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Ensino de programação em robótica com Arduino para alunos do ensino
fundamental: relato de experiência
Teaching Arduino robotics programming for elementary school students: experience report
Luciano Frontino de Medeiros
*
Luana Priscila Wünsch
**
Resumo
Este artigo relata práticas de ensino de programação para a plataforma Arduino, vivenciadas por meio de um
curso elaborado para alunos do ensino fundamental II pertencentes a nove escolas públicas do município de
Curitiba, abrangendo ao todo 117 alunos do 5º ao 9º ano. Esses alunos fazem parte de grupos que participam de
competições de robótica de forma regular, entretanto, sem possuir familiaridade com a plataforma Arduino, de
modo geral. No decorrer do curso, os alunos foram observados e constatou-se a capacidade de aprendizado em
um tempo bastante breve, assim como as diculdades na assimilação dos conceitos básicos de programação,
os quais eram apresentados de forma incremental e tendo foco na proposição de desaos a partir de noções
mais simples. O uso do simulador para as tarefas de programação facilitou a transição da forma de programação
visual, da qual os alunos já possuíam certo conhecimento, para uma programação mais textual. Este relato busca
mostrar, ainda, como o aprendizado de programação pode auxiliar na constituição do pensamento formal a par-
tir do concreto. Ficou evidenciado o caráter motivador que as atividades de robótica proporcionam ao processo
de aprendizagem e que podem, por sua vez, servir de facilitador para a introdução de conceitos mais complexos
relativos a linguagens de programação.
Palavras-chave: Ensino de programação na educação básica. Pensamento computacional. Programação para Ar-
duino. Robótica educacional.
*
Doutor em Engenharia e Gestão do Conhecimento pela Universidade Federal de Santa Catarina, com pós-doutorado
em Inteligência Articial na Universidade Politécnica de Madri (2013). Professor permanente do Programa de Pós-
-Graduação Stricto Sensu em Educação – Mestrado Prossional: Educação e Novas Tecnologias do Centro Universitá-
rio Internacional (Uninter), São Paulo, Brasil. E-mail: luciano.me@uninter.com
**
Doutora em Educação pela Universidade de Lisboa. Professora do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em
Educação – Mestrado Prossional: Educação e Novas Tecnologias do Centro Universitário Internacional (Uninter), São
Paulo, Brasil.E-mail: luana.w@uninter.com
Recebido em 30/09/2018 – Aprovado em 27/02/2019
http://dx.doi.org/10.5335/rep.v26i2.8701
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Abstract
The paper reports the experiences of teaching programming for the Arduino platform, through a course de-
signed for Elementary School II students belonging to 9 (nine) public schools in the city of Curitiba, covering 117
students from the 5th to 9th grade . These students are part of groups that participate in robotics competitions
on a regular basis, however without being familiar with the Arduino platform in general. During the course, the
students were observed and the learning capacity of the students was veried in a very short time, as well as
the diculties in the assimilation of the basic concepts of programming, which were presented incrementally
and focusing on the proposition of challenges from basic notions. The use of the simulator for the programming
tasks facilitated the transition from the form of visual programming, of which the students already had certain
knowledge, for a more textual programming. It is also tried to show how the programming learning can help
in the constitution of the formal thought from the concrete. It was evidenced the motivating character that the
robotic activities provide to the learning process and that, in turn, can serve as a facilitator for the introduction
of more complex concepts related to programming languages.
Keywords: Teaching programming in basic education. Computational thinking. Programming for Arduino. Edu-
cational robotics.
Introdução
Nos últimos anos, tem-se constatado de maneira mais frequente as dificulda-
des dos alunos brasileiros com conteúdos de matemática e ciências. Os resultados
apontados pelo Programme for International Student Assessment (Pisa), em 2015,
mostraram que, com relação à média dos países da Organização para a Cooperação
e Desenvolvimento Económico (OCDE), na avaliação de alunos que têm em média
15 anos e estão próximos de terminar o ciclo da educação básica, o Brasil está bem
abaixo, alcançando 401 pontos em ciências contra uma média de 493 pontos, e 377
pontos em matemática contra uma média de 490 pontos (OCDE, 2015).
Em contraponto, dados obtidos do Sistema de Avaliação da Educação Básica
(Saeb), do Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira
(Inep) (2017), vinculado ao Ministério da Educação (MEC), têm mostrado que, para
alunos dos anos iniciais e finais do ensino fundamental, a média em Matemática é
crescente, enquanto fica estagnada no ensino médio. Na Figura 1, é possível com-
parar o desempenho desde 2005 até 2017. Entretanto, os índices ainda se configu-
ram aquém se comparados com as metas do grupo 3, estabelecidas pelo movimento
Todos pela Educação, exceto para os anos iniciais.
1
Esse cenário permite vislum-
brar que os desafios e oportunidades não são poucos na adoção de iniciativas para
melhorar o desempenho dos alunos. O ensino de tecnologias educacionais baseadas
em robótica e programação pode se constituir num elemento impulsionador para
a melhoria destes níveis, de maneira geral nas disciplinas de ciências, tecnologia,
engenharia e matemática, denominadas de forma comum pela sigla STEM (Scien-
ce, Technology, Engineering and Mathematics).
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Figura 1 – Desempenho em matemática na educação básica de 2005 a 2017
* A meta nas primeiras colunas é a estipulada pelo movimento Todos pela Educação.
Fonte: Saeb – Inep/MEC, Todos pela Educação (2017).
