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Metodologias Ativas em Ensino de Engenharia – O Plano

A frase sobre metodologias ativas para copiar e colar em textos sobre metodologias ativas é “colocar o aluno como protagonista da aprendizagem” [1], geralmente seguida por “o aluno deve fazer mais e o professor falar menos”. Como qualquer aluno meu pode atestar, eu estou precisando falar menos.

Há algumas semanas, eu descrevi aqui uma série de planos para melhorar as minhas disciplinas (1,2,3,4,5). São bons planos, todos centrados em “guiar melhor os alunos em explorar Engenharia”, mas agora que o semestre começou, eu percebo como é difícil mudar a minha maneira verborrágica de dar aula e como é preciso corrigir o curso desde já.

Aqui está o plano.

Escolhendo a sua avaliação

Nós só aprendemos de fato fazendo, preferencialmente experimentado a partir de problemas relevantes para nós [1]. É por isso que estou incluindo entre as avaliações da maioria das disciplinas um componente de “você escolhe o problema”. Você aprendeu sobre transferência de calor – e agora, que problema relevante na sua vida você quer resolver com esse conhecimento? (curiosamente, enquanto escrevo este texto, a ventoinha de meu laptop movimenta-se furiosa e audivelmente – não existe maneira melhor de remover o calor do processador?).

Ferramentas tecnológicas

Há alguns dias, eu encontrei um grande amigo meu, namorado de uma professora universitária. Como é praxe nas minhas conversas, eu reclamo de dar aulas online, e como é praxe dele, ele questiona as minhas reclamações. Com tantas ferramentas digitais, não é possível dar uma aula excepcional pela internet?

Certamente dá, mas eu ainda estou aprendendo a fazer isso.

Quando eu penso na minha experiência como engenheiro, observando os melhores profissionais com quem tive o privilégio de trabalhar, eu vejo duas características em comum:

  1. Elas dominam o básico muito bem dominado – e isso só é alcançado com uma rotina de estudos, preferencialmente de livros bem escritos e que têm reputação entre engenheiros
  2. Elas sabem fazer experimentos – físicos ou computacionais – rapidamente para comprovar alguma ideia.

As minhas disciplinas se agrupam sob o manto das “Ciências Térmicas”, e a atividade básica a todas elas é calcular propriedades termofísicas (energia, entalpia, volume). É por isso que venho enfatizando o uso de Python nas minhas aulas, especialmente com a biblioteca CoolProp. Quando eu era estudante de graduação, eu não tinha smartphones e nem a essas bibliotecas; eu tinha uma calculadora HP-50 e tabelas impressas. Hoje isso mudou, e eu não posso dar aulas como eu tinha. Hoje é possível gerar dados muito rapidamente e aprender com eles – e eu acredito fielmente que essa é uma habilidade essencial do engenheiro que está se formando.

Principalmente nas minhas disciplinas de 3 horas-aula seguidas, tenho tentado dividir as aulas em duas partes: uma parte síncrona de discussões inicias e exploração dessas ferramentas, e outra parte de confiar nos alunos e deixá-los explorar. O que vai sair dessas explorações? Eu não sei; o ensino não é sobre mim, é sobre os alunos.

Um começo de sala de aula invertida

Eu criei um canal no YouTube. Se a leitora visitá-lo, vai ver que o que há não são aulas longas, e sim algumas exposições básicas: o que eu, com um pouco mais de experiência que meus alunos, julgo ser importante considerar e estudar. A ideia é montar essa biblioteca de assuntos básicos e transformar os espaços síncronos em espaços de discussão, deixando os alunos mostrarem suas dúvidas e, utilizando as ferramentas acima, explorar junto com os alunos – mas sem um formato de palestra.

Após mais algumas semanas, eu volto aqui e relato como tem sido.

Referências

[1] Bacich, Lilian; Moran, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018.

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Um professor ainda precisa estudar?

Eu sou incrivelmente privilegiado por ter 3 diplomas de ensino superior armazenados em uma pasta em meu escritório, cada um de um nível diferente (Graduação, Mestrado, Doutorado), todos em Engenharia Mecânica. De acordo com os conceitos populares, eu deveria saber tudo sobre carros, mas de acordo com a minha realidade, eu sou comecei a estudá-los de fato quando fui contratado para ensinar disciplinas de Máquinas Térmicas, há quase dois anos. Hoje consigo responder a perguntas dos meus alunos que a minha versão anterior jamais conseguiria responder.

