissertao.
O captulo 3 descreve a metodologia e o procedimento experimental
utilizado
na construo e calibrao da tela interativa.
O captulo 4 aborda a aplicao do caderno pedaggico Iniciao em
Robtica e Programao, com aplicaes em Fsica. O caderno foi
utilizado durante
o perodo de 4 tardes, duas em novembro e duas tardes em dezembro
de 2015, em
uma oficina para alunos do Ensino Mdio, no Colgio SESI de
Jaguariava-PR.
No captulo 5, so apresentados os resultados obtidos, tanto na
construo e
calibrao da caneta emissora de infravermelho, como na aplicao do
caderno
pedaggico com alunos do Colgio SESI de Jaguariava.
No captulo 6, esto as discusses dos resultados e a concluso.
-
22
1.6 Descrio dos anexos
Da presente Dissertao constam 6 anexos. A seguir ser apresentado
um
pequeno resumo de cada Anexo.
Anexo A Tutorial Tela interativa com controle de Nintendo Wii,
foi
inicialmente diagramada com o auxlio do aplicativo Libre Office
5.0 e finalizado com
o aplicativo Scribus 1.4.2. Logo no captulo Introduo, foi
necessrio a utilizao
do aplicativo Fritzing (disponvel para download pelo link
http://fritzing.org/home/).
Atravs deste aplicativo foram geradas as imagens do protoboard e
as conexes
necessrias para realizar a montagem de um LED infravermelho, um
boto de
clique, fios de conexo e uma pilha. Ainda no mesmo captulo, foi
utilizado o
aplicativo Oregano 0.7 para montar os diagramas de associaes de
resistores em
srie e paralelo.
Anexo B - Caderno Pedaggico Iniciao em robtica e programao
com
algumas aplicaes em Fsica. Diagramado inicialmente com o uso do
Libre Office
5.0 (disponvel para download no site
https://pt-br.libreoffice.org/) e finalizado no
aplicativo Scribus 1.4.2 Open Source (disponvel para download no
site
https://www.scribus.net/). Outro aplicativo utilizado para
realizar os recortes
necessrios nas imagens foi o aplicativo Gimp (disponvel para
download no link
https://www.gimp.org/). No captulo Estruturas de programao foi
necessirio a
utilizao do aplicativo Basic 256 (disponvel para download atravs
do link
http://www.basic256.org/index_en), necessrio para apresentar o
conceito de
variveis, e mtodo de execuo de um algoritmo. No captulo
Estruturas de
repetio fez-se necessrio a utilizao do aplicativo MINDSTORMS NXT
2.0
(disponvel atravs do link
http://www.lego.com/en-us/mindstorms/downloads/nxt-
software-download), necessrio para a programao do Lego
Mindstorms. Neste
aplicativo foi efetuado a programao para simulao de uma prensa
hidrulica, e na
qual o movimento do motor s poderia ser efetuado, caso as
condies de
segurana que foram apresentados no problema sugerido fossem
atendidos.
Anexo C - Neste anexo est um artigo completo publicado nos anais
do
SINECT (IV Simpsio Nacional de Ensino de Cincias e Tecnologia)
2014 -
CONSTRUO DE UMA TELA INTERATIVA DE BAIXO CUSTO USANDO
CONTROLE DO NINTENDO WII E A FICIENCIAS 2013, que aconteceu
entre os
-
23
dias 27 e 29 de 2014, na UTFPR (Universidade Tecnolgica Federal
do Paran) de
Ponta Grossa. Pode ser acessado atravs do link
. Para a participao neste evento, foi elaborado um artigo,
apresentando os resultados obtidos com 3 alunas do Colgio
Estadual Jlio
Teodorico e a Professora delas, na II FiCincias (A Feira de
Inovao das Cincias e
Engenharias).
Anexo D No ano de 2015 foi apresentado um Pster na Semana da
Fsica
da UEPG. Neste Pster foram mostrados os resultados de um
trabalho realizado
com 3 alunas do Colgio Jlio Teodorico em Ponta Grossa - PR, bem
como as
atividades que estavam sendo desenvolvidas da aplicao dos
produtos da presente
dissertao no Colgio SESI em Jaguariava-PR.
Anexo E Resumo expandido publicado nos anais do CONEX 14,
realizado
na UEPG em 2016. Neste evento de extenso foram apresentados os
resultados da
relao entre as atividades da presente Dissertao e o Projeto de
Extenso Fsica-
da Universidade Comunidade.
Anexo F Em maio de 2016, foi enviado um Resumo da apresentao
oral
para o 2WCPE - 2nd World Conference on Physics Education,
realizado em So
Paulo entre os dias 10 e 15 de Julho de 2016. A apresentao oral
dos resultados da
presente Dissertao foi realizada neste evento em 11 de Julho de
2016.
No captulo a seguir, ser apresentada a Fsica presente na tela
interativa.
-
24
Captulo 2 A FSICA DA TELA INTERATIVA
2.1 Espectro Eletromagntico
Hoje em dia comum trocarmos o canal da TV atravs do auxlio de
um
controle remoto. Mas j teve a curiosidade de observar o LED
(sigla em ingls que
significa Light Emitting Diode e em portugus Diodo emissor de
Luz) do controle
remoto? Quando voc pressiona um boto correspondente a um canal,
qual a
cor emitida pelo LED?
O controle remoto um dispositivo que fascina muito, pois, quando
trocamos
um canal, ou apertamos algum boto referente ao volume ou
configuraes, no
vemos o LED acender com alguma cor visvel. Como veremos adiante,
existem
cores que podemos visualizar, ou seja, que dentro do espectro
eletromagntico
esto dentro da regio do visvel. Tambm vamos ver, por exemplo,
que a Luz,
ondas de rdio e ondas usadas na comunicao por celular so tipos
de ondas
eletromagnticas. Cada uma tem uma frequncia bem definida, e isto
faz com que
algumas estejam dentro da faixa do visvel.
No presente tpico, baseado nos contedos de Halliday, Resnick e
Walker
(2009, v. 3), tem por objetivo apresentar o que um espectro
eletromagntico e a
Fsica que explica o comportamento de ondas eletromagnticas.
Foi James Clerk Maxwell que mostrou que um raio luminoso uma
onda
progressiva de campos magnticos, e que a ptica, o estudo da luz
visvel, um
ramo do eletromagnetismo.