Em nível curricular, ainda que a Base Nacional Comum Curricular (BNCC)
esteja propondo o ensino de fluxogramas para representação de processos de reso-
lução e problemas passo a passo em algumas habilidades do 6º ao 9º ano, carece-se
da descrição de habilidades relativas ao pensamento computacional, bem como de
conceitos de ensino de programação. Tomando como base iniciativas que acontecem
em outros países, como nos Estados Unidos, onde a Computer Science Teacher
Association (CSTA), uma associação de professores da área de Ciência da Com-
putação, delineou um conjunto central de objetivos de aprendizagem desenhados
para fornecer a base para um currículo completo em ciência da computação e sua
implementação no nível K-12 (relativo aos níveis de ensino fundamental e médio).
Apenas como ilustração, o primeiro nível (1-A), que abrange a faixa de 5 a 7 anos de
idade, já prevê o desenvolvimento de programas com sequências e loops (laços de
repetição) simples, para expressar ideias ou para mapear problemas (CSTA, 2017).
As bases teóricas do ensino da robótica e da programação têm como pano de
fundo a abordagem do pensamento computacional. Wing (2006) defende que o pen-
samento computacional é uma habilidade a ser desenvolvida não somente para os
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cientistas da computação, mas para qualquer pessoa, e que deveria ser já abordado
no ensino fundamental, juntamente com aritmética, leitura e escrita. Pensar como
um cientista da computação requer altos níveis de abstração. Porém, a noção por
trás do pensamento computacional vai além de programar, sendo na verdade “con-
ceituar”. Como atividade típica, o pensamento computacional envolve a reformula-
ção de um problema aparentemente difícil de uma forma que se saiba resolver. Não
se trata de tentar fazer seres humanos pensarem como computadores.
Grover e Pea (2013, p. 39-40) listam uma série de elementos relativos ao pen-
samento computacional que deveria estar na base de qualquer currículo escolar: i)
abstrações e generalização de padrões; ii) processamento sistemático da informa-
ção; iii) sistemas de símbolos e representações; iv) noções algorítmicas de controle
de fluxo; v) decomposição estruturada de problemas; v) pensamento iterativo, re-
cursivo e paralelo; vi) lógica condicional; vii) restrições de performance e eficiência;
viii) depuração e detecção sistemática de erros.
A partir da problemática explicitada, este artigo detalha uma experiência de
ensino de programação, utilizando em específico a plataforma Arduino. Buscou-se
explorar as possibilidades do uso da robótica e da linguagem Scratch como facilita-
dores para o entendimento de conceitos mais complexos de programação, utilizan-
do como recurso um simulador de Arduino. O curso foi planejado para alunos que
já possuíam alguma experiência com robótica, o que de certa forma permitiu traba-
lhar aspectos mais avançados. Na sequência do artigo, são apresentados os temas
relativos à programação, relacionando-os a alguns aspectos da aprendizagem e da
programação com Arduino e Scratch. Depois, mostra-se o planejamento do curso
de programação, seguido pelo relato da experiência e pelas considerações finais.
A atividade de programação e aspectos cognitivos
Programar significa, em suma, construir algoritmos. De acordo com Cormen
et al. (2002), um algoritmo pode ser entendido como uma sequência de passos que
transformam as entradas em saídas. Assim,
[...] podemos visualizar um algoritmo como uma ferramenta para resolver um problema
computacional bem especificado. O enunciado do problema especifica em termos gerais o
relacionamento entre a entrada e a saída desejada. O algoritmo descreve um procedimento
computacional específico para se alcançar esse relacionamento da entrada com a saída
(CORMEN et al., 2002, p. 3).
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Da concepção de algoritmo como uma sequência de passos para se atingir um
objetivo, pode-se enquadrar tudo aquilo que se ensina para um aluno em termos de
procedimentos que envolvem operações lógicas ou matemáticas, tais como a reso-
lução de equações ou mesmo o problema de se encontrar o máximo divisor comum
ou o mínimo múltiplo comum. Assim, os professores podem não se dar conta, mas
ensinam algoritmos em vários momentos aos seus alunos.
Kazimoglu et al. (2012) sumarizam, a partir de uma série de estudos, um
conjunto comum de habilidades que são trabalhadas na abordagem do pensamento
computacional: a resolução de problemas, a construção de algoritmos, a depuração,
a simulação e a socialização. A resolução de problemas refere-se ao raciocínio lógico
feito por meio de diversos modelos computacionais. Isso inclui a aplicação da de-
composição do problema em partes menores ou mesmo para gerar alternativas de
representação. A construção de algoritmos envolve a elaboração de procedimentos
passo a passo para a solução de um problema em particular. A depuração pressupõe
a análise dos problemas quanto aos erros lógicos que podem acontecer, na qual o
aluno trabalha com o feedback e deve rever as regras ou estratégias de abordagem
do problema. A simulação envolve a implementação de modelos no computador. E,
por fim, o aspecto da socialização envolve coordenação de esforços, cooperação e/ou
competição durante os estágios de resolução do problema.
Lidar com o ensino e a aprendizagem de programação no nível do ensino fun-
damental pressupõe trabalhar com alunos que estão, à luz da teoria piagetiana, na
transição da fase operatório-concreta para a operatório-formal. Este último estágio é
identificado com o aparecimento do pensamento proposicional, que não fica mais res
-
trito à consideração do concreto, mas começa a lidar também com o domínio daquilo
que é hipotético (LEFRANÇOIS, 2013, p. 260). O sujeito não precisa mais do apoio
no pensamento concreto e pode admitir possibilidades de explicar ou resolver uma
situação antes de experimentá-la na realidade, ou seja, começa a elaborar hipóteses
(MARTINELLI; MARTINELLI, 2016, p. 52). Assim, a tendência é que um indivíduo
na fase operatório-formal faça algo mais do que testar proposições individuais.
