Transformando Laboratórios de Física com Tecnologia Arduino

Nova tecnologia, como os microcontroladores Arduino, dá uma chance de melhorar os laboratórios de física para os alunos. Esses dispositivos são acessíveis e flexíveis, o que os torna uma maneira útil para os alunos aprenderem a usar equipamentos avançados. Portanto, adicionamos nova tecnologia, incluindo placas Arduino Due, a um laboratório de física de honra do segundo ano. O objetivo era melhorar as experiências de aprendizado dos alunos. Essa mudança ocorreu em três módulos de laboratório e visava reduzir a confusão geralmente encontrada em laboratórios tradicionais. Isso incentivou os alunos a se envolverem em resolver problemas que encontravam.

A importância da resolução de problemas foi enfatizada pelo instrutor, que destacou como sendo uma parte necessária da realização de Experimentos. Essa mudança no laboratório também exigiu que os alunos completassem trabalhos que superassem as tarefas de laboratório habituais para parte de sua nota. A maioria dos alunos recebeu bem os novos aspectos tecnológicos, mas descobrimos que ajustes nas metodologias de ensino eram necessários para melhorar a experiência de todos. Especificamente, muitos alunos precisavam de apoio extra para lidar com o trabalho adicional. Também notamos que alguns alunos, especialmente grupos sub-representados como mulheres, poderiam precisar de orientação cuidadosa do instrutor para evitar se sentir excluídos quando o trabalho de laboratório deveria ser feito em pares. Se os alunos escolhessem seus próprios parceiros, alguns acabavam trabalhando sozinhos e assumindo uma carga de trabalho pesada. Levando essas lições em conta, observamos melhorias marcantes nas experiências dos alunos no laboratório modificado.

Os laboratórios de física são cruciais para treinar futuros físicos. Esses laboratórios devem ajudar os alunos a pensar como físicos e fornecer habilidades úteis tanto para carreiras acadêmicas quanto não acadêmicas. No entanto, os laboratórios tradicionais costumam usar equipamentos complicados e caros que não preparam os alunos para pesquisas reais ou empregos. Embora a pesquisa de graduação possa conectar o aprendizado em sala de aula a laboratórios reais, geralmente requer habilidades que os alunos não aprendem em seus cursos de laboratório regulares.

Assim, está claro que os laboratórios de física precisam mudar para preparar melhor os alunos para experiências de pesquisa reais e empregos. Um método comprovado para melhorar esses laboratórios é o uso eficaz de computadores e eletrônicos de baixo custo, que faz parte de nossa estratégia para mudar o laboratório de física de honra em nossa escola.

Na Universidade de Pittsburgh, os alunos do primeiro ano em ciências físicas fazem um curso de laboratório separado após seu curso inicial de física. Isso significa que o primeiro laboratório que os alunos de física assistem é ou um laboratório regular para iniciantes ou o laboratório de honra discutido aqui. O laboratório de honra exige uma nota forte na palestra introdutória e é conhecido por seu trabalho rigoroso, com duas sessões de laboratório de três horas cada semana. A turma geralmente tem entre 10 e 16 alunos, e cerca de 30% dos nossos alunos de física escolhem o laboratório de honra.

O processo de mudança de um laboratório de física foi bem documentado. O primeiro passo envolveu identificar objetivos conversando com os professores e revisando diretrizes relevantes. Em seguida, projetamos novas tarefas e procedimentos de laboratório com base nesse feedback. Finalmente, avaliamos as mudanças, que incluíam três novos módulos de laboratório baseados em Arduino, bem como uma tarefa extra em cada laboratório.

Dois objetivos principais guiaram nossos esforços: ajudar os alunos a pensar como físicos e ensiná-los técnicas de pesquisa importantes. Esses objetivos moldaram dois princípios-chave durante o design dos novos módulos. Primeiro, o equipamento deve ser ferramentas de pesquisa reais usadas em vários experimentos, em vez de apenas gadgets complicados. Em segundo lugar, os alunos devem ser capazes de resolver problemas com o equipamento, testar diferentes variáveis e colaborar entre si.

Para atender ao primeiro objetivo, criamos um instrumento de teste digital baseado em Arduino. Todo o software produzido para essa transformação é código aberto e está disponível online. Para abordar o segundo objetivo, mudamos a forma como o curso foi estruturado, incluindo a adição de uma tarefa extra para o trabalho de laboratório.

