Enseñanza de Robótica y Matemáticas: Construyendo un semáforo simple en el aula

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ARTÍCULO ORIGINAL

LIMA, Elielson Magalhães [1], MAGALHÃES, Jessica Bruna Ribeiro Wercelens [2], SILVA JÚNIOR, Justino Nogueira da [3], SILVA NETO, João Ferreira da [4]

LIMA, Elielson Magalhães. Et al. Enseñanza de Robótica y Matemáticas: Construyendo un semáforo simple en el aula. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 05, Ed. 12, Vol. 18, págs. 67-77. Diciembre de 2020. ISSN: 2448-0959, Enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/educacion-es/construyendo-un-semaforo ‎

RESUMEN

El objetivo de este artículo es mostrar algunas posibilidades del uso de la robótica en las clases de matemáticas, describiendo la construcción y operación de un simple semáforo. Teniendo en cuenta que las acciones que utilizan herramientas tecnológicas permiten un aprendizaje significativo para los estudiantes, desarrollamos una secuencia de actividades utilizando la robótica, a través de una planificación didáctica-pedagógica diferente a la utilizada convencionalmente en la práctica escolar. Desafiados por los problemas inherentes a la construcción del simple semáforo, los estudiantes trataron de mejorarse a sí mismos, desarrollando conceptos matemáticos y reduciendo sus dificultades. Encontramos, por lo tanto, que el uso de la robótica en las clases de matemáticas puede contribuir a la mejora del aprendizaje. Sin embargo, frente a las incipientes propuestas de este uso, sabemos que es necesario invertir en obras que discutan este tema, especialmente en la educación del profesorado.

Palabras clave: Robótica, Educación, Matemáticas, Aprendizaje.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, hay muchos retos para enseñar matemáticas, de los cuales la falta de entusiasmo de los estudiantes en el aula es notoria, porque está presente en los diversos niveles de educación (OLIVEIRA, 2007). De acuerdo con este autor, entendemos que es necesario invertir en metodologías de enseñanza con el objetivo de instigar y provocar la atención y participación de los estudiantes, reduciendo su falta de entusiasmo.

En este escenario, el uso de la robótica en el aula se puede configurar como una propuesta privilegiada para instigar y desafiar a los estudiantes, ampliando el aprendizaje de las matemáticas y reduciendo sus dificultades de aprendizaje. Como Mill (2013) afirma con razón, el uso de la robótica como recurso didáctico permite a los estudiantes aumentar la creatividad, acercándolos al conocimiento matemático y permitiendo el desarrollo de habilidades de esta y otras áreas.

Con la presencia cada vez más fuerte de las tecnologías de la información y la comunicación en la sociedad, las tendencias educativas han indicado el uso de estas herramientas en las propuestas actuales para la enseñanza de las matemáticas. En vista de esto, el objetivo de este artículo es mostrar algunas posibilidades del uso de la robótica en las clases de matemáticas, describiendo la construcción y operación de un simple semáforo.

A través de la planificación didáctica-pedagógica diferente de la utilizada convencionalmente en la práctica escolar, desarrollamos una secuencia de actividades utilizando la robótica. Creemos que las acciones que utilizan estos artefactos tecnológicos permiten un aprendizaje significativo para los estudiantes en la medida en que amplían las posibilidades de interacción profesor-alumno en la construcción del conocimiento matemático.

ROBÓTICA EDUCATIVA Y EL KIT MODELIX

La evolución de las tecnologías de la información y la comunicación ha sido cada vez más rápida, ya que “[…] vivimos en una sociedad en la que se han producido cambios en una rapidez nunca antes vista” (SILVA NETO, 2012). Para acompañar estas transformaciones sociales, es necesario que las instituciones educativas no sólo instalen equipos tecnológicos, sino que integren a la facultad y al estudiante para que practiquen dichas tecnologías en los procesos educativos (VELOSO, 2011). Según este autor, la robótica educativa puede ofrecer un entorno de enseñanza y aprendizaje motivador con información teórica y práctica que favorece el desarrollo de actividades compartidas entre alumnos y profesores.  Además, el uso de la robótica permite la creación de un ambiente de aprendizaje agradable, donde el estudiante puede expresar sus ideas mediante la construcción y prueba de prototipos.

En este contexto, el uso de la robótica educativa sirve para crear y mejorar prácticas pedagógicas orientadas a elevar el potencial de los estudiantes, añadiendo conocimientos matemáticos y permitiendo su aplicación en la comprensión de la realidad (CRUZ, 2007).   La robótica educativa o la robótica pedagógica “[…] deben definirse como el montaje de modelos y sistemas robóticos con el propósito de aprender conceptos científicos […] por parte de quienes realizan el montaje de dichos sistemas” (ATTROT; AYROSA, 2002).