Na poca de Maxwell a luz visvel e as radiaes infravermelha e
ultravioleta
eram as nicas ondas eletromagnticas conhecidas. Atravs das
previses de
Maxwell, Heinrich Hertz descobriu o que chamamos hoje de ondas
de rdio, e que
estas ondas tambm se propagam com a velocidade igual das ondas
de luz
visvel.
Hoje conhecemos um espectro muito amplo denominado espectro
eletromagntico, como o apresentado na Figura 2 abaixo.
-
25
Figura 2: Espetro eletromagntico indicando os valores de cada
frequncia e seus comprimentos de onda.
Fontes de ondas eletromagnticas esto presentes em todas os
ambientes
que estamos. Temos o Sol como uma grande fonte de ondas
eletromagnticas.
Algumas so muito importantes para o nosso organismo (realizando
sntese, por
exemplo, de vitamina D), outros comprimentos de ondas so
fundamentais para
produo de energia (atravs de efeito fotoeltrico) ou para as
vrias modernas
tecnologias de informao e comunicao.
Todas as ondas eletromagnticas, incluindo a Luz visvel, se
propagam no
vcuo com a mesma velocidade c, dada pela equao 1:
c= 10 0 (1),
em que
0 = permeabilidade do vcuo e
0 = Permissividade do vcuo.
-
26
Uma onda eletromagntica formada por campos eltricos e
magnticos
variveis. Uma onda eletromagntica se propagando na direo do eixo
x possui um
campo eltrico E e um campo magntico B. Seus mdulos dependem de x
e t:
E=Em sen (kxt ) (2),
B=Bm sen (kx t) (3).
onde Em e Bm so as amplitudes dos campos e, e so a frequncia
angular e o
nmero de onda, respectivamente.
A velocidade c e as amplitudes de propagao dos campos eltrico
e
magntico esto relacionados atravs da equao:EmBm
=c (4).
A Figura 3 mostra os vetores campo eltrico e campo magntico em
um
instantneo da onda tomando em um certo momento.
Quando uma onda passa por elemento de uma corda esticada, o
elemento se
movimenta perpendicularmente direo de propagao da onda. Ao
aplicar a
segunda lei de Newton ao movimento deste elemento, podemos
encontrar uma
equao diferencial geral, chamada de equao de onda, que governa
a
propagao de ondas de qualquer tipo. A Figura 4, abaixo, mostra
um instantneo
Figura 3: Campo eltrico e magntico. Figura adaptada do
sitehttp://www.ufrgs.br/engcart/PDASR/imagem1.JPG. Uma onda
eletromagnticarepresentada por um comprimento do onda .
-
27
de um elemento de corda dm e comprimento l quando uma onda se
propaga em
uma corda.
Aplicando a segunda lei de Newton s componentes y (Fres,y =
may), obtemos:F2 yF1 y=dm .ay (5).
Observando a equao (5), podemos analisar os seguintes dados:
A massa dm do elemento da corda, pode ser escrita em termos da
massa
especfica da corda e do comprimento l como dm = l. Como a anda
ao
passar pela corda provoca uma pequena elevao em y, ento l
dx,
conforme observamos na Figura 5, temos:
dm= dx (6).
A acelerao ay a derivada segunda do deslocamento y em relao
ao
tempo:
a y=d2 ydt
(7).
Na Figura 5, podemos verificar que a fora F2 tangente corda
na
extremidade direita do elemento. Assim podemos relacionar as
componentes
da fora inclinao atravs da seguinte relao:F2 yF2x
=S2 (8).
Figura 4: Um elemento da corda quando uma ondasenoidal
transversal se propaga em uma corda.
-
28
Podemos obter o mdulo de F2 (=):
F=F2x2 +F2 y2 (9),ou
=F2x2 +F2 y2 (10).Mas, estamos supondo que F2y
-
29
d (dy /dx)dx
= .d2 y
dt 2(18),
d2 y
dx2=
.d2 y
dt2(19).
Finalmente, como v= /
d2 y
dx2= 1v2. d
2 y
dt2(20).
A equao diferencial geral (20) governa a propagao de ondas de
todos os
tipos.
2.2 As Equaes de Maxwell
De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, v. 3), no foi
Maxwell que
obteve todas as equaes, no entanto, foi ele que percebeu a relao
entre elas,
usando-as para obter a equao de uma onda eletromagntica. Ele
tambm mostrou
que a Luz uma onda eletromagntica.
As equaes so as apresentadas nos subtpicos abaixo.
2.2.1 Lei de Gauss para a eletricidade
E .d A=Q0 (21)E o campo eltrico gerado por uma fonte que esteja
no interior de uma
regio delimitada por uma rea A ou fora dela. O lado esquerdo da
Eq. 21 o fluxo
eltrico E que atravessa a regio de rea A. A a rea de uma
superfcie fechada,
denominada superfcie Gaussiana. Do lado direito da Eq. 21, a
varivel Q a
quantidade de carga eltrica total que se encontra no interior da
regio de rea A e
0 a permissividade no vcuo e seu valor o8,854187817 x1012C2N1m2
.
2.2.2 Lei de Gauss para o magnetismo
B .d A=0 (22)A Lei de Gauss para o magnetismo diz que o fluxo do
campo magntico
atravs de uma superfcie fechada nulo. Isto , as linhas de fora
do campo
magntico B so fechadas, e, portanto, no existe monopolo
magntico.
-
30
2.2.3 Lei de Ampre-Maxwell
B.d l=0(ic+0d Edt
) (23)
O lado esquerdo da Eq. 23 uma integral de linha, ao longo de um
circuito
fechado. A lei de Ampre-Maxwell leva a duas consideraes
importantes: a primeira
que um campo magntico pode ser gerado atravs de uma corrente de
conduo
ic, e, a segunda que um campo eltrico que varie com o tempo
tambm uma
fonte de campo magntico.
2.2.4 Lei de Faraday
E .d l=(dBdt ) (24)
Pela Eq. 24, pode-se verificar que a variao de um campo magntico
(lado
direito da Eq.24) produz um campo eltrico.
2.3 Reflexo e refrao
Que fenmeno fsico devemos utilizar para posicionar o controle de
Nintendo
Wii?
