www.carlos-rosa.com

PROPOSTA DE MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM NO ENSINO DE PROJETOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

2008-08-28T22:39:00.005-03:00

ROSA, C. A. (1) e VAN NOIJE, W. A. M. (2)

Escola Politécnica da USP, PSI - Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

Av. Prof Luciano Gualberto - travessa 3 - 158

CEP: 05508-900, São Paulo, SP

e-mails: (1) carlos.rosa at usp.br , (2) wilhelmus.noije at poli.usp.br

Resumo: Esse trabalho apresenta proposta na área de Educação em Microeletrônica que visa enriquecer práticas de ensino adotadas na área de projetos de circuitos integrados através do uso de máquinas de ensino-aprendizagem (TLMs) em aulas de laboratórios como instrumentos auxiliares e complementares ao ensino teórico. As TLMs propostas permitem a verificação experimental de conceitos fundamentais em VLSI Design, tais como: polarização de transistores NMOS e PMOS, inversores CMOS, curvas de transferência do inversor CMOS, implementação de diversas portas lógicas CMOS estática e dinâmica usando transistores de passagem ou portas de transmissão (NAND, NOR, AND, OR, XOR, XNOR, MUX, DECODER, Half ADDERs e Full ADDERs), Latches, Flip-flops e células de memória (RAM e ROM). A metodologia usada foi baseada em pesquisa bibliográfica, observações em sala de aula, participação em projetos didáticos, entrevista de alunos e professores de microeletrônica. As TLMs foram construídas na forma de painéis de papelão de 100 cm x 70 cm com eletrônica embarcada ou conjuntos de módulos de circuito impresso com tamanhos A4 até A10, interligados entre si por meio de conectores, cabos elétricos padronizados e acondicionados em caixas flexíveis de borracha sintética. Considerou-se o uso combinado desses materiais com diferentes técnicas de montagens eletrônicas. No leiaute das TLMs foram considerados aspectos da interação homem-máquina (MMI e HCI) e projetos de interações por PREECE (2002), e da transposição didática de CHEVALHARD e JOSHUA (1981). Os resultados efetivos da aprendizagem usando TLMs foram obtidos por meio de dinâmica de microensino baseado em ALLEN (1967).

Palavras-chave: Educação em Microeletrônica, IC Design, Transposição didática, Práticas de ensino, Máquinas de ensino-aprendizagem.

1. INTRODUÇÃO

O conhecimento sem dúvida é o instrumento essencial no mundo moderno. O homem moderno cada vez mais se vê envolvido com máquinas e aparelhos eletrônicos criados artificialmente para potencializar algumas de suas habilidades humanas. Nesse sentido, podemos destacar alguns exemplos de máquinas com as quais o homem moderno se interage frequentemente no seu cotidiano. Os carros de passeios são máquinas modernas criadas com a mais alta tecnologia, fruto do conhecimento humano, onde o homem se interage com elas para se deslocar a grandes distâncias com o maior conforto e segurança. Essas máquinas são especialmente construídas para potencializar a limitada capacitada do sistema biofísico humano que fatalmente sucumbiria ao percorrer grandes distâncias. Usando essas máquinas o homem preserva facilmente todas as suas atividades vitais dentro de níveis aceitáveis e que, dependendo de cada modelo de máquina, ainda experimenta diferentes sensações de conforto, segurança, satisfação e prazer, não tendo que se preocupar com sua circulação e pressão sangüínea, capacidade respiratória, temperatura de seu corpo, transpiração, cansaço físico e capacidade muscular de suas pernas, etc.

Do exemplo anterior, podemos inferir que o conhecimento como instrumento essencial no mundo moderno permitiu ao homem criar máquinas dedicadas capazes de libertá-lo de atividades rotineiras, cansativas, tediosas decorrentes de atividades prolongadas, ou que exigem alta precisão, rítmos constantes etc. Com isso, o homem passou a desfrutar de maior tempo livre para trabalhar em atividades mais prazerosas ou que exigem maior nível de abstração, tais como: criação, planejamento e supervisão de atividades. Nesse sentido, podemos enumerar um infinidade de máquinas já criadas pelo homem para atender às diversas variedades de suas necessidades utilitárias do dia-a-dia, a saber: as máquinas de lavar louças, máquinas de lavar roupas, máquinas de cozinhar alimentos, máquina de datilografar, máquinas de calcular e muito mais.

Com os avanços alcançados pela eletrônica e a microeletrônica nos últimos 30 anos mais facilidades foram sendo incorporadas às máquinas e novas habilidades humanas foram também potencializadas. Nas últimas décadas, os serem humanos passaran a se comunicar com outros seres humanos utilizando-se de diversas máquinas móvel com a tecnologia da telefonia celular com cobertura global, sendo suportada por uma complexa rede de outras máquinas satélites interligadas por complexos sistemas eletrônicos dedicados. Nesse sentido, podemos falar do advento das máquinas computadorizadas analógicas e digitais, computadores pessoais e servidores, satélites de comunicação, telefones celulares, rádio e TV, televisão digital interativa, todos os sistemas portáteis com microprocessadores embarcados, etc. Nesse exato momento estamos presenciando um importante fenômeno histórico chamado convergência tecnológica graças ao avançado grau de maturidade da microeletrônica.

A sociedade humana não desfrutaria de tais progressos se o conhecimento não fosse especializado e não tivesse sistematicamente organizado. Tudo isso só está sendo possível por que o homem descobriu um jeito de transmitir seus conhecimentos através das gerações e assim vem sendo preservado os avanços alcançados pelas gerações passadas.

Para assegurar à sociedade o atual estado da arte alcançado pela microeletrônica os nossos educadores precisam se unir e aprimorar as técnicas de ensino, desenvolvendo novas práticas que visem a popularização, de uma vez por todas, dos conhecimentos já dominados na área de microfabricação e microeletrônica passando a ser ensinados regularmente nos níveis mais elementares: educação básica (fundamental e médio) e educação profissional. Assim, teremos a oportunidade de atrair mais e melhores alunos para o fascinante mundo da microeletrônica.

Segundo PLAISANCE e VERGNAUD (2003), esse mecanismo que promove o progresso numa sociedade é garantido pela Educação e intensamente estudado por várias Ciências da Educação. O instrumento que permite a interação entre diferentes gerações (professores e alunos) é conhecido por Ensino e deve ser entendido como um processo de ensino-aprendizagem constituído por diferentes técnicas pedagógicas que envolvem atividades e práticas escolares que se voltam para a formação de hábitos de interesse da sociedade. E assim, todas as máquinas especializadas dirigidas para a área educacional, que permitem potencializar a transmissão de conhecimentos aplicáveis aos processos de ensino-aprendizagem serão denominadas, neste trabalho, máquinas de ensino-aprendizagem ou simplesmente TLMs (teaching-learning machines).

Podemos considerar o ensino sob vários aspectos num contexto escolar. Os autores do presente trabalho consideram as TLMs como recursos didáticos complementares no contexto da Tecnologia Educacional que segundo AURICCHIO (1978), estuda e analisa os diversos aspectos metodológicos além de identificar os possíveis problemas críticos de qualidade de ensino, propondo ainda ações efetivas que garantam os objetivos instrucionais planejados com excelentes níveis de aprendizagem.

2. A TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA

PERRELLI (1996) explica que o termo "transposição didática" foi introduzido em 1975 pelo sociólogo Michel Verret e, alguns anos depois, passou a ser rediscutido pelo francês Yves Chevallard, pesquisador em didática das matemáticas.

Para CHEVALLARD e JOSHUA (1991), a transposição didática é um processo complexo que, através de métodos e técnicas didáticas, permite realizar transformações em objetos de saberes conhecidos (du savoir savant) em objetos que compõem os saberes de ensino (au savoir enseigné). Sabendo-se que de todos os conhecimentos pesquisados, assimilados, desenvolvidos e publicados pelos cientistas raramente estes saberes conhecidos farão parte de qualquer grade curricular de um programa de ensino nos sistemas escolares atuais. Isso justifica o fato de as escolas, de uma maneira geral, optarem por uma formação mais generalista que dá mais atenção ao ensino de conteúdos gerais em oposição aos conhecimentos pesquisados e recentemente desenvolvidos nas universidades que se movimentam em direção contrária, isto é, aprofundando-se cada vez mais em conhecimentos especializados.