Ele raciocina sobre as relações lógicas que existem entre duas ou mais proposições, uma
forma mais útil e abstrata de raciocínio que Piaget chamou de interproposicional. A mente
menos madura olha somente para a relação factual entre uma proposição e a realidade em-
pírica à qual ela se refere; a mente mais madura olha também ao contrário, para a relação
lógica entre uma proposição e outra (FLAVELL; MILLER; MILLER, 1999, p. 118).
Na atividade de programação, um aluno irá desenvolver hipóteses sobre como
resolver um problema, irá testar diferentes proposições na forma de comandos
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e códigos expressos em uma linguagem de programação específica, com os quais
irá elaborar os algoritmos, refinando o programa conforme o processo iterativo de
depuração. Portanto, o aprendizado de programação pode auxiliar no desenvolvi-
mento das estruturas cognitivas necessárias para que o aluno comece a lidar com
o pensamento formal.
Além da teoria construtivista, a robótica e a programação também se funda-
mentam na abordagem do Construcionismo de Papert. Na crítica às apropriações
equivocadas da teoria de Piaget quanto ao posicionamento do pensamento formal
num patamar acima do pensamento concreto, no sentido estrito de uma sucessão
de estágios, Papert busca resgatar a importância de se trabalhar a qualquer mo-
mento a inteligência concreta.
O Construcionismo é construído sobre a suposição de que as crianças farão melhor des-
cobrindo [...] por si mesmas o conhecimento específico de que precisam; [...]. O tipo de co-
nhecimento que as crianças mais precisam é o que as ajudará a obter mais conhecimento
(PAPERT, 2008, p. 135).
Resnick, um dos criadores do Scratch, acrescenta que alinhado ao conceito
de programação está a fluência digital, que não deve significar apenas saber con-
versar em um chat, navegar em um site e interagir virtualmente, mas também
adquirir habilidades de design, criar e inventar novas mídias. Para se alcançar
este objetivo, é necessário o aprendizado de alguma forma de programação. As
habilidades de programação ampliam consideravelmente a faixa do que pode ser
criado e utilizado para se expressar com o computador. De forma particular, pro-
gramação dá suporte para o pensamento computacional, ajudando no aprendizado
de resolução de problemas e estratégias de design que se movem para domínios de
não programação (RESNICK et al., 2009, p. 62).
Assim, a programação pode desempenhar um papel fundamental na transfor-
mação das “caixas pretas” em “caixas brancas”. Campos (2017, p. 2116) ressalta a
necessidade da mudança da metáfora da “caixa preta”, assentada na ideia de que
a programação de robôs seria uma tarefa muito complexa para uma criança. Bliks-
tein (2013) afirma que as dificuldades percebidas pelos alunos estão muito mais
assentadas nos problemas e nas deficiências de design das plataformas do que nas
possibilidades cognitivas dos próprios alunos.
Muito diferente desta perspectiva, as metodologias ativas requerem a transição para um
design transparente, “caixa branca”, dos robôs, onde os usuários podem construir e descons-
truir objetos, podem programar robôs e ter acesso profundo às estruturas dos artefatos por
eles mesmos ao invés de apenas consumir tecnologias prontas (CAMPOS, 2017, p. 2116).
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Talvez esta, assim como o baixo custo, seja uma das razões da aceitação e
disseminação da plataforma Arduino nas escolas. A possibilidade de se lidar com
uma plataforma aberta, com um vasto conhecimento distribuído, permitindo cons-
truções de forma incremental e um acesso mais profundo às montagens, tem se
tornado um atrativo formidável na consideração de tal plataforma para auxiliar no
ensino e na aprendizagem.
Programação com Arduino
De forma sintética, Arduino é uma plataforma de microcontrolador que, devi-
do à facilidade de uso e à sua natureza aberta, tem alcançado enorme popularidade
entre os entusiastas da cultura maker. O Arduino permite a realização do que se
denomina de “computação física”, por meio da conexão de seus circuitos eletrônicos
aos seus terminais, visando ao controle de dispositivos, tais como LED e motores,
ou para a medição de variáveis, tais como temperatura e luminosidade (MONK,
2013, p. 5).
Ainda de acordo com Monk (2013, p. 6), um microcontrolador pode ser conside-
rado um pequeno computador, contendo elementos que também existem nos com-
putadores pessoais, como memória para guardar programas e dados. Entretanto,
uma das diferenças básicas é a disponibilidade direta de terminais que permitem
a conexão com outros dispositivos. Esses terminais são chamadas de “portas de
entrada e saída” (ou, resumidamente, portas E/S). As portas permitem a leitura
ou escrita de dados digitais ou lógicos (por exemplo, identificar se uma chave está
ligada ou desligada) ou de dados analógicos (por exemplo, qual a voltagem presente
em um pino, qual o nível de luz que está incidindo no sensor).
A origem do Arduino remonta ao seu desenvolvimento na Itália como recur-
so para auxiliar no ensino de estudantes. Apenas em 2005 foi lançado comercial-
mente, por Massimo Banzi e David Cuartielles, tornando-se um produto muito
bem-sucedido entre fabricantes, estudantes e artistas, por causa da facilidade de
utilização e da sua durabilidade. Um fator considerado chave no sucesso do Ardui-
no é a disponibilidade das licenças de forma gratuita (conforme o licenciamento
da Creative Commons), o que permitiu o aparecimento de placas alternativas com
custo mais baixo (MONK, 2013, p. 6-7).
