Ensino de Termodinâmica através da construção de instrumentos de medição de variáveis meteorológicas e da confecção de mini estação meteorológica portátil com

Arduino

Rafaella Sayonara Marques Ferreira Vidal

Dissertação de Mestrado apresentada à

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

– UFRN, no Curso de Mestrado Nacional

Profissional em Ensino de Física - MNPEF,

como parte dos requisitos necessários para

obtenção do título de Mestre em Ensino de

Física.

Orientador: Prof. Dr. Deusdedit Monteiro

Medeiros – UFRN

NATAL

2018

RAFAELLA SAYONARA MARQUES FERREIRA VIDAL

ENSINO DE TERMODINÂMICA ATRAVÉS DA CONSTRUÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS METEOROLÓGICAS E DA

CONFECÇÃO DE MINI ESTAÇÃO METEOROLÓGICA PORTÁTIL COM ARDUINO

Dissertação de Mestrado apresentada à

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

– UFRN, no Curso de Mestrado Nacional

Profissional em Ensino de Física - MNPEF,

como parte dos requisitos necessários para

obtenção do título de Mestre em Ensino de

Física.

Orientador: Prof. Dr. Deusdedit Monteiro

Medeiros – UFRN

NATAL

2018

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Vidal, Rafaella Sayonara Marques Ferreira.

Ensino de termodinâmica através da construção de instrumentos

de medição de variáveis meteorológicas e da confecção de mini

estação meteorológica portátil com Arduino / Rafaella Sayonara

Marques Ferreira Vidal. - 2018.

90 f.: il.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Polo 51, Mestrado Nacional Profissional em Ensino de

Física - MNPEF. Natal, RN, 2018.

Orientador: Prof. Dr. Deusdedit Monteiro Medeiros.

1. Física - ensino médio - Dissertação. 2. Termodinâmica -

ensino - Dissertação. 3. Variáveis de Estado - Dissertação. 4.

Mini estação meteorológica - manual para confecção - Dissertação.

5. Arduino - plataforma de monitoramento - Dissertação. I.

Medeiros, Deusdedit Monteiro. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 536.7

Elaborado por Kalline Bezerra da Silva - CRB-15/327

RAFAELLA SAYONARA MARQUES FERREIRA VIDAL

ENSINO DE TERMODINÂMICA ATRAVÉS DA CONSTRUÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS METEOROLÓGICAS E DA

CONFECÇÃO DE MINI ESTAÇÃO METEOROLÓGICA PORTÁTIL COM ARDUINO

Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, no Curso de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

APROVADO EM ____/____/____

BANCA EXAMINADORA

________________________________________________

Prof. Dr. Deusdedit Monteiro Medeiros – UFRN Presidente

________________________________________________

Profª. Dra. Subênia Karine de Medeiros – UFERSA Examinadora externa

________________________________________________

Prof. Dr. Ronai Machado Lisbôa – UFRN Examinador interno

A meus pais, Francisca Marques de Lima e José Alves Ferreira, pois sem eles a minha existência não seria possível e por me apoiarem em tudo que faço.

A meu filho Demetrius Ferreira dos Santos que sirva de incentivo aos seus estudos.

A meu esposo Rodolfo por sempre acreditar e incentivar-me a lutar pelos meus objetivos.

A minhas irmãs, Mauryléia Marques Ferreira de Medeiros e Narayanna Marques Ferreira Mendes, por sempre estarem a me acompanhar em tudo que faço.

A meu professor Zanoni Tadeu Saraiva dos Santos (in memoriam) pela partilha de conhecimentos e pelos ensinamentos para a vida.

Aos meus alunos por serem eterna fonte de inspiração.

DEDICO

AGRADECIMENTOS

A Deus por ter me dado forças, paciência e persistência para superar os desafios que surgiram ao longo desta caminhada.

A meu esposo, Rodolfo Silva Vidal, companheiro que soube, com calma e sabedoria, me mostrar que as grandes batalhas são vencidas por meio da persistência e da fé. A sua valiosa ajuda na programação do produto educacional.

A minha família por compreender a minha ausência.

A minha irmã, professora Mauryléia Marques Ferreira de Medeiros, por sempre trocar ideias no ramo da Física e ser meu espelho como profissional.

A meu orientador, professor Dr. Deusdedit Monteiro Medeiros, que se mostrou prestativo a caminharmos juntos durante a realização deste trabalho com dedicação e paciência.

A todos os professores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte responsáveis pelo Mestrado Nacional Profissional em ensino de Física, que proporcionaram uma aprendizagem significativa e enriquecedora, contribuindo para a minha formação acadêmica na Pós-Graduação em Ensino de Física e para meu crescimento profissional.

Ao professor Dr. Ronai Machado Lisboa, que apresentou diversas ferramentas tecnológicas cruciais para o desenvolvimento do produto e que incrementam minhas aulas.

Ao professor Dr. Paulo Dantas Sesion Junior, por sempre ser solidário e paciente durante os anos de mestrado.

A estudante do Bacharelado em Meteorologia - UFRN, Isamara de Mendonça Silva, por auxiliar nas dúvidas que surgiram durante o desenvolvimento do projeto, sendo essencial para que o mesmo acontecesse.

Aos meus colegas da turma 2017.1 do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física -Polo 51, que contribuíram no meu amadurecimento intelectual e profissional.

As professoras, Lígia Campos de Brito, Daniela Karla de Souza Xavier, Lêda Virgínia Belarmino Campelo Potier, pelo incentivo e amizade durante esses anos de trabalho.

Aos meus alunos da terceira série por terem mergulhado comigo nessa aventura em busca de conhecimento.

A escola Agnus Dei que gentilmente abriram as portas e me acolheram para que pudesse aplicar e desenvolver o produto educacional, meu muito obrigado.

"Para ser forte, tive que beber muitos goles de

tempestades. Tive que aprender a fazer

muralhas (e às vezes, ser a própria); Andar de

salto alto entre as pedras do caminho; Ter

ouvidos atentos, saber escolher os momentos do

silêncio; Ir contra o vento... "

Autor desconhecido.

RESUMO

ENSINO DE TERMODINÂMICA ATRAVÉS DA CONSTRUÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS METEOROLÓGICAS E DA CONFECÇÃO DE MINI

ESTAÇÃO METEOROLÓGICA PORTÁTIL COM ARDUINO

Rafaella Sayonara Marques Ferreira Vidal

Orientador: Dr. Deusdedit Monteiro Medeiros

Não é fácil ensinar os princípios da Termodinâmica para os alunos do Ensino Médio, dada a dificuldade de relacionar o quotidiano do aprendiz com o conhecimento acadêmico de forma significativa. Portanto, essa dissertação tem como objetivo propor um manual didático para a confecção de uma miniestação meteorológica portátil, para diminuir as dificuldades no ensino da Termodinâmica. Na construção desse experimento, será possível o estudo das variáveis de estado termodinâmicas utilizando o Arduino como plataforma de monitoramento. Inicialmente será apresentada uma breve explanação do ensino da Termodinâmica, assim como as técnicas utilizadas nesse trabalho que serviram para corroborar a proposta do produto. Será abordada depois a construção de instrumentos que serviram para tornar significativa a aprendizagem por meio da experimentação e da tecnologia. Na sequência, será apresentada a aplicação do produto no Centro Educacional Agnus Dei. Por fim, serão expostas as conclusões da presente dissertação, acrescentando as perspectivas do trabalho, com a possível submissão de um artigo em revista especializada. Palavras-chave: Ensino de Física; Termodinâmica; Variáveis de Estado; Mini Estação Meteorológica; Arduino.

ABSTRACT

TEACHING THERMODYNAMICS THROUGH THE MANUFACTURING OF METEOROLOGICAL VARIABLES MEASURING INSTRUMENTS AND MAKING

OF PORTABLE WEATHER MINI-STATION USING ARDUINO

Rafaella Sayonara Marques Ferreira Vidal

Advisor: Dr. Deusdedit Monteiro Medeiros

It is not easy to teach the principles of thermodynamics to the high school students, given the difficulty of relating significantly the learner's everyday life to academic knowledge. In order to minimize the difficulties in the teaching of thermodynamics, the aim of present dissertation is to propose a didactic manual for the making of a portable meteorological mini-station. So, it will be possible to study the thermodynamic state variables monitored by the Arduino board on the construction process of this experiment. A brief explanation of the teaching of thermodynamics and the techniques used in this dissertation will be initially presented, corroborating the learning product carry out. The construction of mechanisms that have served to make learning meaningful through experimentation and technology will be addressed later. A description of how the product was applied at the Agnus Dei Educational Center high school will be presented in the following. Finally, the conclusions of this master thesis will be presented, adding the perspectives of the work, including the possible submission of an article in a journal. Keywords: Physics Teaching; Thermodynamics; State Variables; Mini Weather Station; Arduino.

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1 - Previsão diária e horária da temperatura na cidade de Natal (RN) no dia 19/02/18 ......................................................................................................................................... 25

Fig. 2 - Previsão diária e horária da temperatura na cidade de Natal (RN) no dia 20/02/18 ........................................................................................................................... 26 Fig. 3 – Primeira questão utilizada no aplicativo ........................................................... 31 Fig. 4 – Segunda questão utilizada no aplicativo ........................................................... 31 Fig. 5 – Terceira questão utilizada no aplicativo ............................................................ 32 Fig. 6 – Quarta questão utilizada no aplicativo .............................................................. 33 Fig. 7 – Quinta questão utilizada no aplicativo .............................................................. 34 Fig. 8 – Sexta questão utilizada no aplicativo ................................................................ 34 Fig. 9 – Sétima questão utilizada no aplicativo .............................................................. 35 Fig. 10 – Oitava questão utilizada no aplicativo ............................................................ 36 Fig. 11 – Nona questão utilizada no aplicativo .............................................................. 37 Fig. 12 – Décima questão utilizada no aplicativo ........................................................... 37 Fig. 13 – Testando o termoscópio a base de álcool ......................................................... 39 Fig. 14 – Testando o barômetro....................................................................................... 41 Fig. 15 – Pluviômetro finalizado ..................................................................................... 42 Fig. 16 – Material para a confecção da mini estação meteorológica de baixo custo ...... 43 Fig. 17 – Mini estação meteorológica pronta para uso na maleta .................................. 44 Fig. 18 – Montagem do circuito eletrônico da mini estação ........................................... 45 Fig. 19 – Estudante programando na plataforma do Arduino Editor Web ..................... 47 Fig. 20 – Medição da temperatura e da pressão usando a mini estação itinerante dentro de um freezer ....................................................................................................................... 48 Fig. 21 – Documentário da BBC - The Wonder of Universe – Destiny ........................ 56 Fig. 22 – Teste na praia de Ponta Negra – RN ............................................................... 57 Fig. 23 – Montando a mini estação meteorológica com os alunos.................................. 57 Fig. 24 – Montagem eletrônica da mini estação meteorológica realizada pelos alunos 58 Fig. 25 – Verificação das instalações eletrônica da mini estação .................................. 58 Fig. 26 – Mini estação meteorológica finalizada após a programação na IDE do Arduino Uno ................................................................................................................................. 59 Fig. 27 – Montagem da estação meteorológica na maleta .............................................. 60 Fig. 28 – Medição da mini estação meteorológica itinerante na escola Agnus Dei ........ 60

LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AC Aplicação do Conhecimento; atm Atmosférica; BNCC Base Nacional Comum Curricular; Q Calor; cm Centímetro; CC Corrente Contínua; CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos; ENEM Exame Nacional do Ensino Médio; ER Estudo da Realidade; hpa Hectopascal; INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais; MEC Ministério da Educação; mm Milímetro; ml Mililitro; NTIC Novas Tecnologias da Informação e Comunicação; OC Organização do Conhecimento; P Pressão; PCNEM Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio; PCN+ Parâmetros Curriculares Nacionais Mais; RN Rio Grande do Norte; S Entropia; T Temperatura; W Trabalho; U Energia interna; UEPS Unidades de Ensino Potencialmente Significativas; v Velocidade; V Volts; v. Volume; ºC Graus Celsius;

SUMÁRIO

Capítulo 1 - Introdução .................................................................................................... 12

Capítulo 2 – O ensino da Termodinâmica ....................................................................... 16

2.1 – A experimentação no ensino de Física ............................................................... 16

2.2 – As técnicas de ensino .......................................................................................... 18

2.3 – O estudo da Termodinâmica ............................................................................... 22

Capítulo 3 – Construção da mini estação meteorológica de baixo custo ....................... 29

Capítulo 4 – Aplicações e resultados .............................................................................. 45

Conclusão ........................................................................................................................ 50

Referências Bibliográficas ............................................................................................... 52

Apêndice A – Registros fotográficos do projeto ............................................................ 56

Apêndice B – Manual do professor .............................................................................. 61

Apêndice C – Manual da Mini Estação Meteorológica Portátil ................................... 71

12

Capítulo 1

Introdução

O grande desafio na educação é conseguir a atenção e o interesse dos estudantes

em aprender e construir o conhecimento a partir de sua vivência. Isso é árduo, pois muitas

vezes é necessário um processo de transformação no Ensino Básico. Essas mudanças

fazem parte do papel do professor como mediador no processo de ensino e aprendizagem.