Antes de mais nada, vamos compreender o que reflexo e
refrao.
Reflexo o fenmeno que permite que a Luz, aps incidir sobre
uma
superfcie de separao entre dois meios, volte a se propagar no
meio de origem.
Vamos chamar o raio que est atingindo a superfcie separadora
como raio
incidente, e de raio refletido a Luz que volta a se propagar no
mesmo meio.
De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, v 4),
considerando a luz
emitida por uma fonte luminosa, sua radiao eletromagntica
emitida em todas as
direes radialmente em relao ao ponto de emisso. Escolhendo um
nico raio
emitido por esta fonte luminosa, podemos ver que o ngulo do raio
incidente igual
ao ngulo do raio refletido. Na Figura 6 abaixo podemos verificar
os ngulos
incidentes e refletidos.
-
31
Desse modo,
i=R (25),
em que
i ngulo incidente,
R ngulo refletido.
O raio incidente o feixe de Luz que est sendo emitido pelo
laser, e o raio
refletido o feixe de Luz que est sendo desviado em relao normal.
Na reflexo,
tanto a frequncia quanto a velocidade de propagao da onda so
conservadas
O conceito de reflexo importante para o produto desta dissertao,
pois,
atravs dele, escolhido o local apropriado para que o controle de
Nintendo Wii
seja posicionado.
J o fenmeno da refrao quando a Luz passa de um meio para
outro.
Nesta situao, a frequncia conservada, porm, ocorre uma mudana
na
velocidade da Luz durante a passagem no meio. Quando a Luz passa
de um meio
com ndice de refrao n1 para um outro meio n2, podemos relacionar
o
comportamento da Luz atravs da Lei de Snell:
Figura 6: Imagem obtida atravs do simulador Bending Light
disponvel nosite phet.colorado.edu.
-
32
n1 sen1=n2 sen2 (26).
O ndice de refrao pode ser obtido atravs da relao:
n= cv(27),
em que
n ndice de refrao;
v velocidade da Luz no meio material;
c velocidade da Luz no vcuo, c = 3x10m/s.
2.4 Conduo de Eletricidade nos Slidos
Quais so os mecanismos que permitem a conduo de
eletricidade?
O que so materiais isolantes, condutores e semicondutores?
O que diferencia um isolante de um semicondutor?
O que e como funciona um LED?
2.4.1 Propriedades Eltricas dos Slidos
Os contedos do tpico 2.4 esto baseados em Halliday, Resnick,
Walker
(2009, v.3).
Vamos abordar apenas slidos cristalinos, ou seja, slidos que
apresentam
uma disposio peridica tridimensional conhecida como rede
cristalina.Do ponto de vista eltrico, podemos classificar os slidos
de acordo com trs
propriedades bsicas:
1. A resistividade temperatura ambiente, cuja unidade no SI o
ohm-metro(.m).
2. O coeficiente de temperatura da resistividade , definido
atravs da
relao =1d dT
, cuja unidade no SI o inverso do Kelvin (K )
representado pela varivel T.
3. A concentrao de portadores de carga n, definida como o nmero
deportadores de carga por unidade de volume, cuja unidade no SI o
inverso
do metro cbico (m ). Medindo as resistividades de diferentes
materiais temperatura ambiente,
podemos verificar que existem alguns materiais, chamados de
isolantes, que, para
-
33
todos os efeitos prticos, no conduzem eletricidade. Um exemplo
de material
isolante o diamante, que possui uma resistividade de 1024 vezes
maior que a do
cobre.
Com isso, podemos usar as medidas de , e n para dividir os
materiais que
no so isolantes em duas categorias principais: metais e
semicondutores. Ossemicondutores possuem uma resistividade bem
maior que a dos metais. O
coeficiente de temperatura de resistividade dos semicondutores
negativo e maior
que o dos metais, enquanto o dos metais positivo. Em outras
palavras, a
resistividade de um semicondutor diminui quando a temperatura
aumenta, enquantoa dos metais aumenta quando a temperatura aumenta.
A seguir, na Tabela 1, somostradas algumas propriedades eltricas de
dois materiais, cobre e silcio. O
primeiro um metal e o segundo um semicondutor.
Tabela 1 Algumas propriedades Eltricas de dois Materiais
MaterialPropriedade Unidade Cobre SilcioTipo de condutor Metal
SemicondutorResistividade, .m 2 x 10-8 3 x 10Coeficiente de
temperatura da resistividade,
k +4 x 10-3 -70 x 10-3
Concentrao de portadores de carga, n m 9 x 10 1 x 1016
2.4.2 Isolantes
Dizemos que um material isolante quando a corrente eltrica nula
mesmo
quando aplicamos uma diferena de potencial s extremidades de um
bloco feito do
material. Em um isolante a banda de maior energia que contm
eltrons est
totalmente ocupada e o princpio de excluso de Pauli impede que
eltrons sejam
transferidos para nveis j ocupados. A Figura 7 mostra a diferena
as bandas de
energia de dois materiais, um isolante e outro metal. Podemos
observar que no
material isolante, entre a ltima banda ocupada e a primeira
banda livre, existe uma
-
34
regio proibida. J para um metal, existe uma regio com nveis que
podem ser
ocupados na banda de conduo.
Figura 7: Bandas de energia de um isolante, os nveisocupados so
mostrados em vermelho e os nveis
desocupados em cinza claro.
Podemos estimar a probabilidade de que, temperatura ambiente
(300K), um
eltron da extremidade superior da ltima banda ocupada do
diamante (um isolante)
passe para a extremidade inferior da primeira banda desocupada,
separada da
primeira por uma energia Eg. Para o diamante, Eg= 5,5eV.
Para realizarmos esta estimativa, vamos utilizar a equao:
N xN 0
=e(E xE 0)/ kT
Figura 7: Eq. 18,
em que, Nx a populao de tomos do nvel de energia Ex, N0 a
populao do
nvel E0.. Os tomos fazem parte de um sistema em equilbrio trmico
temperatura
T (em Kelvins); k a constante de Boltzmann (8,2 x 10 eV/K). A
ideia fundamental encontrar a probabilidade aproximada P de que um
eltron em um isolante
transponha a barreira de energia Ex E0 igual a Eg. Suponhamos
ento que a
probabilidade P seja aproximadamente igual razo Nx/N0.