Quando comparado com um computador pessoal ou notebook, um Arduino é
extremamente modesto em termos de recursos. Uma das placas mais populares
da família é o Arduino Uno, que possui um clock de 16 MHz, que indica a veloci-
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dade de processamento (comparando com um computador pessoal de 1 GHz, por
exemplo, o Arduino é cerca de 60 vezes mais lento), possui memória RAM de 2
kilobytes, utilizada para processar os dados de um programa (cerca de 2 milhões
de vezes menor que um computador com 4 gigabytes). Para armazenar os progra-
mas para execução, esta placa possui uma memória flash de 32 kilobytes (cerca
de 32 milhões de vezes menor que um disco rígido de 1 terabyte). Para permitir a
computação física, oferece 28 portas de E/S, possibilitando a conexão com vários
dispositivos ou módulos externos.
Com o Arduino na condição de um controlador, é possível o desempenho de
uma série de tarefas relacionadas com robótica. A atividade de um robô pressupõe
autonomia de ação, para isso é necessário que ele “sinta” o ambiente em que está
inserido e “aja” conforme os objetivos que foram estabelecidos para ele. Conforme
Mataric (2014, p. 19), “[...] um robô é um sistema autônomo que existe no mundo,
pode sentir o seu ambiente e pode agir sobre ele para alcançar alguns objetivos”.
Dessa forma, ele precisa ter “sensores” para perceber o que acontece no ambiente
e coletar informações. Existem sensores de luz, proximidade, temperatura, som e
infravermelho. Para agir sobre o mundo, é necessário que o robô seja conectado
com “atuadores”, tais como lâmpadas de LED, motores e braços articulados.
A modularização tem se constituído num conceito chave para a redução da
complexidade nas plataformas de robótica. Por meio da modularização, o nível de
conhecimento para o uso de dispositivos eletrônicos não mais requer estudo profun-
do de eletrônica ou automação. As plataformas oferecem, atualmente, módulos que
encapsulam funções mais complexas, fazendo com que operem como “caixas-pre-
tas”. Por exemplo, na plataforma Arduino, há o conceito de shield: dispositivos com
função específica que compartimentam a complexidade dos circuitos, “isolando-os
da montagem de alto nível do kit” (MCROBERTS, 2011, p. 26). Portanto, é neces-
sário apenas o conhecimento operacional das entradas e saídas para conectá-los
ao sistema em montagem pelo usuário final e fazê-lo funcionar. Como exemplos de
shields, tem-se os sensores de ultrassom, controladores para motores e conectivi-
dade por bluetooth.
Para o funcionamento dos circuitos utilizados com o Arduino, é necessário que
seja gravado no seu microcontrolador um programa. Um programa é constituído
de uma sequência ordenada de comandos para a obtenção de algum resultado. Ou
seja, um programa é a implementação real de um algoritmo. Enquanto que um
algoritmo tem uma característica mais abstrata e conceitual, um programa é uma
realização concreta. Programar é, portanto, uma atividade de escrita de instruções
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ou comandos em uma linguagem específica, para a realização de alguma tarefa ou
obtenção de um resultado. De acordo com Monk (2013, p. 28), “[...] um programa
representa uma lista de instruções, as quais devem ser executadas na ordem em
que foram escritas”.
A programação para o Arduino é feita utilizando-se um ambiente de desen-
volvimento baseado em uma versão da linguagem C adaptada para a plataforma.
O programador, após digitar os comandos de um programa específico, faz a compi-
lação (ou seja, traduz o programa para a linguagem do microcontrolador) e depois
carrega o programa no Arduino propriamente dito, ficando armazenado na memó-
ria flash. Esse processo acontece de forma iterativa, e por meio da reflexão o aluno
pode comparar os resultados com aquilo que foi planejado.
Com relação à cognição e à aprendizagem, a atividade de programação com o
Arduino permite, portanto, estabelecer uma ponte entre o pensamento concreto e
o formal. Enquanto a montagem dos circuitos com o Arduino permite lidar com os
aspectos de aprendizagem mais relacionados aos elementos físicos, pertencentes à
realidade, a atividade de programação incentiva a criação de estruturas cognitivas
que permitirão ao aluno lidar com as abstrações oriundas da escrita do código, em
linguagem de programação. Essa constatação permite mostrar que a programação
com Arduino pode muito bem se adaptar à fase de transição do pensamento concre-
to para o formal, próprio dos alunos do ensino fundamental II.
Programação em Arduino com Scratch
Seymour Papert teve um papel fundamental na introdução dos computadores
na educação, originando a corrente do Construcionismo. A partir da influência dos
anos em que esteve ao lado de Jean Piaget e também das pesquisas com inteligên-
cia artificial no Massachussetts Institute of Technology (MIT), Papert estabelece
uma teoria que compartilha com a noção construtivista sobre o desenvolvimento
cognitivo do aluno como um processo ativo de construção/desconstrução de estrutu-
ras mentais. No Construcionismo, o aprendizado acontece como um processo ativo
no desenvolvimento de projetos, quebrando a visão tradicional de um professor que
transmite conteúdos para os alunos (MALTEMPI, 2004, p. 288).
Entretanto, apenas as atividades em que os alunos “colocam a mão na massa”
(hands-on) não são suficientes. É necessário o envolvimento do aprendiz com aqui-
lo que está fazendo, comprometendo-se também com metas e resultados. Assim,
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a abordagem construcionista proporciona maior controle do aluno na definição e
resolução de problemas.
