Insegnamento di robotica e matematica: costruire un semplice semaforo in classe

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ARTICOLO ORIGINALE

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. Insegnamento di Robotica e Matematica: Costruire un semplice semaforo in classe. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno 05, Ed. 12, Vol. 18, pp. 67-77. dicembre 2020. ISSN: 2448-0959, Collegamento di accesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/formazione-it/semaforo

Lo scopo di questo articolo è quello di mostrare alcune possibilità dell’uso della robotica nelle classi di matematica, descrivendo la costruzione e il funzionamento di un semplice semaforo. Considerando che le azioni che utilizzano strumenti tecnologici consentono un apprendimento significativo per gli studenti, sviluppiamo una sequenza di attività utilizzando la robotica, attraverso una pianificazione didattico-pedagogica diversa da quella convenzionalmente utilizzata nella pratica scolastica. Sfidati dai problemi inerenti alla costruzione del semplice semaforo, gli studenti hanno cercato di migliorarsi, sviluppando concetti matematici e riducendo le loro difficoltà. Abbiamo scoperto, quindi, che l’uso della robotica nelle classi di matematica può contribuire al miglioramento dell’apprendimento. Tuttavia, di fronte a proposte incipienti di questo uso, sappiamo che è necessario investire in opere che discutono di questo tema, specialmente nella formazione degli insegnanti.

Parole chiave: Robotica, Educazione, matematica, apprendimento.

INTRODUZIONE

Attualmente, ci sono molte sfide per insegnare matematica, di cui la mancanza di entusiasmo degli studenti in classe è nota, perché è presente nei vari livelli di istruzione (OLIVEIRA, 2007). Concordando con questo autore, comprendiamo che è necessario investire in metodologie didattiche con l’obiettivo di istigare e provocare l’attenzione e la partecipazione degli studenti, riducendone la mancanza di entusiasmo.

In questo scenario, l’uso della robotica in classe può essere configurato come una proposta privilegiata per istigare e sfidare gli studenti, espandendo l’apprendimento della matematica e riducendo le loro difficoltà di apprendimento. Come afferma giustamente Mill (2013), l’uso della robotica come risorsa didattica consente agli studenti di aumentare la creatività, avvicinandoli alle conoscenze matematiche e consentendo lo sviluppo di competenze di questa e di altre aree.

Con la presenza sempre più forte delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione nella società, le tendenze educative hanno indicato l’uso di questi strumenti nelle attuali proposte per l’insegnamento della matematica. In considerazione di ciò, lo scopo di questo articolo è quello di mostrare alcune possibilità dell’uso della robotica nelle classi di matematica, descrivendo la costruzione e il funzionamento di un semplice semaforo.

Attraverso una pianificazione didattico-pedagogica diversa da quella convenzionalmente utilizzata nella pratica scolastica, abbiamo sviluppato una sequenza di attività utilizzando la robotica. Crediamo che le azioni che utilizzano questi artefatti tecnologici consentano un apprendimento significativo per gli studenti nella misura in cui espandono le possibilità di interazione insegnante-studente nella costruzione di conoscenze matematiche.

ROBOTICA EDUCATIVA E KIT MODELIX

L’evoluzione delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione è stata sempre più rapida, dal momento che “[…] viviamo in una società in cui i cambiamenti si sono verificati in una rapidità mai vista prima” (SILVA NETO, 2012). Per accompagnare queste trasformazioni sociali, è necessario che gli istituti di istruzione non solo installino attrezzature tecnologiche, ma integrino la facoltà e lo studente per praticare che utilizza tali tecnologie nei processi educativi (VELOSO, 2011). Secondo questo autore, la robotica educativa può offrire un ambiente di insegnamento e apprendimento motivante con informazioni teoriche e pratiche che favoriscano lo sviluppo di attività condivise tra studenti e insegnanti.  Inoltre, l’uso della robotica consente la creazione di un ambiente di apprendimento piacevole, in cui lo studente può esprimere le proprie idee costruendo e testando prototipi.