Mesmo assim, foi só na semana passada que eu realmente entendi por ainda se usam motores de 2 tempos, já que eles são menos eficientes e emitem mais poluentes – eles são simplesmente mais potentes que um motor de 4 tempos de mesma cilindrada e na mesma rotação. Você tinha se ligado disso? Um motor de 2 tempos precisa de apenas dois movimentos do pistão (um para subir, outro para descer) para completar o ciclo, enquanto que a versão mais comum de 4 tempos precisa de mais dois movimentos, e portanto demora mais para completar a sequência de processos, e portanto tem menor potência (energia por unidade de tempo).

Se você quer saber mais, o vídeo abaixo tem mais explicações sobre as diferenças (como eu gostaria que esse canal não usassem tantos palavrões, mesmo mutados):

É por isso que ainda a essa altura eu dedico tempo regular ao estudo. Nesse semestre, eu estou mergulhando no Internal Combustion Engine Fundamentals do Heywood. A edição que tenho é de 1988, mas já apresenta os desafios que aparecem nas propagandas e reportagens em 2021: produzir motores automotivos que sejam eficientes, potentes e que emitam cada vez menos poluentes, tendências que geralmente são opostas: é possível aumentar a potência (até certo ponto) adicionando cada vez mais combustível por injeção, mas isso também aumenta a quantidade de gases tóxicos lançados na atmosfera.

Eu adoro a minha rotina de estudos. Eu sento com um livro e meu caderno, ponho alguma música de concentração, e sinto-me como um aluno (o que nunca vou deixar de ser).

Eu acho impossível estudar sem escrever o que me chama atenção em um caderno

Isso não é perda de tempo? Depende de como você avalia o seu uso do tempo. Eu poderia estar partindo direto para escrever notas de aulas e artigos, tendo livros do lado para consulta, mas eu prefiro dedicar uma quantidade ridícula de horas a estudar livros antigos em profundidade. Mas isso é tempo bem gasto.

Primeiro, como falei, eu extraio prazer dessa atividade. Segundo, como dizem Cal Newport e Scott Young no seu curso Top Performer, a chave de uma carreira de sucesso é imitar carreiras de sucesso; quando eu penso em carreiras acadêmicas de sucesso, eu logo penso em dois amigos que admiro, e a minha memória de quanto trabalhava com eles era que os dois estudavam o dia todo e não participavam de reuniões. Hoje os dois são professores de universidades federais. Curioso.

Na minha carreira, sempre eu venci um senso de urgência (interno ou externo) e me dediquei a estudar um assunto sem pressa, os dividendos foram altos. Eu passei boa parte do ano de 2016 estudando uma Tese de Doutorado bastante complexa. Em 2021, eu ainda uso as notas que tomei como base para escrever artigos – o que seria impossível se eu não tivesse dedicado o tempo para ler, escrever, ler mais um pouco, escrever mais um pouco.

Na profissão da leitora, existe algo que pode ser facilitado ou melhorando simplesmente sentando e estudando?

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Disciplina de Refrigeração: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

Posts anteriores:

  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I
  3. Máquinas Térmicas
  4. Máquinas Térmicas I

Na disciplina de Refrigeração: estudamos basicamente geladeiras e condicionadores de ar: quais fluidos são usados, que componentes existem, como funciona um sistema, como melhorar.

É basicamente o inverso da disciplina de Máquinas Térmicas: lá, aquecemos algo e ganhamos potência; aqui, damos potência para resfriar algo. Inclusive, os estudantes cursam as duas disciplinas no mesmo período, e acho que deve ser interessante para eles compararem os dois tipos de sistemas em paralelo. Se ter o mesmo professor nas duas disciplinas é uma boa ideia é um problema ainda em aberto na literatura.

O que tem dado certo em Refrigeração

Uma pequena história: quando eu fui contratado no meu emprego atual, eu tinha certeza de que daria aulas de Refrigeração (a prova escrita era praticamente só sobre isso). Decepcionei-me momentaneamente quando, no decorrer do processo de admissão e entrega de documentos, descobri que não seria o caso – apenas para algumas semanas depois, saber que havia um erro e sim, eu seria professor de Refrigeração. Sinceramente, parecia um sonho: dar aulas do meu assunto de estudo em toda a minha vida profissional.

Empolgado com isso, acho que foi a disciplina melhor preparada no meu primeiro semestre. No semestre seguinte, sinto confessar que deixei a preparação meio de lado e me dedicava o mínimo necessário, para dar tempo de arrumar outras disciplinas que não haviam recebido muita atenção no primeiro semestre. No semestre seguinte a esse (meu terceiro semestre, se o leitor perdeu a conta), resolvi que era hora de me dedicar mais a esse assunto. Maneira totalmente não científica de verificar o resultado desse esforço: recebi muitos convites para orientar TCCs (que infelizmente não posso aceitar na minha posição de professor substituto), todos de alunos de Refrigeração.

