Aplicações da Robótica no Ensino Secundário: O Sistema LEGO ...
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Aplicações da Robótica noEnsino Secundário: O SistemaLEGO MINDSTORMS e a Física
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraDepartamento de Física
José Cardoso TeixeiraCoimbra, 2006
Sumário
� A robótica e a Área de Projecto� A robótica� A reforma curricular e a Área de Projecto� Utilização da robótica na Área de Projecto
� Lego Mindstorms� Constituição e funcionamento� Programação
� Propostas de projectos a desenvolver na Área deProjecto� Veículo solar� Estudo de motores DC� Outros projectos
� Lego Mindstorms em acções de promoção da Física
Objectivos
� Clarificação do conceito de robótica e conceitosassociados
� Estudo das linhas orientadoras do trabalho adesenvolver na Área de Projecto – 12º ano
� Implementação da robótica no ensino� Robótica na Área de Projecto
� Estudo do sistema Lego Mindstorms� Desenvolvimento de propostas de trabalho a para a
Área de Projecto� Preparação de trabalhos de robótica para acções de
promoção da Física
A robótica
� Noção essencial de robô:
Sensores
Unidade deProcessamento
Actuadores
Percepção da robótica
� Desinformação acerca do que é a robótica
� Visão redutora
� Incorrecta
� Futebol robótico, Aibo, ficção científica, ...
� Pode constituir um entrave à sua integração emcontexto educativo
� Clarificação de conceitos
� Promoção de uma imagem de proximidade
A Área de Projecto
� Reforma do Ensino Secundário – 2003� Nova área curricular (12º ano)� Funcionamento a partir do ano lectivo
2006/2007
”espaço de confluência e integração desaberes e competências adquiridas ao
longo do curso”Documento Orientador da Revisão Curricular
Objectivos da Área de Projecto
� Cultura de liberdade, participação, reflexão, qualidade eavaliação
� Cidadania participada e aprendizagem ao longo da vida
� Orientação escolar e profissional
� Competências associadas a:� concepção e desenvolvimento de investigações concretas e de
qualidade
� articulação transdisciplinar de conhecimentos teóricos/práticos
� recolha, selecção e análise de informação
� trabalho de grupo, resolução de problemas, tomada de decisão
� comunicação escrita e oral
� utilização das TIC nas suas diversas potencialidades
Robótica no ensino� Reforço de competências/sedimentação de conhecimentos� Promoção da interdisciplinaridade� Motivação para o estudo nas disciplinas ligadas à robótica
(Nagchaudhuri et al., Rogers e Portsmore)
� Motivação para a escola, de uma forma geral
� Motivação para a opção por áreas ligadas à Ciência e àTecnologia (Nagchaudhuri et al.)
� Estímulo do interesse das alunas (Rogers e Portsmore)
� Capacidade de resolução de problemas, persistência ecriatividade (Petre e Price)
� Capacidade de abstracção: programação (Lau et al.)
� Consciência da utilização de modelos e suas limitações� Desenvolvimento de capacidades de investigação� Individualização e personalização do ensino (projectos)
Lego Mindstorms: razões da escolha
� Mérito e qualidades reconhecidas (LDAPS, NSF,NASA, ...)