Por esses motivos, observamos que a maior parte dos conhecimentos dominados no contexto acadêmico jamais participarão de uma grade curricular de ensino nas escolas de ensino médio.

Diante do exposto, concluímos duas importantes conseqüências do ensino, uma baseada na formação generalista e a outra na formação especialista. Uma formação generalista permite que saberes conhecidos (savoir savant) seja ensinado ao público (savoir enseigné) apenas de forma enciclopédica, isto é, de forma geral e resumida, visando principalmente desenvolver nos alunos habilidades mais abstratas baseadas na articulação conceitual que cercam tais conhecimentos.

A abordagem generalista é o princípio que vem norteando as diretrizes curriculares estabelecidas pelos órgãos oficiais reguladores dos sistemas de ensino fundamental e médio em quase todos os países, há pelo menos um século. Para PERRELLI (1996) essa formação generalista visa proporcionar aos alunos as condições necessárias para um ingresso em qualquer área de uma formação acadêmica futura.

No entanto, CHEVALLARD (1991) afirma que a formação especialista permite que os conhecimentos sejam ensinados de uma forma mais particularizada e aprofundada sobre certos aspectos práticos da vida, dentro de contextos particulares do cotidiano. Com isso, uma formação especialista para ser eficaz precisa dirigir-se para o desenvolvimento de habilidades profissionais, visando transformar alunos em profissionais com conhecimentos técnicos, capacitados para atender às necessidades do mercado de trabalho e não para o mundo acadêmico.

A transposição didática consiste num processo que se preocupa com as questões de como transformar objetos de saberes sábios, em saberes a ensinar e, finalmente, em objetos de saberes ensinados.

Para esse trabalho, o conhecimento do processo de transposição didática permitiu o desenvolvimento de diversas atividades práticas de ensino elaboradas por uma metodologia de instrução programada, acompanhadas por conjuntos didáticos construídos por alunos e professores com diversos recursos, características, e funcionalidades eletrônicas embarcadas. Os circuitos eletrônicos projetados para as TLMs são apenas os meios encontrados pelos autores necessários para tornar as aulas práticas de laboratório mais interessante e atraentes aos alunos de eletrônicas, oferecendo um completo suporte operacional aos conceitos relevantes na área de projetos de circuitos integrados com tecnologia CMOS.

3. NECESSIDADE DE UMA FORMAÇÃO PROFISSIONAL EM PROJETOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS NO BRASIL

As constantes mudanças sociais e culturais, os movimentos políticos e as inovações tecnológicas condicionam freqüentemente a criação ou o desaparecimento de algumas profissões e exigem uma adequação contínua dos agentes da educação nas instituições de ensino profissional e tecnológico.

Na última década a ciência e a tecnologia alcançaram avanços excepcionais em novos materiais e técnicas de fabricação promovendo uma acentuada redução na área ocupada pelos transistores baseados em tecnologia MOS. Esse aspecto tornou possível a integração de sofisticados sistemas eletrônicos em apenas um único encapsulamento (SoP) ou num único chip (SoC). O surgimento de linguagens descritoras de hardware (HDL), tais como, o VHDL e o Verilog HDL, tornaram possível a reutilização de códigos de propriedade intelectual (IP Core) em novos projetos.

A implementação de sistemas SoC, com complexidades sempre crescentes, vem sendo possível graças ao surgimento de sofisticadas ferramentas automáticas destinadas para sínteses automáticas (EDA) e ambientes de simulação para protótipos em FPGA e CPLDs. Por exemplo, os simuladores ISE da Xilinx, Libero da Actel, Quartus da Altera, Active-HDL da Aldec e o ModelSim da Menthor Graphics. Hoje, é praticamente impossível projetar um circuito integrado VLSI sem fazer uso dessas ferramentas para protótipos em FPGA ou de ferramentas profissionais para sistemas ASICs como as oferecidas pelas empresas Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Magma e outras.

Atualmente, no mundo todo, existe pelo menos uma centena de fábricas de circuitos integrados, porém, podemos destacar que apenas duas destas processam um volume superior a 65% das lâminas de silício processadas mundialmente. Essas fábricas encontram-se localizadas na Ásia, mais particularmente em Taiwan, a TSMC e a UMC.

O governo brasileiro está implantando a sua primeira fábrica de circuitos integrados no Rio Grande do Sul, chamada CEITEC, com previsão de entrar em operação no final de 2009. O CEITEC licenciou a tecnologia XCO6 - SP331 da X-FAB, uma empresa alemã com cinco fábricas, sendo duas instaladas na Alemanha, Erfurt e Dresden, e as outras três instaladas na Malásia, na Inglaterra e nos Estados Unidos (Texas).

Segundo informações divulgadas no próprio sítio do CEITEC, a fábrica irá operar em rede estruturada com centros de pesquisa, universidades e empresas conveniadas, visando o desenvolvimento de projetos de sistemas eletrônicos integrados, em processamento físico-químicos, desenvolvimento de sensores e dispositivos especializados, caracterização e teste de dispositivos eletrônicos e novos materiais.

A tecnologia a ser utilizada pela fábrica brasileira será baseada no processo CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) e CMOS mixed signal com comprimento de canal de 0,6 µm com até três níveis de metalização. Com essa tecnologia será possível a fabricação de memória volátil (EEPROM) embarcada em SoC. Também será possível fabricar resistores de poli-silício de alta resistividade e diodos do tipo Schottky. Essa tecnologia será aplicada em lâminas de silício de 150 mm de diâmetro cujos dispositivos produzidos poderão ser utilizados em equipamentos de telecomunicações, processamento de dados, entretenimentos, e dos setores automotivo, automação industrial e médico. O CEITEC prevê uma evolução destes procedimentos através da implantação de equipamentos de processo para a prototipagem de CIs com comprimento de canal de 0,35µm até 2011.

A tecnologia X-FAB, licenciada pelo CEITEC, possui um núcleo CMOS de 5U que permite uma densidade de até 4,5 Kgates/mm² e diversos capacitores, resistores e diferentes transistores bipolares para aplicação analógicas.

Em OLIVEIRA e ADRIÃO (2007), no capítulo III da LDB (Lei 9.394, de 20 de Dezembro de 1996), observamos toda a Educação Profissional em apenas quatro artigos (art. 39 a 42). Regulado por leis complementares, a Educação Profissional é permitida aos egressos do ensino fundamental, médio e superior, bem como, o trabalhador em geral, jovem ou adulto; podendo ser ministrada por diferentes estratégias de educação continuada, seja em instituições especializadas ou no ambiente de trabalho. Segundo a LDB, a Educação Profissional é considerada uma instrução técnica com formação de ênfase prática voltada para o desenvolvimento de aptidões para o exercício de uma atividade produtiva, visando favorecer a sua inclusão no mercado de trabalho.

Assim como ocorreu há poucos anos atrás, quando a internet chegou à população brasileira de uma maneira geral, criar páginas WEB e fazer programação em HTML eram conhecimentos por demais sofisticados, tendo proporcionado o surgimento de novas profissões antes mesmos da existência de qualquer regulamentação governamental para os programas regulares de ensino profissional e tecnológico. A profissão de Web Designer, acabou sendo regulamentada pela Secretaria de Ensino Profissional e Tecnológica do MEC (SETEC), no final da década de 90, consolidou recentemente um Catálogo Nacional de Cursos Técnicos com os parâmetros curriculares para os Cursos Técnicos de Informática para Internet.

Dessa mesma forma os autores acreditam que surgirá no Brasil um novo profissional com conhecimentos especializados na área de projetos de CIs e que serão conhecidos por IC Designers. Assim, o MCT lançou nesse ano 2008 um Programa Nacional de Formação de Projetistas de Circuitos Integrados chamado Programa CI-Brasil que consolidou em Porto Alegre/RS, o primeiro Centro de Treinamento (CT#1) para formação de IC Designers, coordenado pelo Núcleo de Suporte em VLSI/CAD, conhecido por NSCAD/URFGS. As aulas são ministradas por profissionais da empresa americana Cadence, para a formação inicial de 100 profissionais IC Designers nos primeiros 5 meses iniciais (de abril à agosto), e destes 100, os 36 melhores alunos participarão do curso de formação de líderes em projeto de CIs, com uma duração de mais 8 meses de treinamento. Seguindo esse mesmo formato e modelo do CT#1, um segundo centro de treinamento (CT#2) entrou em operação no início de agosto de 2008 em Campinas/SP, no CTI/MCT, para formar mais 100 profissionais IC Designers nos próximos 4 meses e, apartir de janeiro de 2009, outros 36 líderes de projeto durante os 8 meses seguintes. Em ambos os centros de treinamento estão sendo treinados IC Designers nas áreas de Digital, Analógico & Sinais Mistos e RF. Mais dois centros de treinamento (CT#3 e CT#4) serão viabilizados pelo MCT até o final de 2009. A meta do MCT é formar dentro dos próximos 4 anos, através desses quatros centros de treinamento, um total de 1500 IC Designers.