Para o diamante, o expoente da Eq. 18
-
35
EgkT
=(5,5eV )
(8,62 x105 eV /K ).(300K ).
Portanto, a probabilidade
P=N xN 0
=e(ExE0)/ kT=e2133 x 1093 .
Analisando o resultado acima, podemos ver que 3 eltrons em cada
1093
conseguem passar para a banda de cima. Como os maiores diamantes
conhecidos
tm menos de 10 eltrons, a probabilidade de que este salto
ocorra
extremamente pequena. Por isso o diamante um excelente
isolante.
2.4.3 Metais
O que define um metal que o nvel de energia mais alto ocupado
pelos
eltrons est no meio de uma banda de energia permitida. Quando
aplicamos uma
diferena de potencial s extremidades de um bloco metlico,
produzimos uma
corrente no material, j que existem muitos estados com uma
energia ligeiramente
maior para os quais os eltrons podem ser transferidos por ao da
diferena de
potencial. Na Figura 8, podemos observar que o ltimo nvel
ocupado dentro de uma
banda de valncia fica no meio da banda, e existem nveis
superiores que podem
ser ocupados.
Figura 8: Bandas de energia de um metal. O nvel mais alto
ocupado, chamado nvel de Fermi, fica perto do meio de uma banda.
Como existem nveis vazios disponveis dentro da banda, os eltrons
podem ser transferidos para estes nveis, e ento o material conduz
corrente eltrica.
-
36
Para termos uma ideia de quantos eltrons de conduo existem em um
cubo
de magnsio com um volume de 2,00 x 10 m, precisamos das
seguintes ideias
fundamentais:
1. Como os tomos de magnsio so divalentes, cada tomo de
magnsio
contribui com dois eltrons de conduo.
2. O nmero de eltrons de conduo existentes no cubo igual ao
nmero de
tomos da amostra multiplicado pelo nmero de eltrons de valncia
por
tomo.
3. Podemos determinar o nmero de tomos usando a Equao abaixo e
os
dados conhecidos a respeito do volume do cubo e das propriedades
do
magnsio.N xN 0
=e(E xE0 )/kT.
Considerando a densidade do magnsio de 1,738g/cm (= 1,738 x 10
kg/m)
e uma massa molar de 24,312 g/mol (=24,312 x 10 kg/mol):
Assim, (nmerodetomos da amostra)=(2,0926 x10 kg/mol)24,312 x10
,
(nmerodetomos da amostra)=8,61 x10 .
Lembrando que cada tomo de magnsio divalente, obtemos
finalmente
(nmerodetomos da amostra)=1,72 x10 eltronstomo
.
2.4.4 Semicondutores
Comparando as bandas de um semicondutor com as de um
isolante,
podemos observar que so parecidas. A diferena que, nos
semicondutores, a
distncia Eg entre o nvel mais alto da ltima banda ocupada e o
nvel mais baixo da
primeira banda desocupada muito menor que nos isolantes. Por
exemplo, o silcio
tem Eg = 1,1 eV, e um semicondutor; enquanto o diamante possui
Eg = 5,5 eV, e
um isolante. A Figura 9 mostra as bandas de energia de um
semicondutor. Podemos
notar uma certa semelhana com as bandas de um material isolante.
Porm a regio
proibida nos materiais semicondutores bem menor que nos
materiais isolantes.
-
37
Figura 9: Bandas de energia de um semicondutor. Situao
semelhante de um isolante, exceto pelo fato de que
nossemicondutores o valor de Eg muito menor, assim, oseltrons,
graas agitao trmica, tm uma probabilidaderazovel de passar para uma
banda vazia.
2.4.5 Semicondutores dopados
A versatilidade dos semicondutores pode ser grandemente
aumentada se
introduzirmos um nmero de tomos (chamados de impurezas) na rede
cristalina.
Este processo conhecido como dopagem. Tipicamente, em um
semicondutordopado apenas 1 tomo de silcio em cada 10 substitudo
por uma impureza.
Quase todos os dispositivos modernos utilizam semicondutores
dopados. Os
semicondutores podem ser de dois tipos: tipo n e tipo p.Os
eltrons de um tomo isolado de silcio(n=14) esto distribudos em
subcamadas de acordo com o seguinte esquema:
1s2 2s2 sp6 3s2 3p2. .
Cada tomo de silcio forma ligaes covalentes com seus vizinhos
(ligao
covalente a ligao qumica na qual dois tomos compartilham
eltrons). Estes
eltrons que participam da ligao covalente so os tomos da camada
de valncia.
Na dopagem tipo n um eltron da rede cristalina substitudo por um
tomo de
fsforo (valncia igual a 5).
Quatro dos eltrons do fsforo formam a ligao covalente entre a
vizinhana
de silcio. O quinto eltron fica fracamente ligado ao ncleo de
fsforo. O tomo de
fsforo chamado de tomo doador, j que pode doar eltrons para a
banda de
conduo. Os semicondutores dopados com tomos doadores so chamados
de
-
38
semicondutores tipo n; o n vem de negativo, para indicar que os
portadores decargas negativas (eltrons) da banda de conduo so mais
numerosos que os
buracos da banda de valncia.
Os semicondutores tipo p so materiais no qual um eltron
desilcio(valncia igual a 4) substitudo por um tomo de alumnio
(valncia 3). Cada
tomo de alumnio pode formar 3 ligaes covalentes com os tomos
vizinhos de
silcio. Portanto, fica um buraco, que, por sua vez, pode ser
preenchido por umeltron de outra ligao covalente.
O tomo de alumnio chamado de tomo aceitador, j que pode
aceitareltrons de ligaes covalentes, isto , da banda de valncia.
Nos semicondutorestipo p, o p vem de positivo, para indicar que os
portadores de cargas positivas(buracos) da banda de valncia so mais
numerosos que os eltrons da banda de
conduo.
2.4.6 A juno p-n
um cristal semicondutor que foi dopado em uma regio com uma
impureza
doadora e em outra regio com uma impureza aceitadora. Este tipo
de juno est
presente em praticamente todos os dispositivos
semicondutores.
2.4.7 O diodo Emissor de Luz (LED)
Hoje em dia, os mostradores digitais esto em toda parte, dos
relgios de
cabeceira aos fornos de micro-ondas. De maneira geral, a Luz
emitida por uma
juno p-n funcionando como um diodo emissor de Luz (LED, do ingls
Light-Emitting Diode).
