Autores

Pereira, L.Q. (SENAI/CETIQT) ; Pimenta, F.D. (SENAI/CETIQT) ; Andrade, L.R.P. (SENAI/CETIQT) ; Sousa, G.A. (SENAI/CETIQT)

Resumo

O ensino das ciências exatas sempre foi uma área do conhecimento que apresentou inúmeras complicações para os discentes. Dessa forma, a utilização da Tecnologia de Informação e Comunicação (TIC) vem surgindo como uma alternativa metodológica ativa para minimizar a dificuldade no aprendizado. O objetivo desse trabalho foi utilizar a programação em MATLAB como uma metodologia ativa no curso de engenharia química. Os resultados mostraram que os discentes desenvolveram habilidades em resolver problemas das disciplinas da grade curricular, programando em MATLAB, sendo estes os protagonistas do processo de ensino e aprendizagem, quando situações problemas do cotidiano envolvendo os tópicos das disciplinas foram apresentados.

Palavras chaves

Química; MatLab; Ensino

Introdução

A ciência exata, de um modo geral, proporciona aos estudantes uma grande dificuldade de aprendizagem, uma vez que, em muitos casos o ensino ainda carrega conceitos da metodologia tradicional. Dessa forma, as disciplinas apresentadas não são contextualizadas e não tem nenhuma correlação com outras disciplinas (interdisciplinaridade). Assim, o estudante acaba se desinteressando, apresentando dificuldade no aprendizado e não é capaz de aplicar os conceitos na prática (ROCHA E VASCONCELOS, 2016). A química, no âmbito de disciplina também apresenta esses problemas. Muitas das vezes, o aluno não consegue ver nenhuma relação com os conceitos estudados e a sua futura profissão (GOMES, 2018). Em muitos casos, ensino de química é baseado na decoração de fórmulas, conceitos, símbolos e da tão temida tabela periódica, dessa forma, desmotiva o aluno e torna o aprendizado cada vez mais difícil (ALBERGARIA, 2015). Acima de tudo, é necessário que o docente apresente ao aluno a química como uma forma diferente de enxergar o mundo a sua volta, possibilitando a ele, o senso crítico e capacidade de analisar e compreender os fenômenos simples que ocorrem no dia a dia (GOMES, 2008). A abstração exigida para entender alguns processos, modelos químicos, reações e fenômenos, por exemplo, pode ser um entrave para o entendimento da disciplina (GOMES, 2008). Assim, é necessário a utilização de metodologia ativas, que tornam o processo de ensino e aprendizagem mais interessante facilitando a obtenção do conhecimento. O uso das Tecnologias da Informação e da Comunicação (TICs) estão provocando mudanças expressivas em várias áreas do conhecimento, como o acadêmico por exemplo, uma vez que permite um acesso mais amplo a informação. Essa metodologia ativa atua em todo o processo de ensino e aprendizagem, no qual se destacam premissas como o aprender fazendo, aprender a aprender, que são parâmetros importantes na construção do conhecimento (LOBO E MAIA, 2015). Assim, as tecnologias computacionais desempenham um papel cada vez mais importante na pesquisa química, a implementação de simulações computacionais em laboratórios virtuais torna-se um método cada vez mais popular para expor os alunos a problemas práticos de pesquisa como substitutos de experiências de bancada (IBRAHIM, 2011). Além disso, o rápido aumento das capacidades computacionais permite que engenheiros químicos construam modelos matemáticos mais complexos para numerosos processos químicos (LI E HUANG, 2017). Dessa forma, a Modelagem matemática e simulação, que envolvem replicação matemática ou representação de um processo, são métodos avançados que se tornaram populares nos últimos anos (BRENNER, SHACHAM E CUTLIP, 2005). Aprender por simulação é muito eficaz, pois os alunos têm a chance de simplesmente testar os efeitos de vários parâmetros em processos naturais e artificiais. A simulação é uma das ferramentas mais importantes no ensino de engenharia. Embora os simuladores não substituam os laboratórios físicos reais, eles podem ser muito úteis no ensino dos princípios de funcionamento de vários instrumentos e dispositivos de engenharia, podendo ampliar e enriquecer problemas simples, permitindo que os alunos experimentem vários cenários e entendam suas consequências (BRENNER, SHACHAM E CUTLIP, 2005; IBRAHIM, 2011). A utilização de softwares de simulação matemática, como o MATLAB nos currículos de engenharia química, tem atraído interesse generalizado durante as últimas décadas, especialmente, no que envolve o projeto de processos. O software MATLAB é uma linguagem de computação técnica de alto nível utilizada para o desenvolvimento de algoritmos, visualização e análise de dados (HERCOG E JEZERNIK, 2005). Segundo Hanselman e Santos (1999, apud PRETO, 2005) “O MATLAB foi desenvolvido inicialmente para fazer cálculos com matrizes (MATrix LABoratory), porém suas funcionalidades abrangem diversas aplicações. Os comandos do Matlab são muito próximos da forma como são escritas as expressões algébricas, tornando seu uso muito simples, além de permitir que novas rotinas (funções) sejam elaboradas e também permite a utilização de comandos para controle de iteração (repetição) e comparação entre elementos (decisão)”. Este trabalho tem como objetivo utilizar as TICs (programação e MATLAB) como metodologias ativas no processo de ensino e aprendizagem nas disciplinas de Química Geral e Introdução à Engenharia Química.

