Sustentabilidade em ação: experimentos pedagógicos com energia solar e Robótica

A energia é essencial para a nossa existência, sendo crucial para o desenvolvimento socioeconômico e a qualidade de vida da população; as transformações energéticas estão intrinsecamente ligadas à história do universo e de toda a humanidade. Fontes renováveis, como solar, eólica e biomassa, são fundamentais para segurança energética, crescimento econômico e mitigação das mudanças climáticas.

É fundamental proporcionar uma formação abrangente para cidadãos conscientes, capacitando-os a tomar decisões e agir de maneira comprometida com a realidade socioambiental, visando ao bem-estar pessoal e coletivo; essa formação deve incluir a compreensão de que as tecnologias renováveis em nosso país, destacadas por seu elevado potencial de expansão, representam uma das matrizes energéticas mais limpas do mundo.

Nesse contexto, a autonomia dos alunos é um princípio fundamental, destacando que a educação deve promover a emancipação dos sujeitos, capacitando-os a atuar criticamente na transformação da realidade (Freire, 2002).

A integração da Robótica no ensino emerge como uma ferramenta eficaz da Educação 4.0, tornando as aulas mais atrativas e desafiadoras. Essa abordagem estimula a criatividade, fomenta o trabalho em equipe, promove o pensamento computacional, amplia o prazer no aprendizado e conecta disciplinas como Matemática, Física, Programação e outras ciências de forma interdisciplinar (Bezerra, 2021).

A Educação 4.0 prepara os alunos para a aprendizagem contemporânea, influenciando diretamente na formação da próxima geração de profissionais na área de tecnologia e os insere de maneira direta na Indústria 4.0, capacitando-os a propor soluções sustentáveis em um ambiente constantemente em transformação (Nunes; Viana; Viana, 2021).

O ensino de Robótica Educacional e o estudo das fontes de energia renovável, como a solar, desempenham papéis cruciais na formação educacional contemporânea, pois a Robótica proporciona uma abordagem prática, permitindo o desenvolvimento de habilidades técnicas, e promove a resolução de problemas; simultaneamente, o estudo da energia solar capacita os alunos a compreender as fontes de energia sustentáveis, fomentando a consciência ambiental e preparando-os para enfrentar os desafios da transição energética.

Este artigo tem como propósito relatar a experiência do projeto intitulado Sustentabilidade em Ação: Experimentos Pedagógicos com Energia Solar e Robótica, uma iniciativa conjunta das turmas do 3° D, 4° anos A, B, C, D, E e 5° anos A, B, C e D do Ensino Fundamental I da Unidade Municipal de Educação Colégio Santista, localizado em Santos/SP. O projeto teve como meta a aplicação de uma metodologia pedagógica inovadora envolvendo os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), por meio do desenvolvimento de protótipos robóticos e casas sustentáveis elaboradas com materiais recicláveis integrados a painéis fotovoltaicos.

Relato de experiência: metodologia e resultados

A metodologia de projeto foi adotada com o objetivo de propor atividades práticas como ferramenta nas aulas. Os alunos, em agrupamentos produtivos, foram convidados a participar de ações para desenvolver competências e habilidades relacionadas a uma problemática real. A questão norteadora foi acerca dos principais problemas do bairro e do entorno da escola. Os apontamentos mais destacados feitos pelos alunos foram a interrupção do fornecimento de energia elétrica em suas casas, especialmente durante o banho, e a quantidade de lixo encontrado nas ruas, apesar da coleta seletiva diária na cidade.

As aulas foram fundamentadas em diversos tipos de aprendizagem dentro das metodologias ativas, incluindo aulas expositivas e dialogadas, grupos de verbalização e observação, utilização de rotações por estações, aprendizagem por design thinking e aplicação da Robótica desplugada, na qual os alunos foram estimulados a criar projetos para resolver problemas e interagir.

Após identificarmos os problemas no bairro e nas proximidades da escola, iniciamos o estudo sobre os ODS 4 - Educação de qualidade, 7 - Energia limpa e acessível, 9 - Indústria, inovação e infraestrutura e 11 - Cidades e comunidades sustentáveis, a fim de relacioná-los com os principais problemas enfrentados na comunidade do entorno da escola.