Nossa abordagem para o aprendizado foi baseada no modelo de aprendizagem cognitiva, que sugere que os alunos aprendem melhor quando são mostrados bons desempenhos e, em seguida, recebem apoio para aprender habilidades importantes antes de praticar de forma independente. Acreditamos que a assistência no desenvolvimento de novas habilidades é crucial em cursos de laboratório. Tanto a resolução de problemas quanto o trabalho extra só beneficiarão os alunos se eles receberem a orientação necessária para ter sucesso no laboratório modificado.

Para medir o sucesso dos novos módulos baseados em Arduino e das tarefas extras, analisamos o trabalho dos alunos, avaliamos suas atitudes em relação ao experimento usando uma pesquisa e realizamos observações e entrevistas com os alunos no laboratório.

#Novos Módulos de Laboratório

A simplicidade, baixo custo e eficácia do Arduino Due o tornam adequado para o laboratório de física. Enquanto trabalhos anteriores se concentravam principalmente em projetos únicos empolgantes, relatamos um sistema flexível que traz eletrônica avançada para o laboratório de honra do segundo ano. Usando uma placa simples, uma protoboard e um computador, o sistema baseado em Arduino pode imitar muitos dispositivos de laboratório tradicionais. Os dados fluem do Arduino para um computador, onde um software de código aberto os analisa, replicando as funções de um osciloscópio, sintetizador, analisador de espectro e outras ferramentas. O foco está em ajudar os alunos a entender e solucionar um único equipamento, em vez de lutarem com muitos dispositivos complicados. Ensinar habilidades de resolução de problemas foi um objetivo significativo da transformação do laboratório.

O Arduino Due se conecta a dispositivos de teste e circuitos analógicos através de uma placa feita sob medida. Essa conexão permite que os alunos usem peças mais acessíveis e substituíveis. O sistema Arduino é mais barato em comparação com o equipamento tradicional. Os alunos são incentivados a ver dispositivos baseados em Arduino como ferramentas que podem entender. Eles aprendem alguma programação básica nas primeiras semanas e são motivados a explorar e modificar tanto a análise de dados quanto o código de aquisição de dados. A maioria dos alunos também faz cursos de programação científica e eletrônica digital, que usam as mesmas ferramentas, facilitando a compreensão dos dispositivos baseados em Arduino quando começam a pesquisa.

Em geral, os alunos responderam positivamente à introdução do Arduino no laboratório de honra, expressando entusiasmo sobre seu trabalho de laboratório. Mais da metade dos alunos escolheu realizar um ou mais experimentos baseados em Arduino quando teve a opção.

Abaixo estão descrições dos três experimentos projetados para usar os dispositivos baseados em Arduino. Esses experimentos substituem tarefas anteriores que dependiam de equipamentos ultrapassados ou não eram capazes de realizar análises necessárias corretamente. Cada tarefa é estruturada para introduzir gradualmente novos recursos e equipamentos, permitindo que os alunos pensem criticamente sobre suas ferramentas e solucionem problemas de forma eficaz. Todos os três experimentos alinham-se com nossos objetivos gerais de ajudar os alunos a pensar como físicos e aprender técnicas experimentais úteis.

#Medidas de Teste

Após um período introdutório de quatro semanas cobrindo procedimentos de laboratório e técnicas de programação, os alunos começam com este laboratório para aprender a usar várias ferramentas de teste. Isso inclui um amplificador lock-in, analisador de espectro e outros dispositivos que operam no sistema Arduino. Os alunos começam entendendo medições e, em seguida, analisam sinais através de circuitos RC simples. Eles usam diferentes ferramentas para investigar como os circuitos se comportam em diferentes frequências. Este módulo também permite que os alunos explorem a decomposição de Fourier de sinais ou repitam o experimento com circuitos RL.

Este laboratório foi projetado para ajudar os alunos a entender os conceitos básicos das ferramentas baseadas em Arduino enquanto aprendem conceitos cruciais de eletrônica. Como todos os alunos podem trabalhar nisso sem compartilhar equipamentos caros, facilita o aprendizado rápido sobre princípios eletrônicos fundamentais.

#Circuitos RLC

Neste laboratório de duas semanas, os alunos examinam o comportamento de um circuito RLC. Eles primeiro analisam a resposta de curto prazo usando ferramentas como osciloscópios e, em seguida, investigam a resposta em estado estacionário com dispositivos adicionais. Eles estudam como o circuito reage próximo à ressonância e comparam a resposta do circuito com a de um oscilador harmônico. Este experimento é mais aberto, dando liberdade aos alunos para escolher quais parâmetros e ferramentas usar.