De acordo com Delizoicov (2009, p. 31), o professor necessita ter um conhecimento

científico e tecnológico para ministrar a aula, porém, isso não é suficiente para ter um

bom desempenho na docência. Na maioria das vezes, o ensino de Ciências, em especial

o de Física, é transmitido de forma mecânica. Essa modalidade de ensino é realizada por

meio de regras, fórmulas, gráficos desarticulados, formulação de perguntas e resposta

prontas, entre outros. De acordo com Delizoicov (2009, p. 32) esse processo de

transmissão mecânica é denominado de senso comum pedagógico. Assim, com essas

práticas de ensino, uma das consequências é o distanciamento do estudante com a

disciplina.

O aprendizado de Física tem que ser significativo para os estudantes, fazendo-os

enxergar e compreender que a Ciência está em todo lugar e em constante transformação.

Não é algo pronto e inquestionável. No ensino de Física, tem-se a oportunidade de aguçar

o senso investigativo e crítico de cada estudante e, para que isso aconteça, é necessário

modificar na forma de ensinar. Nesse aspecto, o presente trabalho traz uma proposta

inovadora de ensino dos conceitos Termodinâmicos.

O estudo da Termodinâmica depende das relações quantitativas entre calor e

outras formas de energia. Também depende das variáveis que caracterizam o estado de

equilíbrio termodinâmico tais como: a pressão, a temperatura e o volume. Quando todas

as variáveis que especificam o estado termodinâmico permanecem inalteradas, ou seja,

não mudam com o decorrer do tempo, o sistema atinge o equilíbrio termodinâmico. Por

exemplo, o equilíbrio térmico está associado à ausência de fluxo térmico, devido ao fato

de que a temperatura é a mesma, em todos os pontos do sistema (Freedman, 2008).

O estudo da primeira lei da Termodinâmica, segundo Nussenzveig (2002, p. 157),

reconhece o calor como uma forma de energia e, consequentemente, há duas formas para

alterar a energia interna (ΔU) do sistema por meio de trabalho (W) ou por meio do calor

13

(Q). Dessa forma, chega-se à conclusão da extensão do princípio de conservação da

energia. Essa lei também pode ser enunciada através do ponto de vista da realização de

trabalho a partir do fluxo de calor de um sistema para outro. Assim, esse princípio passa

a ser reconhecido como fundamental aos demais fenômenos da natureza e,

consequentemente, não pode ser violado.

A segunda lei da Termodinâmica surge através da necessidade de aumentar o

rendimento de uma máquina térmica e traz o problema da irreversibilidade do tempo. De

acordo com Nussenzveig (2002, p. 157), a segunda lei e a irreversibilidade são um dos

problemas mais profundos da Física. Na natureza o processo de reversibilidade é

impossível, uma vez que um sistema não volta ao seu estado inicial de forma espontânea

com as mesmas variáveis de estado. Diante disso, na escala macroscópica os processos

tendem a ocorrer apenas em um sentido, ou seja, os processos são irreversíveis.

A proposta nesta dissertação é desenvolver o ensino da Termodinâmica com mais

qualidade, entre os alunos do Ensino Médio, através da confecção de um produto

educacional utilizando materiais de baixo custo e divulgar o resultado a comunidade

educacional. Assim, o projeto foi aplicado na Escola Agnus Dei, em Parnamirim – RN,

com a turma da segunda série do Ensino Médio. O trabalho foi desenvolvido por meio de

oficinas durante o turno matutino, nas quais os estudantes identificaram as leis da

Termodinâmica e construíram uma maleta que contém uma mini estação meteorológica

portátil, usando como ferramenta o Arduino Uno. Este Arduino foi viabilizado para obter

os dados coletados por sensores, que mediram valores de temperatura e pressão

atmosférica, os quais foram analisados com base nos conceitos da Termodinâmica e da

Meteorologia.

O experimento construído com o Arduino propiciou uma confiabilidade na

medição de duas variáveis de estado termodinâmico, temperatura e pressão. Como a

aquisição de uma estação meteorológica é economicamente inviável, foi apresentada uma

alternativa, isto é, a construção de uma mini estação meteorológica portátil e de baixo

custo, que pode ser facilmente construída e transportada.

A Sociedade Brasileira de Física divulga a produção do Mestrado Nacional

Profissional em Ensino de Física (MNPEF), apresentando em seu sítio várias dissertações

concluídas. Esse mestrado tem como objetivo profissionalizar em nível de Pós-graduação

professores de Ensino Básico na área da Física. Dentre estes trabalhos consolidados,

14

destacam-se três que abordam a Termodinâmica e a Meteorologia, ambas relacionadas

com o ensino.

Na dissertação de Rita de Cássia Contin (2017), intitulada “Ensino de conceitos

de Termodinâmica: Estação Meteorológica como possibilidade de aprendizagem em

Física”, a autora descreve um projeto realizado com alunos do 9º ano de Ensino

Fundamental, na escola Estadual Gabriel Pinto de Arruda localizada, em Mato Grosso.

No trabalho, aplicaram-se sequências didáticas referente aos conceitos básicos de

Termodinâmica, construindo-se uma mini estação meteorológica, desenvolvendo o

ensino através das Unidades de Ensino Potencialmente Significativas (UEPS). A autora

considera que as UEPS e as teorias da aprendizagem significativa empregadas na estação

meteorológica corroboram para o estudo relevante dos conceitos referentes a Física

Térmica. As sequências didáticas foram elaboradas de tal forma que foi possível

desenvolver os conhecimentos prévios (subsunçores) dos alunos. Outro ponto

interessante do projeto foi a descentralização do livro didático, uma vez que foi utilizado

outras formas de ensino por meio de filme, texto científico, aplicativos e outros recursos

apresentados pelo(a) professor(a). A autora destacou que, ao realizar uma abordagem de

conteúdos de forma contextualizada, levou os alunos a se envolverem na aula e nas

atividades desenvolvidas. Então, eles foram motivados a questionar o processo de

construção da estação meteorológica em relação aos conteúdo da disciplina, confirmando

a importância de trabalhar com uma metodologia de ensino diferenciada culminando em

uma aprendizagem significativa.

Com a dissertação intitulada “O uso do Arduino e do Processing no Ensino de

Física”, Luis Henrique Monteiro de Castro (2016) descreveu uma abordagem didática do

ensino de Física por meio do Arduino e do Processing como ferramenta para experimento

de baixo custo. O projeto foi desenvolvido no Curso Técnico em Eletrônica da Escola

Técnica Estadual Ferreira Viana, no Rio de Janeiro, com a construção de três

experimentos utilizando o Arduino. Um desses experimentos foi a construção de uma

estação meteorológica de baixo valor aquisitivo. O autor visualizou que a proposta de

montagem experimental utilizando o Arduino, com a colaboração dos alunos,

oportunizou a experiência dos estudantes em enfrentar as diversas situações e, em

consequência disso, a elaborar as estratégias de resolução. A inserção da tecnologia

proporcionou elementos essenciais para o desenvolvimento das habilidades e

15

competências que o ensino de Física exige e, através da investigação científica, a

aprendizagem foi significativa.

No trabalho intitulado “Uma Proposta para o Ensino de Entropia para o Ensino

Médio”, Ubaldo Fernandes de Almeida (2015) retratou uma sequência didática

abordando o conceito de entropia. A proposta foi aplicada em turmas do Ensino Médio

do Colégio Salesiano Dom Bosco, em Parnamirim, com a utilização de vídeos e

simulações. O autor evidenciou que os livros didáticos abordam conceitos de entropia

apenas em situações microscópicas, dessa maneira casos distantes da vivência do aluno o

que dificulta a aprendizagem. No projeto é desmistificada a ideia de ordem e desordem

aos conceitos referentes a Segunda Lei da Termodinâmica, onde apresentou os processos

acerca da reversibilidade e da irreversibilidade dos fenômenos físicos. Foi aplicado uma

série de 10 vídeos experimentais que minimizou a abstração do conceito de entropia,

promovendo dessa forma uma aprendizagem significativa através da inserção da

tecnologia como os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) recomendam.

Assim, essa dissertação está organizada estruturalmente em quatro capítulos, cuja

distribuição dos temas é descrita a seguir. No capítulo 2, será abordada a fundamentação

teórica e as técnicas de ensino utilizadas. No capítulo 3, será detalhada a construção da

mini estação meteorológica. No capítulo 4, será apresentada a aplicação e os resultados

do produto educacional na sala de aula. Em seguida, será explanada a conclusão do

trabalho, a partir da metodologia aplicada no produto educacional, com ênfase na

atividade experimental.

A parte final do trabalho conterá os apêndices A, B e C, onde serão encontrados

os registros fotográficos de algumas etapas do desenvolvimento do projeto, o manual do

produto educacional destinado ao professor e o manual técnico destinado ao estudante,

respectivamente. O manual do professor possui o processo metodológico desenvolvido

no projeto, já no manual destinado ao estudante possui a descrição técnica detalhada da

construção da mini estação meteorológica portátil. Nesse mesmo material estará presente

uma breve explanação sobre o Arduino Uno, o reconhecimento da placa, as conexões

eletrônicas e, por fim, o código pronto para ser utilizado.

16

Capítulo 2

O ensino da Termodinâmica

Neste capítulo abordaremos a importância e as dificuldades da realização da

atividade experimental para que se possa alcançar um ensino significativo. Em seguida

apresentaremos as metodologias que auxiliam no processo de ensino-aprendizagem dos

estudantes da segunda série do Ensino Médio. Por último, faremos uma sucinta

explanação dos conhecimentos de Termodinâmica aplicados a compreensão de alguns

fenômenos da atmosfera.

2.1 – A experimentação no ensino de Física

A utilização da experimentação é de fundamental importância para que ocorra o

processo de ensino-aprendizagem, independente da ciência estudada. No ensino de Física,

as práticas de laboratório surgem diante a necessidade de constatar os fenômenos físicos,

uma vez que o livro didático não é mais suficiente para suprir a abstração dos conceitos

trabalhados. Em geral, o laboratório didático é utilizado de forma tradicional e, assim,

tornando o ensino rígido durante o processo de aprendizagem. Nessa prática desenvolvida

no laboratório, o estudante recebe um roteiro a ser seguido, obtendo os resultados

previstos. Diante dessa técnica de ensino a consequência do estudante segundo Gaspar

(2003. Pag. 11),

(...) no final da década de 1950 surgiram alternativas viáveis, que traziam uma nova visão do processo de ensino e aprendizagem e, como consequência, a atividade experimental. Essas propostas desaconselhavam a forma como as atividades experimentais eram habitualmente desenvolvidas em nossas escolas, tanto as demonstrações realizadas pelo professor como as atividades feitas pelos alunos a partir de roteiros orientadores. Criticavam-se a passividade e o comportamento robotizado dos alunos.

O comportamento “robotizado” do aluno apenas reforça uma das características

do ensino tradicionalista, que enxerga o aluno como uma tábula rasa, na qual pode ser

escrito e apagado qualquer informação. O aluno é encarado como um ser desprovido de

cognição, como ressalta Daher (2017, p. 8, apud BECKER, 2001),

17

O professor acredita no mito da transferência do conhecimento: o que ele sabe, não importa o nível de abstração ou de formalização, pode ser transferido ou transmitido para o aluno. Tudo que o aluno tem a fazer é submeter-se à fala do professor.

Hoje em dia, sabe-se que o desenvolvimento gradativo da cognição é decorrente

dos processos de construção e desconstrução, embora muitos professores, em especial de

Física, tenham o ensino tradicionalista presente nas salas de aulas. É necessário romper

essa inércia e dar lugar a culminância da aprendizagem significativa. Nessa perspectiva,

o laboratório didático de Física pode ser um instrumento de ensino que ativa de forma

eficiente a aprendizagem significativa.

No uso do laboratório, existem algumas barreiras que os professores enfrentam,

por exemplo, a falta de equipamentos e materiais básicos para a realização das aulas.

Como solução ou minimização, o docente tem a opção de confeccionar os equipamentos

de forma simples através de materiais de baixo custo. Esses materiais são de fácil acesso,

oferecendo ao professor e aos estudantes a possibilidade de sanarem as barreiras

enfrentadas na maioria das escolas públicas.

A construção dos dispositivos de baixo custo em parceira com os estudantes pode

desenvolver o processo cognitivo por meio da participação e engajamento em cada etapa.

Durante o desenvolvimento das atividades experimentais o discente tem a oportunidade

de sair do comportamento robotizado e migrar para o participativo de forma ativa,

construtiva e crítica. O professor de Física pode modificar a realidade do ensino com aulas

experimentais confeccionadas pelos próprios estudantes. A construção e a divulgação

científica de Física por meio de experimentos podem ir além da sala de aula como ressalta

Silva e Leal (2016, p. 2),

(...), a montagem de atividades de laboratório de caráter meramente qualitativa pode ser utilizada de forma complementar em sala de aula e também em apresentações em Feiras de Ciências, como forma de validar a ocorrência dos fenômenos físicos no dia a dia e também, para fortalecer a intuição física no ambiente escolar a partir do exercício do pensamento científico.

18

A utilização do laboratório de Física, além de auxiliar no processo de ensino e

aprendizagem, também poderá contribuir na divulgação da ciência. O fortalecimento não

ocorrerá apenas na disciplina de Física, mas na estimulação e no desenvolvimento

investigativo do estudante. Como consequência, o ensino será resultado da combinação

entre o laboratório didático e as aulas teóricas.