Foi realizada uma pesquisa a fim de conhecer as diferentes fontes de energia, principalmente as renováveis, eficientes e não poluentes, com o propósito de relacioná-las à problemática da falta de energia de determinadas localidades da cidade. Na sequência, visitamos o Solar System Scope, um site interativo que oferece uma visualização tridimensional do Sistema Solar, proporcionando uma experiência educativa e envolvente sobre os corpos celestes e suas características.

Por meio de um brainstorming, os alunos foram estimulados a usar a curiosidade e a imaginação para construir e explorar, por meio de modelos de blocos de montar, um sistema robótico Terra-Sol-Lua com o Kit Máquinas Simples 9656 Lego. O objetivo era compreender algumas partes de um sistema robótico, como eixos, manivelas, engrenagens e roldanas, conforme ilustrado na Figura 1a. Assim, foram compreendidos os movimentos e a magnitude da estrela principal do sistema solar, o Sol.

Figura 1:  Sistema solar - Sol, Terra e Lua: (a) Sistema Solar com Máquinas Simples 9656; (b) Sistema Solar com WeDo 2.0; (c) WeDo Painel Fotovoltaico com uso de sensor de movimento

Fonte: Andrade (2024).

A Figura 1b apresenta um Sistema Solar semelhante, construído com o kit WeDo 2.0, permitindo aos alunos programar os movimentos do sistema robótico por meio da linguagem de programação em blocos. Eles puderam compreender os movimentos de rotação e translação desses astros e sobre os eclipses e o movimento de revolução da Lua ao redor da Terra, percebendo que a Lua sempre mostra a mesma face para a Terra.

Dessa forma, demos início a um estudo sobre a estrela Sol e sua energia, que é transmitida por ondas eletromagnéticas e transformada em energia elétrica por meio de painéis fotovoltaicos. Exploramos o conceito de efeito fotoelétrico, que envolve a conversão da energia solar em elétrica. Prototipamos um sistema robótico com o WeDo 2.0, utilizando um sensor de movimento para simular um painel fotovoltaico real, conforme ilustrado na Figura 1c.

Foi utilizada a plataforma Tinkercad para elaborar circuitos elétricos em série e paralelo, incorporando painéis fotovoltaicos como fonte de energia, com o objetivo de visualizar e compreender as partes de um sistema robótico.

Foram confeccionados diferentes tipos de casas sustentáveis utilizando materiais recicláveis, como papelão, plástico, cartolina, alumínio e componentes eletrônicos.

Em cada casa sustentável, foram instalados um ou dois painéis fotovoltaicos de 9 Volts (1 Watt; 0-100 mA, 110x70x3 mm), com cabo flexível 20 AWG, conectados a três LEDs de 5 mm ou 10 mm, difusos ou de alto brilho, dispostos em paralelo tanto os LEDs quanto os painéis.

Os LEDs das casas sustentáveis brilhavam com intensidade moderada quando o painel fotovoltaico era iluminado com a lâmpada do LED da sala de aula e brilhavam com intensidade elevada quando expostos à luz solar, conforme demonstrado na Figura 2. Em algumas casas sustentáveis, foram utilizados 2 ou 3 painéis fotovoltaicos de 5,5 Volts (0,275 Watt; 0-50 mA, 80x35x3 mm), associados em paralelo junto com os 3 LEDs de 5 mm ou 10 mm.

Figura 2: Casas sustentáveis de materiais recicláveis com painéis fotovoltaicos

Fonte: Andrade (2024).

A Figura 3a mostra uma roda gigante construída com palitos de artesanato escolar, um eixo de 150 mm de comprimento, dois metros de cabo flexível 20 AWG nas cores vermelho e preto, duas engrenagens dentadas, um motor DC de 12V (1 Watt; 40 mA; 6.800 RPM) e três painéis fotovoltaicos de 9 Volts (1 Watt; 0-100 mA, 110x70x3 mm). A roda gigante operou em baixa rotação em dias nublados ou chuvosos e, em dias ensolarados, funcionou em alta rotação. Não apresentou funcionamento quando exposta à luz artificial do LED da sala de aula, mas operou de maneira eficaz quando iluminada pela luz da lâmpada incandescente de 70 Watts.

Também foram construídos alguns helicópteros utilizando garrafa PET de 200 mL, palitos de artesanato escolar, dois motores DC de 6 Volts e dois painéis fotovoltaicos de 0,5 Volts (160 mA; 53x18mm) para girar as hélices, sendo cada painel associado a um motor e uma hélice de plástico, como está na Figura 3b.