In questo contesto, l’uso della robotica educativa serve a creare e migliorare pratiche pedagogiche volte ad aumentare il potenziale degli studenti, aggiungendo conoscenze matematiche e consentendone l’applicazione nella comprensione della realtà (CRUZ, 2007). La robotica educativa o robotica pedagogica “[…] dovrebbe essere definita come l’assemblaggio di modelli e sistemi robotici con lo scopo di apprendere concetti scientifici da parte […] di coloro che eseguono l’assemblaggio di tali sistemi” (ATTROT; AYROSA, 2002).

Per Almeida (2008), il termine “robotica educativa” viene utilizzato nella caratterizzazione di ambienti di apprendimento che riuniscono materiali di scarto o kit di assemblaggio composti da varie parti, motori e sensori controllabili da computer e software. Questi ambienti ci permettono di programmare, in qualche modo, il funzionamento di modelli che vengono utilizzati per insegnare diverse aree di conoscenza.

Comprendiamo che l’utilizzo di questi ambienti, permeati dalla produzione di varie assemblee, può contribuire allo sviluppo delle competenze e delle competenze necessarie agli studenti, ampliandone l’autonomia e la creatività. Tra gli strumenti di robotica educativa, abbiamo scelto il kit educativo modelix, perché è considerato il primo completamente sviluppato in Brasile. Ha un’architettura molto simile ad arduino, uno degli hardware più diffusi al mondo.

Arduino è uno strumento ampiamente utilizzato per insegnare robotica a vari livelli di istruzione. È costituito da un microcontrollore; parti meccaniche – ingranaggi, pulegge, viti e barre -; componenti elettronici – sensori e display LCD -; motori; pulsanti; fari e luci sonore. I prototipi realizzati con questi hardware possono essere controllati da infrarossi, telecomandi o bluetooth e le loro pianificazioni si basano sull’uso di diagrammi di flusso.

Il lavoro con il kit modelix ha basi metodologiche nell’approccio curriculare STEAM – Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics, o, in portoghese, Scienza, Tecnologia, Ingegneria, Arti e Matematica. Questo approccio metodologico promuove la multidisciplinarietà delle aree connesse in progetti che forniscono l’uso della matematica per creare prototipi ingegneristici e artistici, ampliando la curiosità degli studenti (SANTOS, 2005).

L’approccio STEAM soddisfa i requisiti della National Common Curriculum Base (2017), in quanto aumenta la criticità degli studenti sviluppando le competenze necessarie alle assemblee più diverse.  All’interno delle prospettive matematiche, è possibile utilizzare algoritmi, stabilendo schemi e procedure essenziali per le costruzioni, dalla concezione dell’idea, attraverso la preparazione dell’oggetto, alla sua programmazione (GAROFALO, 2019).

LA COSTRUZIONE DEL SEMPLICE SEMAFORO IN CLASSE

Per mostrare alcune possibilità di utilizzare la robotica nelle classi di matematica, abbiamo pianificato una sequenza di attività in cui scegliamo di utilizzare il kit educativo modelix – un armadio dove è possibile trovare un arsenale di parti e componenti destinati all’insegnamento della robotica. Una volta scelto questo kit didattico, abbiamo sviluppato una sequenza di attività in una scuola pubblica comunale di Arapiraca, Alagoas.

Nonostante il kit didattico presente a scuola, non abbiamo trovato modelli di attività didattiche e di apprendimento disponibili per guidare gli insegnanti. Poiché non c’è sempre un insegnante con competenze per lavorare con la robotica educativa, abbiamo cercato di sviluppare una proposta che promuoverebbe la multidisciplinarietà delle aree legate alla matematica, ampliando la curiosità e la creatività degli studenti.

La sequenza di attività è stata sviluppata con gli studenti degli ultimi anni della scuola elementare di detta scuola che hanno partecipato al programma Novo Mais Educação[5]. Per quanto riguarda la matematica, la comunità scolastica ha scoperto che le maggiori difficoltà degli studenti erano legate agli algoritmi operativi di base e alla risoluzione dei problemi. Al fine di alleviare queste difficoltà, abbiamo sviluppato corsi di robotica educativa per gli studenti che partecipano al programma. Queste classi hanno cercato di contemplare la cultura digitale di competenza (BRASIL, 2017) che comprende la comprensione, l’uso e la creazione della tecnologia digitale in modo critico, significativo ed etico.

