Como montar um laboratório de Arduino na escola: lista de kits, layout e orçamento

Para montar um laboratório de Arduino na escola, divida sua lista de compras em três camadas: kits dos grupos (a placa, a protoboard, os fios e os componentes básicos de cada mesa), equipamentos compartilhados (multímetros, ferramentas manuais, uma caixa de peças de reposição e, se quiser, uma estação de solda) e infraestrutura (computadores, conexões USB, tomadas, mesas e armários com chave). Digamos que você esteja montando o laboratório para uma turma de 24: 8 grupos de 3, um kit com Arduino Uno por grupo, 4 placas ESP32 e 4 Raspberry Pi Pico para o laboratório inteiro, 2 Unos de reserva, 5 multímetros e 8 computadores formam um começo sólido. Gaste o orçamento primeiro na primeira camada e amplie com caixas de sensores e módulos no segundo ano. O primeiro ano de um laboratório é de compras; todos os anos seguintes são de operação, e é por isso que caixas numeradas, código de cores e uma contagem do estoque a cada semestre importam tanto quanto os próprios componentes.

Este post trata da montagem do laboratório e do seu funcionamento a longo prazo. Já falamos da primeira lista de compras de um único aluno no artigo kit Arduino para iniciantes, e dos papéis nos grupos, da fila de ajuda e da entrega das caixas no início da aula em como ensinar Arduino a uma turma grande. Aqui você vai encontrar, nesta ordem, a tabela de kits, os equipamentos compartilhados, a disposição das mesas e dos computadores, um modelo de orçamento com a coluna de preço em branco, as caixas de ampliação do segundo ano, a organização do armário, uma estimativa de material de consumo, as regras de segurança, um calendário anual e um dossiê para captar recursos. Não colocamos preços, porque eles mudam de país para país e de mês para mês; em vez disso, damos cada item com a quantidade, e você preenche o preço com o seu próprio fornecedor.

Três camadas: kits dos grupos, equipamentos compartilhados, infraestrutura

Dividir o laboratório em camadas ajuda de três formas. A primeira é a prioridade: com orçamento apertado, os kits dos grupos vêm primeiro, porque tudo o que o aluno toca está ali; multímetros e ferramentas podem começar em pequena quantidade, e a maior parte da infraestrutura já existe na escola. A segunda é a responsabilidade: o kit do grupo é a caixa daquele grupo, e o grupo a confere no fim da aula; os equipamentos compartilhados ficam sob o controle do professor e são emprestados; e a infraestrutura é patrimônio da escola. A terceira é a vida útil: placas, protoboards e multímetros duram anos, enquanto LEDs, resistores e jumpers são material de consumo que precisa ser reposto todo ano. No modelo de orçamento, você vai acompanhar essa divisão com dois tipos: compra única e anual.

8 grupos, 24 alunos: a tabela de kits básicos

A tabela considera 24 alunos, 8 grupos de 3 e uma ou duas aulas por semana. A coluna de total soma cerca de 20–25% de reserva ao que os 8 grupos precisam e arredonda o resultado; peças resistentes, como placas e protoboards, têm pouca reserva, e peças fáceis de perder, como LEDs e fios, têm mais. Os componentes não foram escolhidos ao acaso: a maioria dos sensores e saídas da lista corresponde a pelo menos um projeto que é grátis no BlueGrays, com esquema do circuito e código, então o primeiro semestre do laboratório se completa sem comprar nada extra. Se você tiver outro número de grupos, multiplique a coluna por grupo pelo seu número de grupos e acrescente a mesma proporção de reserva.