Material e métodos

O artigo apresenta as reflexões vivenciadas pelos autores com alunos do primeiro período do curso de Engenharia Química de uma IES, do município do Rio de Janeiro, nas disciplinas de Química Geral e Introdução à Engenharia Química, ao tratar conteúdos relacionados à resolução de equações. Os conteúdos são apresentados em sala de aula, onde os alunos resolvem exercícios e problemas manualmente. Exercícios específicos são sugeridos pelo docente, para que possam ser resolvidos com o auxílio do MATLAB, na disciplina de Informática, onde são apresentados aos principais comandos do MATLAB. 5.1 - Procedimento e comandos básicos do MATLAB Criou-se para cada calculadora um arquivo com os mesmos comandos usados no Command Window, utilizando da mesma sintaxe, cujo nome do arquivo termina com a extensão “m”. Esse programa é chamado script. Inicia-se declarando-se as variáveis de acordo com a especificação da calculadora de química, através dos comandos do MATLAB, compila-se as fórmulas. Os comandos compilados são executados sequencialmente, após o usuário entrar com as variáveis. Exemplo1: Distribuição Eletrônica a) Declara-se as variáveis ao comando “sym” com um valor atribuído a cada elemento químico e as variáveis a e b. b) Ordena-se os últimos subníveis da camada de valência do elemento químico, informando a sua família a fim de relacionar as variáveis declaradas através de um menu numérico usando o comando “fprintf”. c) Utiliza-se o comando “input” para armazenar no programa os dados da família. d) Utiliza-se o comando “fprintf” para gravar as variáveis declaradas, que são os elementos químicos. Além disso, adiciona-se o comando “disp”, sendo optativa, para pular tantas linhas quantas forem necessárias, resultando na organização da exibição de seu programa. Por fim, utiliza-se o comando “if” sendo uma estrutura de condição e o “end” para finalizar tal estrutura. I) Declaração das variáveis: comando “ sym “ II) Atribuição de valor as variáveis (elementos químicos): comando “ x = ‘ valor da variável ‘ ; “ III) Gravar dados declarados: comando “ fprintf ” IV) Organização das linhas: comando “ disp “ V) Estrutura condicional: comando é “ if “ para iniciar e “ end “ para finalizar. Exemplo 2: Calcular, automaticamente, o número de Reynolds de um escoamento, a partir da inserção das variáveis requeridas pela fórmula e determina o tipo de escoamento que está ocorrendo (Laminar, Transitório ou Turbulento). Script As mensagens mostram o nome dos integrantes e as unidades aceitas pela calculadora utilizando o comando disp: a) As variáveis são inseridas no programa através da estrutura de input. Laços do tipo while são utilizados para garantir que o usuário declare corretamente as unidades de medida dessas variáveis. b) o programa executa a fórmula, formata o resultado para a forma com apenas duas casas decimais, apresenta o número para o usuário utilizando o comando disp e apresenta o tipo de escoamento para o usuário.