Le attività sono state sviluppate due volte a settimana – lunedì e martedì – insieme a dieci studenti che hanno frequentato il 7°-9 ° grado della scuola elementare. Con questa classe, abbiamo fatto una sequenza di attività in cui abbiamo sviluppato un algoritmo su come funziona un semaforo e poi abbiamo usato gli strumenti modelix per scriverlo. I passaggi dell’algoritmo sono indicati nel grafico 1.

Tabella 1: algoritmo di funzionamento di un semplice semaforo

Passaggio 1 Verde chiaro, disattivare la luce gialla e rossa per 30 secondi.
Passaggio 2 Dopo 30 secondi: spegni la luce verde per 15 secondi, accendi la luce gialla per 15 secondi e diventano rossi per 15 secondi.
Passaggio 3  Dopo 15 secondi: spegni la luce verde per 30 secondi, spegni la luce gialla per 30 secondi e diventano rossi per 30 secondi.
Passaggio 4 Dopo 30 secondi: torna al primo passo, creando così un ciclo infinito.

Fonte: autori

Dopo aver registrato l’algoritmo di come funziona il semaforo, abbiamo chiesto loro di sviluppare un algoritmo per microcontroller modelix secondo la Figura 1.

Figura 1 – Microcontrollore Modelix


Fonte: rimosso dal www.modelix.com.br

Manipolando il microcontrollore in gruppi, abbiamo sviluppato un algoritmo come mostrato nel grafico 2.

Tabella 2: algoritmo per microcontrollore

Passaggio 1 Accendere led rosso 30 secondi (uscita 9), spegnere LED giallo (uscita 10) e LED rosso (uscita 11) per 30 secondi.
Passaggio 2 Spegnere il LED rosso 15 secondi (uscita 9), accendere il LED giallo (uscita 10) per 15 secondi e spegnere il LED rosso (uscita 11) per 15 secondi.
Passaggio 3 Dopo 15 secondi: spegnere la luce verde per 30 secondi, spegnere la luce gialla per 30 secondi e diventare rosso per 30 secondi.
Passaggio 4 Dopo 30 secondi: torna al primo passo, creando un ciclo infinito.

Fonte: autori

Con l’elaborazione di algoritmi, iniziamo a costruire diagrammi di flusso, che sono modi grafici di rappresentare un algoritmo. La programmazione del microcontroller viene eseguita utilizzando diagrammi di flusso che eseguono le funzioni predefinite in modo ordinato. Nella figura 2 è presente il diagramma di flusso che consente di eseguire la funzionalità del semaforo.

Figura 2: Diagramma di flusso


Fonte: autori

La programmazione del microcontroller ha un simulatore di diagramma di flusso che indica l’errore. Questo, quando identificato dal controllo del diagramma di flusso, viene corretto, consentendo un caricamento per il microcontroller per eseguire il test finale.

DISCUSSIONE E RISULTATI

Per quanto riguarda questa attività con la matematica scolastica, sono stati proposti problemi sul volume di traffico. Volume è la quantità di n veicoli che attraversano la posizione così in corso studiata in un periodo di tempo t predefinito per secondi, come mostra l’equazione:Con questa equazione, è possibile determinare il numero massimo di veicoli che viaggiano in una data direzione di un incrocio, conoscendo il tempo massimo per la luce verde (t1 secondi), per il segnale giallo (t2 secondi) e per il segnale rosso (t3 secondi). Tuttavia, questa equazione non è stata inizialmente resa disponibile, con l’obiettivo di comprendere i concetti che comporta. Per fare questo, abbiamo chiesto agli studenti di risolvere alcuni problemi con il volume del traffico, come segue.

Problema uno.

Qual è il volume di traffico quando 30 veicoli attraversano un semaforo al semaforo verde, il cui tempo massimo è di 60 secondi?

Soluzione:

Essendo vt = volume di traffico e sostituito i valori massimi, abbiamo:

Questo problema è stato pensato per due motivi principali: la vicinanza alla situazione reale e il risultato è un numero decimale. In effetti, c’erano diverse domande in classe: “quale sarebbe mezzo veicolo?” Pertanto, c’è stata una discussione che ha permesso di comprendere meglio il concetto di proporzionalità, soprattutto quando gli studenti hanno spiegato la loro comprensione che, ogni 2 secondi, un veicolo attraversava il semaforo.