Esse é o principal sucesso da disciplina de Refrigeração: eu amo esse assunto, tenho uma certa experiência, e deixo transparecer isso nas aulas.

Também acho que fui feliz na escolha de avaliações: em cada semestre, passo um tema de seminários. No primeiro semestre os alunos descreveram em detalhes um sistema de refrigeração e mergulharam nos diferentes componentes; no semestre passado, falamos de tecnologias alternativas (que não usam compressor), e nesse exploramos diferentes fluidos refrigerantes.

Desafios atuais em aulas remotas de Refrigeração

Eu posso resumir o problema de Refrigeração dizendo que ela está boa do jeito que está, mas está desatualizada; está muito teórica, e pouco prática. Nós falamos de modelos de compressores, mas não exploramos catálogos reais. Resolvemos exercícios “à mão” (i.e. eu escrevo as equações e resultados comum Apple Pencil no meu iPad e projeto isso na vídeo-conferência) com os mesmos fluidos de sempre, que aparecem em textos de termodinâmica, mas que muitas vezes não são mais usados.

E todas essas informações estão disponíveis na internet! Com um pouco de esforço de preparação de aulas, é possível alterar entre uma apresentação de slides com teoria, um arquivo em PDF com um catálogo de algum componente, e uma simples planilha onde calculamos o desempenho de um sistema real usando dados desse catálogo.

Não há dúvidas para mim que as aulas presenciais fazem falta, mas acho que, com esforço, esse pode ser o curso mais propício a aulas remotos, com esse foco em usar tecnologia atual (mas acessível) para analisar sistemas atuais.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Refrigeração

  1. Explorar, junto com os alunos, catálogos reais de componentes e como podemos extrair dados importantes deles;
  2. Apresentar técnicas mais modernas de simulação de sistemas;
  3. Diversificar problemas e exercícios em aula com fluidos mais usados atualmente.

Os leitores acham que são boas ideias?

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Disciplina de Máquinas Térmicas I: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

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  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I
  3. Máquinas Térmicas

Sim, eu dou aulas de uma disciplina (obrigatória) de Máquinas Térmicas, e de uma disciplina (optativa) de Máquinas Térmicas I. Sim, eu também me confundo. Sim, eu também acho que ela poderia ter outro nome.

Como o nome já indica, essa é uma disciplina de continuação de Máquinas Térmicas. Aqui focamos exclusivamente em motores de combustão interna, e temos três eixos de assuntos bastante relevantes atualmente: aumento de eficiência, controle de emissões e sobrealimentação de motores (popularmente conhecidos como “motores turbo”).

O que tem dado certo em Máquinas Térmicas I

De longe, essa disciplina é a que tem mais engajamento dos alunos, onde as aulas são mais interativas, onde os trabalhos apresentados têm a maior qualidade. Um fato é patente: os estudantes se interessam pelo assunto e querem saber mais. Nós focamos em duas tecnologias que têm sido bastante empregadas por fabricantes de carros: carros híbridos e carros turbo; sobre este último tópico, assim como adoro assistir os projetos de trocadores de calor, aqui também é ótimo ver como os grupos de futuros engenheiros e engenheiras coletarem dados de um motor existente e projetarem um sistema para aumentar a sua potência.

Nós não falamos de “assuntos clássicos” de livros-texto. O que nós estudamos está de fato acontecendo no mercado.

Desafios atuais em aulas remotas de Máquinas Térmicas I

Simplesmente, eu não sei tanto do assunto quanto os alunos gostariam que eu soubesse.

O antigo professor dessa disciplina era especialista no assunto. Para mim, todos os assuntos são novos, então eu ainda estou no modo “correndo atrás”. O que falei acima sobre “não estar nos livros” é uma desvantagem também: eu estou meio que escrevendo o livro-texto na forma das minhas notas (sim, eu sonho em montar uma apostila), a partir de fontes muito diversas (alguns tópicos estão em livros, outros em artigos, algumas coisas só aparecem em catálogos). Acho que, depois de 3 semestres ministrando essa disciplina, está na hora de parar e me re-atualizar e me aprofundar nesse pseudo livro-texto. Está faltando profundidade nessa disciplina.