A ideia é criar um ambiente no qual o aprendiz esteja conscientemente engajado em cons-
truir um artefato público e de interesse pessoal [...]. Portanto, ao conceito de que se aprende
melhor fazendo, o Construcionismo acrescenta: aprende-se melhor ainda quando se gosta
do que se faz, se pensa e se conversa sobre isso (MALTEMPI, 2004, p. 288).
Uma das ferramentas mais conhecidas de Papert foi a linguagem Logo, que
mostrou como as noções construcionistas podiam alcançar resultados práticos (PA-
PERT, 2008). Por meio da interação com uma tartaruga virtual na forma de cursor,
o aprendiz poderia digitar comandos que permitiam a construção de figuras geomé-
tricas. A tartaruga podia “aprender” comandos com complexidade crescente.
Na utilização do Logo Gráfico, segundo as ideias construcionistas, o aprendiz assume uma
postura ativa frente ao seu aprendizado e ao computador e vai, através do desenvolvimento
de projetos pessoais, explorando novos conceitos e progredindo em seu próprio ritmo (MAL-
TEMPI, 2004, p. 289).
Na esteira da proposta construcionista do Logo, o Scratch (MALONEY; RESN-
ICK; RUSK, 2010, p. 2) surge como um ambiente de programação visual que per-
mite aos usuários criar projetos interativos e ricos em mídias. Uma aplicação em
Scratch é utilizada para criar projetos contendo mídias e roteiros (scripts). Imagens
e sons podem ser importados ou mesmo criados em Scratch utilizando uma ferra-
menta de pintura embutida e um gravador de som. A programação é feita por meio
do encaixe de blocos de comandos coloridos para controlar objetos gráficos bidimen-
sionais (sprites), para movimentarem-se em um pano de fundo chamado de “palco”.
Os projetos em Scratch podem ser salvos para arquivos no sistema operacional ou
compartilhados na página web do Scratch.
Ainda de acordo com a abordagem construcionista, para auxiliar os aprendi-
zes no engajamento de seus projetos pessoais com motivação e significado, o Scrat-
ch torna fácil a importação ou criação de muitos tipos de mídias (imagens, sons,
músicas), permitindo compartilhamento, recebimento de feedback e encorajamento
dos seus pares, inclusive para aprender a partir de projetos de outros alunos. Uma
característica chave do Scratch é introduzir programação para aqueles que não
possuem experiência prévia (MALONEY; RESNICK; RUSK, 2010, p. 3).
Para auxiliar na programação com Arduino e torná-la mais visual, algumas
iniciativas têm utilizado o modelo proporcionado pelo Scratch para permitir a
escrita de programas em linguagem visual, além da programação textual com a
linguagem C. Uma dessas iniciativas é o Tinkercad® – Circuits,
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criado pela Au-
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todesk®, que é um simulador de circuitos eletrônicos que permite a montagem
virtual de circuitos com Arduino e uma ampla gama de dispositivos eletrônicos.
Além dos componentes, oferece um ambiente de programação que permite manter
o programa escrito em linguagem C, em linguagem Scratch, ou mesmo uma com-
binação das duas linguagens. A simulação reproduz, da forma mais fiel possível, o
desempenho dos circuitos, constituindo-se numa ferramenta bastante útil para o
aprendizado inicial de programação em Arduino.
Para ilustrar a facilidade de compreensão do Scratch, na Figura 2, encontra-se
um pequeno programa, geralmente utilizado como um primeiro exemplo para pro-
gramar em Arduino, que faz uma lâmpada LED piscar continuamente. Enquanto
na esquerda está o programa escrito na linguagem C para o Arduino, na direita
está o programa correlato em Scratch, mostrando o apelo visual na programação.
No Scratch, o comando em cor azul modifica o estado do LED (aceso para “HIGH”
e apagado para “LOW”), enquanto que o comando em cor laranja especifica uma
espera de 1 segundo para cada ação. Já na linguagem C, apesar de intuitivo, é
necessário o comando na forma de texto.
Figura 2 – Comparação de códigos em linguagem C do Arduino e em Scratch
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
Planejamento do curso de programação
A elaboração do curso de programação foi feita de forma colaborativa, envolven-
do o Grupo de Pesquisa Novas Tecnologias de Ensino e Aprendizagem do Programa
de Pós-Graduação – Mestrado Profissional em Educação e Novas Tecnologias do
Centro Internacional Uninter, juntamente com a Coordenação de Tecnologias da
Secretaria de Educação de Curitiba. Após uma reunião preliminar e um curso vi-
sando à formação dos professores participantes, foi estabelecida a participação das
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escolas que de forma regular estão presentes nas competições de robótica nacionais
e mesmo internacionais. Dessa forma, o objetivo do curso seria o de dotar os alunos
de mais conhecimento sobre a programação com Arduino, para a eventual amplia-
ção de uso de plataformas prevista para as próximas edições das competições de
robótica. Foram escolhidas 9 escolas, prevendo-se a aplicação do curso para 117
alunos, 53% meninos e 47% meninas, mediana de 12 anos de idade e do 7º ano do
ensino fundamental. As escolas possuem um professor líder do grupo de robótica,
o qual é responsável pelas atividades que o grupo precisa desenvolver, bem como
por estabelecer os participantes e os horários de reuniões com os alunos. A maioria
aproveitaria os horários de contraturno para o desenvolvimento das atividades de
robótica.