#Ressonância Acústica

Este laboratório de duas semanas foca nos modos acústicos em uma caixa de madeira usando alto-falantes e microfones. Os alunos medem as frequências desses modos e analisam a resposta de fase. Eles podem mover o microfone para mapear esses modos ressonantes. Esta tarefa é diferente da análise do circuito RLC, pois permite que os alunos explorem o conceito de ressonância de uma maneira mais complexa e tangível.

#Aprendizado dos Alunos

Além de introduzir novas ferramentas, alteramos vários elementos do curso para alinhar com nossos objetivos de transformação. Os materiais do laboratório foram ajustados de formatos rígidos para discussões mais flexíveis sobre tópicos a serem explorados. Mudamos o sistema de notas para destacar a importância de manter um caderno de laboratório detalhado. A mudança para instrumentos baseados em Arduino ajudou a reduzir os aspectos confusos dos laboratórios tradicionais e exigiu mais tempo dedicado a ajudar os alunos a aprender como seus novos instrumentos operam.

Os alunos aprenderam a importância da resolução de problemas como parte central do curso de laboratório. O instrutor motivou essa mudança discutindo como resolver problemas é vital para pensar como um físico. Os alunos precisam de orientação para aprender como solucionar efetivamente seu equipamento. Ensinamos resolução de problemas de duas maneiras principais. Inicialmente, os alunos foram guiados pelo módulo de Medidas de Teste, onde aprenderam a observar como componentes eletrônicos individuais influenciam sinais. Eles usaram sondas para fazer medições em vários pontos do circuito para entender como e por que os sinais mudavam. Um aspecto significativo da resolução de problemas foi rastrear sinais através de circuitos na protoboard para encontrar erros de fiação.

Em segundo lugar, os instrutores de laboratório tinham como objetivo ajudar os alunos a diagnosticar problemas ao longo do curso. Os instrutores sugeriram medições específicas que poderiam ajudar os alunos a identificar problemas que enfrentavam em seus experimentos.

Outra mudança foi a exigência de que 20% dos relatórios de laboratório discutissem explorações extras além do que foi atribuído. Os alunos tinham a opção de enviar um relatório de laboratório tradicional para seu experimento final, classificado com base em descrições claras e análises corretas. A exigência de 'acima e além' incentivou os alunos a pensar como físicos, oferecendo chances para exploração independente e desenvolvimento de habilidades. Alguns alunos enfrentaram e apresentaram experimentos que levantaram perguntas interessantes, mostrando sua curiosidade e compreensão de física.

Para avaliar a eficácia da transformação, analisamos 28 relatórios de laboratório ao longo de um semestre. Encontramos uma ampla variedade de trabalhos adicionais sendo feitos pelos alunos, demonstrando sua criatividade e compreensão. Alguns alunos escolheram investigar aspectos teóricos de seus resultados, enquanto outros seguiram descobertas inesperadas, ampliaram sua coleta de dados ou melhoraram seu aparato.

Apesar desses resultados encorajadores, a falta de apoio para trabalho extra dificultou que alguns alunos se destacassem. Aqueles que não se envolveram em explorações adicionais podem ter precisado de mais orientação ou exemplos de trabalho aceitável. Descobrimos que fornecer exemplos passados de exploração extra bem-sucedida em cursos subsequentes ajudou significativamente os alunos.

Para avaliar como as atitudes em relação à física experimental mudaram devido à transformação, aplicamos uma pesquisa aos alunos no início e no final do semestre. A pesquisa mediu quanto os participantes acreditavam que pensavam como especialistas em física experimental. Descobrimos que as pontuações em nosso laboratório de honra eram semelhantes às de cursos focados em trabalho aberto.

#Experiências dos Alunos

O laboratório de física pode fornecer um ambiente de apoio para os alunos desenvolverem habilidades de pesquisa úteis e aumentarem seu interesse pela física. No geral, os alunos responderam positivamente às novas ferramentas Arduino e muitos acharam a experiência empolgante. Alguns conseguiram aplicar as habilidades de laboratório imediatamente em ambientes de pesquisa.

