Software ARENA - Eletricidade e Simulação

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UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE DE 
SIMULAÇÃO ARENA PARA CRIAÇÃO 
DE FERRAMENTAS DE APOIO AO 
ENSINO 
 
 
Jonathan Velasco da Silva 
(Instituto Federal Fluminense) 
Dalessandro Soares Vianna 
(Universidade federal Fluminense) 
Eduardo Shimoda 
(Universidade Candido Mendes) 
Rogério Trindade Lisboa 
(Universidade Candido Mendes) 
 
 
 
Resumo 
Devido as dificuldades que o professor encontra em sala de aula para 
ministrar conteúdos que envolve conhecimento de física e matemática 
para os alunos, lançam-se mão de diversas metodologias de ensino, 
nas quais encontra-se em constante crrescimento o desenvolvimento de 
ferramentas computacionais que simulam os processos físicos. Este 
artigo apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional, 
para o ensino de circuitos elétricos, presente na disciplina de 
eletricidade dos cursos técnicos da área industrial, utilizando o 
software de simulação Arena na versão Student. São apresentados 
também os resultados quanto a percepção dos alunos no uso da 
ferramenta e a influência do recurso no desempenho estudantil dos 
discentes. 
 
Palavras-chaves: eletricidade, ensino, simulação, Arena. 
12 e 13 de agosto de 2011 
 
ISSN 1984-9354 
 
 
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12 e 13 de agosto de 2011 
 
 
 
 
 
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1- INTRODUÇÃO 
 O setor industrial está em constante crescimento no Brasil, a cada ano aumenta o 
número de empregos gerados, surgindo uma demanda de profissionais qualificados para 
assumir esses empregos. Segundo a PIMES (Pesquisa Industrial Mensal Emprego e Salário) 
(2010), no mês de novembro de 2010 houve um aumento de geração de emprego de 3% em 
todas áreas pesquisadas com relação a novembro de 2009. Devido a essa demanda de 
profissionais de nível técnico, a procura pelos cursos técnicos profissionais também está 
aumentando. O resultado dessa busca pelos cursos técnicos pôde ser observado, ao comparar 
o número de inscritos nos cursos da área industrial no processo seletivo realizado pelo 
Instituto Federal Fluminense em 2009 e 2010, onde o número de candidatos em 2010 foi 11% 
maior que os candidatos de 2009. 
A grande dificuldade nos cursos técnicos ligados as áreas de ciências exatas está na 
capacidade de raciocino lógico do aluno e ao mesmo tempo um bom desempenho em cálculos 
matemáticos. Para despertar no aluno a capacidade de entendimento dos processos e 
fenômenos, as escolas técnicas lançam mão de vários artifícios tecnológicos que trazem ao 
discente maior visibilidade de como os fenômenos ocorrem. Segundo Fiolhais e Trindade 
(2003), o uso de ferramentas computacionais entra como um apoio na educação, por ajudar o 
aluno a relacionar a física com a realidade. Segundo Seré et al.(2003), o uso da informática 
tem proporcionado facilidades no ensino da física, já que há possibilidade de tratar alguns 
dados de forma diferente e testá-los no computador, servindo a teoria e verificando a validade 
de uma lei física. 
Segundo Cornélio Filho et al. (1998), o uso de ferramentas computacionais na 
educação permite ao ser humano um aproveitamento maior de sua inteligência, e que as 
escolas têm aumentado a capacidade técnica das pessoas quando utilizam essas ferramentas 
de apoio ao ensino. 
O ARENA (Rockwell Software) é muito utilizado na simulação discreta de diversos 
setores como: atendimento ao publico; estudos de filas; planejamento financeiro; alocação de 
 
 
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recursos dentre outros. No entanto, sua utilização como ferramenta de apoio ao ensino de 
conteúdos de física ou disciplinas técnicas ainda é pequena. 
Neste artigo é mostrado o resultado do uso de uma ferramenta desenvolvida no 
software de simulação ARENA sobre circuitos elétricos, para o ensino da disciplina de 
eletricidade no ensino técnico da área de controle e processos industriais do Instituto Federal 
Fluminense, bem como o desenvolvimento desta ferramenta. 
 