Como sugestão, os autores recomendam os seguintes nomes para os futuros cursos de formação: Curso Técnico em IC Design; Curso de Tecnologia em IC Design; Engenharia Elétrica com Habilitação em IC Design e Curso de Especialização em IC Design. Ou ainda, poderia ser utilizada a tradução da expressão inglesa IC Design pela a expressão portuguesa "Projeto de Circuitos Integrados".

4. PRÁTICAS ATUAIS DE ENSINO EM PROJETOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS NO BRASIL

Uma prática bastante comum e extensamente coberta pelos cursos de engenharia elétrica no Brasil é desenvolver atividades didáticas embasadas nas obras de WESTE e HERRIS (2004) ou em SEDRA e SMITH (2008). Essas atividades didáticas são baseadas em projetos simulados de circuitos eletrônicos utilizando a descrição do tipo SPICE. Usando programas tais como WinSPICE, HSPICE ou SPICE Opus, os alunos aprendem como simular a funcionalidade de circuitos eletrônicos rapidamente e com essa ferramenta realizam diversos tipos de análise: DC, transientes, modelagem de dispositivos, caracterizações elétricas e subcircuitos.

Observamos em geral, que os projetos pelos professores são desenvolvidos nos laboratórios para permitir que os seus alunos se envolvam diretamente com diversas questões inerentes aos projetos de sistemas eletrônicos e participem de todas as etapas de projetos: especificação, desenvolvimento de propostas de circuitos eletrônicos, pesquisa de componentes através de consultas na literatura, internet, em datasheets ou application notes de fabricantes, desenho do leiaute das placas de circuito impresso, corrosão das placas, soldagem de componentes, verificação, testes e documentação final do projeto.

Essa abordagem baseada em projetos experimentais proporciona aos alunos um ambiente controlado que permite desenvolver habilidades práticas e investigativas visando uma familiarização em solucionar diversos problemas inerentes das montagens eletrônicas no mundo real, tais como: erros de projeto, erros funcionais, falhas de montagem e maus contatos ou problemas de soldagens. Assim, por questões de tempo, é comum que professores busquem usar nesse tipo de abordagem, projetos de circuitos simples, cuja funcionalidade e comportamento elétrico poderiam ser facilmente simulados com SPICE para, em seguida, serem confrontados com resultados experimentais realizados através de montagens de diversos tipos de montagens: em protoboard, em kits didáticos padronizados, ou em placas de circuito impresso confeccionadas pelos próprios alunos.

Conforme apresentado por KUETHE (1978): "Os projetos são valiosos porque promovem o desenvolvimento da capacidade de auto-reforço. O indivíduo se orgulha de estar trabalhando no seu projeto e é ainda mais motivado por compreender que o mestre conta com a execução de um bom trabalho por parte dele e expressou confiança na sua capacidade de levar a termo a tarefa com pouca ou nenhuma ajuda. Há um reforço adicional quando o produto final de um projeto é exibido ou apresentado à classe."

Alguns professores alegam que deixaram de utilizar as montagens eletrônicas ou nunca confrontaram os resultados simulados pelos alunos com os experimentais obtidos em bancada, por não terem tempo disponível nos programas. Com isso, a vantagem da abordagem baseada em projetos simulados de circuitos eletrônicos - que está na sua rapidez e na facilidade de ajustes de parâmetros para atender as restrições de projetos -, pode estimular os alunos a preterirem as montagens eletrônicas que normalmente são mais lentas e difíceis de serem realizadas ou custosas quando ligações errôneas provocam danos permanentes nos componentes elétricos ou eletrônicos.

5. METODOLOGIA UTILIZADA

Este trabalho não apresenta resultados de avaliações do uso efetivo das TLMs no processo de ensino-aprendizagem sob o ponto vista psicológico, tal como considerado por SKINNER (1999), em sua visão behaviorista ou em seus estudos sobre as máquinas de ensinar, realizadas em seu doutorado em 1956 no MIT. Atualmente, as máquinas de ensinar de Skinner foram suplantadas pelos avanços tecnológicos que permitiram o barateamento dos microcomputadores, possibilitando o uso destes na educação de forma intensiva.

Os autores concordam com as considerações de CAMPOS (1970), na área da psicologia da aprendizagem, que sabiamente recomenda que a verdadeira aprendizagem ou rendimento escolar consiste na soma de um conjunto de transformações operadas no aluno, com relação a: forma de pensamento, linguagem técnica, maneira de agir, atitudes, idéias e preferências, face às situações e problemas da matéria ensinada.

Os resultados foram obtidos pela observação de comportamentos terminais desejados e potencializados com o uso decorrente das TLMs propostas combinados com metodologia de microensino conceituada e desenvolvida por ALLEN (1967).

CARVALHO (1985) define o microensino como uma técnica simples aplicada normalmente na formação de professores que objetiva o desenvolvimento de habilidades em candidatos à docência antes mesmo que estes venham a entrar em sala de aula definitivamente. Os autores utilizaram essa técnica por sua simplicidade e agilidade no desenvolvimento de uma prática de ensino controlada, necessitando de apenas cinco etapas conforme apresentadas e descritas na Tabela 1.

	Etapa	Descrição
1	Planejamento de Habilidades de Ensino-aprendizagem	Cada habilidade de ensino-aprendizagem foi especificamente focalizada num pequeno período de aula que variou entre 15 e 50 minutos. Considerou-se, primeiramente, a mesma aula com e sem o uso de uma TLMs com turmas distintas.
2	Planejamento de Microaulas	Cada microaula foi aplicada à um pequeno grupo de alunos, entre 5 e 10 alunos. Em algumas situações professores das instituições visitadas participaram de microaulas como alunos. Os alunos foram avaliados por provinhas práticas e pesquisados por questionários de avaliação simplificados.
3	Registro das Microaulas	Algumas microaulas foram gravadas com uma câmera digital e outras com gravadores visando fornecer detalhes para a análise posterior.
4	Análise das Microaulas	As aulas gravadas foram analisadas e discutidas com alguns colegas professores de eletrônica e microeletrônica, visando melhorias nas práticas de ensino.
5	Ajuste	Algumas aulas precisaram ser replanejadas e foram executadas com outros grupos de alunos.

6. IMPLEMENTAÇÃO DO HARDWARE DAS MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM PROPOSTAS

Visando sempre envolver os professores para estimularem seus alunos nas práticas introdutórias do ensino em projetos de CIs CMOS, os autores propõem a utilização de pequenas máquinas de ensino-aprendizagem, na forma de kits eletrônicos didáticos padronizados contendo CIs CMOS comuns (SSI, MSI e LSI).

Para facilitar o nosso entendimento sobre a utilização das máquinas propostas, utilizou-se uma taxionomia própria indicada pelas siglas TM, LM, TLM com os seguintes significados: TM (teaching machine), para indicar que a máquina possui desenho e funcionalidade, visando atender às necessidades didáticas do professor; LM (learning machine), para indicar que a máquina foi desenhada para permitir o desenvolvimento de atividades práticas de aprendizagem, focando hábitos especiais nos alunos alvo da aprendizagem; TLM (teaching-learning machine), para designar a classe de máquinas que contempla, de uma maneira geral e irrestrita, todos os tipos possíveis de máquinas utilizadas nos processos de ensino-aprendizagem; e MMI (man-machine interface), para qualificar que o projeto da máquina proposta contemplou aspectos relevantes das interações decorrentes entre o homem e a máquina, nos termos conceituados em PREECE (1994, 2002) sobre HCI (human-computer interaction).

Essa abordagem metodológica baseada em máquinas de ensino-aprendizagem CMOS pode incrementar dramaticamente as atividades experimentais quando organizadas convenientemente para serem utilizadas ao longo dos semestres em disciplinas com ensino serializado.