Como essa é uma das minhas duas disciplinas optativas, em 2021-2 quero também experimentar um retorno gradual às aulas presenciais (autorizado pelo meu departamento). Minha ideia é dividir a disciplina em duas partes:

  1. Nas primeiras semanas, focar nos cálculos termodinâmicos e simulações de maneira remota, mais ou menos seguindo o plano da disciplina obrigatória mas de maneira mais avançada;
  2. Na segunda parte do semestre, os alunos devem projetar um sistema de sobrealimentação; aqui pode ser útil promover espaços de discussão ao vivo em sala de aula, e acompanhar mais de perto os projetos dos estudantes.

Por fim, há algumas aulas dedicadas a tópicos mais “discursivos”, como os métodos de medições de emissões e as legislações regulatórias. Como apresentar isso de maneira interessante?

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Máquinas Térmicas I

  1. Atualizar-me (principalmente com artigos) dos desenvolvimentos mais recentes dos assuntos tratados, e levar esses ensinamentos para a turma;
  2. Dedicar mais tempo para explorar catálogos de turbocompressores e analisá-los em sala de aula;
  3. Aprofundar-me na teoria, para trazer análises com mais profundidade.

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Disciplina de Máquinas Térmicas: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

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  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I

Para os não-engenheiros: uma máquina térmica é um dispositivo que converte calor (de maneira geral, a queima de alguma coisa) em trabalho (de maneira geral, o giro de alguma coisa).

Existe uma corrente de pensamento que diz que essa disciplina deve focar em motores de carros – de fato, as máquinas térmicas mais populares. Porém, existem outras máquinas térmicas relevantes: usinas termelétricas (abordadadas em mais profundidade no curso de Geração de Energia I) e turbinas de aviões são outros exemplos canônicos. Na minha maneira de ministrar essa disciplina, eu faço questão de passar por todos os tipos e salientar diferenças e semelhanças.

O que tem dado certo em Máquinas Térmicas

No nosso curso, dividimos essa disciplina em aulas teóricas e práticas. Nas aulas práticas não há dúvidas: são aulas sobre o funcionamento e componentes de motores de combustão interna, até por uma questão de infraestrutura: nós temos uma oficina com vários exemplares de motores e peças, mas não temos turbinas.

Eu ministrei apenas a parte prática desse curso durante o ano de 2020, e, no primeiro semestre de 2021, assumi também a parte teórica. Assim, ainda estou me adaptando.

A cadeira (alguém ainda fala isso?) de Máquinas Térmicas é uma disciplina obrigatória de 8a fase, e existe uma disciplina de continuação optativa, sobre a qual vou falar em outro texto. Mas vou dizer isso desde já: neste outro curso, na primeira aula eu geralmente pergunto aos estudantes por que eles escolheram essa disciplina eletiva (sempre na esperança de que alguém vai dizer algo diferente de “para conseguir créditos e me formar”), e uma resposta comum tem sido “porque eu gostava das aulas práticas da disciplina obrigatória”. Claramente, algo tem dado certo!

Acho que o primeiro ponto a se observar no sucesso é devido ao puro esforço. Na linha do que já falei antes: eu não dou ênfase em motores automotivos porque eu não sei quase nada sobre o assunto. A minha área de pesquisa sempre foi a Refrigeração, eu tive de estudar muito sobre o assunto.

Existe o conceito de memória de trabalho de longo prazo [1]: um meio termo entre a memória de curto prazo (de acesso rápido, mas que não perdura, como ir para a cozinha preparar o almoço, e de noite não lembrar do que almocei), e a memória de longo prazo (meu endereço, minha data de nascimento – coisas que ficam gravadas mas que não são de acesso imediato).

A disciplina de Máquinas Térmicas é um exemplo perfeito de como essa memória funciona: em aulas eu respondo perguntas que eu jamais saberia responder há 2 anos, e consigo responder de maneira rápida. Eu estudei tanto que os assuntos ficaram nessa área do meu cérebro facilmente acessada. Porém, assim que eu parar de ministrar essa disciplina (se isso acontecer), provavelmente vou esquecer tudo.

Acho que consegui passar bem para a forma remota as aulas práticas. Em vez de ir num laboratório ver motores, eu tento passar o máximo possível de animações, fotos e vídeos de equipamentos. Não é a mesma coisa que ver “ao vivo”, mas por outro lado temos oportunidades de ver experimentos que não teríamos condições de fazer na nossa oficina. Portanto, isso tem sido bom.

Quanto às aulas teóricas, o primeiro semestre onde ministrei essas aulas ainda nem terminou, por isso ainda não tenho muito feedback. Mas acho que conseguimos cobrir todos os tópicos num ritmo decente.