� Não exigência de conhecimentos relevantes aonível da electrónica
� Facilidade de construção, grau de familiaridade eentusiasmo proporcionado
� Capacidade de recolha e tratamento de dados� Software produzido especificamente para a
educação� Apoio prestado (Lego, CEEO)� Facilidade de aquisição e garantia de continuidade� Preço
LDAPS – LEGO Design and Programming System
CEEO – Center fo Engineering Education Outreach
Lego Mindstorms na Área de Projecto:possíveis constrangimentos
� Perspectiva dos professores face à Área de Projecto
� Visão desajustada do que é a robótica
� Preconceito relativamente ao uso de “Legos”
� Formação dos professores
� Critérios de escolha dos professores
� Limitações financeiras
O Sistema Lego Mindstorms
� 1998: parceria Lego – MIT Media Laboratory(Seymour Papert, Mitchel Resnick – Epistemology and Learning Group)
� Vocacionado para o mercado educacional
� Grande interesse por parte de adultos
� Política de abertura da marca (SDK)
� Utilizações diversificadas
Constituição
� RCX
� Sensores
� Actuadores
RCX
� Microprocessador H8 (Hitachi)� 8 bit, 16 MHz� 16 Kb ROM� 524 bytes RAM
� 32 Kb RAM� Firmware� Programação (5 programas)� Data logging
� Porta IV (2400 bps)
� Portas de entrada (sensores)� ADC 10 bit
� Portas de saída (actuadores)
Sensores� “Unpowered”
� Toque� Temperatura
� “Powered”� Luz� Rotação
Actuadores
� Altifalante
� Lâmpada
� Motores DC
� Modulação pulsada (125 Hz)
Nível 1 (Robolab) Nível 4 (Robolab)
Programação
� Robotics Invention System (RIS)
� NQC (“Not Quite C”)
� Robolab
� Programação através de ícones
� “Low entry, no ceiling”
� Recolha de dados
� Análise de dados
� Limitações (utilização do firmware convencional)
� Ultimate Robolab� Sampling rate mais elevada: 3,2 kHz (até 55kHz em condições especiais)
Propostas de projectos adesenvolver na Área de Projecto
� Abordagem de problemas efectivos
� Forte presença de conteúdos de Física
� Desenvolvimento de competências transversais
� Flexibilização do grau de dificuldade
� Professor como orientador de todo o processo
� Carácter de investigação
� Preparação de propostas abertas
� Abordagens possíveis – linhas gerais para o professor
Construção de um veículo solar
� Energia solar (autonomia energética)� Fluxo energético/potência� Células fotovoltaicas
� Funcionamento� Optimização (10º ano)� Limitações
� Electricidade� Mecânica� Programação
� Abordagens progressivamente mais complexas
� Base para um trabalho mais abrangente
Estudo de motores DC
� Electromagnetismo (11º ano)� Funcionamento de um motor eléctrico DC
� Forças e movimento; binário do motor� Potência� Rendimento� Trabalho e energia (Em, Ec, Epg, Wf, ...)
� Recolha sistemática, tratamento e análise dedados experimentais
� Folha de cálculo (análise de dados)� Programação muito simples
Elevador vertical/oblíquo
Projecto “Robótica para todos”, ESE de Viana do Castelo – Física I
Outros projectos
� Maior peso de outras áreas� Biologia, Química, ...� Sistemas de monitorização e controlo
� Projectos articulados
� Mergulhador cartesiano� Controlo de temperatura/estudo energético� Sistema de acompanhamento do Sol
ROBÓTICA ? REALIMENTAÇÃO
“Aprender Física com Mindstorms”
� Sessões para alunos do 11º ano
� Sensibilização para a Ciência e a Tecnologia
� Actividades mãos na massa
� Detecção e localização de uma fonte de IV
� Três horas e meia� Pré-montagem de blocos
� Programação abreviada
� Execução por “patamares”� Todos os alunos deverão ser capazes de algum grau de
sucesso
� Preparação de monitores
Sessões piloto
� Escola Sec. Henrique Medina
� Instituto Pedro Hispano
� Escola EB2,3/S de Barroselas
Resultados das sessões piloto
� Motivação
� Empenho
� Superação das expectativas prévias (capacidades)
� Professores: “E eles vão conseguir fazer isso?”
� Alunos (teste do carro na pista)
� Reconhecimento do papel da Física na resolução
de problemas concretos
Conclusões� A integração da robótica no ensino (A. P.) é possível
� Permite abordar problemas:
� significativos
� com forte carácter experimental
� mobilizadores de competências diversas (Física, ...)
� promotores de novas competências
� Boa resposta aos pressupostos da Área de Projecto
� A integração noutros contextos é igualmente possívele potencialmente proveitosa
� Preparação de materiais/metodologias
� Implementação e avaliação
Trabalhos em curso
� “Aprender Física com Mindstorms” (Dep. Física, U.C.)� Preparação de monitores e materiais
� Execução
� Avaliação
� Projecto “Robótica para todos” (ESEVC)� Física I
� Estudo do Meio Físico e Natural
� Física II
� Curso de Verão
Trabalhos futuros
� Avaliação do impacto da utilização da robótica naÁrea de Projecto� Receptividade dos professores
� Resultados nos alunos� Resultados das sessões “Aprender Física com Mindstorms”
� Utilização da robótica noutros contextos educativos� Física - “Physics by Design”
� Clubes de robótica/clubes de ciência
� Lego Mindstorms NXT