Resultado e discussão

A programação foi utilizada como ferramenta para a resolução de cálculos químicos. Os algoritmos foram desenvolvidos pelos alunos do primeiro período de Engenharia Química, com o objetivo de calcular a massa atômica do elemento químico, utilizando as abundâncias relativas dos isótopos. Pode-se observar que por meio da elaboração de uma média aritmética ponderada, foi possível determinar a massa atômica do elemento de forma rápida e eficiente. Uma vez o algoritmo pronto, foi necessário somente entrar com as informações como massa atômica do isótopo e sua porcentagem relativa para obter o resultado. Uma estratégia bem simples, porém, o aluno necessitou de conhecimentos de programação em MATLAB e químicos prévios para estabelecer o programa. A Figura 1 apresenta o script elaborado no programa e um exemplo para o cálculo da massa atômica do enxofre, uma vez que é encontrado na terra como uma mistura isotópica de 95,02% de S32 (massa=31,972), 0,75% S33 (massa=32,972), 4,21% S34 (massa=33,968) e 0,02% S36 (massa=35,967). Figura 1: Script do programa para cálculo de massa atômica e exemplo de cálculo Garlet e colaboradores (2016) também utilizaram a programação como uma proposta de ensino em diversas disciplinas do ensino básico, e observaram a maior participação dos alunos nas aulas, sendo estes capazes de desenvolver as atividades propostas na programação. Para compreender a relação existente entre o número de mols e a massa a atômica dos elementos químicos, os alunos desenvolveram um script para a determinação do número de mols (Figura 2). É possível observar que novamente, para a execução da rotina, foi necessária declarar as variáveis massa da substância e massa atômica do elemento químico. Nesse exemplo, os alunos determinaram o número de mols existentes em 36,5g de estranho (Sn) (massa atômica do Sn=118,7g). Figura 2: Script da programação para a determinação do número de mols Outra aplicação interessante da programação foi para auxiliar em cálculos estequiométricos, como por exemplo, o rendimento da reação química. Dessa forma, o discente precisou determinar a equação química da reação proposta, fazer o balanço de massas para a obtenção dos coeficientes estequiométricos, relacionar as proporções estequiométricas entre reagentes e produtos. Entretanto, foi necessário o cadastramento das massas atômicas de todos os elementos químicos da tabela periódica no programa proposto. A Figura 3 apresenta o script para o cálculo do rendimento de uma reação química. Figura 3: Script para o cálculo do rendimento de uma reação química Os alunos também utilizaram as habilidades e competências adquiridas através da programação em MATLAB, para realizar cálculos relacionados ao regime de escoamento de fluídos sobre uma superfície ou tubulação. Os alunos desenvolveram uma rotina para a determinação do coeficiente, número ou módulo de Reynolds, incluindo uma estrutura condicional para classificação do escoamento. O número de Reynolds foi calculado a partir da declaração das variáveis nos Sistemas Internacional de unidades e inglês. A Figura 4 apresenta a rotina para o cálculo do número de Reynolds (Re) e a classificação do escoamento, conforme. Figura 4: Script para o cálculo do número de Reynolds e classificação do escoamento A literatura reporta a aplicação das TICs no processo de ensino e aprendizagem utilizando o aplicativo Scratch. Os autores concluíram que essa metodologia contribuiu para novas descobertas, promovendo a reflexão de práticas pedagógicas utilizando softwars (de maneira geral) como ferramenta (COSTA, 2017). Li e Huang (2017) investigaram a eficácia da abordagem de sala invertida no desenvolvimento de habilidades MATLAB / Simulink, com os alunos de graduação da divisão superior no curso de controle de processo químico da Universidade de Villanova. Os módulos de ensino incluíram (1) simulação de modelos ODE no MATLAB, (2) transformada de Laplace e operação da função de transferência, e (3) projeto do controlador de processo. As pesquisas de avaliação dos alunos revelaram que os três módulos de ensino em sala invertida foram eficazes em melhorar a compreensão dos mesmo sobre os conceitos de controle de processos intensivos em matemática e melhorar suas habilidades de simulação do MATLAB. O feedback geral dos alunos no formato de sala invertida foi positivo, pois eles se adaptaram gradualmente ao formato de aprendizagem. Os resultados também sugerem que sala de aula invertida é uma abordagem promissora para a solução dos problemas acima mencionados e, portanto, poderia fomentar a disseminação da utilização do MATLAB nos currículos de Engenharia Química.

Figura 1: Script do programa para cálculo de massa atômica e exemplo de cálculo. Figura 2: Script da programação para a determinação do número de mols


Figura 3: Script para o cálculo do rendimento de uma reação química. Figura 4: Script para o cálculo do número de Reynolds e classif. do escoamento.