Desafios atuais em aulas remotas de Máquinas Térmicas

Há um problema semelhante a Transferência de Calor e Massa I: como resolver exercícios de maneira mais dinâmica – e, principalmente, mais inteligente. Essa é uma disciplina na verdade da última fase de “conteúdo” do curso – após isso, os alunos e alunas geralmente saem para estágio e escrevem o seu TCC. Existen questões básicas desse assunto que nunca morrem: como desenvolver Máquinas Térmicas mais eficientes e mais potentes? É esse o desafio: como preparar engenheiros do futuro para atacar isso. Nós provavelmente vamos ver na próxima década uma ascenção de biocombustíveis, que são menos potentes que combustíveis fósseis; estamos prontos para contornar essa diferença?

Naturalmente há ajustes nas aulas teóricas quanto à distribuição dos conteúdos. Apesar da minha firmeza em não dedicar a disciplina inteira a automóveis, a verdade é que esse assunto ocupa muito tempo e acaba faltando para outros assuntos.

À medida que escrevo essas palavras, percebo que, entre todos os meus cursos, esse é onde há a maior possibilidade de professor e estudantes construírem juntos a disciplina. Um problema logístico na análise aprofundada de máquinas térmicas é a simulação computacional de fluidos, que exige programas dedicados a que estudantes de graduação não tem acesso ou oportunidade de explorar. Mas eu tenho acesso a esses programas, posso gerar resultados, e mostrar para todos: e aí, o que esses dados querem dizer?

Similarmente nas aulas práticas, está na hora de fazer os alunos mergulharem nos equipamentos como eu mergulhei – e agora eu posso guiá-los melhor.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Máquinas Térmicas

  1. Criar programas junto com os alunos de simulação de máquinas térmicas e propôr diferentes análises a serem feitas quanto a tópicos relevantes: eficiência, potência, consumo de combustível;
  2. Guiar alunos na busca de dados experimentais sobre cada subsistema de motores automobilísticos;
  3. Dedicar mais aulas síncronas e atividades assíncronas à análise da combustão, super importante para cálculos de consumo e emissões, e que ficou bastante corrido nesse semestre.

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Referências

[1]: Beaudoin, L. P. Cognitive Productivity: Using Knowledge to Become Profoundly Effective. [s.l]: publicação independente, 2016. Disponível em http://leanpub.com/cognitiveproductivity. Acesso em 04 de maio de 2021.

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Disciplina de Geração de Energia I: meus planos para melhorar

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  1. Transferência de Calor e Massa I

Essa é a uma de duas disciplinas optativas que ministro, geralmente cursadas pelos estudantes que estão para se formar. Aqui estudamos usinas termelétricas e sistemas de geração de vapor.

O que tem dado certo em Geração de Energia I

Pouca coisa, sinceramente, e essa disciplina é a que mais precisa ser melhorada.

Um ponto positivo é que essa disciplina é uma oportunidade de integrar conhecimentos diversos de outras disciplinas. Em um semestre, nós:

  • Desenhamos um ciclo termodinâmico adequada para uma usina;
  • Calculamos quanto de ar e combustível é necessário para fazê-la funcionar;
  • Dimensionamos o tamanho dos trocadores de calor, das bombas, e da chaminé;
  • Escolhemos materiais e válvulas.

Certamente deve ajudar muito sair da faculdade tendo essa visão geral de um projeto desse porte (ainda que bastante simplificado).

Desafios atuais em aulas remotas de Geração de Energia I

Essa disciplina está muito pesada. Como falei acima, é bem legal poder integrar tudo em um curso só, mas os alunos (e o professor) ficam exaustos.

Aulas remotas são menos efetivas na transmissão de conhecimento, na minha percepção, e é preciso baixar um pouco a dificuldade. Nas aulas, devo tratar dos assuntos com mais calma, e explorar mais exemplos, ainda que seja necessário cortar alguns tópicos.

Aqui o problema é similar a Transferência de Calor e Massa I: preciso pensar sobre e introduzir maneiras computacionais de calcular propriedades de fluidos, para não ficar lendo tabelas na aula, e usar melhor ferramentas computacionais para resolver exercícios de projeto.

Em 2021-2, meu planejamento é quebrar disciplina em duas partes: uma etapa de aulas remotas, focada nos cálculos termodinâmicos e de combustão (que deve ser mais fácil pelos alunos já terem experiência de outras disciplinas), e uma presencial introduzindo o dimensionamento e seleção de equipamentos, consideravelmente mais complexa em que discussões ao vivo devem ajuda bastante.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Geração de Energia I

  1. Utilizar ferramentas computacionais, incluindo Aprendizado de Máquina, para tornar a análise de problemas de projeto e cálculo mais dinâmica;
  2. Rebalancear a dificuldade das avaliações, e promover mais listas de exercícios de treinos;
  3. Eliminar alguns conteúdos para ter mais tempo de discutir os projetos.