2.2 – As técnicas de ensino

A educação brasileira está orientada por diversos documentos, dentre eles estão:

Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), Parâmetros

Curriculares Nacionais Mais (PCN+) e a Base Nacional Comum Curricular (BNCC). Os

PCNs objetivam orientar os profissionais da educação acerca da organização curricular

de cada disciplina. No entanto, houve a necessidade de formular o PCN+ com o intuito

de complementar os PCNs. Os documentos que norteiam os profissionais da educação

estendem-se as escolas das redes públicas e privadas.

Os PCNEMs orientam os professores a alcançarem as metas educacionais de cada

disciplina, dessa forma conduzindo a Ciência, em especial a Física, como ferramenta de

percepção do mundo. De acordo com PCNEMs (2000), a necessidade de criação de novos

parâmetros seria sair do ensino propedêutico, que deu certo durante muitos anos, e migrar

para o novo Ensino Médio. A sociedade carecia de um ensino pleno, uma vez que houve

um aumento ao acesso a outros níveis da educação.

Na disciplina de Física, metas foram criadas para alcançar a aprendizagem de

forma significativa, criando cidadãos críticos e ativos na sociedade. Diante dos diversos

objetivos na disciplina de Física, um dos principais é a compreensão do mundo, a

valorização do conhecimento prévio e a contextualização da Física como ciência e

tecnologia. Mesmo assim, o ensino de Física é transmitido de forma engessada e como

consequência omite a verdadeira ciência. O ensino é passado para o estudante de tal forma

que é valorizado a técnica de ensino tradicionalista, consequentemente, a aprendizagem

significativa não é aplicada na prática.

A ciência está presente no dia a dia dos estudantes, desde a organização do

universo até a constituição do ser humano. Apesar de ter documentos que orientam os

profissionais da educação, a metodologia empregada é a mecânica até hoje nas salas de

19

aula através de fórmulas, gráficos e conceitos formulados. Logo, deve ser ressaltada que

a Física é uma ciência experimental, a qual necessita da teoria aliada a prática.

O ensino de Física deve despertar o senso investigativo do estudante com base no

PCN+ (2007) e o professor precisa incentivar os estudantes a acompanharem as notícias

divulgadas nos meios de comunicação. Dessa forma, estará desenvolvendo os conceitos

físicos e o senso crítico. Nesse trabalho, foi dado esse suporte através do estudo da

Termodinâmica da Atmosfera. Assim, cumprindo as orientações sugeridas pelos

parâmetros, “(...) lidar com as variações climáticas e ambientais como efeito estufa,

alterações na camada de ozônio e inversão térmica, fornecendo elementos para avaliar a

intervenção da atividade humana (...)” (PCN+, 2007, p. 22).

Outro documento atualmente bastante discutido, a BNCC de acordo com o MEC

(2017), tem como finalidade garantir a igualdade na educação por meio da descrição

direta das habilidades e competências em comum para cada ano da Educação Básica. A

base conforme o art. 210 “Serão fixados conteúdos mínimos para o ensino fundamental,

de maneira a assegurar formação básica comum e respeito aos valores culturais e

artísticos, nacionais e regionais” (Constituição da República Federativa do Brasil, 2017).

Logo, a BNCC será referência obrigatória na formulação mínima dos currículos nas

escolas do Brasil na tentativa de garantir a equidade na Educação Básica.

Os documentos que regem o ensino brasileiro têm em comum o objetivo de

universalizar o ensino básico, de tal forma que a aprendizagem seja relevante na vida do

estudante. Na educação há diversas linhas pedagógicas que são utilizadas como

metodologia de ensino e ocorre geralmente a junção de uma ou mais teoria para que os

objetivos de cada disciplina sejam alcançados. Então, neste trabalho serão abordadas as

vertentes pedagógicas, de Ausubel e a Freiriana, que irão auxiliar a alcançar os objetivos

exigidos pela Termodinâmica.

A teoria de David Ausubel aborda a aprendizagem significativa, baseada na

presença e desenvolvimento dos conhecimentos prévios relevantes que o indivíduo possui

em sua estrutura cognitiva. O conhecimento importante que o indivíduo possui é

conhecido, na teoria de Ausubel, como subsunçores ou ideia-âncora. De acordo com

Moreira (2013, p. 6), “(...) subsunçor é o nome que se dá a um conhecimento específico,

existente na estrutura de conhecimentos do indivíduo, que permite dar significado a um

novo conhecimento que lhe é apresentado ou por ele descoberto”. Com base na fala de

20

Moreira, entende-se que os subsunçores são conhecimentos prévios relevantes para o

processo de ensino-aprendizagem.

Os subsunçores são formados a partir da interação do indivíduo com o meio em

que está inserido. Aplicando um exemplo de subsunçores na Física, de acordo com

Moreira (2013), o estudante que possui o conhecimento sobre a lei da conservação da

energia mecânica, consegue compreender situações que envolvem as energias cinética e

potencial, formando um conhecimento prévio de conservação da energia. Entretanto,

quando a primeira lei da Termodinâmica for apresentada com base na conservação da

energia de um sistema Termodinâmico, o estudante irá “ligar” o subsunçor formulado

anteriormente nos conceitos da energia mecânica. Assim, dará novos significados a esta

lei, de tal forma a enriquecer e estabilizar o subsunçor já existente na estrutura cognitiva

do estudante. Mediante o exposto, o estudante irá compreender que esse subsunçor terá

como significado que a energia é conservada tanto no sistema mecânico quanto no

termodinâmico.

Por meio da aprendizagem significativa que foi dada ao conceito de conservação

da energia, este servirá de pressuposto para outros conhecimentos: a conservação da

massa, da carga elétrica, da corrente elétrica, da quantidade de movimento e entre outros

princípios físicos. O subsunçor ficará cada vez mais elaborado, claro e estabilizado, assim

chegando até um novo subsunçor das leis físicas que não se conservam, como a entropia,

por exemplo. Com cada “acionamento” do subsunçor, esse se tornará cada vez mais

significativo, porém o mesmo pode ser esquecido. No entanto, por se tratar de estrutura

cognitiva, o mesmo pode ser resgatado com facilidade se a aprendizagem tiver sido

significativa.

A principal característica da aprendizagem significativa é a presença dos

subsunçores na estrutura cognitiva do indivíduo. Quando ocorrem falhas nas tentativas

de “resgate” dos subsunçores, a explicação é devido a aprendizagem mecânica. Uma

aprendizagem memorística e reprodutiva que é rapidamente esquecida quando utilizada

para a realização de testes, provas ou simulados, ou seja, não houve a formação

consolidada dos subsunçores. A aprendizagem pode ser mecânica, mas transformada em

significativa desde que haja a presença e a consolidação do subsunçor ao longo do

processo de ensino e aprendizagem. Essa transformação ocorre na estrutura cognitiva

chamada de zona cinza, onde há desenvolvimento e fortalecimento dos subsunçores,

21

chegando na consolidação da aprendizagem significativa. No entanto, quando não há

desenvolvimento e ramificação para a criação de novos subsunçores a aprendizagem

permanece mecânica, a qual é contínuo nas escolas.

Para obter a aprendizagem significativa de acordo com Moreira (2013), é

necessário ter dois requisitos básicos: é ter uma unidade potencialmente significativa e a

outra é o estudante querer aprender. A primeira condição depende do subsunçor que o

estudante possua, uma vez que se não possui a ideia-âncora consequentemente não haverá

desenvolvimento potencialmente significativo. Já a segunda condição é bem mais

complexa que a primeira, uma vez que se remete a predisposição que o estudante precisa

ter.

Durante o processo de aprendizagem há aprimoramentos, estabilizações

cognitivas e origens a novos conhecimentos. Para que esse processo seja desenvolvido de

forma significativa é necessário utilizar estratégias que levem a aprendizagem. Portanto,

neste trabalho será abordada a metodologia desenvolvida por Demétrio Delizoicov e José

Angotti utilizando as vertentes pedagógicas de Paulo Freire. Essa técnica é denominada

pelos três momentos pedagógicos: Estudo da Realidade (ER), Organização do

Conhecimento (OC) e Aplicação do Conhecimento (AC).

No primeiro momento, o ER, é motivado por um tema que leva em consideração

a realidade e o meio em que o estudante vive através de uma problematização inicial. A

posição do professor, de acordo com Angotti (2015), é mediar a discussão e o

desenvolvimento da problematização inicial a partir dos questionamentos feitos as

respostas dadas pelos estudantes. Com essa postura o professor não irá fornecer respostas,

mas potencializar o senso crítico do estudante. Nesse primeiro momento, o professor

estará criando possibilidades de construção do conhecimento a partir do subsunçor

existente na estrutura cognitiva do indivíduo.

No segundo momento, a OC, é a parte que o professor introduz os conhecimentos

científicos com base no tema abordado na primeira etapa. O professor nessa fase deve

realizar atividades, pesquisas, aulas de laboratório, enfim aprimorar o conhecimento

científico nas situações problematizadas inicialmente. Os estudantes necessitam

“acionar” os subsunçores e estabilizá-los durante essa segunda etapa.

No terceiro e último momento, a AC, será aplicado o conhecimento científico

adquirido durante a segunda fase. Dessa forma, o aprendiz irá aplicar e ampliar o

22

conhecimento sistematizado. Conforme Angotti (2015, p.25) “Do mesmo modo que no

momento anterior as mais diversas atividades devem ser desenvolvidas, buscando a

generalização da conceituação que já foi abordada, inclusive formulando os chamados

problemas abertos”. Nessa fase é frequente a utilização das Novas Tecnologias da

Informação e Comunicação (NTIC), dinamizando a aula.

Os três momentos pedagógicos auxiliam no processo de aquisição do

conhecimento, embora o termo “aprendizagem significativa” esteja sendo empregada de

forma inadequada. O objetivo de toda aprendizagem é tornar-se significativa para o

estudante, mas a sociedade, a escola e os pais pleiteiam as avaliações escolares por meio

de uma prova, a qual o estudante acerta ou erra. Essa forma de avaliação é computada

através de uma nota servindo como “medição” da aquisição do conhecimento. Então, a

avaliação e todo o processo de ensino é dada de forma mecânica. A avaliação na

perspectiva de Ausubel de acordo com Moreira (2013) é drástica, uma vez que é proposta

ao estudante uma situação nova que irá utilizar os conhecimentos adquiridos, assim não

“encenar” uma aprendizagem significativa.

2.3 – O estudo da Termodinâmica

A Termodinâmica estuda fenômenos fundamentados nos conceitos de calor e

temperatura e, consequentemente, o estado termodinâmico pode ser descrito do ponto de

vista microscópico ou macroscópico. A representação microscópica de um sistema

gasoso, por exemplo, é praticamente inviável, uma vez que as partículas de um gás não

são analisadas individualmente. Essas partículas se movem de forma desorganizadas em

um sistema, dessa forma esse conjunto de partículas convém ser estudado

macroscopicamente. Nessa descrição são abordadas as três variáveis de estado: a

temperatura (T), a pressão (P) e o volume (V). (NUSSENZVEIG, 2002)

A atmosfera, em alguns casos pode ser considerada uma máquina térmica, como

por exemplo, na circulação geral da atmosfera cuja principal fonte de calor é a energia

solar. No estudo da Termodinâmica da atmosfera há dependência das variáveis que

caracterizam o estado de equilíbrio termodinâmico do sistema atmosférico, tais como a

pressão, a temperatura, o volume, a energia (U) e a entropia (S). Quando todas as variáveis

que especificam o estado termodinâmico permanecem inalteradas, ou seja, não mudam

23

com o tempo, o sistema atinge equilíbrio termodinâmico. Por exemplo, o equilíbrio

térmico está associado à ausência de fluxo térmico, devido ao fato de que a temperatura

é a mesma, em todos os pontos do sistema (FREEDMAN, 2008).

A pressão está diretamente relacionada com as colisões elásticas entre as próprias

partículas que compõe o gás ou entre estas partículas e as paredes que confinam este gás.

O resultado dessas colisões é a inversão do sentido da velocidade (𝑣 ⃗⃗⃗ → −𝑣 ⃗⃗⃗ ),

consequentemente, a cada colisão haverá transferência do momento linear para as paredes

do recipiente. Diante do princípio de conservação do momento linear durante os choques

elásticos haverá a inversão desta grandeza.

A pressão é uma grandeza escalar que é determinada a partir da força exercida

sobre a área de contato. Quando uma força atua numa determinada área, a pressão é

definida pela razão entre a componente perpendicular desta força e a referida área. Como

a pressão na atmosfera é resultado principalmente da ação da força gravitacional sobre a

massa de ar que compõe este sistema, o seu valor diminui com a altitude. A pressão é

resultante da colisão inelástica que as moléculas exercem em um sistema termodinâmico.

O barômetro é um instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica de um

determinado local. Há diversos tipos de barômetros, mas seu funcionamento consiste

basicamente na densidade da massa de ar sobre um determinado local. Dessa forma,

ocorre movimento de expansão ou contração das massas, consequentemente o

instrumento mensura a pressão atmosférica.

A temperatura está relacionada diretamente com a agitação das moléculas, ou seja,

com a energia cinética de um sistema termodinâmico. O equilíbrio termodinâmico de um

sistema ocorre quando as variáveis de estado não são modificadas com o passar do tempo.