Figura 3: (a) Roda gigante sustentável; (b) helicóptero de materiais recicláveis com painéis fotovoltaicos

Fonte: Andrade (2024).

A Figura 4a mostra um foguete feito com garrafa PET de 600 mL, equipado com um motor DC de 6 volts, uma hélice de plástico e um painel fotovoltaico de 0,5 Volts. Na Figura 4b, são apresentados alguns carrinhos construídos a partir de materiais recicláveis, como madeira, papelão, canudinho plástico, tampinhas de garrafa PET, engrenagens, elásticos, motor DC de 6 volts e painéis fotovoltaicos de 9 Volts. Por fim, a Figura 4c exibe um ventilador movido a energia solar, composto por um motor DC de 6 volts e dois painéis fotovoltaicos de 2 volts (80 mA; 48,5x42,5mm), associados em paralelo. Os protótipos da Figura 4 operaram eficientemente sob luz solar ou a lâmpada incandescente de 70 Watts; no entanto, os motores não responderam à luz do LED da sala de aula.

Figura 4: Foguete, carrinhos e ventilador feitos de materiais recicláveis com painéis fotovoltaicos

Fonte: Andrade (2024).

Os alunos apresentaram aos pais, responsáveis e comunidade todo o resultado obtido do projeto Sustentabilidade em Ação: Experimentos Pedagógicos com Energia Solar e Robótica.

Discussão

Diante da perspectiva de um futuro caracterizado pela escassez de recursos naturais e por significativos desequilíbrios socioambientais, torna-se imperativo desenvolver propostas pedagógicas inovadoras por meio de projetos, como este com ensino de Robótica, pois esse tipo de metodologia traz uma abordagem educacional capaz de capacitar os alunos a valorizar o meio ambiente e a diversidade da vida, como o que fizeram com o uso de materiais recicláveis e a utilização de energia limpa e sustentável (Silva et al., 2023).

A educação deve partir da problematização da realidade, algo central neste projeto ao incentivar os alunos a identificar problemas locais e buscar soluções sustentáveis por meio da Robótica Educacional (Freire, 2002).

A Educação Sustentável, por meio da Pedagogia de Projetos, implementa uma metodologia pedagógica inovadora que destaca a importância de formar indivíduos conscientes e engajados, pois tanto a educação quanto os projetos práticos são elementos-chave na capacitação de indivíduos para contribuir significativamente com soluções sustentáveis em âmbitos locais e globais (Silva; Leão, 2020).

É importante uma metodologia pedagógica capaz de transformar os estudantes em agentes ativos capazes de compreender e contribuir para soluções sustentáveis; iniciativas desse tipo buscam não apenas sensibilizar, mas também promover ações concretas que estimulem a conscientização sobre a importância da preservação ambiental.

No cenário brasileiro, a Educação Ambiental, essencial para a promoção de práticas ecosóficas, enfrenta desafios diante de desmobilização e incertezas. Em contraste, na Austrália, a obrigatoriedade de um currículo comum incorpora a sustentabilidade, destacando a importância de integrar práticas ecosóficas ao contexto educacional para enfrentar os desafios ambientais; as construções das casas sustentáveis com painéis fotovoltaicos (Figura 2) e os projetos das Figuras 3 e 4 já mostram um caminho para adentrar o currículo das escolas brasileiras, pois o futuro da educação da sociedade vincula-se às ações que estamos fazendo na escola de hoje (Freitas Rezende; Tristão, 2021).

É possível compreender que, ao incorporar a Robótica Educacional respaldada por metodologias ativas, como neste relato, a aprendizagem baseada em projetos a fim de resolver problemas, o educador tem a oportunidade de integrar em sua prática pedagógica conhecimentos provenientes de diversas disciplinas presentes no currículo escolar, como Matemática, Química, Física, Português, Geografia e História, entre outras (Queiroz; Silva; Costa, 2022).

Além disso, ao envolver as diferentes áreas do currículo escolar no processo de ensino da Robótica por meio da resolução de problemas, percebe-se que essa experiência lúdica, quando vivenciada por cada aluno, propicia a construção de um ambiente de aprendizagem colaborativo, compartilhado e empreendedor, estabelecendo relações significativas entre professor-professor, professor-aluno e aluno-aluno (Fernandes; Sant’Ana, 2021).