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Referências

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Disciplina de Transferência de Calor e Massa I: meus planos para melhorar

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A disciplina de Transferência de Calor e Massa I é uma disciplina intermediária de Engenharia Mecânica (na minha universidade, um curso de 6ª fase), onde os estudantes saem do esquema de Termodinâmica de “um estado final menos um estado inicial” e aprendem a calcular o que acontece no meio do caminho. Esta primeira disciplina do assunto cobre os mecanismos de condução unidimensional permanente e convecção monofásica; tradicionalmente, estudantes de Engenharia Mecânica cursam dois semestres de Transferência de Calor, sendo que as divisões variam entre universidades. Os assuntos restantes são condução bimensional e transiente, métodos numéricos, convecção com mudança de fase e radiação.

O que tem dado certo em Transferência de Calor e Massa I

Essa diferença de divisão se tornou um desafio, pois eu estudei de maneira diferente então não tive a reação automática de “foi assim que eu estudei, é assim que eu vou ensinar”. Porém, eu rapidamente percebi uma vantagem: essa é uma disciplina que culmina, muito naturalmente, em um projeto de trocador de calor. É um privilégio como professor assistir estudantes que estão ainda no meio do curso já conseguirem projetar um equipamento tão importante ao final do semestre. No início desse semestre, um aluno já avisou que estava ansioso em poder participar desse projeto. E deixe-me dizer: em sua maioria, os futuros engenheiros e engenharia conseguem fazer um projeto – simples, mas funcional.

Essa prática de promover desafios de projeto é um sucesso mesmo com aulas remotas, pois parece que os alunos conseguem se reunir virtualmente, pesquisar catálogos de tubos e materiais, procurar aplicações similares aos desafios propostos, montar planilhas, e ao final apresentar seu projeto em uma video-conferência.

Ensinar estudantes de Engenharia a integrar conceitos ao longo de aulas discretas em um sistema coerente é uma lacuna clássica da educação tecnológica [1], e eu fico feliz em tentar avançar nessa frente.

Desafios atuais em aulas remotas de Transferência de Calor e Massa I

O que não é fácil de ministrar de maneira remota é o que acontece até essa parte prática. De todos os meus cursos, este é onde há a maior carga matemática. Como mostrar uma dedução matemática de um perfil de temperatura numa aleta para alguém que provavelmente está com um laptop no colo (isso não é um julgamento; para muitos estudantes, sem acesso a uma sala de aula, essa é a única maneira de assistir aulas)?

Há uma abundância de livros-texto (e a nossa biblioteca está funcionando) e materiais disponíveis na internet sobre um assunto tão fundamental (o que não significa que ele é fácil), mas isso cria um perigo: que as aulas se tornem um ritual de resolução de exercícios sem pensar.

Isso me leva ao meu principal desafio, para o qual ainda não achei solução na minha ainda curta carreira de professor: como tornar as aulas verdadeiramente ativas?

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Transferência de Calor e Massa I

  1. Criar mais listas de exercícios desafiadores, fazendo delas um item de avaliação, e dedicar aulas a explorar esses exercícios;
  2. Propor mais avaliações onde os alunos tem de selecionar o problema relevante a ser resolvido, em vez de apenas resolver provas com o enunciado todo formulado;
  3. Ministrar aulas síncronas mais interativas e dinâmicas: enquetes no meio da aula, tempo para resolver um exercício (curto) e discutir os resultados em aula. Pretendo também resolver exercícios em sala de maneira computacional, aplicando conceitos de Aprendizado de Máquina e explorando melhor as relações entre variáveis: como a condutividade do ar realmente varia com a temperatura? Como a velocidade de um escoamento afeta a taxa total de transferência de calor? Estou inclusive fazendo um curso de OBS para aprender a alternar mais janelas e evitar o padrão atual de “apresentação de slides”.

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Referências

[1]: Stoecker, W. F. Design of thermal systems. [sl]: McGraw-Hill, 1980.

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O que é aprendizado de máquina (de acordo com um Engenheiro Mecânico)

Eu acabei de ganhar um prêmio por um trabalho que apresentei sobre Aprendizado de Máquina (Machine Learning), então eu deveria ser um especialista no assunto. Eu não sou, mas vou introduzir aqui o que penso sobre o assunto, como tenho aprendido, e como tenho usado na minha vida de Professor de Engenharia Mecânica.