2. ESCOPO DO TRABALHO 
 Um dos assuntos básicos e muito importante no ensino dos cursos técnicos da área de 
controle e processos industriais é a Associação de Resistores. Este assunto é o inicio do 
estudo de circuitos elétricos, que nos cursos de eletrotécnica ou eletrônica acompanhará os 
discentes até o final do curso. O entendimento do aluno nesse assunto é então essencial para 
sua vida profissional e para um melhor desempenho no curso. 
A associação de resistores em paralelo, representada na Figura 1, e exemplifica de 
modo simplificado as instalações elétricas das residências, já que nestas, os equipamentos 
elétricos estão ligados em paralelo, fazendo com que os mesmos dissipem suas potências 
nominais. Por exemplo: uma lâmpada de 100W para 127V brilhará mais do que uma lâmpada 
de 40W para 127V. 
 
 
 
 
 
Figura 1-circuito resistivo em paralelo. 
 
A associação de resistores em série funciona como um divisor de tensão, onde a tensão 
da rede será dividida pelos equipamentos do circuito, nesse caso, uma lâmpada de 40W para 
127V brilhará mais que a lâmpada de 100W para 127V. Na Figura 2 é mostrado um circuito 
de resistores em série. 
 
 
 
 
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Figura 2-circuito resistivo em série. 
Estas análises podem ser comprovadas através da Lei de Ohm, na qual o físico Georg 
Simon Ohm mostrou experimentalmente que a tensão entre dois pontos é diretamente 
proporcional ao produto da corrente elétrica pela resistência do material submetido a 
diferença de potencial, conforme a Equação 1. E pela fórmula da potência elétrica, onde a 
potência é diretamente proporcional ao produto da corrente pela tensão,conforme a Equação 2. 
 (1) 
 (2) 
 
3. CONSTRUÇÃO DO MODELO CONCEITUAL 
 Segundo Sargent (2007), o modelo conceitual facilita a interpretação do problema e 
ajuda o programador a visualizar o modelo computacional. Este modelo, segundo Leal et al. 
(2009), torna-se uma etapa de muita importância na realização da simulação. 
O Modelo conceitual estudado neste artigo é formado por dois circuitos elétricos, um 
com dois resistores em série e outro com 2 resistores em paralelo, nos quais serão calculados 
as seguintes grandezas: 
1) Variação da Resistência interna da bateria 
2) Tempo em que o circuito está ligado 
3) Tensão da bateria. 
4) Tensão do resistor 1 
5) Tensão do resistor 2 
6) Corrente total do circuito 
7) Corrente no resistor 1 
8) Corrente no resistor 2 
9) Potencia total do circuito 
P = VxI 
 
 
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10) Potência no resistor 1 
11) Potência no resistor 2 
 
A partir desse detalhamento, foi montado o modelo conceitual IDEF- SIM proposto 
por Leal et al. (2009), representado na Figura 3 e detalhado no Quadro 1. Este método foi 
escolhido pois sua representação facilita o entendimento do problema mesmo sem ter sido 
criado o modelo computacional, que poderá ser desenvolvido utilizando qualquer linguagem 
de programação compatível. 
 
 
 
Figura 3 – Modelo conceitual no IDEF-SIM. 
 
Quadro 1– Detalhamento do modelo conceitual no IDEF-SIM. 
 