A experiência de robótica desses grupos está relacionada com o uso de kits
da plataforma Lego, a qual se constitui num ecossistema proprietário de peças,
componentes e software de programação, que não permite a interação com outras
plataformas mais abertas. Na intenção de dar oportunidade para o uso de outras
plataformas, inclusive com o apelo do baixo custo, a Secretaria de Educação bus-
ca incentivar o uso de alternativas, tais como a plataforma Arduino, que cresceu
muito nos últimos anos e está sendo adotada como referência para se trabalhar a
robótica de baixo custo e a internet das coisas (MONK, 2013).
O curso foi programado para acontecer em cinco dias, envolvendo duas ou três
escolas por dia, agendado para a manhã ou a tarde, de acordo com a disponibilida-
de da escola. Com a carga horária de 3 horas, o conteúdo previsto abordava:
a) o que é programação;
b) a plataforma Arduino;
c) programação textual x visual;
d) tipos de sensores e atuadores;
e) simulador de Arduino: Tinkercad® – Circuits;
f) comandos básicos de programação em Scratch;
g) prática: montagem de LED piscante;
h) desafios: construção de semáforo, rotação de servomotor, sensor de tempera-
tura;
i) montagem física e teste dos circuitos.
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As atividades foram desenvolvidas nos laboratórios de informática preparados
para o curso de programação. Também, foi fornecido um kit para que os alunos pu-
dessem visualizar de forma concreta os dispositivos e os componentes que seriam
abordados. O kit continha, dentre outros dispositivos:
a) uma placa de Arduino Uno;
b) uma protoboard (matriz de pinos ou ilhas para permitir as diversas cone-
xões entre componentes em si e entre o Arduino);
c) lâmpadas LED de diversas cores;
d) sensores de luminosidade, ultrassom e temperatura;
e) servomotor (tipo de motor no qual se fornece um ângulo para girar);
f) resistores para ligar com as lâmpadas LED;
g) fios para conexão.
Após a explicação inicial do Arduino, dos sensores e atuadores, era introdu-
zido o simulador Tinkercad®. Os alunos deveriam fazer o registro na ferramenta
e logo depois estavam aptos a desenhar os circuitos. O primeiro circuito que de
-
veriam montar era o LED piscante, feito a partir da demonstração do professor
passo a passo, objetivando a familiarização com os aspectos operacionais do si
-
mulador, conforme mostrado na Figura 3. Durante a montagem no simulador,
o professor explicava que não se podia ligar um LED diretamente na porta, sob
pena de danificar (o que era mostrado no próprio simulador), devendo requerer
uma ligação por meio de um resistor. Para melhor entendimento do papel de um
resistor, o professor mostrava uma resistência de chuveiro, que possui uma função
semelhante. Portanto, o aluno deveria primeiro localizar e colocar o Arduino na
tela e depois a protoboard logo ao lado. Em seguida, deveria colocar a lâmpada
LED (o aluno poderia escolher a cor, inclusive) e o resistor na protoboard. Ao final,
deveria fazer as ligações com os “fios” virtuais nos terminais na ordem certa, para
fazer o circuito funcionar. Neste primeiro exemplo, o Tinkercad® já traz embutido
o programa visto na Figura 2, de forma que não há necessidade, neste momento,
de desenvolver o programa. Os alunos poderiam então analisar o programa e fazer
alterações, como variar o tempo de espera para acender ou apagar. Paralelamente
à montagem no simulador, eles deveriam reproduzir também a montagem física,
utilizando os kits.
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Figura 3 – Primeira montagem proposta no simulador, um circuito de lâmpada LED piscante
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
Na explicação dos sensores, o professor utilizava exemplos do cotidiano para
auxiliar na compreensão da sua função. Em um dos sensores abordados, o de lu-
minosidade, era solicitado aos alunos que identificassem na caixa do kit qual era
o respectivo sensor. Esse sensor era do mesmo tipo daquele utilizado nos postes
de iluminação pública, fazendo com que as lâmpadas acendam ao anoitecer e apa-
guem ao amanhecer. Para o funcionamento do sensor de ultrassom, era feita uma
analogia com os sonares dos submarinos.
No segundo momento do curso, eram resumidos os comandos possíveis para
utilizar no Scratch do simulador. Como a proposta do Scratch é bastante similar
entre diferentes plataformas que oferecem o recurso e também devido à familia-
ridade dos alunos com o Scratch, tal fase consistia mais numa espécie de revisão.
Em seguida, o professor propunha desafios para montar um semáforo com três
lâmpadas LED, devendo cada um ficar ligado de acordo com os semáforos de rua.
O professor colocava apenas um slide mostrando uma sugestão de conexões e os
alunos deveriam montar o mesmo circuito, porém, devendo montar também o pro-
grama para fazê-lo funcionar.
Outro desafio proposto era a montagem de um servomotor. Esta montagem
era mais simples. Entretanto, primeiro era proposto que o servomotor girasse 90
graus, o que é possível utilizando apenas um bloco de comando do Scratch. Na se-
quência, era proposto que o servomotor girasse 90 graus, porém de 10 em 10 graus.
Após a atividade com o simulador, ao final, era explicado como eles deveriam fazer
para programar o Arduino fisicamente.
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A metodologia adotada para a coleta das informações sobre o desempenho
dos alunos foi a observação, centrada na execução das atividades de programação
propostas durante o curso. Dois integrantes do grupo de pesquisa, na condição
de auxiliares, faziam as anotações relativas ao desempenho dos alunos. Poderia
haver alguma orientação para a execução da tarefa, entretanto, sem fornecer os
comandos prontos ou as respostas. O grupo de pesquisa contou também com dois
alunos de iniciação científica do curso de Engenharia da Computação para suporte
e orientação nas montagens.