Vamos ser francos: Aprendizado de Máquina é um termo científico que foi sequestrado por estratégias de marketing (o que em si não é ruim, pois – surpresa – cientistas gostam de ganhar dinheiro) e perdeu muito do seu signficado (o que é ruim). Como assim, máquinas aprendem? Isso significa que os robôs vão dominar o mundo? Todas as profissões estão fadadas à extinção?


Como aprendemos? Basicamente, treinamos um conceito, um método ou abordagem e testamos nossa abordagem com algum valor dito verdadeiro – na vida acadêmica, o gabarito da lista de exercícios; na vida real, comparamos com documentos históricos ou dados experimentais. Se erramos, precisamos corrigir nosso método e repetir.

Vamos pegar um exemplo que está na minha cabeça por causa das minhas aulas: desempenho de combustíveis. Um litro de gasolina libera mais energia, chamada de poder calorífico, que um um litro de etanol – não à toa, ela é mais cara. Mas o que exatamente provoca essa diferença? É porque a gasolina tem uma cor e o etanol outro? A gasolina vem do petróleo e o etanol da cana-de-açúcar?

Observando a estrutura química, eu proponho um modelo, uma tentativa de representação da realidade: o etanol tem mais oxigênio dissolvido que a gasolina (e isso pode ser verificado experimentalmente), então eu digo que o poder calorífico diminui com a presença de oxigênio no combustível.

Como posso testar isso? Uma abordagem simples seria pegar uma série de combustíveis, e separar em dois grupos: os que tem oxigênio e os que não tem. Vou fazer experimentos e medir o poder calorífico. Para cada par de combustível, um oxigenado e o outro não, o combustível com oxigênio tem de ser mais fraco que o outro. Se isso for verdade, eu aprendi um fato sobre combustíveis. Se não, tenho de propor outro modelo.

Um computador não pode olhar uma série de dados sobre combustíveis e adivinhar que os combustíveis oxigenados são mais fracos que os não-oxigenados, mas ele pode sistematicamente investigar essa hipótese; um computador pode facilmente ler um banco de dados de composição de combustíveis e fazer os cálculos. Ele pode ser programado também para testar uma enormidade de número de modelos, comparando todas as propriedades conhecidas dos combustíveis até descobrir qual a mais relevante para o poder calorífico. Importantemente, você pode alimentar o modelo com mais e mais dados de combustíveis, e não precisa re-programar o computador; ele refaz os cálculos automaticamente.

A ideia original, porém, foi minha. Em último grau, aprendizado de máquina é o meu aprendizado.


Eu comecei a estudar esse assunto quando um colega o introduziu no nosso grupo de pesquisa, baseado nos cursos que ele estava fazendo na época. Uma ideia que começou como uma “brincadeira” virou um trabalho premiado (que em breve vai virar um artigo publicado em um periódico importante). Assim é a ciência.

Como isso me afeta? Eu não sou Cientista da Computação, nem mesmo Cientista de Dados; sou Professor de Engenharia Mecânica. Para o semestre 2021-2 que se aproxima, meu objetivo principal é aplicar os conceitos de Aprendizado de Máquina em problemas reais, importantes de Engenharia Mecânica.

Engenheiros Mecânicos (e mesmo de outras áreas; eu estou falando dessa por ser a de mais afinidade para mim) lidam com dados o tempo todo. Em particular, nós precisamos lidar com catálogos de equipamentos o tempo todo; o que nós podemos aprender com esses dados? Se eu tenho dois catálogos de compressores na minha frente, como posso extrair dos dois o conhecimento de qual vai resultar num sistema mais eficiente?

Outra fonte importante de dados: tabelas de propriedades termofísicas. Eu realmente preciso parar de resolver exercícios interpolando valores nessa tabela à mão, e pensar mais sobre modelos. Como exatamente a condutividade térmica da água varia com a temperatura? Ela cresce ou diminui? Linearmente ou não?

Vou tentar documentar aqui os meus desenvolvimentos nessa área. As leitoras e leitores trabalham com Aprendizado de Máquina, e/ou querem aprender mais sobre o assunto?

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Como eu atendo alunos remotamente

Ontem eu completei um ano como professor, e se posso resumir meus aprendizados numa frase de impacto para fingir que eu sou sábio, seria: Meu trabalho é ensinar alunos, e não dar aulas.