Considere primeiro um semicondutor simples. Quando um eltron
da
extremidade inferior da banda de conduo preenche um buraco na
extremidade
superior da banda de valncia (um fenmeno conhecido como
recombinao), umaenergia Eg igual diferena entre os dois nveis se
manifesta na forma de vibrao
da rede cristalina.
Em alguns semicondutores, porm, como o arenieto de glio, a
energia pode
ser emitida como um fton de energia hf, cujo comprimento de onda
dado por:
-
39
= cf= cEg /h
=hcEg
Eq. 19.
Para que um semicondutor emita uma quantidade razovel de luz,
preciso
que haja um grande nmero de recombinaes. Isto no acontece em
um
semicondutor puro, temperatura ambiente.
Precisamos ento de um semicondutor no qual eltrons e buracos
estejam
presentes em grande nmero na mesma regio. Podemos obter um
dispositivo com
esta propriedade polarizando diretamente uma juno p-n fortemente
dopada.
Os LEDS comerciais projetados para emitir luz visvel em geral so
feitos de
arsenieto de glio (lado n) e arsenieto fosfeto de glio (lado p).
Um arranjo no qual
no lado p existem 60 tomos de arsnio e 40 tomos de fsforo para
cada 100
tomos de glio resulta em uma energia Eg de 1,8V, que corresponde
luz vermelha.
Variando as pores de arsnio e fsforo e outros elementos, como o
alumnio,
possvel fabricar LEDs que emitem luz de praticamente qualquer
cor.
Os conhecimentos apresentados acima permitiram mostrar aos
alunos a
diferena entre um simples diodo e um LED, e explicar como a
insero de
impurezas (processo de dopagem) aumenta a condutividade nos
semicondutores.
2.7 Corrente e Resistncia
Como podemos medir a corrente mxima de uma bateria ou pilha?
A resistncia varia com a temperatura?
2.7.1 Corrente
De acordo com Sears, Zemansky e Yong (2003), define-se a
corrente atravs
de uma rea como a carga flutuante que flui atravs da rea por
unidade de tempo.
Chamamos a carga resultante de Q e o tempo como t. Assim, a
corrente i ser:
i= Qt
(28).
Podemos determinar a carga que passa atravs de uma rea num
intervalo
de tempo que se estende de 0 at t por integrao:
q= dq=0
t
i dt (29).
-
40
Vale lembrar que a corrente eltrica uma grandeza escalar. A
unidade no
S.I. de um Coulomb por um segundo chamada de Ampre.
Em metais, as cargas em movimento so os eltrons (negativos),
enquanto
num gs ionizado so eltrons e ons positivamente carregados.
Em
semicondutores, como o germnio ou o silcio, a conduo se d tanto
nos
portadores de cargas negativas(eltrons), quanto nas vacncias ou
buracos
(portadores de carga positiva).
A corrente por unidade de rea transversal chamada de densidade
de
corrente, J:
J= iA= nq (30),
em que,
n nmero de partculas por unidade de volume;
q carga da partcula;
velocidade de arrastamento.
2.7.2 Resistividade
A densidade de corrente J em um condutor depende do campo
eltrico E e danatureza do condutor. Assim, definimos resistividade
de um material como arazo entre a intensidade do campo eltrico e a
densidade de corrente:
= EJ
(31).
A resistividade de todos os condutores metlicos cresce com o
aumento da
temperatura.
T=0 [1+(TTo)] (32),
em que 0 a resistividade de referncia, T0 (em geral 0 ou 20). O
fator
chamado de coeficiente de temperatura da resistividade. Na
figura 10 esto
mostrados os grficos de resitividade versus temperatura, para
metal, supercondutor
e semicondutor.
-
41
Figura 10: Variao da resistividade com a temperatura para trs
condutores. a) metal; b) supercondutor; c) semicondutor. Figura
obtida no Livro Fsica 3 Eletricidade e Magnetismo pgina 597,
adaptada.
2.7.3 Resistncia
Em geral, difcil medir E e J diretamente, de modo que
conveniente
escrever esta equao em termos de grandezas que podem ser medidas
mais
facilmente, como tenso e corrente. Considere um condutor de seo
reta A e
comprimento L, conforme mostrado na Figura 11. Voltamos na equao
da
densidade de corrente:
J= iA
(33),
e isolamos i, assim obtemos:i=J A (34).
A diferena de potencial V, entre as suas extremidades :V=E L
(35).
-
42
Figura 11: A densidade de corrente uniforme sobre qualquerseo
reta e o campo eltrico constante ao longo docomprimento. Figura
adaptada do
sitehttp://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAesYoAI-31.jpg.
Resolvendo estas equaes para J e E, respectivamente, e
substituindo-se na
equao da resistividade E= J , obtemos:
VL
= LA
(36).
A grandeza LA
, para uma amostra particular chamada de resistncia R:
R=LA
(37).
Assim obtemos a relao entre tenso, corrente e resistncia dada
por:V=R i (38).
2.8 Associaes de Resistores
Como possvel relacionar dois resistores de 100 e obtermos
50?
Na maioria das vezes quando construmos um circuito, h a
necessidade de
controla o valor de tenso que cada componente ou sensor
necessita para seu
funcionamento sem causar danos a ele. Outra barreira que muitas
vezes aparece
a limitao de valores de resistncias tabelados comercializados.
Para resolver est
limitao, podemos conectar os resistores de maneira a obter o
valor desejado. Em
Fsica chamamos de associao de resistores. Podemos conectar os
resistores em
dois tipos de associao : em srie e em paralelo. A seguir, sero
apresentados as
principais caractersticas de cada tipo.
-
43
2.8.1 Srie
Segundo Halliday, Resnick e Walker (2009, v. 4), dizemos que
temos uma
associao de resistncias em srie quando a diferena de potencial
aplicada
atravs da combinao a soma das diferenas de potencial resultantes
atravs de
cada uma das resistncias. A Figura 12 mostra trs resistncias
ligadas em srie a
uma bateria ideal.
Figura 12: Esquema mostrando trs resistores ligados em srie.
Equivale a dizer que as correntes atravs das resistncias so
iguais.
Procuramos uma resistncia nica, ou resistncia equivalente Req.