Embora a principal vantagem dos programas de computador seja a velocidade de verificação de erros em projetos sem a necessidade de realizar as montagens práticas, uma vez que são bastante lentas e limitadas, a abordagem virtual acaba gerando uma desvantagem como conseqüência, que é o distanciamento cada vez maior dos alunos do fascinante mundo dos projetos baseados nas montagens práticas dos circuitos eletrônicos.

As TLMs devem ser utilizadas nas aulas de laboratórios para cristalizar o entendimento dos alunos sobre diversos aspectos importantes sobre a tecnologia CMOS em modernos projetos de CIs VLSI.

Os conceitos utilizados nas TLMs podem ser obtidos facilmente em livros textos tais como: MEAD e CONWAY (1980), MUKHERJEE (1986), FABRICIUS (1990, 1992), UYEMURA (1992), HILL e PETERSON (1993), PUCKNELL (1994), GAJSKI (1997), REIS (2000), OKLOBDZIJA (2002), RABAEY (2003) e ROZO (2003).

O projeto de um CI compreende dezenas de etapas que podem ser arranjadas em diferentes fases para formar um fluxo de projeto. De uma forma simplificada, este fluxo de projeto pode ser decomposto por 3 fases: especificação, projeto e validação.

Segundo REIS (2000), a fase de especificação é o ponto de partida de qualquer projeto. A especificação é responsável por definir a aplicação do produto, requisitos de comportamento, a sua arquitetura, tecnologia de implementação, condições de operação, pinagem, entre outros. Esta fase pode ainda incluir etapas de análise de custo e viabilidade do projeto, especificação de IPs e definição dos fornecedores e prestadores de serviço.

Segundo GAJSKI (1997), a fase de projeto é a fase responsável pela concepção do projeto, e é formada por diferentes etapas dependendo do tipo de projeto, podendo ser digital, analógico ou projeto de sinais mistos. Todos os desenhos das TLMs foram concebidos considerando-se os diversos aspectos de abstração em projetos de CI abordados em GAJSKI (1997): abstração comportamental, abstração estrutural e abstração física-geométrica.

O hardware utilizado pelos autores em algumas TLMs foi baseado na funcionalidade do CI CMOS CD4007, lançado pela Fairchild no final da década de 70, e vem sendo utilizado como interface entre sinais analógicos e digitais. Este CI contém apenas seis transistores, sendo três NMOS e três PMOS. Um par desses transistores está ligado como um inversor CMOS. Um segundo par de inversor CMOS apresenta os drenos dos transistores desconectados. E, o último par, apresenta os terminais de dreno e fonte desconectados.

Uma boa prática de ensino para desenvolver habilidades de estilo de projetos e verificação de erros em projetos full custom, onde o desenho do CI é livremente produzido e verificado pelos próprios alunos, baseia-se completamente na observação de regras de projetos sobre papel milimetrado ou quadriculado. Em ambas as situações, o professor poderá utilizar os recursos de exibição de grades do programa MS-WORD para orientar a documentação dos desenhos coloridos das células padronizadas cujos tamanhos poderão ser modularizados de forma adequada.

Como um jogo de quebra-cabeças, as Standard-Cells utilizadas no MS-WORD poderão ser usadas na montagem de TLMs embarcando circuitos integrados com funcionalidade compatível.

A Figura 1 mostra o desenho de uma TLM com Standard-Cell de uma porta AND2 com tamanho de 3 cm por 5 cm. Sobre um laminado de papelão grosso (1 ou 2 mm), ou uma placa de circuito impresso (1,6 mm), é colado esse desenho colorido feito no MS-WORD. E, na parte posterior se fixa o CI equivalente (que pode ser soquetado ou soldado em SMD). Na versão em papelão utiliza-se pequenos fios (AWG 28) para ligar os terminais de alimentação (VDD e GND), sinais de entrada (A e B) e saída (C). Assim, facilmente implementa-se uma funcionalidade real com eletrônica embarcada à geometria utilizada por uma Standard-Cell. Várias células foram desenhadas e implementadas rapidamente por essa técnica, proporcionando várias atividades práticas em laboratório.

Figura 1 - (a) TLM de um módulo de porta AND2 Standard-Cell (3 cm x 5 cm) e (b) o símbolo lógico da porta AND2 com o equivalente esquemático de transistores MOS.

A Figura 2 mostra o desenho do painel frontal de uma TLM para orientar práticas de projetos de CI, utilizando-se os conceitos de Sea-of-gates comumente empregados na arquitetura de funções reconfiguráveis das FPGAs. O painel contém um conjunto de três LEDs de entrada digital chaveada e dois LEDs para Y e Z para analisar sinais de saída. Dois conectores USB-A são utilizados para alimentação de 5 V com fonte de alimentação chaveado do tipo MP3.

Figura 2 - Leiaute do painel frontal da TLM Sea-of-gates (21 cm x 30 cm).

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os autores acreditam que as máquinas de ensino-aprendizagem propostas para auxiliar os professores nas atividades práticas de ensino em projetos de CIs CMOS, além de facilitar a compreensão dos alunos das diversas propriedades elétricas e práticas em projetos de circuitos eletrônicos integrados, reforça também a aprendizagem de conceitos relevantes em IC Design, estimula a criatividade e desenvolve habilidades em projetos microeletrônicos.

Desenhos de TLMs modulares usando descrição VHDL e Verilog HDL sobre etiquetas foram ainda elaborados para atender às necessidades da compreensão da síntese de alto nível de circuitos integrados digitais.

Para finalizar, concluímos que o presente trabalho com as máquinas de ensino-aprendizagem podem colaborar para a criação de novos espaços de aprendizagem muito superiores aos estudados por OBLINGER (2006) quando considerados em conjunto os princípios psico-pedagógicos por CAMPOS (1970), os elementos envolvidos nos processos de transposição didática de CHEVALHARD e JOSHUA (1991), e as questões de interface homem-máquina tratadas por PREECE (1994, 2004).

Agradecimentos

Os autores agradecem aos dirigentes das instituições de ensino: PSI/EPUSP, MPCE/FATEC-SP, CEFET/SP, SENAI/SP, ETESP/CEETEPS e Informática/UFRGS. E, também, por permitirem visitas às instalações durante os anos de 2006 a 2008, fazendo observações em sala de aula, e exercitando algumas atividades didáticas experimentais com seus alunos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALLEN, D. W. Microteaching: A Description. Stanford Press, Stanford, 1967.

AURICCHIO, Lígia de Oliveira. Manual de Tecnologia Educacional, Livraria Francisco Alves Editora S.A., Rio de Janeiro, 1978.

CAMPOS, Dinah M. S. Psicologia da Aprendizagem. Editora Vozes, Petrópolis, RJ, 1970, p. 232.

CARVALHO, Anna M. P. Prática de Ensino: Os Estágios na formação do professor. Livraria Pioneira Editora, São Paulo, 1985.

CHEVALHARD, Yves et JOSHUA, Marie-Alberte. La transposition didactique du savoir savant au savoir enseigné: suivie de un exemple dánalyse de la transposition didactique, La Pensee Sauvage Editions, 1991.

FABRICIUS, Eugene D. Introduction to VLSI Design. McGraw-Hill, USA, 1990.

FABRICIUS, Eugene D. Modern Digital Design and Switching Theory. CRC Press, Boca Raton, USA, 1992.

GAJSKI, Daniel D. Principles of Digital Design. Prentice-Hall, New Jersey, 1997.

HILL, Frederick J.; PETERSON, Gerard R. Computer Aided Logical Design With Emphasis on VLSI. John Wiley & Sons, Fourth Edition, USA, 1993.

KUETHE, James L. O Processo de Ensino-Aprendizagem. Editora Globo, Porto Alegre, 3ª Edição, 1978.

MEAD, Carver; CONWAY, Lynn. Introduction to VLSI Systems. Addison-Wesley, USA, 1980.

MUKHERJEE, Amar. Introduction to nMOS and CMOS VLSI Systems Design. Prentice-Hall, Englewood Cliff, USA, 1986.

OBLINGER, Diana G. (Editor) Learning Spaces, Educause, 2006.

OKLOBDZIJA, Vjin G., editor-in-chief. The Computer Engineering Handbook. CRC Press, Boca Raton, USA, 2002.

OLIVEIRA, Romualdo P.; ADRIÃO, Theresa. Organização do Ensino no Brasil: Níveis e modalidades na Constituição Federal e na LDB. Xamã, São Paulo, 2ª Edição, 2007.