 Descrição Parâmetros 
F1 Criação da Bateria Valor da Fem = 92volts 
F2 Registra o tempo e o valor da 
resistência interna da bateria 
Função: Rint + 0.005*t 
F3 Atribui um valor as resistências R1 
e R2 e calcula a resistência 
equivalente 
Função: R1 = 200ohm; R2 = 800ohm; 
Req = resistência equivalente entre R1 e 
R2 
F4 Registra o valor da corrente total e 
as correntes em R1e R2 
Função: Itotal = Vbateria/Req; IR1 = 
VR1/R1; IR2 = VR2/R2 
F5 Registra a tensão da bateria e as 
tensões em R1 e R2 
Função: Vbateria = VFem-
Rint_Bat*Itotal; 
VR1 = IR1*R1; VR2 = IR2*R2 
F6 Registra a potência total e a 
potência em R1 e R2 
Função: Ptotal = Vbat*Itotal; 
PR1=VR1*IR1; PR2=VR2*IR2 
 
 
 
 
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4. SIMULAÇÃO COM SOFTWARE ARENA 
 Após a construção do modelo conceitual usando a técnica IDEF-SIM, foi 
implementado o modelo computacional com o ARENA, que é um software estatístico 
pertencente a Rockwell Software. Este foi desenvolvido para atender simulações de sistemas 
dinâmicos, porém neste trabalho optou-se por utilizar este software para atender a um sistema 
contínuo, tendo em vista que o assunto escolhido é relativamente fácil e sua modelagem não 
ofereceu grande dificuldade, considerando os diversos recursos oferecidos pelo ARENA. 
Segundo Rangel et al. (2010), o teste realizado com uma simulação feita pelo autor no 
software Arena para a disciplina de física ajudou na aprendizagem do aluno, principalmente 
nas questões mais difíceis que foram aplicadas aos alunos. 
A Figura 4 mostra o leiaut da animação do circuito em paralelo e a Figura 5 do 
circuito em série. Ambos foram utilizados na sala de aula com os alunos. 
 
 
Figura 4 – Imagem retirada da animação do circuito em paralelo no Arena. 
 
 
 
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Figura 5 – Imagem retirada da animação do circuito em série no Arena. 
 
 
5. PESQUISA REALIZADA SOBRE A UTILIZAÇÃO DO RECURSO 
 Um questionário foi aplicado aos alunos do primeiro ano do curso técnico em 
eletrônica do campus Campos-Guarus do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia 
Fluminense. O questionário foi formado de modo a verificar o conhecimento dos alunos no 
conteúdo após a ministração das aulas e a percepção dos discentes quanto a utilização do 
recurso computacional. 
As questões de 1 a 8 foram elaboradas de modo a verificar o grau de conhecimento no 
conteúdo ministrado durante a aula. Duas questões classificadas como fáceis pelo professor 
exigia do aluno apenas a aplicação matemática do modelo; duas questões de grau de 
dificuldade média exigia do aluno um conhecimento teórico básico a respeito do que foi 
apresentado; duas questões consideradas difíceis exigiu um conhecimento teórico mais 
aprofundado e cálculos matemáticos simples; e duas questões mais difíceis que exigia do 
aluno tanto um conhecimento teórico mais profundo, como um nível de desenvolvimento 
matemático também mais desafiador. Já as questões de 9 a 13 questionavam os alunos quanto 
 
 
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a percepção no uso da ferramenta computacional e o interesse dos alunos pelo assunto 
abordado. 
As turmas foram divididas em três grupos aleatoriamente e os questionários foram 
realizados sempre no final da aulas que tiveram aproximadamente uma hora de duração. A 
aula para o grupo 1 foi lecionada apenas com a utilização da simulação no Arena, para 22 
alunos. Para o grupo 2 foi apenas expositiva utilizando quadro e caneta como recurso didático, 
com a presença de 36 alunos. Já o grupo 3 a aula foi expositiva e em seguida foi utilizado 
também a simulação no Arena, e foi ministrada para 34 alunos. 
Nas análises estatísticas foram consideradas a comparação entre as médias dos três 
grupos através da análise de Variância, e o efeito significativo do grupo sobre as médias 
utilizando o teste de Tukey. Para a realização das análises foi utilizado o Sistema para 
Análises Estatísticas e Genéticas (SAEG, versão 9.1), adotando-se o nível de segurança em 
5%. 
 