Com minha obsessão não saudável por produtividade, às vezes enxergo minha rotina como um processo industrial de preparar notas no Notion e slides no Keynote; estudo, escrevo, monto apresentações, seleciono exercícios, passo para o próximo tema. Ministrando cinco disciplinas e tendo um bebê para criar, às vezes ajuda ser focado assim; porém, de vez em quando tenho de parar e pensar: no que posso ajudar mais meus alunos? Todos esses processos garantem que meus alunos estão aprendendo? Se não, por mais que gaste horas na frente do computador, não estou realizando meu trabalho.

No meu primeiro semestre como professor, eu não tinha condições de manter nenhum tipo de office hours, tal era o volume de trabalho; quando necessário, eu atendia alunos ao final das aulas ou por email. Isso me incomodava bastante, de maneira que priorizei estabelecer uma maneira de ter horários regulares para estar disponível para os alunos para eles poderem perguntar o que for, sem estar limitado a 15 minutos aqui e ali.

Captura de tela do calendário, mostrando um evento “Atendimento alunos” entre 17:00 e 18:00

Minha solução para atender alunos remotamente: todas às segundas- e quintas-feiras, por uma hora em cada dia, eu estou disponível para um chat com meus alunos no Microsoft Teams, o sistema de reuniões que minha universidade utiliza. Eu periodicamente lembro os alunos desse esquema durante as aulas remotas, e passo todas as instruções. Como faço: eles devem sempre iniciar por texto, para evitar que algum aluno me ligue do nada e estou conversando com mais alguém.

Esse esquema tem funcionado muito bem, embora os atendimentos ainda sejam raros. Sei que meus horários ainda são parcos; esse é um esquema em desenvolvimento. Mas o que me deixa contente é que eu consegui priorizar isso, mesmo supostamente não tendo 2 horas por semana a mais para dedicar a isso. Você tem mais tempo do que imagina.

Sim, leitora: eu também estou cansando de ter de fazer tudo remotamente. Quando as aulas presenciais voltarem, com certeza vou pensar num esquema seguro de atender alunos na minha sala. Por enquanto, porém, temos de dar um jeito de resolver os problemas da maneira que seja possível.

E o leitor, anda saturado de reuniões online?

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Meu autor favorito de livros de Engenharia Mecânica: Yunus A. Çengel

Continuando a conversa sobre livros de Engenharia, não posso deixar de falar sobre um autor cujos livros possuo quase na sua totalidade: Yunus A. Çengel, professor na University of Nevada, Reno.

Eu tive contato com ele quando estava na 4a fase da graduação em Engenharia Mecânica mas, contrariando a relevância do que falei no post anterior, não comprei nenhum quando estava na faculdade. Talvez porque eu trapaceava: o Termodinâmica era o livro que meu orientador usava nas suas disciplinas, e eu tinha certo acesso fácil a ele (era só pedir).

Quando eu virei professor, uma das minhas primeiras decisões foi comprar toda a coleção disponível no Brasil – falta apenas o Equações Diferenciais, que na minha situação atual é o menos relevante (mas, conhecendo a minha personalidade obsessiva, um dia eu completo a coleção).

Como dá para ver, as figuras são excelentes para ilustrar conceitos e elas mesmo quase não precisam de legendas

Os livros do Çengel para mim possuem a combinação perfeita de explicações didáticas com figuras bem trabalhadas. Por exemplo, no momento ando mergulhando em Mecânica dos Fluidos, um assunto que frequentemente aparece nas minhas disciplinas (ainda que eu mesmo não ministre nenhum curso especificamente sobre isso) e sempre aparece em concursos para professor efetivo. Meu método de estudo consiste em montar mapas no MindNode, cheio de equações produzidas no LaTeXiT e figuras do livro do Çengel. O texto é fácil de seguir e há muitos exercícios disponíveis.

Como professor, o material de apoio disponível no site da editora é excelente, com soluções de exercícios e ilustrações do livro em alta resolução. Quando estou montando slides das várias disciplinas, as pastas com as imagens de todos os livros estão sempre abertas para ilustrar as apresentações.

Essa figura, por exemplo, aparece em todas as minhas disciplinas. É simples, bem feita, fácil de entender: a gasolina é o derivado mais leve e o óleo combustível, o mais pesado.

Qual o lado ruim? O didatismo vem às custas de pouca profundidade em alguns assuntos. Por exemplo, o Transferência de Calor e Massa do Çengel é um livro muito menos completo que o famoso e amado Incropera – mas o que eu faço: uso o último das minhas aulas mas monto slides com as figuras muito melhores do primeiro.

Para terminar um texto sobre livros, não posso deixar de linkar um texto do Austin Kleon: os livros do Çengel me influenciam profundamente como educador de engenharia, e eu assumo isso e procuro sempre estudá-los.