PERRELLI, Maria A. S. Uma Epistemologia dos Conteúdos das Disciplinas Científicas: As Contribuições da "Transposição Didática". 1996. Artigo CED, Universidade Federal de Santa Catarina.

PLAISANCE, Eric; VERGNAUD, Gerard. As Ciências da Educação. Edições Loyola, São Paulo, 2003.

PREECE, Jennifer [et al.] Interaction Design: beyond human-computer interaction, John Wiley & Sons, New York, 2002.

PREECE, Jenny [et al.] Human-Computer Interaction, Pearson Addison-Wesley, Boston, 1994.

PUCKNELL, Douglas A. [et al.] Basic VLSI Design. Prentice-Hall, Third Edition, 1994.

RABAEY, Jan M. [et al.] Digital Integrated Circuit: A Design Perspective. Prentice-Hall, New Jersey, USA, Second Edition, 2003.

REIS, Ricardo Augusto da Luz. Sistemas Digitales: Síntese Física de Circuitos Integrados. CYTED, Bogotá, Colombia, 2000, 373 p.

ROZO, Antônio García. Sistemas Digitales: Metodologías de Diseño VLSI. CYTED, Bogotá, Colombia, 2003, 252 p.

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica, Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2008.

SKINNER, B. F. Sobre o Behaviorismo. Editora Cultrix, São Paulo, 1999.

UYEMURA, John P. Circuit Design for CMOS VLSI. Kluwer Academic Publishers, USA, 1992.

WESTE, Neil H. E.; HARRIS, Davis. CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, Addison-Wesley, Boston, Third Edition, 2004.

REFERÊNCIAS ELETRÔNICAS

[1] Página oficial do Programa CI Brasil do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT): http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/31525.html

[2] Primeiro Centro de Treinamento para Formação de Projetistas de Cirsuitos Integrados (CT#1): http://www.nscad.org.br/

[3] Segundo Centro de Treinamento para Formação de Projetistas de Cirsuitos Integrados (CT#2): http://www.ci-brasil.gov.br/

[4] Estratégias de Fomento à criação e implantação de empresas de Projetos de Circuitos Integrados - Design Houses (DH). Documento integrante do programa Ci Brasil, 2005. Acessado em 10/08/2008: http://www.mct.gov.br/upd_blob/0008/8078.pdf

[5] Página oficial do Programa Nacional de Microeletrônica do Ministério de Ciência e Tecnologia (PNM/MCT): http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/2781.html

[6] Primeira fábrica de circuitos integrados do Brasil (CEITEC/MCT): http://www.ceitecmicrossistemas.org.br/

[7] Empresa de EDA tools para FPGA: http://www.altera.com/

[8] Empresa de EDA tools para FPGA: http://www.xilinx.com/

[9] Empresa de EDA tools para FPGA: http://www.actel.com/

[10] Empresa de EDA tools para FPGA: http://www.aldec.com/

[11] A maior empresa de EDA tools para ASIC: http://www.cadence.com/

[12] A segunda maior empresa de EDA tools para ASIC: http://www.synopsys.com/

[13] A terceira maior empresa de EDA tools para FPGA/ASIC: http://www.mentor.com/

[14] A quarta maior empresa de EDA tools para ASIC: http://www.magma-da.com/

[15] A maior fábrica de circuitos integrados do Mundo: http://www.tsmc.com/

[16] A segunda maior fábrica de Cis de Taiwan: http://www.umc.com/

[17] Fábrica alemã de circuitos integrados: http://www.xfab.com/

[18] Projeto de bibliotecas Standard Cell CMOS / VLSI usando o Software Alliance: http://vlsitechnology.org/

[19] Software Alliance, baseado no conceito de software livre voltado para projetos VLSI da Universite Pierre & Marie Currie, França. Disponível em: http://www-asim.lip6.fr/recherche/alliance/

[20] Página oficial da Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica do MEC. Disponível em: http://portal.mec.gov.br/setec/

[21] Catálogo Nacional de Cursos Técnicos da SETEC/MEC. Disponível em: http://portal.mec.gov.br/setec/arquivos/pdf3/catalogo_tecnicos.pdf

PROPOSAL OF TEACHING-LEARNING MACHINES FOR CMOS IC DESIGN TEACHING

Abstract: This paper presents proposal in the area of Education in Microelectronics which aims to enrich the educational practices adopted in the area of projects of integrated circuits through the use of teaching-learning machines (TLMs) in classes, laboratories and auxiliary instruments and complementary to the theoretical. The TLMs proposals allow the experimental verification of fundamental concepts in VLSI design, such as: NMOS and PMOS transistors biasing, CMOS inverters, curves of transferring CMOS inverter, implementation of various static and dynamic CMOS logic using the pass-transistor or transmission gates (NAND, NOR, AND, OR, XOR, XNOR, MUX, DECODER, Half Full ADDERs and ADDERs), Latches, flip-flops and cells of memory (RAM and ROM). The methodology used was based on a literature search, observations in the classroom, participation in educational projects, student's interview and professors of microelectronics. The TLMs were constructed in the form of cardboard panels, 100 cm x 70 cm loaded with electronic modules, or sets of printed circuit boards with A4 size up to A10 size, interlinked with each other through connectors, cables and electrical standardized packed in synthetic rubber flexible boxes. It was the combined use of these materials with different techniques of electronic assemblies. On layout of TLMs were considered aspects of human-machine interaction (MMI and HCI) and design interactions from PREECE (2002), and the didactical implementation from CHEVALHARD and JOSHUA (1981). The effective learning results using TLMs were obtained through dynamic based on microteaching from ALLEN (1967).

Key-words: Microelectronics Education, IC Design, Didactical transposition, Teaching practices, Teaching-learning machines.

Proposta de Máquinas de Ensino-Aprendizagem para Transposição Didática em Projetos de Circuitos Integrados Digitais CMOS

2008-01-18T23:52:00.015-02:00

ROSA, Carlos A. & NOIJE, Wilhelmus A. M. V.

Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da USP

LSI/PSI/EPUSP, {carlos.rosa, wilhelmus.noije}@ poli.usp.br

Resumo: Esse trabalho apresenta propostas de máquinas de ensino-aprendizagem (TLM), na forma de tabuleiros e painéis eletrônicos dedicados, que foram criadas para desenvolver hábitos especiais nos usuários por meio de atividades práticas específicas induzidas por um processo instrução programada visando a familiarização de alunos com conceitos relevantes utilizados em Projetos de Circuitos Integrados CMOS/VLSI. Essas TLMs estão sendo estudadas no Brasil e apresentam as seguintes caracterísicas gerais: baixo custo e facilidades de construção, permite a verificação prática de conteúdos teóricos sem a utilização de software simuladores, permite que o processo de ensino seja direcionado tanto por instrução supervisionada quanto por instrução programada facilitando a implantação de um ensino individualizado por auto-instrução, dispensa o uso de bancadas de trabalho horizontais convencionais, não ocupa grandes volumes de armazenagem, não precisa de ambientes especiais de aprendizagem - salas especiais ou sala ambientais - como os tradicionais laboratórios de eletrônica e nem mesmo de salas de microcomputadores. Facilmente as TLMs podem ser utilizadas durante as aula teóricas e podem apresentar excelentes resultados pedagógicos. As máquinas propostas mostraram-se excelentes recursos pedagógicos para trabalhar com alunos iniciantes na aprendizagem da eletrônica e foram verificados em algumas escolas públicas brasileiras tradicionais destinadas ao ensino técnico de nível médio e ao nível superior nas áreas tecnológicas de engenharia elétrica e computação.

Palavras chaves: Tecnologia Educacional, Máquinas de ensino-aprendizagem, TLM (Teaching-Learning Machine), Transposição Didática, Instrução Programada, Sala Ambiente, Máquinas CMOS.

1. Introdução

Durante os anos de 2006 e 2007 alunos e professores de escolas técnicas de eletrônica e de instituições superiores de ensino de tecnologia e engenharia na cidade de São Paulo foram consultados sobre algumas questões relativas às práticas de ensino em seus laboratórios. As escolas técnicas visitadas foram o SENAI (alunos dos cursos de eletrônica e telecomunicações), CEFET/SP (alunos dos cursos de eletrônica, telecomunicações e automação industrial), ETECs do Centro Paula Souza (alunos do curso de eletrônica) e LICEU de Artes e Ofícios de São Paulo (alunos do curso de telecomunicações). As instituições de ensino superior de tecnologia foram FATEC/SP (alunos dos cursos de mecânica de precisão e MPCE - materiais, processos e componentes eletrônicos), CEFET/SP (curso de sistemas digitais) e engenharia elétrica da Escola Politécnica da USP.