Corresponde a
uma resistncia que se remover os trs resistores e substituir por
Req obtemos o
mesmo efeito no circuito. Na Figura 13 abaixo mostrado a Req de
um circuito
simples.
-
44
Figura 13: Representao da resistncia equivalente daFigura
12.
Para a resistncia equivalente da Figura 12 podemos obter o valor
da
corrente atravs da equao:
i= VReq
Eq. 31.
Para o circuito temos que a resistncia equivalente dada
por:Req=R1+R2+R3 Eq. 32.
Podemos generalizar a equao acima para n resistores como:
Req=j=1
n
R j Eq. 33.
2.8.2 Paralelo
A Figura 14 mostra trs resistores ligados em paralelo a uma
bateria de
diferena de potencial igual a V.
-
45
Figura 14: Trs resistores associados em paralelo.
Dizemos que uma combinao de resistncias est em paralelo quando
a
diferena de potencial resultante atravs de cada uma das
resistncias igual
diferena de potencial aplicada atravs da combinao.
Procuramos uma resistncia equivalente. As correntes nos trs
ramos da
Figura 14 so:
i1=VR1
, i2=VR2
e i3=VR3
.
Aplicando-se a regra dos ns encontramos:
i=i1+i2+ i3=V (1R1
+1R2
+1R3
) Eq. 34.
Substituindo-se a combinao em paralelo pela resistncia
equivalente Reqtemos:
i= VReq
Eq. 35.
Assim obtemos 1Req
=1R1
+1R2
+1R3
Eq. 36.
Estendendo o resultado acima para n resistncias obtemos:
1Req
=j=1
n 1R j
Eq. 37.
-
46
Nas montagens de circuitos realizadas no Tutorial foram
utilizados os
conceitos e leis explicados nos tpicos 2.7 e 2.8.
No captulo a seguir, apresentamos a reviso bibliogrfica e a
fundamentao
terica desta dissertao.
-
47
Captulo 3 REVISO BIBLIOGRFICA E FUNDAMENTAO TERICA
3.1 Reviso bibliogrfica
Na atual sociedade em que vivemos, cada vez mais tecnolgica, o
uso
cotidiano das TICs tem aumentado muito a interao entre as
pessoas. Conforme
Oliveira (2013, p.1)a evoluo tecnolgica tem se caracterizado
pela crescente velocidade econstante atualizao das informaes. A
proliferao de dispositivosdigitais na atual sociedade da informao,
como MP3, celulares, cmerasfotogrficas, palmtops, visual phones,
dentre outros, visam oferecer maiormobilidade, personalizao e
conectividade aos usurios.
Pery (2013,p.1), em seu artigo sobre o uso de jogos educativos
no ensino das
sries iniciais, afirma que: As tecnologias de informao e
comunicao (TICs), agora j presentes noscenrios escolares, vem
transformando a vida humana e interferindo namaneira como nos
relacionamos em sociedade e como adquirimosconhecimento,
instituindo um novo estado de cultura, a cibercultura
O trabalho de Santos, Varaschini e Martins (2013) se refere
influncia da
informtica nas formas de raciocnio das pessoas que a utilizam: a
informtica tem possibilitado uma nova extenso da memria que
alterou,de modo significativo, a linearidade do raciocnio, com o
uso de simulaes,experimentaes e uma nova linguagem que envolve
escrita, oralidade,imagens e comunicao instantnea.
Hoje em dia, nesta sociedade da cibercultura e dos raciocnios
muitas vezes
no-lineares, informaes so geradas em grande escala e o uso das
TICs permite
fcil acesso a elas; porm o acesso e o uso das mesmas em sala de
aula deve ser
mediado pelo professor. O professor deve ensinar aos alunos onde
e como
pesquisar os contedos de uma aula e, tambm, deve procurar
desenvolver nos
estudantes o discernimento e o senso crtico para que eles mesmos
saibam verificar
a qualidade e a veracidade das informaes obtidas na internet.
Atualmente, muitos
alunos tm suas redes sociais, canais de vdeos, blogs, em que
publicam temas que
lhes interessam ou em que consultam alguma referncia. Esses
recursos podem ser
utilizados pelos professores para interagir com seus alunos de
maneira mais intensa
e criativa.
Essa tecnologia, em constante transformao, hoje parte
fundamental do
Ensino, pois tem auxiliado bastante o professor na sua prtica
docente. A utilizao
-
48
das TICs pode tornar as aulas de Cincia e, em especial, de
Fsica, bem mais
dinmicas e criativas, intensificando e melhorando a interao
entre o professor e
seus alunos. Nas aulas de Fsica podem ser usadas simulaes
computacionais e
ferramentas de programao encontradas em aplicativos e websites
tais como:
Blender - aplicativo de modelagem em 3D;
Modellus - aplicativo que utiliza equaes matemticas para gerar
tabelas,
grficos e animaes;
PhET Website fundado em 2002 pelo Prmio Nobel Carl Wieman, o
projeto
PhET Simulaes Interativas da Universidade de Colorado Boulder
cria
simulaes interativas gratuitas de Matemtica e Cincias (Fsica,
Qumica e
Biologia);
Tracker ferramenta de modelagem e anlise de vdeo;
Celestia - aplicativo que realiza simulaes computacionais em
Astronomia,
permitindo a visualizao de caractersticas de planetas, sistemas
solares e
galxias;
Stellarium - aplicativo que funciona como um planetrio,
fornecendo o cu do
dia em qualquer parte de planetas do sistema solar;
Lego Mindstorms ferramenta de programao para o kit educacional
Lego
Mindstorms;
Youtube - website que permite que os seus usurios carreguem
e
compartilhem vdeos em formato digital; alguns vdeos de Fsica
muito
interessantes desse site so, por exemplo, O mundo de Beakman,
Mini
bobina de Tesla, A Histria da Eletricidade parte 2, Construo de
lunetas
com PVC, etc.