Para Almeida (2008), el término “robótica educativa” se utiliza en la caracterización de entornos de aprendizaje que reúnen materiales de desecho o kits de montaje compuestos por diversas piezas, motores y sensores controlables por computadora y software. Estos entornos nos permiten programar, de alguna manera, el funcionamiento de modelos que se utilizan para la enseñanza de diferentes áreas de conocimiento.

Entendemos que el uso de estos entornos, impregnados por la producción de asambleas variadas, puede contribuir al desarrollo de las habilidades y competencias necesarias para los estudiantes, ampliando su autonomía y creatividad. Entre las herramientas de robótica educativa, elegimos el kit educativo modelix, ya que se considera el primer completamente desarrollado en Brasil. Tiene una arquitectura muy similar a arduino, uno de los hardware más extendidos del mundo.

Arduino es una herramienta ampliamente utilizada para la enseñanza de la robótica en varios niveles de educación. Consiste en un microcontrolador; piezas mecánicas – engranajes, poleas, tornillos y varillas -; componentes electrónicos – sensores y pantalla LCD -; motores; botones; balizas y luces de sonido. Los prototipos hechos de estos hardware pueden ser controlados por infrarrojos, control remoto o bluetooth y sus horarios se basan en el uso de diagramas de flujo.

El trabajo con el kit modelix tiene base metodológica en el enfoque curricular STEAM – Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics, o, en Portugués, Ciencia, Tecnología, Ingeniería, Artes y Matemáticas. Este enfoque metodológico promueve la multidisciplinaridad de las áreas conectadas en proyectos que proporcionan el uso de las matemáticas para crear prototipos de ingeniería y artes, expandiendo la curiosidad de los estudiantes (SANTOS, 2005).

El enfoque STEAM cumple con los requisitos de la Base Nacional Común de Currículos (2017), ya que aumenta la criticidad de los estudiantes mediante el desarrollo de las habilidades que necesitan las asambleas más diversas.  Dentro de las perspectivas matemáticas, es posible hacer uso de algoritmos, estableciendo patrones y procedimientos esenciales para las construcciones, desde la concepción de la idea, pasando por la preparación del objeto, hasta su programación (GAROFALO, 2019).

LA CONSTRUCCIÓN DEL SIMPLE SEMÁFORO EN EL AULA

Para mostrar algunas posibilidades de utilizar la robótica en las clases de matemáticas, hemos planificado una secuencia de actividad en la que elegimos utilizar el kit educativo modelix, un gabinete donde se puede encontrar un arsenal de piezas y componentes destinados a la enseñanza de la robótica. Una vez elegido este kit educativo, desarrollamos una secuencia de actividades en un colegio público municipal en Arapiraca, Alagoas.

A pesar del kit educativo presente en la escuela, no encontramos modelos de actividades de enseñanza y aprendizaje disponibles para guiar a los maestros. Como no siempre hay un profesor con habilidades para trabajar con robótica educativa, buscamos desarrollar una propuesta que promueva la multidisciplinaridad de áreas relacionadas con las matemáticas, ampliando la curiosidad y creatividad de los alumnos.

La secuencia de actividades se desarrolló con estudiantes de los últimos años de la escuela primaria de dicha escuela que participaron en el programa Novo Mais Educação[5]. Con respecto a las matemáticas, la comunidad escolar encontró que las mayores dificultades de los estudiantes estaban relacionadas con algoritmos de operaciones básicas y resolución de problemas. Con el fin de aliviar estas dificultades, desarrollamos clases de robótica educativa para estudiantes que participan en el programa. Estas clases buscaban contemplar la competencia de la cultura digital (BRASIL, 2017) que abarca la comprensión, el uso y la creación de la tecnología digital de una manera crítica, significativa y ética.

Las actividades se desarrollaron dos veces por semana – lunes y martes – junto con diez estudiantes que asistieron al 7o al noveno grado de la escuela primaria. Con esta clase, hicimos una secuencia de actividades en la que desarrollamos un algoritmo de cómo funciona un semáforo y luego usamos las herramientas modelix para escribirlo. Los pasos del algoritmo se indican en el gráfico 1.

Tabla 1: algoritmo de funcionamiento de un simple semáforo

Paso 1 Verde claro, apague Amarillo y Luz Roja durante 30 segundos.
Paso 2 Después de 30 segundos: Apaga la luz verde durante 15 segundos, enciende Luz amarilla durante 15 segundos y ponte roja durante 15 segundos.
Paso 3  Después de 15 segundos: Apaga la luz verde durante 30 segundos, apaga la Luz Amarilla durante 30 segundos y gira en rojo durante 30 segundos.
Paso 4 Después de 30 segundos: volver al primer paso, creando así un ciclo infinito.

Fuente: autores

Después de registrar el algoritmo de cómo funciona el semáforo, les pedimos que desarrollaran un algoritmo para microcontrolador modelix según la Figura 1.