Esse processo de equilíbrio térmico é chamado de Lei Zero da Termodinâmica. Devido a

este princípio, é possível medir a temperatura de um corpo, criando um instrumento para

esta aferição, o termômetro.

A temperatura do ar sofre oscilações frequentes, atingindo temperaturas máximas

e mínimas no decorrer de um dia. Durante o turno da manhã é comum iniciar o

aquecimento do ar, atingindo uma temperatura máxima no começo da tarde. No período

da noite, o ar começa a resfriar, atingindo uma temperatura mínima no final da madrugada

ou começo da manhã (Fig. 1). Analisando os registros do dia 19/02/18 e 20/02/18

(Climatempo), podemos constatar as temperaturas máximas e mínimas ocorreram em

24

horários diferentes, de acordo com as Fig. 1 e 2. A temperatura máxima e mínima do ar

de acordo com Mendonça (2007, p. 53),

(...) os processos de aquecimento e resfriamento da superfície serem simultâneos durante a manhã e â tarde, há, por parte da superfície, um ganho de energia pela presença do Sol, que, ao se pôr, faz com que passe a predominar a perda de energia do solo para o ar, e desse para o espaço. Essa perda pode ser retratada pelos rebaixamentos de valores de temperatura, que é iniciado a noite e tem seu valor mínimo momentos antes do Sol nascer.

Analisando a Fig. 1 constatamos que ocorreu a temperatura mínima do ar, no dia

19/02/18, às 04h00 e se manteve até às 06h00, registrou o valor de 24 graus Celsius (ºC),

nesse intervalo de tempo a presença do sol estava parcialmente ausente. A temperatura

máxima do ar ocorreu às 12h00 e se manteve até às 14h00, chegando a 31ºC, durante esse

intervalo de tempo. Essa máxima é justificada pelo aquecimento das massas de ar.

Continuando as observações, no dia 20/02/18, o registro da temperatura mínima do ar em

24ºC ocorreu, em dois momentos, ou seja, das 02h00 às 04h00 e das 22h00 às 23h00 (Fig.

2). Já a temperatura máxima do ar ocorreu às 12h00, e após esse horário ocorreu o

declínio. Pode-se observar que os padrões de registros das temperaturas variam de acordo

com as variáveis de estado.

A variável de estado responsável pela ocupação dos fluidos, como as moléculas

de um gás, é o volume. Em Meteorologia, utiliza-se o instrumento chamado de

pluviômetro. Esse instrumento mede a quantidade de precipitação numa determinada

região. Essa quantidade é medida em milímetros (mm) que calcula em uma determinada

área o volume de precipitação. A perspectiva da precipitação é registrada nas Fig. 1 e 2

em milímetros (mm), no dia 19/02/18, a estimativa era de 11 mm e no dia 20/02/18 de 5

mm.

25

Fig. 1 – Previsão diária e horária da temperatura na cidade de Natal (RN) no dia 19/02/18. Fonte:

Climatempo.

26

Fig. 2 – Previsão diária e horária da temperatura na cidade de Natal (RN) no dia 20/02/18. Fonte:

Climatempo.

27

A Primeira Lei da Termodinâmica, segundo Nussenzveig (2002, p. 157),

caracteriza o calor como uma forma de energia que é conservada em um sistema

termodinâmico isolado. Assim, esse princípio de conservação da energia interna passa a

ser reconhecido como fundamental aos demais fenômenos da natureza e, portanto, não

pode ser violado. A energia que um sistema termodinâmico possui é inerente a função de

estado, a energia interna. Assim, a primeira lei é descrita matematicamente de acordo com

a Eq. 1,

∆𝑈 = 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖 = 𝑄 − 𝑊 (1)

Diante do exposto, uma função de estado é a caracterização do sistema que utiliza

as variáveis termodinâmicas para descrever o comportamento desse sistema. Dessa

forma, entende-se o comportamento termodinâmico do sistema. O estado de um gás ideal

é descrito através das variáveis de estado associadas ao comportamento desse gás.

Portanto, as equações de estado termodinâmicas podem ser descritas de acordo com as

transformações que um gás sofre. A energia interna de um sistema termodinâmico deve

ficar completamente descrita através da função de estado descrita pela U em pares com

as variáveis de estado (T, P, V), como descreve NUSSENZVEIG (2002) a Eq. 2,

𝑈 = 𝑈 (𝑇, 𝑃); 𝑈 = (𝑇, 𝑉);𝑈 = 𝑈 (𝑃, 𝑉) (2)

A Segunda Lei da Termodinâmica surge através da necessidade de aumentar o

rendimento de uma máquina térmica e traz o problema da irreversibilidade do tempo. De

acordo com essa lei, a irreversibilidade é um dos problemas mais profundos da Física. Os

processos reversíveis de um sistema são caracterizados como uma sucessão dos estados

termodinâmicos, de tal forma que o sentido inverso terá que ser rigorosamente igual ao

inicial. Na natureza, verifica-se a inexistência desses processos. Os processos

irreversíveis são caracterizados pela impossibilidade de um sistema voltar ao seu estado

inicial de forma espontânea. Por exemplo, quando um ovo cai no chão sofre um

aquecimento devido à quebra da estrutura cristalina e a conversão da energia cinética em

calor. No entanto, não se observa o processo inverso, o ovo retornar o seu estado inicial

de forma espontânea. De acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica há dois

28

enunciados, o de Kelvin e Clausius. O enunciado de Kelvin aborda a impossibilidade de

retirar uma determinada quantidade de calor do sistema, e essa mesma quantidade seja

utilizada integralmente para realizar trabalho. Já o de Clausius, diz que é impossível haver

um fluxo espontâneo de calor de uma fonte de menor temperatura para a de maior.

(NUSSENZVEIG, 2002)

A principal consequência do enunciado de Clausius é a presença de uma função

de estado, a entropia. Essa função de estado, assim como a Primeira Lei da

Termodinâmica, depende das variáveis de estado termodinâmico (T, P, V) associadas em

pares em função da entropia,

𝑆 = 𝑆 (𝑇, 𝑃); 𝑆 = 𝑆 (𝑇, 𝑉); 𝑆 = 𝑆(𝑃, 𝑉) (3)

A entropia de um sistema será zero quando associada a processos reversíveis, e

será positiva quando for associada a processos irreversíveis,

∆𝑆 ≥ 0 (4)

Esse aumento da entropia é explicado pela degradação da energia, ou seja, ocorre

o desperdício de uma quantidade de trabalho. Essa dissipação de energia seria utilizada

se o princípio de Kelvin fosse violado. Na natureza apenas dispomos do aumento da

entropia, uma vez que existe a irreversibilidade do tempo. (NUSSENZVEIG, 2002)

29

Capítulo 3 – Construção da mini estação meteorológica de baixo custo

A construção da mini estação meteorológica surgiu da necessidade de desenvolver

o ensino de Termodinâmica com mais qualidade. A elaboração da mini estação foi

desenvolvida em quatro etapas: A primeira foi a aplicação de uma atividade de sondagem,

a segunda foi a confecção dos instrumentos de medição, a terceira foi a construção da

mini estação utilizando o Arduino Uno e a quarta etapa foi a finalização da estação na

maleta. Então, foram desenvolvidas oficinas na segunda e terceira fase com a turma da 2ª

série do Ensino Médio do Centro Educacional Agnus Dei, no município de Parnamirim

– RN. A aplicação do projeto foi desenvolvida durante 12 aulas que ocorreram durante o

turno de aula quanto fora do horário de aula.

Inicialmente foi aplicada uma atividade de sondagem sobre algumas concepções

básicas, que teve como objetivo verificar os conceitos prévios que os estudantes possuíam

sobre Termodinâmica e Meteorologia. As questões utilizadas na atividade introdutória

foram implementadas com base nas curiosidades e questionamentos dos estudantes,

realizada por meio de uma coletânea de dez perguntas (Tabela 1).

1. No Facebook durante o primeiro acesso do dia surge a previsão meteorológica. Essa rede social tem sua própria estação? 2. Por que chove muitas vezes em um bairro e não em um outro vizinho? 3. Por que no mês de julho (2017) ocorreu uma grande quantidade de chuva (precipitação) no litoral do Rio Grande do Norte? 4. Como calcular quanto choveu em uma área? 5. Como se calcula as temperaturas mínimas e máximas, dadas nas previsões do tempo? 6. Por que as previsões do tempo são atualizadas a cada hora do dia? 7. Por que às vezes a previsão do tempo falha? 8. O que significa dizer que o clima do RN é “úmido ou seco”? 9. Por que não somos esmagados pela coluna de ar que está acima de nossas cabeças? 10. Exemplifique as variáveis de estado, a temperatura, a pressão e o volume em seu cotidiano.

Tabela 1 – Atividade diagnóstica utilizando o aplicativo Socrative. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

A atividade diagnóstica foi aplicada na primeira fase através do aplicativo,

Socrative, disponibilizado na versão gratuita para smartphones e computadores. Esse

aplicativo permite conectar o professor aos estudantes por meio de uma sala de aula

virtual. Para utilizar esse recurso não há a necessidade que todos permaneçam no mesmo

30

ambiente, mas necessita-se que todos fiquem conectados a sala de aula virtual. Mediante

a utilização desse software, o professor possui o registro dos estudantes que estão online,

as questões que foram formuladas e respondidas pelos estudantes, o armazenamento da

atividade entre outras funções. A sondagem foi aplicada no ambiente virtual criado

pelo(a) professor(a) “Termodinâmica 2” e as respostas das questões foram enviadas para

o email cadastrado no aplicativo. Dessa forma, o aplicativo surgiu como uma ferramenta

de ensino divertida e interativa que auxiliou no processo de coleta de dados sobre os

conceitos introdutórios que os estudantes possuíam. Com essas respostas coletadas, o

professor teve condições de discutir conceitos de Meteorologia e justificá-los de acordo

com os princípios termodinâmicos.

A seguir, será exposta cada questão utilizada no Socrative com as respectivas

respostas dos estudantes. Em seguida, será realizada uma análise a cerca dessas

concepções prévias antes de seguir para as oficinas que aconteceram na segunda e terceira

etapas do projeto. Esse aplicativo foi aplicado da seguinte forma: As cinco primeiras

questões foram realizadas no horário de aula durante o turno matutino, e as outras cinco

questões foram realizadas fora do horário de aula.

As questões propostas na atividade de sondagem foram discursivas, assim,

permitindo ao aluno expor seu relato de acordo com sua vivência e conhecimento de

mundo. A primeira questão proposta (Fig. 3) para os estudantes foi acerca da rede social

facebook possuir ou não uma estação meteorológica própria, uma vez que durante os

acessos aparece uma previsão do tempo de acordo com a localização do usuário.

Analisando as respostas dos estudantes, três acreditavam que essa rede social possuía um

setor meteorológico próprio, enquanto dez acreditavam que não possuía. Após a coleta

das respostas acerca dessa pergunta, a questão proposta foi discutida.

O facebook não possui uma estação meteorológica própria, no entanto, os dados

visualizados pelos usuários quando se conectam a essa rede social é confiável. As

informações utilizadas são do site “The Weather Channel”, que pertence a “The Weather

Channel Company”. Porém, as melhores previsões para as cidades no Brasil são do

Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), do Instituto Nacional de

Pesquisas Espaciais (INPE). Outra fonte confiável é o site do Climatempo,

principalmente para os leigos, que também é bastante utilizado em telejornais.

31

Fig. 3 – Primeira questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

A segunda questão (Fig. 4) analisada na atividade de sondagem foi o porquê

muitas vezes chove em um local e em outro vizinho não. Analisando as respostas dos

estudantes (1; 4; 5 e 6), as mesmas se aproximaram da justificativa plausível, em geral,

relacionando esse acontecimento ao movimento das nuvens. As respostas desses

estudantes podem ser lapidadas, pois, a causa de chover em um bairro e em outro vizinho

não, depende da dinâmica da atmosfera que está em constante movimento. As respostas

dos estudantes (8; 9 e 10) tinham uma relação exclusivamente à variável de estado

termodinâmico pressão. Embora, quando essa variável é alterada as demais variáveis (T

e V) também são modificadas.

Fig. 4 – Segunda questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

32

A terceira questão (Fig.5) abordada foi o motivo da quantidade de chuva no mês

de julho de 2017 terem sido acima da normalidade. Analisando as respostas os estudantes

(6; 8; 9 e 10), as mesmas se aproximaram da resposta correta. Aqui, os estudantes

relataram a mudança climática proveniente das massas de ar. Isso ocorreu devido a uma

zona de alta pressão, abrangendo uma grande área do Atlântico Sul, que empurrou muita

umidade para a costa do Nordeste, do sul da Bahia até o norte do RN. No entanto, os

registros de maiores precipitações ocorreram em Maceió, Recife e João Pessoa.