Outro recurso que pode ser utilizado nas aulas so as apresentaes
de
Power Point e Prezi. O Prezi o website que realiza apresentaes
dinmicas on-
line. Tambm podem ser explorados os recursos de um Tablet ou de
um celular. Por
exemplo, em aulas de Fsica podem ser usados seus sensores, tais
como, o
magnetmetro, o acelermetro, o decibelmetro, o GPS, o de
luminosidade e o de
temperatura. Alm disso, um tablet ou um celular conectado com um
projetor
multimdia, pode ser utilizado como uma tela interativa para
expor, por exemplo,
grficos, figuras e equaes disponveis em um livro didtico. Tambm,
como ser
-
49
mostrado no Captulo 3 da presente Dissertao, a cmera fotogrfica
de um celular
pode ser utilizada para testar o brilho de um LED (Light
Emitting Diode, que, em
portugus, significa Diodo Emissor de Luz) infravermelho.
Uma outra TIC que pode ser extremamente til em aulas como
recurso
didtico em aulas de Cincia a tela interativa. Melo e Gitirana
(2014, p.5)
apresentam a seguinte definio para tela interativa:A Lousa
Digital (quadro interativo, e-board, whiteboard, lousa
eletrnica)trata-se de um dispositivo em que as imagens do
computador soprojetadas em um quadro, e o usurio interage com o
computador por meiode aes diretas na imagem projetada. Nesta
projeo, possvel interagircom todos os recursos disponveis no
computador apenas com um toque decaneta ou dos dedos, dependendo da
verso disponvel.
Conforme Oliveira (2013, p.2), a tela interativa permite a
interao entre
professor e alunos, atravs de atividades associadas s Teorias de
aprendizagem:este recurso pedaggico e inovador um instrumento que
proporciona ainsero da linguagem audiovisual no contexto escolar,
ou seja, umaferramenta tecnolgica interativa que possibilita a
elaborao de atividadespedaggicas associadas Teoria dos Estilos de
Aprendizagem. Com isso, alousa digital incorpora os recursos que o
computador oferece, mas com odiferencial de permitir a interao
entre o professor e os alunos, favorecendoa construo coletiva do
conhecimento.
Em Almeida (2015), analisado o uso da tela interativa no Ensino
de Fsica,
atravs do curso de formao para professores de Fsica da rede
pblica estadual
da regio Norte do Paran. Essa anlise detectou trs perfis de
docentes em relao
ao uso efetivo da tela interativa em suas aulas: os
interessados, os parcialmente
interessados e os docentes pouco interessados.
A construo, calibrao e utilizao de uma tela interativa pode se
tornar
uma excelente fonte de aprendizagem significativa para alunos do
Ensino Mdio. Em
Griebeler, Bernardes e Cruz (2014), h um relato detalhado de
como trs estudantes
do Ensino Mdio Inovador do Colgio Estadual Professor Jlio
Teodorico, em Ponta
Grossa PR, em 2013, participaram da construo, calibrao e do uso
de uma tela
interativa de baixo custo (formada com um sensor por Bluetooth e
um projetor
multimdia). Inicialmente, a professora discutiu com as
estudantes alguns conceitos
bsicos de Fsica Moderna e suas aplicaes tecnolgicas, em uma
perspectiva
histrica. Em seguida, as estudantes, no laboratrio de informtica
e atravs de
livros e revistas de divulgao cientfica, realizaram pesquisas
sobre os temas
-
50
Comunicao, Histria dos Computadores, os notebooks e as telas
interativas,
identificando os conceitos da Fsica Modernas envolvidas nestes
instrumentos. A
seguir, as estudantes, orientadas por um professor, participaram
de todas as etapas
de construo do sensor por Bluetooth (caneta emissora de
infravermelho e controle
de Nintendo Wii) e seu acoplamento ao projetor multimdia, para
formar uma tela
interativa de baixo custo, conforme orientao do site .
Usando a tela, elas traaram figuras e trabalharam com programas
educativos
(Celestia, Stelarium, Srie Educacional Gcompris Educao
Infantil). Aps o
trabalho realizado, as estudantes foram capazes de explicar como
funciona a tela
interativa mencionada acima e algumas de suas aplicaes com
programas
educativos, durante a II FICiencias (Feira de Inovao das Cincias
e Engenharias,
em Foz do Iguau PR, em Novembro de 2013).
A seguir, ser apresentada a fundamentao terica utilizada na
presente
dissertao.
3.2 Fundamentao terica
Durante vrios anos fui submetido a um processo de
ensino-aprendizagem
comportamentalista, com nfase na resoluo de listas e avaliaes
de
aprendizagem atravs de notas em provas tradicionais. O
modelo
comportamentalista pode auxiliar na formao e treino do aluno, no
entanto, no
permite que o aluno possa fazer relao entre o contedo aprendido
e a natureza.
Na presente dissertao, foram desenvolvidos dois produtos (um
tutorial e um
caderno pedaggico) com atividades que se baseiam em duas Teorias
de
Aprendizagem - a sociointeracionista de Lev Vygotsky e a
aprendizagem significativa
de David Ausubel.
Vygotsky enfatizava o processo histrico-social e o papel da
linguagem no
desenvolvimento do indivduo. Podemos observar no texto de Prss
(2012,p.19),Sua questo central a aquisio de conhecimentos pela
interao dosujeito com o meio. O sujeito interativo, pois adquire
conhecimentos apartir de relaes intra e interpessoais e de troca
com o meio, a partir de umprocesso denominado mediao.
Na prtica, segundo Prss (2012, p.20)
a teoria de Vygotsky aparece nas aulas onde se favorece a
interao social,onde os professores falam com as crianas e utilizam
a linguagem para
-
51
expressar aquilo que aprendem, onde se estimula as crianas para
queexpressem oralmente e por escrito e nas classes onde se favorece
e sevaloriza o dilogo entre os membros do grupo.
A teoria de Vigotsky tambm apresenta o conceito de Zona de
Desenvolvimento Proximal (ZDP), segundo a qual no se pode
considerar o
indivduo como um ser isolado do seu meio. O desenvolvimento do
indivduo se d
devido as suas interaes com outros indivduos, portadores de
mensagens de
cultura. No livro Coleo Educadores do Ministrio da Educao (2010,
p.15)
apresentada uma definio de que o individuo geneticamente social:
Para Vygotsky, o ser humano se caracteriza por uma sociabilidade
primria.A mesma ideia foi expressa por Henri Wallon, de um modo
mais categrico:ele [o indivduo] geneticamente social.