Problema due.

Sapendo che il tempo massimo del segnale giallo del semaforo del problema 1 è di 15 secondi, qual è la quantità massima di veicoli che possono passare?

Soluzione:

Considerando n2 il numero massimo di veicoli che possono passare nel segnale giallo e t2 il tempo massimo di questo segnale, abbiamo:

Nel problema 2 è stato possibile discutere che le quantità di n veicoli e il tempo t sono direttamente proporzionali, mentre le quantità di volume di traffico vt e tempo t sono inversamente proporzionali. Abbiamo anche discusso la decisione di fermarci o passare durante la luce gialla. In particolare a questo problema, gli studenti hanno capito che sette veicoli avrebbero correttamente deciso di passare, mentre un ottavo veicolo potrebbe causare un incidente se non avesse deciso di fermarsi.

Problema tre.

Sapendo che il tempo massimo di segnalazione rossa del problema 1 semaforo è di 45 secondi, qual è la quantità massima di veicoli che non può?

Soluzione:

Sappiamo che durante il semaforo rosso i veicoli devono fermarsi ed è possibile scoprire quanti devono farlo. Essendo il numero di veicoli che si fermano ed è il tempo massimo della luce rossa, abbiamo:

Come nei problemi precedenti, il numero decimale risultante generava domande che rendeva possibile riflettere sul paradigma dell’accuratezza matematica. Durante la risoluzione di quest’ultimo problema, ad esempio, abbiamo discusso di cosa rappresenterebbe questo mezzo che potrebbe essere correlato a un’attesa minima o a un avanzamento accelerato del segnale giallo. Vale la pena notare che questo dibattito ha raggiunto questioni etiche legate all’educazione al traffico, superando gli obiettivi matematici inizialmente delineati.

Da questi problemi, è stato possibile discutere alcuni concetti matematici, in particolare la ragione e la proporzionalità. Possiamo affermare che l’attività con l’uso della robotica ha permesso di incoraggiare lo studente a sviluppare la comprensione dei concetti matematici, oltre ad ampliare le proprie conoscenze in altre aree.

CONSIDERAZIONI FINALI

Con l’intenzione di mostrare alcune possibilità di utilizzo della robotica nelle classi di matematica, ci basiamo su studi sull’argomento, principalmente nell’elaborazione e nell’esecuzione di algoritmi per lo svolgimento di compiti. In questo contesto, abbiamo elaborato l’attività di costruzione di un semplice semaforo in modo che gli studenti, utilizzando strumenti robotici, sviluppino concetti matematici.

Sfidati dai problemi inerenti alla costruzione del semplice semaforo, gli studenti hanno cercato di migliorarsi, sviluppando la loro creatività e criticità. Nelle nostre attività, abbiamo notato che c’era uno spazio per lo scambio di conoscenze, permettendo allo studente di ridurre le sue difficoltà iniziali ed essere istigato ad imparare la matematica.

Possiamo dire che l’uso della robotica nelle classi di matematica può contribuire al miglioramento dell’apprendimento. Tuttavia, di fronte a proposte incipienti di questo uso, sappiamo che è necessario investire in opere che discutono di questo tema, specialmente nella formazione degli insegnanti.

RIFERIMENTI

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.

APPENDIX – RIFERIMENTO NOTA

5. Questo programma integra le azioni del Piano di Sviluppo educativo (PDE) che mira ufficialmente a migliorare gli indici educativi attraverso l’espansione della giornata scolastica e la concezione dell’Educazione Integrale. In particolare per questa comunità scolastica, il programma Novo Mais Educação ha tenuto workshop di alfabetizzazione e matematica nel 2019 volti a reathing alcune delle difficoltà degli studenti.

[1] Dottorando in scienze, Master in Matematica, Post-laurea in Matematica e statistica, Laurea triennale in Matematica.

[2] Laurea in Fisiologia dell’Esercizio fisico e Biomeccanica, Laureata in Educazione Fisica.

[3] Laurea in Matematica, Laurea in Matematica Laurea triennale.

[4] Dottorando in Scienze, Master in Matematica e Formazione Tecnologica, Specialista in Programmazione didattica matematica, Laurea in Matematica.

Presentato: dicembre 2020.

Approvato: dicembre 2020.

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