Fig. 5 – Terceira questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

A quarta (Fig. 6) questiona como calcular a quantidade de chuva em um

determinado local. O estudante (2) preferiu não relatar; os estudantes (5 e 6) acertaram,

embora não detalharam; os estudantes (3; 4; 7; 8; 9; 10 e 12) citaram o pluviômetro como

resposta e o estudante (11) se equivocou, quando foi expor o cálculo. O pluviômetro

registra a altura do fluido, uma vez que é medido em milímetros. Para realizar esse cálculo

é necessário realizar o produto da altura coletada pelo pluviômetro pela área. Por

exemplo, se um pluviômetro marcar 46 mm, extrapolando para uma área de 1 hectare

(100m x 100m), o volume de chuva correspondente é de

46𝑥10−3𝑚 𝑥 102𝑚 𝑥 102𝑚 = 460𝑚3 = 460.000 𝑙

33

Com base nessa explanação, os estudantes compreenderam o motivo de alguns

valores em mm de precipitação ininterrupta provocar sérios danos a uma área, como

alagamento e deslizamento de terra.

Fig. 6 – Quarta questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Na quinta (Fig.7) foi questionada como é calculada as temperaturas mínimas e

máximas que estão presentes na previsão diária do tempo. O estudante (1) acertou o

instrumento utilizado para a medição da temperatura, embora não tenha detalhado como

são obtidos e o estudante (4) relatou que deveria ser por meio de uma média. A

temperatura mínima e máxima é calculada por meio de um termômetro, no entanto, o de

mínima usa álcool e o de máxima usa o mercúrio. A temperatura máxima é coletada às

21h00, correspondente ao calor do dia todo, e a mínima às 09h00, correspondente ao calor

da noite toda. Isso ocorre devido ao processo de “aquecimento e resfriamento” da Terra.

Com isso o(a) professor(a) desmistificou que a temperatura máxima é coletada às 12h00.

34

Fig. 7 – Quinta questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Da sexta até a décima questão os estudantes responderam fora do ambiente da

escola. A questão seis (Fig. 8) indaga o porquê as previsões diárias ocorrem a cada hora

ou cada três horas. Os estudantes (2 e 6) não responderam; o estudante (1) associou essa

medição exclusivamente a quantidade de chuva; os estudantes (3; 4; 7; 11 e 12)

aproximaram-se da resposta, pois citaram a precisão da previsão. Quanto menor o

intervalo de tempo entre as medidas, melhor a qualidade das informações coletadas. No

entanto, essas coletas dependem do tipo de utilização, por exemplo, para informar a

sociedade, para os estudantes da área ou para os pesquisadores.

Fig. 8 – Sexta questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

35

Na questão sete (Fig. 9) é indagada o porquê muitas vezes a previsão falha ao

informar que haverá precipitação ou não em determinada região. O estudante (1) citou

que há falas pelo fato de não fazer medição em todos os locais. No Brasil existem

inúmeras estações meteorológicas e em todos estados existem instituições que fazem a

previsão do tempo. Os estudantes (2; 3 e 4) se aproximaram da resposta correta, uma vez

que os mesmos relataram que as previsões não são precisas. A previsão do tempo fornece

uma probabilidade, ou seja, a possibilidade de ocorrer a precipitação em determinado

local. No entanto, muitas informações não são tão precisas pelo fato da atmosfera possuir

uma dinâmica, tal que está em constante movimento.

Fig. 9 – Sétima questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Na oitava pergunta (Fig. 10) foi questionado o significado do clima ser úmido ou

seco. Os estudantes (4; 5; 7 e 11) fizeram a associação com a presença ou ausência de

precipitação; os estudantes (2; 6; 8; 9 e 10) se aproximaram da resposta esperada, uma

vez que associaram as massas de ar que contém moléculas de água. O clima úmido

implica na presença considerável de vapor de água na atmosfera. Já o clima seco apresenta

baixa quantidade de vapor de água na atmosfera. Para o corpo humano uma quantidade

de vapor de água abaixo de 30% é prejudicial à saúde.

36

Fig. 10 – Oitava questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Analisando a nona questão (Fig. 11) que aborda o porquê não somos esmagados

pela coluna de ar presente sobre as nossas cabeças, uma vez que o ar tem massa e,

consequentemente, exerce uma força sobre o corpo. Todos os estudantes relacionaram a

coluna de ar à pressão, no entanto, a justificativa não foi clara. Não somos esmagados

pela coluna de ar que está acima das nossas cabeças pelo equilíbrio entre as pressões

interna corpórea e a externa. Quando esse equilíbrio é afetado o corpo sente seus efeitos.

Por exemplo, quando um mergulhador imerge ou emerge na água, o mesmo realiza o

procedimento de forma lenta, uma vez que o corpo precisa ter o equilíbrio da pressão

interna com a externa para, que não sofra nenhum dano.

37

Fig. 11 – Nona questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Na décima e última questão da atividade de sondagem (Fig. 12) foi solicitado aos

estudantes que exemplificassem as variáveis de estado termodinâmico (T, P e V) no

cotidiano deles. Todos tentaram correlacionar essas variáveis com o clima.

Fig. 12 – Décima questão utilizada no aplicativo. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

38

Com base nas análises realizadas anteriormente o(a) professor(a) nota que alguns

estudantes não responderam corretamente as questões propostas. Como o intuito da

atividade é verificar os conhecimentos básicos a respeito da Termodinâmica e de

Meteorologia é valido a sinceridade do estudante nesse processo. Alguns estudantes

apresentaram equívocos e outros se aproximaram da resposta correta. Com isso, percebe-

se a necessidade de formular e ajustar conceitos em Física, assim como correlaciona-los

com o cotidiano dos estudantes. A partir dessa atividade de sondagem o(a) professor(a)

tem como formular os subsunçores e reativar alguns para que a aprendizagem seja

significativa.

Na segunda etapa foi realizada a construção de três experimentos com materiais

de fácil acesso que permitiram a medição e a caracterização das variáveis de estado

termodinâmico: termoscópios, barômetros e pluviômetros. Neste momento, cada

experimento foi produzido durante duas aulas (100 min) com a turma dividida em 4

grupos de cinco alunos. Inicialmente foi apresentado para os estudantes alguns vídeos

com os procedimentos necessários para a construção dos experimentos.

O primeiro experimento construído foi o termoscópio, instrumento idealizado por

Galileu Galilei que permite verificar o aumento ou a diminuição da temperatura, por meio

do deslocamento de um líquido num tubo. Os materiais utilizados para a construção do

termoscópio foram: 1 garrafa PET, álcool, mangueira de aquário, régua e corante.

Inicialmente os estudantes se dividiram em grupos para confeccionar o experimento com

os materiais exposto anteriormente. O primeiro passo foi fazer um furo na tampa da

garrafa PET, em seguida encaixar a mangueira de aquário de tal forma que houvesse

encaixe perfeito entre os materiais. A etapa seguinte, foi colocar dentro da garrafa 100 ml

de álcool com corante. Para finalizar, foi fixado uma régua para fazer a medição do

aumento ou da diminuição do líquido.

O termoscópio foi testado pelos alunos (Fig. 13), quando aquecida as mãos e

colocadas em contato com a parte inferior da garrafa, houve o aumento na coluna do

líquido. O aumento desse líquido e da quantidade de gás na região acarreta no aumento

da pressão, que faz com que o líquido seja impulsionado para cima, onde a temperatura

está menor. Quanto maior a temperatura em contato com o termoscópio, maior será o

deslocamento do líquido como pode ser observado na figura a seguir.

39

Fig. 13 – Testando o termoscópio a base de álcool. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Nesse experimento, os estudantes puderam perceber a dilatação e a contração

desse fluido, com o aumento e a diminuição do líquido na garrafa, quando foi colocado

em contato com diferentes temperaturas. Dessa forma, os estudantes fizeram a

constatação que, quando atritavam as mãos, aumentavam consequentemente a produção

de calor e o líquido aumentava. Quando retiravam as mãos do instrumento constataram

que o calor diminuía e, então, fizeram a associação da dilatação e da contração desse

fluido com o conceito de temperatura.

Após a visualização da variação da temperatura através do contato das mãos, foi

o momento dos estudantes construírem os termômetros com as próprias escalas

termométricas. Para verificar a temperatura os estudantes fixaram uma régua para

verificar até que altura o fluido subia no termômetro e usaram a escala Celsius na criação

das próprias escalas. Em seguida calcularam as temperaturas nas escalas termométricas

que eles criaram.

40

O segundo experimento foi construído o barômetro, instrumento que mede a

pressão atmosférica em cada ponto do ambiente. Os materiais utilizados para a construção

do barômetro foram: 1 bexiga, 1 copo, 1 canudo, elástico e fita adesiva. Inicialmente os

alunos se dividiram em grupos para confeccionar o experimento com os materiais exposto

anteriormente.

No primeiro passo os estudantes cortaram a bexiga pela metade. Em seguida,

envolveram a parte superior do copo com a bexiga, cortada anteriormente, e a prenderam

com o elástico. Essa etapa foi realizada a construção de uma membrana que é sensível as

forças externas. Finalizando a construção do experimento, o canudo foi fixado com fita

adesiva no centro da bexiga.

O próximo passo foi a verificação do funcionamento do barômetro (Fig. 14). Ao

diminuir a pressão externa, as massas de ar no interior do copo, por ter maior pressão,

compelirá uma força sobre a membrana sensível ao toque para fora acarretando em uma

baixa pressão. Ao aumentar a pressão externa, as massas de ar na parte exterior do copo,

por ter maior pressão, irá exercer uma força sobre a membrana para dentro acarretando

em uma alta pressão. No experimento os estudantes constataram o movimento da

membrana sensível ao toque e relacionaram com a pressão atmosférica por meio das

colisões das moléculas de ar dentro do copo.

41

Fig. 14 – Testando o barômetro. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

O terceiro experimento foi o pluviômetro, instrumento utilizado para a medição

da precipitação. Os materiais utilizados na construção do pluviômetro foram: 1 garrafa

PET reta de 2 litros, 1 régua, corante e fita isolante. Inicialmente os estudantes se

dividiram em grupos para confeccionar o experimento com os materiais citados

anteriormente. No primeiro passo os estudantes cortaram a parte superior da garrafa e

retiraram uma estrutura similar a um funil. Em seguida adicionaram um pouco de água

com corante para que a garrafa não caia com facilidade. Posteriormente, encaixaram o

funil na garrafa. Por fim, fixaram uma régua na lateral da estrutura de tal forma que o

início da régua coincida com a água dentro da garrafa. Após o experimento finalizado

(Fig. 15), os estudantes levaram o pluviômetro para realizar a coleta da precipitação em

suas casas.

42

Fig. 15 – Pluviômetro finalizado. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

O pluviômetro foi colocado em um local arejado onde a precipitação foi captada

sem nenhum empecilho. Após essa etapa, os estudantes realizaram as medições e

determinaram o valor da precipitação no bairro em que residem. Nos pluviômetros são

informados a altura da precipitação captada em uma determinada área. Para efetuar o

cálculo do volume coletado é necessário utilizar conceitos de geometria espacial e plana.

Assim, utilizando o cálculo do produto da área pela altura e obtendo o volume de chuva

em uma determinada região.

Na terceira etapa do projeto os estudantes realizaram a construção da mini estação

economicamente viável através do manual contido no apêndice C, durante duas aulas

(100 min). Nesse momento foi criado uma prototipagem eletrônica para o monitoramento

das variáveis do estado termodinâmico, temperatura e pressão. Nessa fase foi modelada

o protótipo da mini estação que está descrito com detalhes no apêndice C. Os materiais

utilizados na estruturação do produto educacional (Fig. 16) podem ser encontrados com

43

facilidade em lojas de eletrônica física ou virtual, os mesmos tiveram um custo total de

R$ 156,77 para a construção do protótipo da mini estação meteorológica.

Fig. 16 – Material para a confecção da mini estação meteorológica de baixo custo. Fonte: Rafaella Vidal,

2017.

A estação tem como elemento básico um microcontrolador Arduino Uno que

possui algumas portas digitais responsáveis por receber sensores. Essa mini estação

possui o monitoramento digital da temperatura e da pressão. A mini estação foi baseada

no projeto do blog Filipeflop na construção da estação meteorológica utilizando o

Arduino Uno. Nesse blog foi possível conhecer um pouco mais sobre o Arduino, assim

como fazer o carregamento das bibliotecas necessárias para o desenvolvimento do

software. As bibliotecas são trechos de programas já prontos, as mesmas utilizadas nesse

protótipo foram para controlar o display e o sensor de temperatura e pressão BMP180.

Assim, pode-se verificar a facilidade em utilizar o Arduino e inserir diversos sensores

apenas copiando as bibliotecas para a placa do microcontolador.

Na atualidade, as informações meteorológicas possuem grande relevância para a

população, por isso a principal forma de obter essas notícias é por meio da internet e de

jornais. No entanto, essas informações possuem a probabilidade de erros e acertos de

44

acordo com o meteorologista, Luiz Kondraski, do INPE “(...) o ideal seria ter mais

estações meteorológicas, isso ajudaria no modelo estatístico”.

Na quarta fase do projeto foi realizada a construção da mini estação meteorológica

portátil colocando o Arduino e os sensores em uma maleta (Fig. 7). Nessa etapa foi

realizada uma adaptação no sistema de alimentação da mini estação por meio de uma

bateria de 9V. A mini estação após a montagem e a calibração, ficou pronta para ser

usada. Os passos detalhados para a construção da mini estação meteorológica estão no

manual contido no apêndice C.