Esse trabalho apresenta alguns resultados preliminares de pesquisa realizadas nessas instituições que resultaram no desenvolvimento de um proposta de utilização alternativa de máquinas de ensino-aprendizagem [1] conjuntamente às aulas prática de eletrônica.

Para facilitar o nosso entendimento sobre a utilização das máquinas propostas, ao longo desse texto utilizaremos algumas siglas onde atribuímos os seguintes significados:

TLM (Teaching-Learning Machine) será utilizada de uma maneira geral para designar qualquer máquina empregada com propósitos didáticos dentro de um contexto educacional cujas interações com às funcionalidades dos seus elementos constitutivos ocorrem com professores e alunos.
TM (Teaching Machine) será utilizada para indicar o sub-grupo de TLMs cujas interações com as funcionalidades ocorrem exclusivamente para atender às necessidades didáticas dos professores, e
LM (Learning Machine) será utilizada para indicar o outro sub-grupo das TLMs onde as interações foram criadas de tal forma a desenvolver hábitos especiais nos alunos através de atividades práticas podendo ser intensivas ou não, atendo às necessidades especiais de uma instrução técnica específica ou mais mais geral de uma formação acadêmica.

Observando as atividades didáticas nos laboratórios de eletrônica das instituições visitadas pudemos identificar várias situações em que as TLMs poderiam contribuir fortemente nos processos de ensino-aprendizagem.

Os objetos de aprendizagem através das TLMs variam para atendem os objetos de ensino de cada formação. Por exemplo, o objeto de ensino de nível médio difere quase totalmente do objeto de ensino de nível fundamental. Quanto a esse aspecto não levantamos nenhuma objeção. Porém, quando falamos em objetos de ensino de uma formação técnica de nível médio ou formação superior (seja em nível tecnológico ou bacharelado), poderá surgir várias objeções se a distribuição dos conteúdos, embora muito similares entre si, atendem ou não aos propósitos pretendidos em cada formação.

De um modo geral, é intuitivo pensar que não podemos inserir numa formação de nível médio todo um conjunto de conhecimento comum de uma formação de nível superior. Em termos práticos poderíamos dizer que nenhum professor seria louco de ensinar cálculo diferencial e integral no ensino médio enquando seus alunos ainda estão aprendendo os rudimentos da álgebra.

Dessa situação hipotética, o professor poderia verificaria rapidamente que seus alunos não conseguem adquirir autonomia para resolverem problemas facilmente seriam resolvidos através do cálculo. Por exemplo, para calcular a área de um círculo qualquer aluno sabe de cor, porém quando se deseja calcular a área por curvas ligeiramente circulares aí começam a surgir os problemas para os alunos do ensino médio.

Alguns alunos poderão tentar decompor em áreas de círculos menores, em pequenos quadrados menores e acertar os excessos e ausência de áreas na região próximas às curvas, outros poderão imaginar áreas trapezodais etc.

Mas essas questões levam mais tempo para serem discutidas e verificadas no ensino médio e não daria para atender toda a grade curricular. A distribuição dos conteúdo escolares em disciplinas e a determinação do tempo para dar cumprimento aos objetivos propostos vão fazer parte de uma outra esfera de desafios que cabem aos gestores resolverem conjuntamente com os educadores.

Vemos então alguns conceitos importantes se contrapondo entre si para terem mais atenção. Um tempo rígido que não pode ser aumentado para que o concteúdo programado para a disciplina possa verificado nunca está de acordo com o conceito do ideal exigido pela matéria em estudo. O educadores quando verificam a aprendizagem de seus alunos observam que as habilidades nos alunos pretendidas raramente são satisfeitas. E, nesse ponto o ensino real fica sempre muito aquém do ensino ideal.

Dentre as várias possibilidades que temos para resolver essas questões optamos por inserir nesse contexto educacional o uso de máquinas de ensino-aprendizagem dedicadas ao ensino técnico cujo objetivo principal é potencializar o ensino real para que a aprendizagem alcance as habilidades ideais dentro dos prazos previstos.

O projeto de TLMs de um modo geral para servirem aos propósitos a que se destinam devem seguir algumas diretrizes gerais que denominamos "Especificações práticas para projeto e construção de TLMs" que serão examinadas a seguir.

Nessa especificação prática, as técnicas construtivas das TLMs foram elaboradas para que tantos os docentes quanto os alunos participem das atividades de especificação e de montagem das máquinas. Já que estas atividades atendem perfeitamente aos propósitos didáticos inerentes ao processo de ensino-aprendizagem através de laboratórios experimentais. Dentre todos os espaços de aprendizagem que podem dispor uma instituição de ensino, os laboratórios experimentais, de uma maneira geral, são os melhores recursos institucionais que podemos dispor na atualidade, pois é através dos recursos didáticos existentes nas salas ambientes de aprendizagem que melhores resultados instrucionais podem ser alcançados.

As salas ambientes de aprendizagem podem criar as condições fundamentais para um ambiente motivador pois as aulas podem ficar muito mais interessantes do ponto de vista pedagógico. As atividades podem proporcionar maior interatividade com os temas teóricos estudados confrontando-os com a correspondente atividade prática. Essas atividades tornam as aulas mais dinâmicas e menos entediantes proporcionando maior integração entre docentes e alunos.

Nos próximos ítens apresentaremos os fundamentos teóricos da transposição didática, uma visão geral sobre a teoria das máquinas de ensino-aprendizagem, uma proposta de protótipos de TLMs destinados ao estudo de conceitos fundamentais em projetos de circuitos integrados digitais CMOS [2] e uma proposta de sala ambiente para CMOS Design.

2. Fundamentos Teóricos da Transposição Didática

O termo transposição didática [3][4] utilizado no título dessetrabalho é a chave mestra que fundamenta o objeto da pesquisa na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Os fundamentos da transposição didática foram inicialmente apresentados por Yves Chevalhard (1991). Em seu livro que aborda os métodos e técnicas utilizadas nos processos que permitem transformar objetos de saberes conhecidos (du savoir savant) em objetos de saberes de ensino (au savoir enseigné). Isto é, segundo Chevalhard, de todos os conhecimentos assimilados e desenvolvidos pelo homem raramente farão parte de qualquer grade curricular dos sistemas de ensino. Isso é facilmente justificado pelo fato das escolas, de uma maneira geral, optarem por uma formação mais generalista que dá total atenção ao ensino de conteúdos gerais em oposição aos conhecimentos pesquisados e desenvolvidos nas universidades que se movimentam em direção contrária, e se aprofundam cada vez mais em conhecimentos especializados, cada vez mais particularizado. Assim, por esses motivos muitos desses conhecimentos especilizados e já há muito tempo dominados no contexto acadêmico jamais participarão de qualquer grade curricular de ensino de escolas de ensino médio.

Diante do exposto podemos concluir duas importantes conseqüências do ensino, uma baseada na formação generalista e a outra na formação especialista. Uma formação generalista permite que todo o conhecimento já conhecido (savoir savant) seja ensinado ao público (savoir enseigné) apenas de forma enciclopédica, isto é, de forma resumida, visando principalmente desenvolver nos alunos habilidades mais abstratas baseadas na articulação conceitual que cercam tais conhecimentos. Essa abordagem generalista é o princípio que vem norteando as diretrizes curriculares estabelicidas pelos órgãos oficiais reguladores dos sistemas de ensino fundamental e médio em quanse todos os países, há pelo menos um século. Essa formação generalista visa proporcionar aos alunos as condições necessárias para um ingresso em qualquer área de uma formação acadêmica futura.

Por outro lado, uma formação especialista permite que os conhecimentos sejam ensinados de uma forma mais particularizada e aprofundada sobre certos aspectos práticos da vida, dentro de contextos particulares do cotidiano. Com isso, uma formação especialista para ser eficaz precisa voltar-se para o desenvolvimento de habilidades profissionais visando transformar alunos em profissionais com conhecimento técnicos suficientes para atender às necesidades do mercado de trabalho e não para o mundo acadêmico.