No entanto, para alguns alunos que não receberam assistência adequada, as experiências de laboratório poderiam afetar negativamente sua percepção de seu lugar na física. Para avaliar o impacto da transformação do laboratório, realizamos entrevistas e observações no ambiente do laboratório.

No geral, o ambiente do laboratório foi positivo, com os alunos formando boas relações com os instrutores e entre si. Eles tinham a opção de trabalhar sozinhos ou com parceiros, e a maioria preferia se juntar. Quando havia um número ímpar de alunos, um costumava ficar sozinho.

O instrutor enfatizou a necessidade de os alunos aprenderem habilidades de resolução de problemas: ser paciente e metódico ao aprender como diagnosticar problemas com base em resultados inesperados. Essa habilidade pode ser frustrante para alunos que não têm confiança ou não têm um parceiro para apoiá-los.

Por exemplo, um aluno masculino que ficou sozinho encontrou muitas dificuldades e teve uma experiência negativa. Por outro lado, uma aluna, a única mulher da turma, sentiu-se isolada enquanto seus colegas masculinos se emparelhavam, o que dificultou para ela pedir ajuda. Ela achou difícil gerenciar a resolução de problemas sem um parceiro. Frustrada, começou a questionar seu lugar na física.

Embora ambos os alunos enfrentassem desafios semelhantes, a aluna experimentou mais efeitos negativos de trabalhar sozinha. Devido à sua menor confiança, ela acabou mudando para o laboratório introdutório regular em vez de concluir o curso.

Para evitar esse problema em turmas futuras, tomamos medidas para garantir que os alunos tivessem a chance de trabalhar em grupos de três, se necessário, e o instrutor formou ativamente pares quando necessário. No curso mais recente, as alunas conseguiram encontrar parceiros, e nenhuma desistiu devido ao isolamento. Duas alunas que colaboraram acharam suas experiências positivas. Elas apreciaram as frequentes verificações do instrutor e sentiram-se confortáveis fazendo perguntas em particular sem medo de serem julgadas.

#Discussão e Resumo

Com base em nossas experiências, sugerimos várias etapas para os instrutores que desejam oferecer oportunidades de aprendizado iguais em laboratórios:

1. Garantir que cada aluno possa trabalhar com um parceiro, mesmo que prefira trabalhar sozinho.
2. Atribuir grupos quando necessário, garantindo que alunos sub-representados não fiquem isolados.
3. Rotacionar grupos ocasionalmente para incentivar a colaboração e evitar hábitos ruins.
4. Verificar regularmente com os alunos, tornando normal fazer perguntas sem medo e fornecer assistência silenciosa quando necessário.

Laboratórios que se concentram em alunos de física podem ajudar a desenvolver habilidades práticas e fomentar a mentalidade de um físico. O instrumento baseado em Arduino discutido aqui é uma ferramenta dinâmica que pode melhorar a experiência de aprendizado. Mudanças na estrutura do curso, como apoiar habilidades de resolução de problemas e incentivar explorações extras, podem fornecer aos alunos habilidades essenciais para futuros projetos acadêmicos ou profissionais.

Embora os vários tipos de trabalho adicional realizados por alunos sejam impressionantes, continuamos a aprimorar a qualidade desse trabalho e a ajudar aqueles que lutam para atender a essa expectativa. Reconhecemos esse desafio como encontrar um equilíbrio entre inovação e a necessidade de prática em habilidades de laboratório.

Pesquisas indicam que o aprendizado ativo pode reduzir as lacunas de desempenho entre vários grupos de alunos, mas a maneira como é implementado é fundamental para alcançar esse resultado. Portanto, focamos nas experiências individuais dos alunos por meio de entrevistas e observações para capturar as necessidades de alunos tipicamente sub-representados durante a transformação do laboratório.

O laboratório de honra é particularmente importante para alunos que podem já achar desafiador se identificar como físicos. Buscamos atender às necessidades desses alunos, mesmo quando há poucos deles no curso.

As mudanças feitas no currículo do laboratório de honra abrem oportunidades empolgantes para melhorar a relevância e acessibilidade na educação em física. É crucial que essas transformações sejam realizadas enquanto garantimos que os alunos recebam apoio adequado, levando em conta os processos de desenvolvimento de habilidades. Ao fazer isso, novos cursos de laboratório como este podem ajudar todos os alunos a desenvolver uma identidade forte em física e adquirir habilidades valiosas de laboratório para pesquisa.