Da mesma Coleo Educadores, tambm podemos citar a seguinte
afirmao:Isto significa, simplesmente, que certas categorias de
funes mentaissuperiores (ateno voluntria, memria lgica, pensamento
verbal econceptual, emoes complexas, etc.) no poderiam emergir e se
constituirno processo de desenvolvimento sem o aporte construtivo
das interaessociais.
Tambm, essa Coleo descreve a importncia da linguagem na
apropriao
da cultura:O papel dos adultos, como representantes da cultura
no processo deaquisio da linguagem pela criana e de apropriao por
ela d uma parteda cultura a lngua , conduz descrio de um novo tipo
de interaoque de importncia capital na teoria de Vygotsky.
Dar significado aprendizagem, para que ela no seja constituda
apenas de
conceitos vazios, mas que sejam conceitos capazes de transformar
o educando.
Este um dos grandes desafios dos professores. Podemos verificar
a importncia
da aprendizagem significativa no texto abaixo:O ensino de Fsica
vem deixando de concentrar - se na simplesmemorizao de frmulas ou
repetio automatizada de procedimentos, emsituaes artificiais ou
extremamente abstratas, ganhando conscincia deque preciso dar-lhe
um significado, explicitando seu sentido j nomomento do
aprendizado, na prpria escola mdia. (PCN,199?)
Segundo Moreira, Caballero, e Rodrguez, (1997), aprendizagem
significativa
o processo atravs do qual uma nova informao (um novo
conhecimento)se relaciona de maneira no arbitrria e substantiva
(no-literal) estruturacognitiva do aprendiz. no curso da
aprendizagem significativa que osignificado lgico do material de
aprendizagem se transforma em significadopsicolgico para o
sujeito.
-
52
Para Ausubel, citado por Moreira e Caballero (2016) a
aprendizagem
significativa o mecanismo humano, por excelncia, para adquirir e
armazenar a
vasta quantidade de ideias e informaes representadas em qualquer
campo de
conhecimento.
No captulo a seguir, descrevemos a construo e calibrao da
tela
interativa.
-
53
Captulo 4 CONSTRUO E CALIBRAO DE UMA TELA INTERATIVA COMCONTROLE
DE NINTENDO Wii
4.1 Procedimento experimental
Em 2015, o projeto de construo e calibrao da tela interativa de
baixo
custo foi apresentado atravs de uma oficina, com atividades
tericas e
experimentais, a alunos da rede de Ensino Mdio do Colgio SESI de
Jaguariava-
PR. Os participantes da primeira oficina eram 4 alunos, sendo
dois meninos e duas
meninas, com 15 anos de idade
Dentro da metodologia do Colgio SESI, no h separao entre os
alunos do
primeiro, segundo ou terceiro anos. Porm, alunos do segundo e
terceiro ano do
Ensino Mdio cursam paralelamente um curso tcnico. Por isso,
apenas alunos
pertencentes ao primeiro ano do Colgio teriam a tarde livre para
participar da
oficina de construo da caneta emissora de infravermelho, bem
como sua
calibrao com o aplicativo.
A construo da caneta com o LED emissor de infravermelho foi
realizada por
4 alunos do Colgio SESI de Jaguariava PR, durante duas tardes,
nos dias 01 e
08 de Julho de 2015.
Inicialmente, foi apresentado aos alunos um LED emissor na regio
do visvel.
Este foi ligado atravs de uma pilha de 3V, mostrada na Figura 15
abaixo. Atravs de
uma conversa, foi explicado o que significa a sigla LED.
Figura 15: Pilha padro de 3V utilizada para ligar osLEDS durante
a motivao da oficina.
-
54
Em seguida, o primeiro LED foi substitudo por outro,
previamente
selecionado. Porm, ao se conectar esse novo LED a pilha, o mesmo
no
apresentou emisso de luz. Foi efetuado um pequeno comentrio por
parte do
professor, ser que est queimado? As respostas obtidas atravs
deste
questionamento foram que sim, o LED deveria estar queimado. Mas
o professor fez
um novo comentrio: mas no controle de televiso, quando tem um
boto
pressionado para mudar de canal ou modificar o volume, tambm no
verificada a
emisso de Luz no visvel. Como explicar isso? A Figura 16 mostra
o instante em
que foi discutido com os alunos o que aconteceu com o LED. Neste
ponto,
procuram-se situaes cotidianas que eles possam relacionar com
algo parecido
com o fenmeno observado. Uma situao semelhante apresentada
ocorre com o
controle remoto de TV, e, na maioria das vezes, no levantada
pelos alunos. XXX
Figura 16: Oficina de construo da caneta emissora
deinfravermelho. Explicando como funciona o LED .
Houve um pequeno debate entre os alunos, at que um dos alunos
lembrou
que viu em algum site na internet que, para testar um controle
de televiso, bastava
abrir o aplicativo da cmera do celular e apontar o LED do
controle para a cmera e
clicar em algum dos botes.
-
55
Com base nisso, foi solicitado que os alunos pegassem seus
celulares e
apontassem para o LED. Verificaram que o mesmo estava aceso e
que, com a
cmera do celular, podiam observar que seu brilho era bastante
forte, e que
apresentava uma cor branca ou roxa, dependendo do aparelho
celular. Aps esta
constatao, o professor explicou que o softwares dos celulares
substituem a
frequncia emitida pelo infravermelho por uma outra frequncia na
regio do visvel.
Neste momento, foi apresentado o espectro eletromagntico e
mostrado que tudo o
que conhecemos como luz visvel pertence a uma pequena parte
deste espectro.
Existem outras regies, bem numerosas do espectro, que
compreendem micro-
ondas, radar, infravermelho, raios X, etc.
Em seguida, os alunos foram motivados a construir um circuito
que fosse
capaz de ligar um LED que emitia na regio do visvel, utilizando
um protoboard, fios
de conexo, um boto e uma pilha de 1,5V.
Foi discutido o significado de circuito (caminho fechado), e com
isso, os
alunos foram desafiados a construir um circuito com os elementos
apresentados.
Conforme as dvidas foram surgindo, foram explicadas e os alunos
efetuavam a
correo e seguiam na montagem do circuito, como indicado na
Figura 17, abaixo.
Figura 17: Circuito constitudo por um LED que emite noamarelo,
um boto, fios de conexo e uma pilha de 3V.
Na sequncia, a fim de verificar o aprendizado, o professo