Do exposto, vimos que em termos teóricos e gerais que a transposição didática é uma processo que se preocupa com as questões de transformar objetos de saberes conhecidos em objetos saberes ensinados. A transposição didática é uma metodologia que transforma esses saberes teóricos em saberes utilizados nas práticas de ensino. Em nosso caso particular, a transposição didática assume aspectos de natureza prática sendo constituída por uma metodologia que integra um conjunto de atividades didáticas, processos construtivos e recursos eletrônicos para compor os meios necessários para que conhecimentos especializados na área de projetos de circuitos integrados digitais CMOS sejam adaptados para o uso em salas ambientais de tecnologia em escolas do ensino fundamental (alunos de 5ª a 8ª séries) e ensino de nível médio para desenvolver propostas de temas transversais na área da tecnologia digital. E, para as escolas técnicas de eletrônica as mesmas máquinas MOS, através do desenvolvimento de um roteiro de experiências baseados nos modelos da instrução programada proporcionariam aos alunos uma imersão no mundo da microeletrônica e na prática de modelagem de circuitos integrados digitais CMOS.

3. Teoria das Máquinas de Ensino-Aprendizagem

O desenvolvimento de recursos pedagógicos auxiliares aos professores de projetos de sistemas eletrônicos em circuitos integrados pode ser bastante úteis fornecendo orientações gerais para se construir módulos de máquinas de ensino-aprendizagem virtuais e não-virtuais, baseadas em práticas de montagens de circuitos eletrônicos nos padrões da especificação FLEXLAB [5]. Como máquinas virtuais podemos considerar a maioria de software para EDA (Electronic Design Automation) [6] e os diversos programas de simulação de circuitos eletrônicos.

As máquinas de ensino-aprendizagem que estão sendo concebidas para trabalha na prática em ambiente reais de forma interativa, onde visamos criar as condições necessárias para motivar e atrair jovens das escolas técnicas para área de projetos de circuitos integrados em ensinos superiores de tecnologia e/ou de engenharia elétrica.

Os módulos das máquinas de ensino-aprendizagem abordada nesse trabalho permitem experimentar alguns conceitos essenciais e comuns da área de projetos de circuitos integrados digitais CMOS. Foram desenvolvidos alguns conjuntos para um contato iniciail e histórico com as tecnologia digitais do passado baseadas em junções bipolares onde as atividades didáticas prelimares foram ambasadas em pequenos tutoriais ministrados nas disciplinas introdutórias de eletrônica, tais como: transistores bipolares operando como chaves e seu uso em circuitos digitais com lógica RTL, DTL e TTL. Na Figura 1 abaixo podemos observar alguns pequeno módulos usados no que foi chamado de máquinas bipolares que permite contemplar uma análise mais detalhada das tecnologias usando os transitores bipolares.

Figura 1 - Máquinas Bipolares: RTL, DTL e TTL.

Na Figura 2 é apresentado diversas formas possíveis de se conectar os diversos módulos criados para das características elétricas e o estudo das diversas tecnologias empregadas nessas máquinas bipolares.

a b
Figura 2 - Sistemas de Interconexão entre módulos das Máquinas Bipolares.

Para o estudo das características elétricas dos transistores de tecnologia MOS e o comportamentos lógicos das portas lógicas usando a tecnologia CMOS foram elaborados outros conjuntos de TLM. Nessa foram desenvolvidos dois tipos de máquinas MOS para atender duas finalidades distintas: as atividades do professor e as atividades dos alunos. As máquinas usadas pelos professores foram denominadas máquinas de ensinar (TM). As TMs são máquina projetadas na forma de painéis didáticos com grandes dimensões (70 cm x 100 cm) para servir de auxílio às atividades docentes durante a apresentação introdutória das tecnologias de dispositivos MOS e da lógica digital CMOS. As máquinas de aprendizagem, designadas pela sigla LM, é um outro conjunto de máquinas em formatos portáteis destinados ao uso individualizados pelos alunos. As LMs poderão ser baseadas em plataforma portáteis na forma de consoles, notebooks ou tabuleiros com dimensões menores que o formato padrão A3 (297 mm x 420 mm) e que poderão ser alimentados por baterias recarregáveis, fontes chaveadas externas ou mesmo embutidas na plataforma.

4. Propostas de TLMs para Aulas de CMOS Design

A Figura 3 ilustra o layout da interface usada no painel frontal de duas LMs chamadas máquinas MOS Sea-of-Gates (a) e Sea-of-Transistors (b), ambas com dimensões A4 (210 mm x 297 mm). Ambas as máquinas MOS apresentam um layout para modelagem geométrica de circutos integrados usando transistores NMOS e PMOS para composição de portas lógicas básicas. A primeira máquinas, em (a), utiliza-se a tecnologia Sea-of-Gates para projetar circuitos integrados, enquanto a segunda máquina, em (b), é utilizadas para uma modelagem mais geral de circuitos lógicos usando a tecnologia Sea-of-Transistors. Nessas máquinas os alunos aprendem como interligar os transistores NMOS e PMOS, através de metalização para formar as portas lógicas básicas (Inversor CMOS, portas NAND e AND de duas entradas, portas NOR e OR de duas entradas, transistores de passagem, portas de transmissão, chave analógica, Latch, célula RAM, Flip-Flop RS e portas através de multiplexadores). Na parte superior dessas LMs MOS estão presentes dois conectores USB destinados à interconexão da fonte de alimentação de 5 Vdc. Na parte central superior estão disponíveis três chaves binárias (do tipo liga-desliga) com LEDs indicadores de estados para servir de entrada de dados na manipulação do sinal de teste das variáveis A, B e C para as portas lógicas que estão sendo analisadas ou projetadas pelos alunos.

a b

Figura 3 - Modelos de Máquinas MOS: (a) sea-of-gates e (b) sea-of-transistors.

Os transistores MOS (NMOS e PMOS) podem ser interconectados de diversas maneiras para se construir a funcionalidade de vários tipos de circuitos lógicos e, ainda, pode-se utilizar para testar as diferentes técnicas de projetos de circuitos integrados com a tecnologia CMOS, por exemplo, a lógica CMOS Estática e a lógica CMOS Dinâmica.

Para o uso eficiente dessas LMs se faz necessário a criação de um tutorial escrito e que deve ser disponibilizado aos alunos na forma de uma apostila ou e-book. Um formato prático para compor os tutoriais das LMs poderia ser baseado nos modelos usados nas instruções programadas (modelo seqüencial, ramificado ou misto). Um roteiro básico para um tutorial CMOS poderia iniciar mostrando o comportamento elétricos isalado dos transistores NMOS e PMOS do tipo enriquecimento, e depois a construção do inversor CMOS e o levantamento experimental de sua curva de transferência. Em seguida, seriam mostradas as diversas configurações usadas nas construção de portas simples com lógica CMOS estática, para em seguida, apresentar portas lógicas CMOS dinâmicas. Assim, os alunos vão adquirindo os conhecimentos fundamentais e aprendem as idéias básicas usadas em projetos das portas básicas. Aos poucos, por esse método passo-a-passo, os alunos vão construindo circuitos lógicos mais complexos usando blocos lógicos mais sofisticados envolvendo o uso de transistores de passagem e de transmission gates.

Na Figura 4 pode-se observar as duas configurações possíveis para se interconectar as Máquinas MOS Sea-of-Gates ou Sea-of-Transistors.

a b

c
Figura 4 - Configurações de Máquinas MOS: (a) Sea-of-Gates, (b) configuração Estrela e (c) configuração em Cascata.

5. Sala Ambiente de Aprendizagem usando TLMs para CMOS Design

Entendemos por sala ambiente toda e qualquer sala dentro de uma instituição de ensino equipada com recursos de tecnologia educacional para atender propósitos educacionais.

Em termos gerais, normalmente as salas ambientes necessitam de uma infra-estrutura especial, operacionalização com pessoal especializado para dar suporte técnico sempre necessário para garantir a funcionalidade desejada. Por envolver recursos financeiros, normalmente escassos, a implantação de salas ambientes requer uma etapa de planejamento para otimizar esses recursos para as aquisições. Por isso, é preciso que seja muito bem planejada.

Os microcomputadores do tipo desktop, notebooks, tablets, PDAs e softwares educacionais utilizados em alguns laboratórios de informática constituem as máquinas de ensino-aprendizagem mais avançadas e de uso geral existentes na atualidade. Atualmente é quase impossível encontrar uma instituição de ensino moderna que não se disponibilize de tecnologias avançadas e salas ambientes com microcomputadores.