Na prática com as escolas
Nos dias em que foram agendados os cursos, ao chegarem à instituição, os alu-
nos eram direcionados ao laboratório no qual aconteceria a atividade. Foi solicitado
que os alunos formassem pares ou trios para cada computador. Os kits de Arduino
eram distribuídos e o professor projetava os slides para fazer as explicações sobre
os conteúdos.
No primeiro momento do curso, acontecia a explanação sobre o conceito de
programação, em que era perguntado sobre a familiaridade com programação e
com robótica dos alunos. Foram explorados exemplos do cotidiano para embasar o
conceito de algoritmo. Devido à especificidade dos grupos, a maioria era familiar
com as montagens utilizando Lego, e apenas aqueles alunos mais recentes nos
grupos não possuíam nenhuma familiaridade. Já com relação ao Arduino, a fami-
liaridade foi muito pontual. Entretanto, uma das escolas já iria utilizar um robô
construído com a plataforma Arduino para a competição de robótica, cujos alunos
mostravam um bom conhecimento da plataforma.
Durante a explicação, o professor mostrava alguns exemplos já montados,
como um carro robô seguidor de linha e um cubo de LED. O carro robô permitiu
mostrar a utilidade do sensor de luminosidade, enquanto no cubo de LED foi explo-
rado o cálculo da quantidade de lâmpadas LED existentes em cubos de diferentes
tamanhos. O cubo mostrado no curso possuía 3x3x3, totalizando 27 LEDs. Também
eram mostradas imagens de outros cubos maiores (4x4x4 ou 8x8x8), sendo solicita-
do que os alunos calculassem a quantidade de LEDs em cada um.
Na simulação com o Tinkercad®, uma das dificuldades encontradas foi o regis-
tro prévio dos alunos na ferramenta, pois era exigido que no cadastro fosse inserido
o e-mail, sendo que alguns alunos já possuíam. Entretanto, para outros teve de
ser feito o acesso à ferramenta a partir da conta dos professores ou auxiliares do
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grupo de pesquisa presentes nos cursos. Após concluído o cadastro, boa parte já
começava a montar por conta própria alguns circuitos, devido ao caráter intuitivo
da ferramenta.
Figura 4 – Alunos criando circuito do semáforo no simulador
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
Na primeira montagem, relativa ao LED piscante, era comum os alunos das
primeiras turmas errarem a conexão dos fios nos componentes, ligando em ilhas
ao lado do lugar em que deveriam ligar. Assim, a precisão de montagem foi um dos
cuidados ressaltados nas edições subsequentes do curso. Os professores ou mo-
nitores deveriam solicitar apenas que os alunos revisassem onde estava o erro e
descobrissem por si próprios (como, por exemplo, a situação na Figura 5). Após a
montagem e a simulação de funcionamento, era mostrada aos alunos a aba na qual
poderiam ver o programa que fazia o circuito funcionar, tanto no Scratch quanto
na programação textual.
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Figura 5 – Aluna de iniciação científica na orientação de montagem
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
A partir da segunda montagem, o desafio do semáforo, deveria prevalecer a
autonomia dos alunos nas montagens e na programação. De maneira geral, os alu-
nos não tinham dificuldades para fazer a montagem, identificando que deveriam
controlar três portas para o acendimento dos LEDs, ao invés de uma, do primeiro
exemplo (como na situação da Figura 4). O programa a ser feito também seria
construído de forma indutiva do exemplo do LED piscante. De forma geral, os pro-
gramas construídos para o funcionamento do semáforo foram semelhantes ao que
se encontra na Figura 6.
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Figura 6 – Programa em Scratch para o semáforo
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
No processo de depuração do programa, um dos erros mais comuns aconte-
cia quando os alunos esqueciam de apagar um LED, quando se estava acendendo
outro. No teste do semáforo, era explorado pelos alunos quanto tempo deveriam
programar para os LEDs ficarem acesos na sequência correta. Foi comum a troca
da ordem em que os LEDs deveriam acender (vermelho, amarelo, verde).
Na Figura 7, está ilustrado o circuito com o servomotor proposto como terceira
montagem. Para o giro de 90 graus do eixo do servomotor, basta um comando em
Scratch, que envia a mensagem para a rotação a partir do fornecimento de um
ângulo entre 0 e 180 graus. Entretanto, o desafio de montagem para o giro de 90
graus a cada 10 graus decorreu de maneira bem diferente. A tendência dos alunos
foi a de montar o programa para girar fazendo a repetição explícita dos blocos
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de comando para a execução do giro, como mostrado no programa à esquerda da
Figura 8.
Figura 7 – Montagem do servomotor e o bloco em Scratch que executa o giro do eixo
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
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Figura 8 – Comparação dos dois programas em Scratch para movimentar o servomotor
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
Apesar disso, tal experimentação é válida, pois, logo em seguida, são demons-
trados os comandos que abstraem as estruturas de controle e repetição. Como a
quantidade de vezes em que os comandos de rotação se repetem, também é oportu-
na a explicação sobre o uso de variáveis no Scratch, além das expressões de com-
paração. O programa à direita da Figura 8 mostrou uma solução para o problema,
permitindo também o aprendizado de elementos importantes para a execução de
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programas. A explanação mostrava que era necessário criar uma variável para
contar quantas vezes o comando seria enviado ao servomotor (no exemplo, a variá-
vel “x”). Esta variável, no início, deveria receber o primeiro valor (no caso, 0 grau).