Conclusões

Os estudantes de engenharia química tanto no ciclo básico quanto no ciclo profissionalizante enfrentam a tarefa de resolver problemas, usando abordagens numéricas. Boas habilidades de programação permitirão lidar facilmente com esses problemas. É importante que os estudantes de engenharia e tecnologia aprendam habilidades básicas de programação em seus primeiros anos de educação universitária. A programação é um dos alicerces da computação moderna. Nesse contexto, apreender a programar permite ao aluno a criação de soluções digitais para diversas áreas da engenharia. Como a programação é um processo de design intensivo e prático, as habilidades de programação de um aluno irão depender em grande parte, da experiência em programação. Sendo assim, os estudantes de engenharia devem ter algumas experiências básicas de programação o mais cedo quanto possível. No entanto, ensinar habilidades de programação para calouros e secundaristas tem sido um desafio pedagógico, para muitas faculdades e universidades. Os autores resumiram um conjunto de habilidades de programação, que podem ser apreendidas em um trimestre acadêmico, nas unidades curriculares do primeiro período. A partir de um projeto em sala de aula, os alunos aprenderam a resolver problemas desenvolvendo uma rotina de programação em MATLAB, desenvolvendo a interdisciplinaridade. Os autores observaram que os alunos assumiram uma postura participativa no processo de ensino e aprendizagem, quando situações problemas do cotidiano envolvendo os tópicos das disciplinas foram apresentados. O resultado preliminar da implementação desse modelo pedagógico interdisciplinar tem sido promissor. Acredita-se que com as principais habilidades de programação desenvolvidas, os alunos serão capazes de desenvolver programas e rotinas para resolver a maioria dos problemas de engenharia.

Agradecimentos

Referências

ALBERGARIA, M. B. Caracterização das principais dificuldades de aprendizagem em química de alunos da 1ª série do ensino médio. Universidade de Brasília, Brasília (2015).
BRENNER, A.; SHACHAM, M.; CUTLIP, M.B. Applications of mathematical software packages for modelling and simulations in environmental engineering education. Environmental Modelling & Software 20 (2005) 1307–1313, 2005.
COSTA, T. do R. O Uso do aplicativo SCRATCH no ensino de Ciências. Dissertação de Mestrado Profissional em Ensino de Ciências e Matemática. Universidade Federal do Acre. Rio Branco, 2017.
GARLET, D.; BIGOLIN, N. M.; SILVEIRA, S. R. Uma proposta para o Ensino de Programação de computadores na educação básica. Disponível em: http://w3.ufsm.br/frederico/images/DanielaGarlet.pdf . Acesso: 28 jun. 2018.
GOMES, R., S. As dificuldades de aprendizagem de Química no ensino médio. Centro Federal de Educação Tecnológica de Campos- Campos de Goytacazes, 2008.
HERCOG, D.; JEZERNIK, K. Rapid control prototyping using MATLAB/Simulink and a DSP-based motor controller. Int. J. Eng. Educ. 21, 2005.
IBRAHIM, D. Engineering simulation with MATLAB: improving teaching and learning effectiveness. Proc. Comput. Sci. 3, 853–858, 2011.
KELLY, W.; G. KAMGUIA; P. MULLEN; A. UBIERA; K. GÖKLEN; Z. HUANG; AND G. Jones. Using a Two Species Competitive Binding Model to Predict Expanded Bed Breakthrough of a Recombinant Protein Expressed in a High Cell Density Fermentation, Biotechnology and Bioprocess Eng., p. 546, 2013.
KILHO, LEE; NOELLE K. COMOLLI; WILLIAM J. KELLY, AND ZUYI (JACKY) HUANG. MATLAB based teaching modules in biochemical engineering. Chem. Eng. Educ. 49, p. 95–100, 2015.
LI, X.; HUANG, Z. J. An inverted classroom approach to educate MATLAB in chemical process control. Education for Chemical Engineers, 19, P. 1-12, 2017.
LOBO, A. S.,M; MAIA, L.; GOMES, C. Use of technologies of information and knowledge as teaching-learning tools in higher education. Caderno de Geografia, 25, 2015.
PRETO, T.M. et al. Possibilidades para a Integração entre Matemática e Programação. In: XXXIII CONGRESSO BRASILEIRO DE ENSINO EM ENGENHARIA – COBENGE, 2005, Campi Grande,PB, 2005. Disponível em: http://www.abenge.org.br/cobenge/arquivos/14/artigos/PR-5-10210269804-1118705867959.pdf. Acesso em: 28 jun. 2018.
ROCHA, J. S; VASCONCELOS, T., C. Dificuldade de aprendizagem no ensino de química: algumas reflexões. VXIII Encontro Nacional de Ensino de Química. Florianópolis-SC, jul. 2016.
SANTOS, R.. Introdução ao MATLAB. Apostila on-line. Disponível em http://www.mat.ufmg.br/~regi. Acesso em 28 jun.2018.
XU, Z.; FANG, X; WOOD, T.K.; HUANG, A, Z. A Systems-Level Approach for Investigating Pseudomonas Aeruginosa Biofilm Formation. PLoS One, 8, 2013.
WEINSTEIN, D. Improved performance via the inverted Classroom. Chemical Engineering Education, 49, 2015.