Fig. 17 – Mini estação meteorológica pronta para uso na maleta. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

45

Capítulo 4 – Aplicação e resultados

Os estudantes construíram a mini estação meteorológica utilizando o manual

destinado ao estudante (Apêndice C). Durante o desenvolvimento foi possível fazer

alguns ajustes no manual, por exemplo, acrescentar o glossário e fluxograma das

conexões. Nos meses de abril e maio de 2017, o manual do protótipo foi construído e

aperfeiçoado. Durante esses meses houve pesquisas e manuseio do Arduino, assim como

as modificações do código da mini estação, procedimento realizado pelo(a) professor(a).

Nos meses de agosto e setembro de 2017, os estudantes começaram a construir e

manusear a mini estação meteorológica utilizando o Arduino. No total, foram seis

encontros, de dois horários cada, quando foi desenvolvido o projeto de construção do

produto educacional. O apêndice A e a Fig. 18 mostram um desses momentos, onde os

estudantes trabalharam em pequenos grupos para construir o protótipo da mini estação

portátil, assim como a realização da programação.

Fig. 18 – Montagem do circuito eletrônico da mini estação. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

46

No primeiro encontro, os estudantes foram apresentados a proposta do projeto e

foram expostos ao hardware e o software do Arduino Uno. Em seguida, os estudantes

realizaram uma atividade diagnóstica, via aplicativo Socrative, contendo perguntas sobre

Termodinâmica e Meteorologia. Esse questionário foi aplicado com o intuito de sondar

os conhecimentos prévios que os estudantes possuíam sobre a Termodinâmica de forma

contextualizada. No segundo encontro, foi feito uma explanação sobre a atividade de

sondagem aplicada anteriormente. Durante essa discussão foram explanados os conceitos

básicos relacionadas as variáveis Termodinâmica e desenvolvido alguns equipamentos de

medição de baixo custo, dessa forma foi possível desenvolver a aprendizagem de forma

significativa a partir da participação e interação dos estudantes.

No terceiro momento, foram discutidas noções básicas de eletricidade e um breve

manuseio do Arduino. Nesse período foram apresentados os componentes da placa do

Arduino assim como suas funções e foram expostos a plataforma. No quarto ciclo, os

estudantes receberam os materiais que compunham a mini estação. Nessa aula ocorreu

uma breve explicação sobre os materiais. Na quinta etapa, os estudantes utilizaram o

manual com o passo a passo para a construção da mini estação. No primeiro momento

desse encontro foi construído as conexões eletrônicas, no segundo foi gravado o código

por meio da plataforma Arduino Editor Web (Fig. 19). No final dessa aula foi montada a

mini estação itinerante dentro da maleta.

Na sexta e última fase, os estudantes realizaram algumas medições das variáveis

de estado em diferentes locais na escola, imagens contidas no apêndice A, assim

constatando que a temperatura e a pressão não são variáveis constantes. Na mini estação

a medição foi utilizado um sensor que mede essas variáveis de estado na faixa de 0ºC a

65ºC e a atua nas escalas de 300 a 1100 hectopascal (hPa). Diante dessas escalas os alunos

puderam realizar conversões entre hPa e atm, compreendendo melhor as leituras

registradas na mini estação.

47

Fig. 19 – Estudante programando na plataforma do Arduino Editor Web. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

A medição da temperatura depende de fatores externos, uma vez que todo corpo

emite radiação em forma de calor. Os processos de troca de calor podem ser percebidos

através do processo de condução e de convecção, variando de um local para o outro. A

temperatura do ar medida no pátio da escola, por exemplo, no dia 18/09/17 às 11h00,

registrou o valor de 29,27ºC. Enquanto isso, a medição verificada no momento e no

mesmo local, de acordo com o site Climatempo foi de 29ºC. Dessa forma, constatou-se a

precisão e a confiabilidade da mini estação. Em seguida, foi realizada a medição da

temperatura dentro do freezer que registrou 11,4ºC (Fig. 20).

48

Fig. 20 – Medição da temperatura e da pressão usando a mini estação itinerante dentro de um freezer.

Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

A partir das análises das temperaturas os estudantes notaram a variação da pressão

atmosférica. A pressão atmosférica é caracterizada pelo deslocamento das massas de ar

em todas as direções. Os estudantes perceberam que, quando há um aumento da

temperatura do ar, ocorre a consequente diminuição da pressão dessas moléculas.

Verificaram que o sentido inverso ocorre também. A pressão está relacionada a força

gravitacional que atua nas moléculas de gás que compõem a atmosfera. Nas regiões de

baixa temperatura, as moléculas de ar condensam, tornando-as mais densas, aumentando

a pressão. Já em regiões de alta temperatura, as moléculas de ar se espalham, o ar fica

menos denso e consequentemente a pressão diminui.

Por fim, foi medido também o volume de chuva aos arredores da escola. Os

estudantes registraram ao final do dia a altura de 0,4 mm coletado no pluviômetro, que

distribuído sobre a área do bairro permitiu o cálculo do volume de água. A partir da

compreensão das variáveis de estado, temperatura e pressão, os estudantes

compreenderam a influência que as mesmas exercem sobre a dinâmica atmosférica de

uma região. As massas de ar são volumes de ar que possuem as variáveis de estado em

comum e que se formam sobre uma determinada região. O movimento constante dessas

massas de diferentes temperaturas, ocorre devido a diferença de pressão. Portanto, quando

49

há o encontro de duas massas de ar, de temperaturas diferentes, pode ocorrer mudança no

clima como, por exemplo, a precipitação.

Mediante a utilização da mini estação meteorológica portátil, os estudantes

conseguiram compreender que há diversos fatores que influenciam na dinâmica da

atmosfera. As previsões horárias do tempo é apenas uma estimativa a partir das condições

climáticas próximas a região analisada, que pode ser alterada a qualquer momento devido

ao constante movimento das moléculas de ar. A diferença entre a mini estação e a estação

monitorada a partir de satélites, é que a primeira possui a constatação das variáveis de

estado, temperatura, pressão e volume de curto alcance em relação a segunda. Em termos

de custo, a mini estação meteorológica se mostra eficaz e acessível ao ensino e a

divulgação da Física, através do estudo da Termodinâmica.

Este projeto superou as expectativas, mesmo com todas as barreiras encontradas

durante o desenvolvimento do mesmo, mesmo com a falta de apoio da instituição que foi

desenvolvida o projeto. No entanto, superou as expectativas de tal forma que alguns

estudantes adquiriram seu próprio Arduino Uno e desenvolveram sua própria mini

estação. Houve ganhos no processo de ensino e aprendizagem da Termodinâmica, no

desenvolvimento do senso investigativo do estudante, no fortalecimento de alguns

subsunçores, no conhecimento de alguns fenômenos meteorológicos presentes no

cotidiano dos estudantes e no conhecimento básico de eletrônica e programação.

Diante desses pontos positivos, surgiu a motivação de aplicar esse produto

educacional nas demais turmas. O propósito do trabalho foi alcançado de forma

excepcional na escola que foi aplicada, devido à participação e ao entusiasmo dos

integrantes do projeto. A construção dos manuais destinados ao professor(a) e ao

estudante foi o ponto culminante do projeto, pois qualquer professor(a) pode utilizar esse

material no ensino de Termodinâmica. Com a construção da maleta contendo a mini

estação meteorológica portátil podemos inserir o uso da tecnologia aliada ao ensino, como

os documentos que norteiam a educação sugerem.

50

Conclusão

A ideia central deste projeto foi a de melhorar o ensino de Termodinâmica,

aproximando-o do cotidiano do estudante, através das ideias básicas referentes à

Meteorologia. Nesse trabalho foi desenvolvido dois manuais destinado ao professor e ao

aluno para a construção de uma maleta que contém uma mini estação meteorológica

portátil, sendo que a mesma foi confeccionada com material de baixo custo e por meio da

experimentação. Essa proposta de ensino de Física, através da experimentação

desenvolvida pelos próprios estudantes, teve o intuito de melhorar o ensino da

Termodinâmica por meio da experimentação e, dessa forma, atuar como agente

motivador para que a aprendizagem fosse significativa.

No decorrer dos encontros para a aplicação do projeto, observou-se que a proposta

experimental foi o ponto culminante, proporcionando a experiência de lidar com

situações-problemas do cotidiano, assim como acadêmicas e a busca das soluções. Com

essa conduta, pôde-se notar o interesse e o empenho da turma, que são elementos básicos

para se desenvolver o senso investigativo, as habilidades e as competências que a

Termodinâmica exige. Durante a aplicação deste projeto ficou bastante clara a motivação

dos estudantes para desvendar os fenômenos termodinâmicos do cotidiano.

A maioria dos estudantes ficaram surpresos com a simplicidade de manipular o

Arduino, mesmo sem possuírem conhecimento em programação e, dessa forma, pudemos

fazer uma abordagem didática diferenciada das aulas tradicionais. Durante a aplicação do

projeto outras turmas se interessaram e mostraram um grande interesse em participar.

Após a realização do nosso projeto, os estudantes sugeriram a criação de um Clube de

Ciências na escola, para que pudéssemos realizar mais projetos de ensino e científicos.

Durante o processo de desenvolvimento do produto educacional, participamos do

II Encontro Interpolos do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF),

no município de Mossoró, RN. Este evento foi realizado no Campus da Universidade

Federal Rural do Semi–Árido (UFERSA), em setembro de 2017. Nesse encontro,

presenciamos a troca de experiências sobre os produtos educacionais em

desenvolvimento ou concluídos, com uma integração da comunidade acadêmica

pertencente aos polos regionais do MNPEF.

51

Sugere-se a continuidade desse projeto por parte da comunidade, apresentando-se

novos conceitos e ensinando-se novas variáveis Termodinâmicas, através da

implementação de sensores de temperatura e pressão, na mini estação meteorológica.

Particularmente, pretendemos adicionar os sensores de umidade relativa e de células

fotovoltaicas, para que possamos ampliar o ensino de Termodinâmica na escola,

utilizando procedimentos análogos aos desenvolvidos nesse trabalho. Assim, espera-se

que a proposta dessa dissertação seja uma alternativa para suprir as possíveis deficiências

no ensino de Termodinâmica nas escolas, apresentando-se como uma proposta

pedagógica diferenciada e viável, tanto para as escolas públicas quanto para as

instituições privadas. Por fim, pretende-se submeter esse trabalho à publicação em revista

especializada em ensino.

52

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56

Apêndice A – Registro fotográfico do projeto

Fig. 21 – Documentário da BBC - The Wonder of Universe – Destiny. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

57

Fig. 22 – Teste na praia de Ponta Negra – RN. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Fig. 23 – Montando a mini estação meteorológica com os alunos. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

58

Fig. 24 – Montagem eletrônica da mini estação meteorológica realizada pelos alunos. Fonte: Rafaella

Vidal, 2017.

Fig. 25 – Verificação das instalações eletrônica da mini estação. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

59

Fig. 26 – Mini estação meteorológica finalizada após a programação na IDE do Arduino Uno. Fonte:

Rafaella Vidal, 2017.

60

Fig. 27 – Montagem da estação meteorológica na maleta. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Fig. 28 – Medição da mini estação meteorológica itinerante na escola Agnus Dei. Fonte: Rafaella Vidal,

2017.

61

Apêndice B – Manual do professor

62

MNPEF - Polo 51

Escola de Ciências e Tecnologia Pró-Reitoria de Pesquisa

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Manual do professor

Rafaella Sayonara Marques Ferreira Vidal

Natal

2018

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Sumário

Introdução ....................................................................................................................... 64

Ao professor ................................................................................................................... 64

Roteiro destinado ao professor ....................................................................................... 65

Referências ..................................................................................................................... 68

64

Introdução

Esse material é um manual destinado ao professor(a) para a construção de uma

mini estação meteorológica utilizando um hardware, Arduino Uno, como dispositivo

usado para o Ensino de Física. No manual são encontradas definições, explicações e

construção da estação usando alguns equipamentos de baixo custo. Esse produto é

resultado de um projeto do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física no qual

foi desenvolvido, com alunos do Ensino Médio, uma mini estação meteorológica portátil.

Os esquemas e as programações contidas nesse material fazem parte desse trabalho e são

apresentados com a utilização do Arduino. O material foi escrito para que qualquer

estudante tenha condições de construir a mini estação apenas com conhecimentos básicos

de informática.

Ao professor

Prezados professores, a inquietação e a tentativa de promover o ensino de

Termodinâmica de forma diferenciada, motivou a construção desse material para que

possam utilizar na docência. Esse material consiste em um manual para a construção de

uma mini estação meteorológica portátil que irá subsidiar vocês, professores, que

pretendem modernizar suas práticas docentes no ensino de Física através da inserção

tecnológica. Anseio que esse produto educacional possa auxiliar na condução do ensino

experimental nas suas aulas, estimulando e aguçando o senso investigativo dos

estudantes. O manual traz uma sequência didática que foi desenvolvida na aplicação do

projeto de construção da mini estação portátil itinerante. O público-alvo dessa sequência

didática são estudantes da 2ª e 3ª série do Ensino Médio. Como a sequência didática

abrange toda a Termodinâmica, o(a) professor(a) irá abordar essa sequência de acordo

com seu cronograma na instituição onde a disciplina será ministrada. No manual técnico

de construção da mini estação contém todos os procedimentos para a construção do

protótipo. Com esse produto educacional espera-se que o professor consiga promover, de

forma dinâmica, contextualizada e interativa, o ensino de Termodinâmica de forma

significativa.