Depois, era necessário colocar uma estrutura de repetição “enquanto” (comumente
chamado de loop “while”), na qual seria comparado o valor da variável (se chegasse
a 90 graus). Esta estrutura permitiria a economia de código com relação ao pro-
grama anterior. Internamente à estrutura de repetição, figurava então o comando
para a rotação propriamente dita, a espera de um segundo e o comando que alte-
rava o valor (de 10 em 10 graus). Este exemplo ilustra bem o aspecto de transição
do pensamento concreto para o formal, mencionado anteriormente. Os comandos
para evitar a repetição sucessiva exigiam um novo nível de abstração por parte
dos alunos, envolvendo o uso de variável numérica em substituição às constantes
utilizadas no exemplo anterior; a comparação numérica para o controle do ângulo
para girar; e a operação de incremento da variável a cada ciclo de repetição.
Apesar da receptividade com a fase de simulação do Arduino, de forma geral,
restava pouco tempo para que os alunos pudessem aprender a utilizar a ferramen-
ta para carregar os programas no Arduino físico. Assim, era solicitado que os alu-
nos trouxessem a montagem para que os professores fizessem o carregamento do
programa no Arduino para demonstrar o funcionamento (Figura 9). Apenas uma
das turmas que fez o curso pela parte da manhã conseguiu fazer o experimento com
o sensor de temperatura.
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Figura 9 – Aluno com o circuito do LED piscante pronto para teste no Arduino
Fonte: elaboração dos autores, 2018.
Como ponto positivo, pode-se evidenciar a motivação dos alunos para apren-
derem programação considerando algo concreto como o Arduino (dentre alguns
comentários, destacam-se: “gostei de colocar a mão na massa”; “gostei do Arduino
e do simulador”). Ainda que a simulação tenha preenchido a maior parte do tempo
dos cursos, quando perguntado aos alunos no final sobre o que mais haviam gos-
tado do curso, a maioria falou bem com relação ao simulador Tinkercad®. Como a
maior parte dos alunos já estava familiarizada com a robótica em outra plataforma
(em torno de 2/3 dos alunos já haviam montado robôs com Lego), o aprendizado foi
bastante facilitado. Outro aspecto considerado positivo foi a colaboração entre os
pares ou trios, em que se verificava que os próprios alunos faziam a distribuição
das atividades a serem feitas (enquanto um se ocupava de montar no Tinkercad®,
outro fazia a montagem física). Em média, 2 a 3 alunos por turma perguntavam,
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ainda no final do curso, quanto custava um kit de Arduino, pois ficavam tão empol-
gados que pensaram em pedir para os pais comprarem.
Com relação aos pontos negativos, constatou-se uma maior dificuldade de al-
guns alunos. Quando perguntado aos alunos sobre o que havia sido mais difícil
de aprender, alguns falaram da parte de programação propriamente dita ou da
linguagem C (em torno de 27% dos alunos), enquanto que outros falaram mais da
dificuldade na parte matemática (em torno de 9%), ainda que aproximadamente
a metade dos alunos tenha como preferência a disciplina de Matemática. Uma
constatação a respeito disso é que o aprendizado de linguagem nesta fase sempre
deverá ser acompanhado da parte visual, a qual facilita muito a compreensão, se a
intenção é, mais tarde, ensinar linguagens mais complexas ou textuais. O aspecto
do tempo também foi um ponto a considerar, pois algumas turmas conseguiam ter
um aproveitamento maior em relação a outras.
Considerações nais
Apesar da receptividade dos alunos e, de modo geral, da facilidade do apren-
dizado de programação com o Arduino, ficou evidenciada a necessidade de dar se-
quência ao curso, pois os alunos ficaram ansiosos para aprender mais e fazer mais
montagens. Outro aspecto que poderia ser mais explorado consiste na associação
das construções feitas com o Arduino e dos programas com conteúdos curriculares
das disciplinas. Como assinala Campos (2017, p. 2119), a robótica é somente mais
um recurso, pois o currículo é que deve determinar o resultado da aprendizagem e
a sincronia da tecnologia com as teorias de aprendizagem.
Outra necessidade evidenciada refere-se à preparação prévia dos professores
líderes dos grupos de robótica. Notou-se que alguns estavam mais envolvidos do
que outros e, portanto, ficaram mais à vontade no laboratório para tirar dúvidas
dos alunos ou para interagir com outros professores ou monitores. Na sequência
do projeto, está prevista a formação com o curso de programação no Arduino para
esses professores, no sentido de prepará-los melhor e também para que relacionem
de forma adequada as práticas de construção dos circuitos com as necessidades
curriculares, antes da próxima fase do curso de programação com os alunos.
O curso a ser feito na sequência contará com a programação direta no Ardui-
no, com associação mais aprofundada entre os programas escritos em Scratch e
em linguagem C, bem como o uso da plataforma S4A (Scratch for Arduino), a qual
permite a gravação direta dos programas em Scratch no Arduino. No que tange ao
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conteúdo de programação, além das estruturas de repetição, serão exploradas tam-
bém as estruturas condicionais, o mapeamento para demonstrar funções e o uso
mais detalhado de variáveis. Será adotada, ainda, uma metodologia de avaliação,
visando analisar a forma como os programas foram escritos e também comparar os
diferentes programas construídos entre os alunos.
Notas
1
Disponível em: <https://www.todospelaeducacao.org.br/pag/dados-5-metas>. Acesso em: 20 ago. 2018.
2
Disponível em: <www.Tinkercad®.com/circuits>.
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