Nas escolas técnicas e de engenharia é comum encontrarmos professores desenvolvendo as atividades experimentais com seus alunos em laboratórios especiais para eletrônica, telecomunicações, mecânica, mecatrônica, robótica e etc, usando salas ambientes dedicadas. Essas salas ambientes são especializadas e requerem planejamentos especiais para permitirem que as atividades de ensino-aprendizagem de cada área possam atender às expectativas dos educadores, reproduzindo às vezes as mesmas características de um ambiente de trabalho no mundo real.

Algumas instituições utilizam de modo compartilhado as salas de informática como salas de eletrônica para a experimentações para permitir um interfaceamento de um hardware ou kits de avaliação ou desenvolvimento interligado com um microcomputador por meio de suas portas de comunicação serial, paralela ou USB.

----Corrigir esse parágrafo----

Embora, atualmente, seja praticamente impossível projetar manualmente circuitos integrados VLSI, cada vez mais o uso de um software simuladores e CAD para VLSI Design sejam necessários, observamos que para o ensino dos rudimentos de projetos de circuitos para aqueles alunos iniciantes na área, em termos educacionais, constituem grandes obstáculos durante o processo de ensino-aprendizagem.

----

Com o propósito de transpor esses obstáculos foram desenvolvidas e testadas algumas propostas de máquinas de de ensino-aprendizagem sem a utilização de recursos computacionais sofisticados e sem a utilização de salas ambientes.

Podemos dizer que a utilização das máquinas de ensino-aprendizagem propostas para projetos de circuitos integrados CMOS/VLSI não exigem recursos especiais de salas ambientes convencionais. Por exemplo, podemos utilizar qualquer espaço de aprendizagem da instituição de ensino como sala ambiente. Assim, os corredores internos, as salas de aula teórica, os auditórios, os pátios escolares, etc são espaços de aprendizagem.

Algumas máquinas de ensino-aprendizagem foram projetadas e contruídas em painéis e/ou laminados padronizados com dimensões adequadas para serem facilmente transportados por alunos e professores través de suas alças. Esses painéis facilmente são fixados na parede ou nas bordas das lousas através de ganchos metálicos de fixação.

De um modo geral podemos imaginar um instituição de ensino utilizando em todo o seus espaço ocioso como espaço de aprendizagem. Nessa categoria enquadramos as paredes vazias também como espaços de aprendizagem, justamente, porque nelas podemos fizar nossas máquinas de ensino-aprendizagem na forma de painéis.

6. Conclusão

No aspecto particular da baixa exigência de salas ambientes, da utilização das paredes das instituições de ensino como espaços de aprendizagem e da utilização intensiva de máquinas de ensino-aprendizagem nas instituições de ensino, esse trabalho é essencialmente inovador.

Essa estratégia de utilizar máquinas de ensino-aprendizagem em instituições de ensino técnico e tecnológico possibilitou o desenvolvimento de uma familiarização mais amigável dos alunos com a alta tecnologia envolvida em projetos de circuitos integrados.

Através de um roteiro ou tutorial, pudemos desenvolver algumas experiências como atividades práticas de laboratório. Algumas técnicas de projetos de circuitos integrados foram apresentadas em sala de aula através do uso de software de simulação de circuitos e chegando a utilização de software CAD/VLSI como MicroWind e o Electric.

Foram trabalhados com esses alunos vários conceitos de projetos de circuitos lógicos digitais utilizando tecnologia CMOS. Foram aprensentados o funcionamento das portas lógicas (estática e dinâmica), lógica CMOS utilizando transistores passagens e transmission gates. Foram apresentados também o funcionamento e uma teoria simplificada dos circuitos lógicos programáveis utilizando-se de técnicas tais como sea-of-gates e sea-of-transistors para a composição de arquiteturas de chips CPLD e FPGA. Finalmente foram apresentados os modelos descritivos de hardware HDLs (VHDL e Verilog) como recursos tecnológicos avançados para a projeção ou geração automáticas de circuitos digitais.

Com essa estratégia de máquinas de ensino-aprendizagem em sala de aula e aplicadas à projetos de circuitos integrados digitais CMOS/VLSI, ficaram evidentes que os alunos se sentem muito mais atraídos e envolvidos pela área de projetos. Notamos fortemente o entusiamo dos alunos e professores na interação com as máquinas e querendo saber muito mais sobre como circuitos integrados mais avançados são projetados. As perguntas e curiosidades dos alunos sobre os circuitos integrados foram inúmeras: física de semicondutores, processos de fabricação existentes, tecnologia e tipos de encapsulamento possíveis, arquitetura de microprocessadores e microcontroladores, MEMs e micromáquinas, sensores inteligentes, nanotecnologia e outros.

As três formas possíveis de abstração em projetos de circuitos integrados estudada por Gajsky-Kuhn (1982) ficaram mais evitentes aos alunos envolvidos e puderam verificar na prática como funciona a modelagem comportamental, modelagem estrutural e a modelagem geométrica de uma função lógica.

Finalmente, pudemos concluir que as máquinas de ensino-aprendizagem utilizadas nesse trabalho podem constituir excelentes recursos metodológicos de transposição didática e nos permitiu transformar alguns saberes científicos usados em um segmento particular de alta tecnologia, área de projetos de projetos de circuitos integrados CMOS/VLSI, em saberes escolares ensináveis a alunos de escolas técnicas iniciantes na área de eletrônica.

7. Referências

[1] Books Máquinas de Ensino

[2] Books CMOS

[3] Web search Transposição Didática

[4] Books Transposição Didática

[5] FLEXLAB - Especificação [pdf]

[6] Books EDA

[7] CHEVALHARD, Yves et JOSHUA, Marie-Alberte. La transposition didactique du savoir savant au savoir enseigné: suivie de un exemple dánalyse de la transposition didactique, La Pensee Sauvage Editions, ISBN 2859190783, 1991. [Google Books, Dedalus IME/USP]

[8] ORTON, Anthony. Learning Mathematics: Issues, Theory and Classroom Practice, Cassell, London, 224 p, ISBN 0826471137, 2004. [Read This Book OnLine]

[9] OBLINGER, Diana G. (Editor) Learning Spaces, Educause, ISBN 0967285380, 2006. Livro completo disponível em no endereço <http://www.educause.edu/learningspaces/> [Amazon.com]

[10] PREECE, Jenny [et al.] Human-Computer Interaction, Addison-Wesley, ISBN 0-201-62769-8, 1994. [Google Books, HCI Books, Amazon]

[11] PREECE, Jennifer [et al.] Interaction Design: beyond human-computer interaction, John Wiley & Sons, USA, ISBN 0-471-49278-2, 2002. [Google Books, HCI Books, Amazon]

[12] MMI - Man-Machine Interface [Google Books]

[13] HCI - Human-Computer Interaction [Google Books]

Links a Serem Verificados

2007-08-23T17:14:00.000-03:00

Instituto de Psicologia da UFRGS
http://www.psicologia.ufrgs.br/ (Home)
http://www.psico.ufrgs.br/educadi/ (Diretórios)

Microprocessadores da Intel

2007-08-12T00:11:00.000-03:00

Discontinued

Intel 4004
Intel 4040
Intel 8008
Intel 8080
Intel 8085
Intel iAPX 432
Intel i860
Intel 8086
Intel 8088
Intel 80186
Intel 80188
Intel 80286
Intel 80386
Intel 80486
Pentium
Pentium Pro
Pentium II
Pentium III
Itanium
Pentium 4
Pentium D
Pentium_D#Pentium_Extreme_Edition
Pentium_M

Current

Intel Pentium Dual-Core
Intel Core
Intel Core 2
Celeron
Xeon
Intel XScale
Itanium

Fonte: Wikipedia

Biografias

2007-08-11T23:51:00.000-03:00

Aristotle
Alexander Graham Bell
Anaximander
Claude Elwood Shannon
Democritus
Diogenes Laertius
Epicurus
Federico Faggin
Gordon Moore
Gottfried Leibniz
Heraclitus
Isaac Barrow
Isaac Newton
Melissus of Samos
Parmenides
Plato
Pythagoras
Socrates
Thales
Thomas Edison
Zeno of Elea

Fonte: Wikipedia

Experiências Científicas para Crianças

2007-08-08T18:48:00.000-03:00