4

65

Roteiro destinado ao professor

Essa sequência didática para o(a) professor(a) aplicar junto com o manual técnico

da mini estação meteorológica itinerante, onde cada tópico corresponde a uma sugestão

de abordagem metodológica.

1) Apresentar a Lei Zero da Termodinâmica e realizar um experimento sobre sensação

térmica com materiais acessíveis. Como sugestão experimental: utilizar 1 recipiente com

água a temperatura ambiente, 1 recipiente com água de alta temperatura (cerca de 50ºC)

e 1 outro recipiente com água com alguns cubos de gelo. Solicitar que o estudante coloque

uma mão no recipiente “quente” e a outra mão no recipiente “frio”, aguardando cerca de

30 segundos. Após esse tempo, colocar as duas mãos no recipiente que contém água a

temperatura ambiente. Em seguida solicitar que o estudante relate a sensação vivenciada

no experimento. A partir desses relatos o(a) professor(a) poderá discutir os conceitos de

sensação térmica, fluxo de calor e finalizar com o conceito da Lei Zero da

Termodinâmica.

2) Realizar uma aula de caracterização das variáveis de estado: Pressão, Temperatura e

Volume. Caracterizar a pressão através do choque entre moléculas e com as paredes do

recipiente, assim abordando a colisão inelástica das moléculas de gás. A temperatura

através da energia cinética média das moléculas e o volume através da realização de

trabalho em um recipiente. Como sugestão experimental, realizar uma aula onde os

estudantes são vendados para que se comportem como moléculas de gás e delimitar um

espaço que pode ser alterado facilmente. Inicialmente os estudantes vendados devem

“correr” e, consequentemente, colidir com outros estudantes, assim constatando as

variáveis de estado, temperatura e pressão. Em seguida diminuir o espaço e solicitar que

os estudantes vendados corram novamente, assim verificando que quanto menor for o

volume maior será a colisão. Dessa forma o(a) professor(a) pode abordar as

transformações das variáveis de estado termodinâmico: Pressão constante (isobárica),

temperatura constante (isotérmica) e volume constante (isovolumétrica).

5

66

3) Apresentar a Primeira Lei da Termodinâmica e suas transformações. O(a) professor(a)

pode apresentar a 1ª Lei através do princípio de conservação da energia, assim

caracterizando a energia interna de um sistema termodinâmico. Inserir a transformação

adiabática a qual o sistema praticamente não troca calor com o meio, como, por exemplo,

quando um desodorante aerossol está sendo comprimido. Dessa forma, utilizar também

as transformações isobárica, isotérmica e isovolumétrica aplicadas a essa lei.

4) Apresentar as variáveis de estado termodinâmico através dos experimentos:

termômetro, barômetro e pluviômetro;

4.1) Como sugestão experimental para a construção de um barômetro: 1 bexiga, 1 copo

transparente, 1 canudo, elástico e fita adesiva. Inicialmente cortar a bexiga pela metade.

Em seguida, envolveram a parte superior do copo com a bexiga, cortada anteriormente, e

a prender com o elástico. Essa etapa é a construção de uma membrana que é sensível as

forças externas. Finalizando a construção do experimento, fixar o canudo com fita adesiva

no centro da bexiga. Após esse experimento finalizado solicitar aos estudantes para

construir testar os barômetros. Com esse equipamento o professor pode abordar conceitos

tais como: pressão atmosférica, maior e menor pressão, unidade de medida da pressão e

por fim fazer a conexão desse conceito com o cotidiano dos estudantes.

4.2) Como sugestão experimental para a construção de um termoscópio à base álcool: 1

garrafa PET, álcool, mangueira de aquário, régua e corante. O primeiro passo para

construir esse experimento é fazer um furo na tampa da garrafa PET, em seguida, encaixar

a mangueira de aquário de tal forma que tenha encaixe perfeito entre os materiais. A etapa

seguinte é colocar dentro da garrafa 100 ml de álcool com corante. Para finalizar, fixar

uma régua para fazer a medição do aumento ou da diminuição do líquido. Após esse

experimento finalizado solicitar aos estudantes para construir seus próprios termômetros,

criando suas próprias escalas termométrica utilizando a escala Celsius como escala

comparativa. Com esse equipamento o professor pode abordar conceitos tais como: calor,

dilatação, contração de um fluido e por fim transformação de escalas termométricas.

4.3) Como sugestão experimental para a construção de um pluviômetro: 1 garrafa PET

reta de 2 litros, 1 régua, corante e fita isolante. O primeiro passo para construir esse

experimento é cortar a parte superior da garrafa e retirar uma estrutura similar a um funil.

Em seguida, adicionar um pouco de água com corante para que a garrafa não caia com

6

67

facilidade. Posteriormente, encaixar o funil na garrafa. Por fim, fixar uma régua na lateral

da estrutura de tal forma que o início da régua coincida com a água dentro da garrafa.

Após o experimento finalizado simular uma precipitação para calcular o volume de água

no equipamento e solicitar que os estudantes simulem para realizar o cálculo do volume

de chuva. Com esse equipamento o professor pode abordar conceitos tais como: volume,

área e cálculo de precipitação de uma área.

5) Apresentar os conceitos da Segunda Lei da Termodinâmica. Como sugestão de

inserção dos conceitos, passar o documentário da BBC The Wonder of Universe –

Destiny. Após o documentário ou outro material que aborde conceitualmente essa lei, o(a)

professor(a) pode abordar o princípio da reversibilidade, assim trabalhando com o ciclo

de Carnot; abordar o princípio da irreversibilidade; enunciar a Segunda Lei da

Termodinâmica de acordo com Kelvin e Clausius e finalizar com o conceito de entropia.

6) Apresentar a estrutura e algumas aplicações do Arduino Uno utilizando o manual de

construção da mini estação meteorológica portátil;

7) Apresentar o software do Arduino para programar o código da mini estação

meteorológica portátil utilizando o manual de construção da mini estação meteorológica

portátil;

8) Construir a maleta da mini estação meteorológica portátil;

9) Testar a maleta em diversos locais como sugestão: na escola, na praia, nas residências

dos estudantes, entre outros locais, para verificar que as variáveis de estado não são

constantes devido à dinâmica da atmosfera;

10) Aplicar conceitos das condições Meteorológicas no cotidiano como sugestão. Por

exemplo, observar um dia ensolarado e chuvoso para verificar as variáveis de estado

termodinâmico, relacionando com os conceitos abordados. Acessar o site Climatempo

para verificar as variáveis de estado termodinâmico e comparar com a mini estação

construída, então discutir as diferenças entre elas.

7

68

Referências

ALMEIDA, Ubaldo Fernandes de. UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE ENTROPIA NO ENSINO MÉDIO. 2015. 109 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física, IFRN, Natal, 2015. ANGOTTI, José André Peres. LIVRO DIGITAL METODOLOGIA e PRÁTICA de ENSINO de FÍSICA. Santa Catarina: Ufsc, 2015. 118 p. Disponível em: <http://ppgect.ufsc.br/files/2012/11/AngottiLDgMPEF_Ed_Prel130715F.pdf>. Acesso em: 02 jul. 2015. ANDRADE, Tiago Yamazaki Izumida; COSTA, Michelle Budke. O Laboratório de Ciências e a Realidade dos Docentes das Escolas Estaduais de São Carlos-SP. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 38, n. 3, p.208-214, ago. 2016. BUENO, R.S.M.; KOVALICZN, R.A. O ensino de ciências e as dificuldades das atividades experimentais. Curitiba: SEED-PR; PDE, 2008. Disponível em: http://www.diaadiaeducacao.pr.gov. br/portals/pde/arquivos/23-4.pdf. Acesso em: 30 jan. 2018. CAVALCANTE, M. A.; BONIZZIA, A.; GOMES, L. C. P. O ensino e aprendizagem de física no século XXI: sistemas de aquisição de dados nas escolas brasileiras, uma possibilidade real. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo, v. 31, n. 4, dez. 2009. Conteúdo programático do Enem: prova de Ciências da Natureza e suas Tecnologias. Disponível em: <https://guiadoestudante.abril.com.br/enem/conteudo-programatico-do-enem-prova-de-ciencias-da-natureza-e-suas-tecnologias/>. Acesso em: 03 jan. 2018. CONTIN, Rita de Cássia. ENSINO DE CONCEITOS TERMODINÂMICA: ESTAÇÃO METEOROLÓGICA COMO POSSIBILIDADE DE APRENDIZAGEM DE FÍSICA. 2017. 90f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Programa de Pós-graduação em Ensino de Ciências Naturais, UFMT, Cuiabá, 2017. Climatempo. Disponível em: <https://www.climatempo.com.br/>. Acesso em: 22 jun. 2017.

8

69

DAHER, Alessandra Ferreira Beker. ALUNO E PROFESSOR: PROTAGONISTAS DO PROCESSO DE APRENDIZAGEM.2017. Disponível em: <http://www.campogrande.ms.gov.br/semed/wp-content/uploads/sites/5/2017/03/817alunoeprofessor.pdf>. Acesso em: 19 jan. 2018. DELIZOICOV, Demétrio; ANGOTTI, José André; PERNAMBUCO, Marta Maria. Ensino de Ciências: Fundamentos e métodos. 3. ed. São Paulo: Cortez, 2009. FREEDMAN, R.A., YOUNG, H.D. Física II: Termodinâmica e Ondas. São Paulo: Pearson Addison Wesley, 2008. GASPAR, Alberto. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. São Paulo: Ática, 2003. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. MENEZES, Luis Carlos de. A Matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do conhecimento físico. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2005. MOREIRA, Marco Antônio. Material de apoio para o curso Aprendizagem Significativa no Ensino Superior: Teorias e Estratégias Facilitadoras. PUCPR, 2012, 2013. MUENCHEN, Cristiane. A disseminação dos três momentos pedagógicos: um estudo sobre práticas docentes na região de Santa Maria/RS. 2010. 137 f. Tese (Doutorado em Educação Científica e Tecnológica) - Universiadade Federal de Santa Catarina, Programa de PósGradução de Educação Científica e Tecnologíca, Florianópolis. NUSSENZVEIG, H.M., Curso de Física básica – vol. 2. São Paulo: Blucher, 2002. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/programa-saude-da-escola/195-secretarias-112877938/seb-educacao-basica-2007048997/12598-publicacoes-sp-265002211>. Acesso em: 05 dez. 2017.

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70

Apêndice C – Manual da Mini Estação Meteorológica Portátil

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MNPEF - Polo 51

Escola de Ciências e Tecnologia Pró-Reitoria de Pesquisa

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Mini Estação Meteorológica Portátil voltada para o Ensino de

Física

Rafaella Sayonara Marques Ferreira Vidal

Natal

2018

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Sumário

Arduino Uno ................................................................................................................... 73

Passo a passo da Mini Estação Meteorológica Portátil .................................................. 77

O Arduino e o estudante ................................................................................................. 88

Referências ..................................................................................................................... 89

Glossário ......................................................................................................................... 90

73

Arduino Uno

O Arduino é uma plataforma de fácil acesso e de código aberto (hardware e

software). Criado na Itália pelo Professor Massimo Banzi e outros colaboradores para que

os estudantes de Artes e Designer desenvolvessem seus projetos utilizando tecnologia.

Dessa forma, os criadores desenvolveram um microcontrolador com os seguintes

requisitos: Manuseado por qualquer pessoa e valor de baixo custo. Com essas condições

surge o Arduino que se tornou popular e teve novas versões criadas. A versão mais

popular, o Arduino Uno, foi usada nesse projeto que possibilitou a criação de um

ambiente interativo e educacional na sala de aula.

As placas do Arduino são dispositivos que possuem algumas vantagens para os

aprendizes: A IDE é compatível com os sistemas operacionais, Windows, Linux e OSX;

possui ambiente de programação simples e objetivo seguindo apenas um passo a passo

do software; o software é disponibilizado sob uma licença Creative Commons1que pode

ser alterado por qualquer usuário. Dessa forma, o Arduino é usado na educação para a

construção de protótipos interativos com o intuito de comprovar fenômenos da Ciência,

robótica ou programação.

A plataforma é composta pela placa, onde a mesma possui portas de entrada/saída,

2 conexões para alimentação e um microcontrolador (Fig. 1). A placa pode ser alimentada

via cabo USB ou através de uma fonte de alimentação externa, por exemplo, uma bateria

de 9V. O hardware é composto por 14 portas que podem ser usados como entrada ou

saída, os mesmos funcionam em 5V e podem fornecer ou receber uma corrente máxima

de 40mA. Outro componente importante na estrutura da placa do Arduino Uno é o

microcontrolador que transforma o sinal analógico em digital. Para começar a fazer a

montagem do projeto é necessário conhecer e identificar algumas portas apresentadas a

seguir:

1 Creative Commons é uma entidade sem fins lucrativos criada para promover mais flexibilidade na

utilização de obras protegidas por direitos autorais. A licença possibilita que um autor ou detentor de direitos possa permitir o uso mais amplo de suas obras por terceiros, sem que estes o façam infringindo as leis de proteção à propriedade intelectual.