Projetos de Robótica que envolvem os alunos em grupos produtivos no desafio da prototipação de brinquedos robóticos como roda gigante sustentável, helicóptero solar papapilhas, foguete, carrinhos, ventilador e casas sustentáveis, todos com painéis fotovoltaicos a partir de materiais recicláveis, e a construção de sistemas mecânicos e programáveis com kits Máquinas Simples 9656 e WeDo 2.0 promovem o ato do brincar essencial para o desenvolvimento infantil; associado a valores culturais, o brinquedo influencia habilidades e impacta o aprendizado, sendo influenciado por mudanças culturais, como avanços tecnológicos, que afetam profundamente o desenvolvimento cognitivo e lógico e a inteligência criativa, o neurobiológico e o social das crianças (Martins; Oliveira, 2023).

As ações realizadas neste projeto promovem a interação entre indivíduos e tecnologia, fomentando o pensamento computacional e facilitando o desenvolvimento de habilidades cognitivas como abstração, pensamento algorítmico, decomposição de problemas e identificação de padrões. Essa abordagem contribui significativamente para o desenvolvimento integral da criança, capacitando-a a exercer autonomia na busca por soluções para desafios do mundo real.

Os resultados do projeto atingiram metas importantes dos ODS, como o ODS 4 - Educação de Qualidade, é crucial para promover acesso equitativo e inclusivo à educação, impulsionando o desenvolvimento sustentável e capacitando indivíduos para enfrentar desafios globais. A construção das casas sustentáveis com painéis fotovoltaicos cumpre metas dos ODS 7 - Energia limpa e acessível, 9 - Indústria, inovação e infraestrutura e 11 - Cidades e comunidades sustentáveis e promove a reflexão nos alunos para um futuro sustentável, pois o desenvolvimento desses ODS impacta profundamente o Índice de Desenvolvimento Humano (IDH).

As metodologias ativas com o uso de tecnologia como a utilizada neste projeto promovem a formação integral do aluno para ser um cidadão global; nesse processo o aluno está no centro do ensino-aprendizagem, desenvolvendo autonomia e poder de reflexão e participando ativamente da problematização da realidade em equipe, por meio de tecnologia e inovação, com o professor desempenhando o papel de mediador no processo, conduzindo o aluno ao êxito da aprendizagem (Costin, 2020).

O ensino de Robótica, que utiliza tecnologias digitais como tablets e chromebooks, juntamente com o acesso à internet para plataformas como Tinkercad e Solar System Scope, além do contato com componentes eletrônicos, como painéis fotovoltaicos, integra os alunos no contexto do Steam (Ciência, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática). Essa abordagem, considerada uma metodologia ativa de aprendizado, está amplamente presente e insere o aluno na Educação 4.0, a qual visa prepará-lo para a Indústria 4.0, promovendo o uso racional de tecnologias digitais, desenvolvendo habilidades essenciais para futuros desafios e o mercado de trabalho, incluindo inteligência emocional, confiança, empatia e adaptação (Gonçalves Júnior; Pedroso; Viana, 2023).

Ao aplicar abordagens pedagógicas inovadoras e tecnologias na perspectiva da Educação 4.0, os alunos, no contexto do projeto envolvendo a construção de protótipos robóticos e casas sustentáveis equipadas com painéis fotovoltaicos e iluminação LED, têm a oportunidade de consolidar conhecimentos científicos e encurtar a distância entre o saber científico e o senso comum. Essa integração é facilitada pela aprendizagem em situações concretas e experiências diretas.

Os participantes do projeto compreenderam a necessidade de colaboração para alcançar as metas dos ODS, visando atingir um maior número de objetivos para promover a sustentabilidade. Reconhece-se que o futuro da educação na sociedade está diretamente ligado às ações empreendidas na escola hoje.

Considerações finais

Além de promover uma compreensão prática do funcionamento da energia solar, este projeto, fundamentado em uma metodologia pedagógica inovadora, demonstrou como a energia solar pode iluminar nossas casas e comunidades, proporcionando uma fonte de energia renovável e ecologicamente sustentável. O projeto também ressaltou a importância da educação como prática que vai além da simples transmissão de conhecimento, incentivando a autonomia dos alunos e seu protagonismo no enfrentamento aos desafios contemporâneos. Com o desenvolvimento de soluções sustentáveis, os participantes foram capacitados a atuar como agentes de transformação, conscientes da necessidade de construir um futuro mais justo e sustentável.

Referências  

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