Figura 1 – Microcontrolador Modelix


Fuente: eliminada del www.modelix.com.br

Al manipular el microcontrolador en grupos, desarrollamos un algoritmo como se muestra en el gráfico 2.

Tabla 2: algoritmo para microcontrolador

Paso 1 Encienda el LED rojo 30 segundos (salida 9), apague el LED amarillo (salida 10) y el LED rojo (salida 11) durante 30 segundos.
Paso 2 Apague el LED rojo 15 segundos (salida 9), encienda el LED amarillo (salida 10) durante 15 segundos y apague el LED rojo (salida 11) durante 15 segundos.
Paso 3 Después de 15 segundos: Apaga la luz verde durante 30 segundos, apaga la luz amarilla durante 30 segundos y gira en rojo durante 30 segundos.
Paso 4 Después de 30 segundos: vuelve al primer paso, creando un bucle infinito.

Fuente: autores

Con la elaboración de algoritmos, comenzamos a construir diagramas de flujo, que son formas gráficas de representar un algoritmo. La programación del microcontrolador se realiza utilizando diagramas de flujo que realizan las funciones predefinidas de manera ordenada. En la Figura 2 tenemos el diagrama de flujo que le permite realizar la funcionalidad del semáforo.

Figura 2: Diagrama de flujo


Fuente: autores

La programación del microcontrolador tiene un simulador de diagrama de flujo que indica un error. Esto, cuando se identifica mediante la comprobación del diagrama de flujo, se corrige, lo que permite una carga para el microcontrolador para realizar la prueba final.

DISCUSIÓN Y RESULTADOS

En relación con esta actividad con las matemáticas escolares, se propusieron problemas en el volumen de tráfico. El volumen es la cantidad de n vehículos que atraviesan la ubicación que se estudia en un período de tiempo t predefinido durante segundos, como muestra la ecuación: Mediante esta ecuación, es posible determinar el número máximo de vehículos que viajan en una dirección dada de una intersección, conociendo el tiempo máximo para la luz verde (t1 segundos), para la señal amarilla (t2 segundos) y para la señal roja (t3 segundos). Sin embargo, esta ecuación no se puso a disposición inicialmente, con el objetivo de comprender los conceptos que implica. Para ello, pedimos a los alumnos que resolvieran algunos problemas con el volumen de tráfico, como se indica a continuación.

Problema uno.

¿Cuál es el volumen de tráfico cuando 30 vehículos cruzan un semáforo en la luz verde, cuyo tiempo máximo es de 60 segundos?

Solución:

Siendo vt – volumen de tráfico y reemplazado los valores máximos, tenemos:

Este problema se pensó por dos razones principales: la proximidad a la situación real y el resultado es un número decimal. De hecho, había varias preguntas en la clase: “¿qué sería medio vehículo?” Por lo tanto, hubo una discusión que hizo posible entender mejor el concepto de proporcionalidad, especialmente cuando los estudiantes explicaron su comprensión de que, cada 2 segundos, un vehículo cruzaba el semáforo.

Problema dos.

Sabiendo que el tiempo máximo de la señal amarilla del semáforo del problema 1 es de 15 segundos, ¿cuál es la cantidad máxima de vehículos que pueden pasar?

Solución:

Teniendo en cuenta n2 el número máximo de vehículos que pueden pasar en la señal amarilla y t2 el tiempo máximo de esta señal, tenemos:

En el problema 2, fue posible discutir que las cantidades de n vehículos y el tiempo t son directamente proporcionales, mientras que las cantidades de volumen de tráfico vt y tiempo t son inversamente proporcionales. También discutimos la decisión de detenerse o pasar durante la luz amarilla. En particular a este problema, los estudiantes entendieron que siete vehículos decidirían pasar correctamente, mientras que un octavo vehículo podría causar un accidente si no decidiera detenerse.

Problema tres.

Sabiendo que el tiempo máximo de señal roja del semáforo del problema 1 es de 45 segundos, ¿cuál es la cantidad máxima de vehículos que no pueden?

Solución:

Sabemos que durante el semáforo los vehículos rojos deben detenerse y es posible averiguar cuántos necesitan hacer esto. Siendo el número de vehículos que se detienen y es el tiempo máximo de la luz roja, tenemos:Al igual que en problemas anteriores, el número decimal resultante generaba preguntas que hacían posible reflexionar sobre el paradigma de la precisión matemática. Durante la resolución de este último problema, por ejemplo, discutimos lo que este medio representaría que podría estar relacionado con la espera mínima o un avance acelerado en la señal amarilla. Vale la pena señalar que este debate alcanzó cuestiones éticas relacionadas con la educación del tráfico, superando los objetivos matemáticos inicialmente esbozados.