4

74

IOREF Fornece uma tensão de referência com a placas Arduino que são alimentadas com 3,3V. Podem se adaptar para ser utilizados em 5V e vice-versa.

RESET Pino conectado ao pino de RESET do microcontrolador. Pode ser utilizado para um reset externo da placa Arduino.

3,3 V Fornece tensão de 3,3V para alimentação da placa e dos módulos externos. Corrente máxima de 50 mA.

5V Fornece tensão de 5 V para alimentação da placa e dos circuitos externos. GND Pinos de referência, terra (negativo da protoboard). VIN Pino para alimentar a placa através de shield ou bateria externa. Quando a

placa é alimentada através do conector, a tensão da fonte estará nesse pino. Tabela 1 - Descrição dos pinos de alimentação da placa do Arduino UNO. Fonte: Documentation

Arduino UNO, em www.arduino.cc, consultado em 11/04/2017.

5

75

Fig. 1 – Identificação das portas e principais componentes da placa do Arduino Uno. Fonte: Rafaella

Vidal, 2017.

6

76

Outro composto da plataforma é o software Integrated Development

Environment, ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE), que funciona por meio

de um computador onde é realizada a programação. O IDE pode ser baixado

gratuitamente na rede e também tem a opção online. As vantagens de usar o editor na

Web são: Os projetos estarão salvos na nuvem e sempre possuirão a versão mais

atualizada da IDE. A biblioteca é uma ampliação do software que já vem instalada no

IDE e tem a função de desenvolver projetos simples, como acender um LED, até os mais

complexos. Dessa forma, o projetista não necessita entender como o código da

programação funciona, basta saber usá-lo.

Diante da rápida explanação sobre o hardware e o software fica evidente a

facilidade e as diversas possibilidades de criação de projetos utilizando o Arduino. Ele é

usado para automatizar ambientes, criar ou modificar brinquedos, equipamentos entre

outros. Através das portas do Arduino é possível conectar diversos sensores ou módulos

que podem ser utilizados no projeto. Nesse projeto da mini estação meteorológica foram

utilizados um sensor de temperatura e pressão atmosférica (BMP180) e um display de

LCD. O sensor utilizado no projeto tem a função de transformar variações elétricas em

variações termodinâmicas, nesse caso será detectado a temperatura e a pressão

atmosférica do ambiente.

7

77

Passo a passo da Mini Estação Meteorológica Portátil

Para facilitar a montagem do produto educacional será descrito um guia com o

passo a passo que o professor em parceria com os alunos deverão seguir.

1º Passo - Para a montagem da mini estação deverá ter em mãos os seguintes materiais

(Fig. 2):

1 arduino Uno com o cabo USB;

1 placa protoboard de 400 pontos;

12 Jumpers Macho – Fêmea;

2 Jumpers Macho – Macho;

1 Display LCD Nokia 5110 (Azul);

1 Sensor BMP180;

1 Clip de bateria de 9V;

1 Bateria de 9V;

1 Maleta.

Fig. 2 – Material usado para a construção da mini estação meteorológica itinerante. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

8

78

Obs.: A placa protoboard terá a função de extensão das portas do Arduino Uno.

2º Passo – Separar 8 jumpers macho – fêmea, preferencialmente de cores distintas para

facilitar a identificação das portas, para ligar o display LCD; 1 placa protoboard, e 1

Arduino Uno.

3º Passo – Fazer a ligação do display LCD (Fig.3) com o Arduino e a protoboard de

acordo com as conexões abaixo:

Fig. 3 – Conexão do display LCD Nokia 5110. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Pino RST (verde) ligado ao pino 12 do Arduino;

Pino CE (rosa) ligado ao pino 11 do Arduino;

Pino DC (amarelo) ligado ao pino 10 do Arduino;

Pino DIN (laranja) ligado ao pino 9 do Arduino;

Pino CLK (roxo) ligado ao pino 8 do Arduino;

Pino VCC (vermelho) ligado ao pino de 5V do Arduino;

Pino BL (cinza) ligado ao pino 3,3V na protoboard;

Pino GND (preto) ligado ao GND na protoboard.

9

79

Fig. 4 – Fluxograma das conexões do display LCD. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

4º Passo – Separar 4 jumpers macho – fêmea, preferencialmente de cores distintas para

facilitar a identificação das portas, para ligar o sensor BMP180.

5º Passo – Fazer a ligação do sensor BMP180 (Fig.5) com o Arduino e a protoboard de

acordo com as conexões abaixo:

Fig. 5 – Conexões do sensor BMP180. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

10

80

Pino VIN (cinza) ligado ao pino 3,3V do protoboard;

Pino GND (preto) ligado ao pino GND do protoboard;

Pino SCL (marrom) ligado ao pino A5 do Arduino;

Pino SDA (azul) ligado ao pino A4 do Arduino.

Fig. 6 – Fluxograma das conexões do sensor BMP180. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

Nesse momento da construção, o professor irá explorar a função do sensor BMP

180 em transformar variações elétricas em variações termodinâmicas, por meio dessas

conversões será medida a temperatura e a pressão atmosférica local. Dessa forma, irá

abordar os conceitos termodinâmico e correlaciona-los aos fenômenos meteorológico

presente no cotidiano do aluno.

6º Passo – Separar 2 jumpers macho – macho. Conecte a saída GND do Arduino em uma

fileira da protoboard. Com os jumpers macho – macho conecte no pino de 3,3V do

11

81

Arduino em uma fileira da protoboard. Visualizar o diagrama final da ligação da mini

estação (Fig. 7).

Fig. 7 – Fluxograma final das conexões da mini estação itinerante. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

7º Passo – Conectar uma fonte de energia para testar as conexões da mini estação. Pode

ser usado o clip de bateria de 9V ou uma conexão via cabo USB.

8º Passo – Conectar o mini estação via cabo USB.

9º Passo – Acessar o seguinte link: https://www.arduino.cc/

10º Passo – Clicar na aba Software > Online Tools > Arduino Web Editor.

12

82

11º Passo – Realizar cadastro no Arduino Web Editor.

12º Passo – Logar com nome e senha realizado no passo anterior.

13º Passo – Entrar no Arduino Web Editor (Fig. 8).

Fig. 8 – Página do Arduino Web Editor. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

14º Passo – Baixar as seguintes bibliotecas:

Display LCD: https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library

https://github.com/adafruit/Adafruit-PCD8544-Nokia-5110-LCD-library

Sensor BMP180: https://github.com/adafruit/Adafruit-BMP085-Library

15º Passo – Importar as bibliotecas para o sistema web. Clicar na aba Libraries > Import

(Fig. 9). Escolher os arquivos baixados anteriormente.

Fig. 9 – Arduino Web Editor, importando as bibliotecas. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

13

83

16º Passo – Copiar o código a seguir no Arduino Web Editor:

// Autor : FILIPEFLOP

// Editado: RODOLFOLAB

// Carrega bibliotecas graficas e sensores

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_PCD8544.h>

#include <Adafruit_BMP085.h>

#include <Wire.h>

#include <SPI.h>

// Pinagem ligacao display Nokia 5110

// pin 8 - Serial clock out (SCLK)

// pin 9 - Serial data out (DIN)

// pin 10 - Data/Command select (D/C)

// pin 11 - LCD chip select (CS/CE)

// pin 12 - LCD reset (RST)

// Inicializa o display nos pinos acima

Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(8, 9, 10, 11, 12);

Adafruit_BMP085 bmp180;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

// Informacoes iniciais no display

display.begin();

// Ajusta o contraste do display

display.setContrast(28);

14

84

// Apaga o buffer e o display

display.clearDisplay();

// Define tamanho do texto e cor

display.setTextSize(1);

display.setTextColor(BLACK);

// Retangulo temperatura

display.drawRoundRect(0,0, 44,24, 3, 2);

// Texto inicial temperatura

display.setCursor(11,3); // Seta a posição do cursor

display.println("TEMP");

display.setCursor(5,14);

display.println("----");

display.setCursor(29,14);

display.drawCircle(31, 15, 1,1);

display.println(" C");

// Retangulo umidade

display.drawRoundRect(45,0, 39 ,24, 3, 2);

// Texto inicial Umidade

display.setCursor(52,3);

display.println("ALTIT");

display.setCursor(50,14);

display.println("----");

display.setCursor(75,14);

display.println("M");

// Retangulo pressao

display.drawRoundRect(0,25, 84 ,23, 3, 2);

// Texto inicial Pressao

display.setCursor(22,28);

15

85

display.println("PRESSAO");

display.setCursor(55,38);

display.println("hPa");

display.setCursor(11,38);

display.println("------");

display.display();

delay(1000); // Inicializa o sensor BMP180 if (!bmp180.begin()) { Serial.println("Sensor BMP180 nao encontrado !!"); while (1) {} } } void loop() { // Leitura temperatura, umidade e pressao float t = bmp180.readTemperature(); float p = bmp180.readPressure()/100.0; float a = bmp180.readAltitude(); // Atualiza valor da temperatura Serial.print("Temperatura : "); if ( bmp180.readTemperature() < 10) { Serial.print("Temperature = "); Serial.print(bmp180.readTemperature()); Serial.println(" *C"); } else { Serial.print(bmp180.readTemperature(),1); Serial.println(" C"); } display.fillRect(4,13, 25 , 10, 0); display.setCursor(4,14); display.println(t,1); // Atualiza valor da umidade display.fillRect(50,13, 23 , 10, 0); display.setCursor(50,14); display.println(a,1);

16

86

17º Passo – Importar para o Arduino clicando na aba Upload (Fig.10).

Fig. 10 – Gravando o código no Arduino. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

18º Passo – Verificar se o código foi gravado corretamente através da seguinte

mensagem:

“Sucesso: feito o carregamento do esboço” (Fig. 11).

Fig. 11 – Verificação do carregamento do código. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

// Atualiza valor da pressao

display.fillRect(4, 37, 46 , 10, 0);

display.setCursor(11,38);

display.println(p,2);

display.display();

// Aguarda 5 segundos para efetuar nova leitura

delay(1000);

}

17

87

19º Passo – Montar a mini estação meteorológica na maleta (Fig. 12).

Fig. 12 – Mini Estação Meteorológica Itinerante finalizada na maleta. Fonte: Rafaella Vidal, 2017.

18

88

O Arduino e o estudante

Para manusear o Arduino o estudante necessita apenas de conhecimentos básicos

como diferença de potencial, corrente elétrica e resistores, ou seja, conceitos básicos de

eletricidade. Os comandos de programação são bem simples, de tal modo que os

estudantes podem apenas copiar o código já disponível. Essa é uma das vantagens de

manusear o Arduino, uma vez que a maioria dos projetos já possuem os códigos prontos.

Com a construção através do passo a passo descrito no manual o leitor consegue

facilmente montar o projeto e programar de forma simples e objetiva. Assim com a

construção desse manual espera-se que o estudante consiga construir a mini estação

meteorológica portátil sem complicações e utilizá-la para a melhor compreensão da

Termodinâmica.

19

89

Referências

Adafruit-BMP085-Library. Disponível em: <https://github.com/adafruit/Adafruit-BMP085-Library>. Acesso em: 15 set. 2017. Adafruit GFX Library. Disponível em: <https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library>. Acesso em: 15 set. 2017. Adafruit-PCD8544-Nokia-5110-LCD-library. Disponível em: <https://github.com/adafruit/Adafruit-PCD8544-Nokia-5110-LCD-library>. Acesso em: 15 set. 2017. Arduino - A origem. Disponível em: <http://www.natalmakers.com/arduino-a-origem/>. Acesso em: 10 jun. 2017. Arduino Create. Disponível em: <https://www.arduino.cc/>. Acesso em: 05 jun. 2017. Arduino para físicos: uma ferramenta prática para aquisição de dados automáticos / Rafael Frank de Rodrigues e Silvio Luiz Souza Cunha – Porto Alegre: UFRGS, Instituto de Física, 2014. 34 p.; il. (Textos de apoio ao professor de física / Marco Antonio Moreira, Eliane Angela Veit, ISSN 1807-2763; v. 25, n.4) Bibliotecas no Arduino. Disponível em: <http://www.bosontreinamentos.com.br/eletronica/arduino/arduino-o-que-sao-as-bibliotecas/>. Acesso em: 15 jun. 2017. CASTRO, Luis Henrique Monteiro de. O USO DO ARDUINO E DO PROCESSING NO ENSINO DE FÍSICA. 2016. 165 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física, Unirio, Rio de Janeiro, 2016. Estação meteorológica com Arduino. Disponível em: <https://www.filipeflop.com/blog/estacao-meteorologica-com-arduino/>. Acesso em: 02 maio 2017. Fritzing eletronics made easy. Disponível em: <http://fritzing.org/home/>. Acesso em: 22 jun. 2017. Introdução ao Arduino – Primeiros passos na plataforma. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/arduino-primeiros-passos/>. Acesso em: 04 jun. 2017. O que é Arduino. Disponível em: <https://www.filipeflop.com/blog/o-que-e-arduino/>. Acesso em: 02 maio 2017.

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Glossário

Clip de bateria Conector para alimentação da bateria de 9V;

Display LCD Monitor de dados;

Jumper Cabo conector;

Jumper macho - macho Cabo conector que possui duas saídas;

Jumper macho – fêmea Cabo conector possui uma entrada e uma saída;

Protoboard Uma placa com furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais;

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