6. RESULTADOS ESTATÍSTICOS DA COMPARAÇÃO ENTRE OS 
TIPOS DE AULAS MINISTRADAS 
 Os três grupos estudados se mostraram homogêneos quanto as percepções testadas nos 
questionários. Nas perguntas quanto a percepção do desempenho do aluno na disciplina de 
eletricidade, do interesse na disciplina e da facilidade de aprendizagem, não houve diferença 
estatística, apesar de em algumas questões as médias serem um pouco diferentes. Essa 
homogeneidade dos grupos estudados, favorece o resultado do teste de conhecimento dos 
alunos nas aulas ministradas. 
Na Figura 6 é mostrado um gráfico com as médias e erros-padrão dos resultados 
estatísticos quanto a percepção dos alunos no desempenho, interesse e facilidade de 
aprendizagem no conteúdo ministrado, utilizando das três diferentes formas didáticas nas 
aulas. 
 
 
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Figura 6 – Percepção dos alunos quanto ao seu desempenho na disciplina de Eletricidade, 
quanto interesse na disciplina e facilidade de aprendizado. 
 
 Nos dois grupos em que a simulação foi utilizada na ministração do conteúdo, foi 
testada a percepção dos alunos quanto a facilidade de aprendizagem proporcionada pela 
utilização do software e o interesse no assunto despertado nos alunos pela utilização da 
simulação. 
 Analisando o gráfico da Figura 7, pode-se perceber que as médias estão bem parecidas 
tanto na facilidade de aprendizagem, quanto no interesse despertado. Nestas análises também 
não houve diferença estatística entre as médias, no entanto, com relação ao interesse, a média 
com apenas a utilização do recurso na aula foi maior um pouco, nos proporcionando a 
visualização de que a utilização do software foi bem vista pelos alunos. 
 
 
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Figura 7 – Percepção dos alunos quanto à facilidade de aprendizado proporcionado pela 
utilização do recurso computacional com animação e percepção dos alunos quanto ao interesse 
despertado pela utilização do recurso. 
Os resultados apresentados quanto ao grau de conhecimento adquirido pelos alunos 
nos diferentes métodos de ensino aplicados são mostrados nas Figuras 8,9,10 e 11, sendo na 
Figura 8 as questões classificadas como fáceis, na Figura 9 questões médias, Figura 10 
questões difíceis e Figura 11 questões muito difíceis. 
 
 
Figura 8 – Notas (médias) e erros –padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões 
classificadas como fáceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,68A e 1,68A) não diferem 
significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 
 
 
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Figura 9 – Notas (médias) e erros –padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões 
classificadas como médias. Médias apresentadas com a mesma letra (1,55A, 1,42A e 1,44A) não 
diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 
 
 
Figura 10 – Notas (médias) e erros –padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões 
classificadas como difíceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,17B e 1,25B) não 
diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 
 
 
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Figura 11 – Notas (médias) e erros –padrão obtidas pelos alunos nos três grupos nas questões 
classificadas como muito difíceis. Médias apresentadas com a mesma letra (1,02B e 1,06B) não 
diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade. 
 
Nas questões classificadas como fáceis a utilização do recurso computacional teve um 
aproveitamento menor quando comparado a aula expositiva. No entanto entre a aula 
expositiva e a aula expositiva mais o recurso computacional, não houve diferença significativa, 
indicando que neste tipo de questão a utilização do software não interfere na aprendizagem 
dos alunos. 
Nas questões classificadas como médias não houve diferença significativa na 
aprendizagem do aluno entre a aula utilizando o recurso e as demais metodologias de ensino 
aplicadas. 
Considerando as questões difíceis pode-se perceber que não há diferença significativa 
entre as aulas ministradas com o software e a ministrada só de forma expositiva, no entanto, 
quando o software é acrescentado na aula expositiva, ocorreu um melhoramento na 
aprendizagem dos alunos. 
De acordo com as análises nas questões consideradas como muito difíceis também não 
ouve diferença significativa entre a aula expositiva e a aula somente com o software, sendo 
que o software associado a aula expositiva elevou o nível de aprendizado dos alunos. 
Na pesquisa realizada por Heckler (2004), mais de 60% dos alunos melhoraram o 
rendimento na disciplina de física após a utilização de algumas ferramentas computacionais 
 
 
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nas aulas. No estudo de Rangel et al. (2010), a utilização do software nas aulas despertou 
maior interesse dos alunos nas aulas e proporcionou melhor aprendizagem a estes. 
Para Gravina e Santarosa (1999), a utilização da ferramenta computacional pode 
despertar no aluno a capacidade de interpretar o problema de modo conceitual, e assim 
facilitar o raciocínio matemático das questões. 
 