A partir de estos problemas, fue posible discutir algunos conceptos matemáticos, especialmente la razón y la proporcionalidad. Podemos afirmar que la actividad con el uso de la robótica hizo posible alentar al estudiante a desarrollar la comprensión de los conceptos matemáticos, además de ampliar sus conocimientos en otras áreas.

CONSIDERACIONES FINALES

Con la intención de mostrar algunas posibilidades del uso de la robótica en las clases de matemáticas, nos basamos en estudios sobre la materia, principalmente en la elaboración y ejecución de algoritmos para realizar tareas. En este contexto, elaboramos la actividad de construir un semáforo simple para que los estudiantes, utilizando instrumentos robóticos, desarrollen conceptos matemáticos.

Desafiados por los problemas inherentes a la construcción del simple semáforo, los estudiantes buscaban mejorarse a sí mismos, desarrollando su creatividad y crítica. En nuestras actividades, nos dimos cuenta de que había un espacio para el intercambio de conocimientos, permitiendo al estudiante reducir sus dificultades iniciales y ser instigado a aprender matemáticas.

Podemos decir que el uso de la robótica en las clases de matemáticas puede contribuir a la mejora del aprendizaje. Sin embargo, frente a las incipientes propuestas de este uso, sabemos que es necesario invertir en obras que discutan este tema, especialmente en la educación del profesorado.

REFERENCIAS

ALMEIDA, M. A. Possibilidades da robótica educacional para a educação matemática. Dia a dia Educação. Curitiba – PR. 2008. Disponível em: http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/portals/pde/arquivos/363-4.pdf. Acesso em 7, jan. 2020.

ATTROT, W.; AYROSA, P. P. da S. Aplicações da Robótica no Ensino de Ciência da Computação. Artigo para SBC 2002. Londrina, 2002.

ALVES, E.M.S. Ludicidade e o Ensino de Matemática. (2006). Papirus Editora.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Brasília, DF: MEC/CNE, 2017.

CRUZ, M.E.J.K.; LUX, B.: HAETIGER, W.: ENGELMANN, E. H. C.; HORN, F. Formação Prática do Licenciando em Computação para Trabalho com Robótica Educativa. São Paulo: XVIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 2007.

GAROFALO, D. Como levar o STEAM para a sala de aula. Nova Escola, 25, jun. de 2019. Disponível em: https://novaescola.org.br/conteudo/18021/como-levar-o-steam-para-a-sala-de-aula. Acesso em: 19, jun. 2020.

MILL, D.; CÉSAR, D. Estudo sobre dispositivos robóticos na educação: sobre a exploração do fascínio humano pela robótica no ensino-aprendizagem. In: MILL,D.(Org). Escritos sobre educação: Desafios e Possibilidades para ensinar e aprender com as tecnologias emergentes. São Paulo: Paulus, 2013. Cap. 10, p. 269-294.

OLIVEIRA, R. A robótica na aprendizagem da matemática: um estudo com alunos do 8º ano da escolariadade. Madeira/Protugal, 2007. Dissertação (Mestrado em Matemática para o Ensino), Universidade da Madeira, Madeira/ Portugal.

SANTOS, C.F.; MENEZES, C.S.A Aprendizagem da Física no Ensino Fundamental em um Ambiente de Robótica Educacional. São Leopoldo: Workshop de Informática na Educação/ XXV Congresso da Sociedade brasileira de Computação, 2005.

SILVA NETO, J. F. Concepções sobre a formação continuada de professores de matemática em Alagoas. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Pernambuco, Programa de Pós-Graduação em Educação Matemática e Tecnológica, Recife, 2012.

VELLOSO, R. V. Educação e tecnologia em diálogo na cena contemporânea. Ponto de Acesso, Salvador, v.5, n. 2, p. 03-19, ago., 2011.

APÉNDICE – REFERENCIA DE LA NOTA A PIE DE PÁGINA

5. Este programa integra las acciones del Plan de Desarrollo Educativo (PDE) que tiene como objetivo oficial mejorar los índices educativos a través de la ampliación de la jornada escolar y la concepción de la Educación Integral. Específicamente para esta comunidad escolar, el programa Novo Mais Educação llevó a cabo talleres de alfabetización y matemáticas en 2019 con el objetivo de reapensar algunas de las dificultades de los estudiantes.

[1] Doctor en Educación, Máster en Matemáticas, Postgrado en Matemáticas y Estadística, Licenciado en Matemáticas.

[2] Postgrado en Fisiología del Ejercicio y Biomecánica, Graduado en Educación Física.

[3] Postgrado en Matemáticas, Graduado en Matemáticas.

[4] Doctor en Educación, Máster en Matemáticas y Educación Tecnológica, Especialista en Programación de Enseñanza Matemática, Grado en Matemáticas.

Artículo: Diciembre de 2020.

Aprobado: Diciembre de 2020.

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