7- CONCLUSÕES 
 A simulação no Arena se mostrou eficiente no que diz respeito ao assunto abordado, 
além de ser uma ferramenta excelente para simulação, já que sua programação não exige um 
conhecimento elevado de linhas de comandos, sendo este uma ferramenta de programação em 
blocos. Com os resultados satisfatórios alcançados, nota-se que mesmo o Arena não sendo 
indicado para este tipo de simulação, este se mostrou eficaz no assunto abordado, devido a sua 
riqueza na biblioteca e certa facilidade na implementação das simulações, apesar de ter sido 
utilizado apenas a versão Student por ser gratuita. 
Atento ao olhar educacional na aplicação do software, os resultados mostram que a 
utilização do mesmo despertou nos alunos um maior interesse na disciplina, e percebeu-se 
também que o uso da simulação junto com a aula expositiva elevou a média de acertos dos 
estudantes a medida que o nível de dificuldade das questões iam aumentando. Isso leva a uma 
concepção de que a simulação pode realmente influenciar positivamente na aprendizagem dos 
alunos. 
 Pode-se notar também que ao comparar com o estudo de Gravina e Santarosa (1999), 
os resultados deste estudo também mostra que a utilização de um recurso computacional ajuda 
o aluno na interpretação teórica do assunto estudado, já que nas questões fáceis onde foi 
cobrado do aluno apenas a resolução matemática do problema, a aula somente com o recurso 
computacional teve uma média mais baixa em relação aos outros dois métodos de ensino e se 
diferiu estatisticamente. Na medida em que é cobrado o entendimento teórico do assunto, esse 
resultado foi modificado, não havendo diferenças estatísticas entre a aula expositiva e a aula 
com recurso computacional. 
Segundo Herbert at al. (2007), é importante que o uso de ferramentas computacionais 
seja de forma contínua nas aulas, de modo que, tanto os professores quanto os alunos fiquem 
 
 
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mais seguro no uso da ferramenta, fazendo com que a contribuição das ferramentas na 
educação seja maior. 
 
8- REFERÊNCIAS 
 
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jogos de empresas - O protótipo GPCP-1. In: XVIII Encontro Nacional de Engenharia de 
Produção, 1998, Niterói. Anais do XVIII Enegep. 1998. 
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GRAVINA, M.A. e SANTAROSA,L.M.C. Aprendizagem da matemática em ambientes 
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maio. 1999. 
HECKLER, V. Uso de simuladores e imagens como ferramentas auxiliares no 
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LEAL, F. et al. Desenvolvimento e aplicação de uma técnica de modelagem conceitual de 
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Engenharia de Produção, 2009, Salvador. Anais do XXIX Enegep. 2009. 
RANGEL, J. J. A. ; TEIXEIRA, A. C. T. . Utilização do software arena como ferramenta de 
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de Produção, 2010, Coronel Fabriciano - MG. VI EMEPRO, p. 1-12. 2010. 
SARGENT,R.G. Verification and simulation models. In: Winter Simulation Conference, 
p.124-137. 2007. 
 
 
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SÉRÉ M.G. et al. O Papel da Experimentação no Ensino da Física. Caderno Brasileiro de 
Ensino de Física, v. 20, n. 1, p. 31-43, abril. 2003. 
VASCONCELOS F.H.L. et al. Objeto de Aprendizagem na Concepção do Ensino Por 
Experiências Virtuais: Uma Avaliação de Aspectos Técnicos com a Escala de Likert. In: 
XVIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 2007, São Paulo - SP, p. 263 - 266. 
2007