O motivo para dar ao Arduino Uno a maior parte da combinação de placas é simples: ele funciona com 5 V, quase todo sensor para iniciantes se liga a ele diretamente, seu conector USB-B aguenta o liga e desliga constante, e a maior parte do material didático é escrita para ele. Dos mais de 200 projetos do BlueGrays, cerca de 110 são para Arduino, 50 para ESP32 e 30 para o Raspberry Pi Pico. Compre o ESP32 para uma unidade de Internet das Coisas que precise de Wi-Fi e Bluetooth, e o Pico para a passagem à programação em texto com MicroPython. Como essas duas placas costumam entrar no segundo semestre, 4 de cada bastam no primeiro ano: nessa unidade, 4 grupos trabalham com o ESP32 ou o Pico enquanto os outros 4 seguem com um projeto no Uno, e eles trocam na semana seguinte. Você pode comparar as placas em Arduino ou ESP32 e encontrar primeiras aulas no plano da primeira aula com ESP32 e no plano de aula do Pico com MicroPython.

Equipamentos compartilhados: o que fica no armário, não nas mesas

A estação de solda é opcional nesta lista de propósito. Projetos montados com protoboard e jumpers não precisam de solda, então o primeiro ano do laboratório pode passar sem nenhuma. A primeira necessidade de soldar costuma aparecer com módulos vendidos sem barra de pinos e com o Pico; comprar Picos com as barras de pinos já soldadas elimina essa necessidade no primeiro ano. Quando começarem os circuitos permanentes, as exposições ou o trabalho de clube, você monta um cantinho de solda com 2 estações com controle de temperatura, ventilação e supervisão do professor; os detalhes estão no guia de solda. Já o multímetro é necessário desde o primeiro dia: é o jeito mais rápido de achar um jumper rompido, uma pilha descarregada ou um terminal encaixado na fileira errada. Nas primeiras semanas, ensine aos alunos só o teste de continuidade (bipe) e como medir tensão corretamente, e deixe a medição de corrente para depois; explicamos como no guia do multímetro.

Infraestrutura: mesas, energia, computadores e armazenamento

• Disposição das mesas: 8 mesas de grupo, cada uma com 3 cadeiras e 1 computador. Organize as mesas em U ao longo das paredes ou em ilhas de 2; coloque a mesa do professor ao lado do projetor e deixe um corredor de pelo menos 1 metro entre as mesas para circular com facilidade. Cole no canto de cada mesa o mesmo número da caixa.
• Energia: Uma régua de tomadas com interruptor e aterramento por mesa é suficiente. Passe os cabos por trás das mesas ou por uma canaleta, e não pelo chão, e não ligue uma régua na outra. Desligar as réguas no fim da aula deve fazer parte da rotina de fechamento do laboratório.
• Computadores: 8 computadores para os grupos e 1 para o professor. As versões desktop da Arduino IDE e do Thonny rodam em Windows, macOS e Linux; aparelhos que só rodam um navegador não servem para esta configuração. Computadores mais antigos, mas confiáveis, dão conta do recado.
• Conexão USB: Se a porta do computador fica atrás, um cabo de extensão USB curto preso à mesa evita que a placa fique pendurada. Se não houver portas suficientes, use um hub USB com fonte própria (hub alimentado); hubs sem alimentação podem fazer a placa reiniciar quando se ligam componentes que puxam corrente, como um servo.
• Armazenamento: Um armário com chave ou um sistema de prateleiras, com prateleiras separadas para as caixas dos grupos, as caixas temáticas e o estoque de reserva. Dentro do armário, uma caixa ou compartimento de metal separado e trancado para baterias e ferros de solda.
• Projeção: Um projetor ou uma lousa digital. Aumente o tamanho da fonte da Arduino IDE no computador do professor; deixar o grupo do fundo ler o código leva menos tempo do que reescrevê-lo no quadro.

Configuração dos computadores e dos programas

1. Instale a Arduino IDE em todos os computadores e espere terminar o download dos componentes extras que ela baixa na primeira execução; os passos estão no artigo como instalar a Arduino IDE.
2. Instale o driver do chip USB das placas compatíveis (geralmente um CH340); no Windows, essa etapa exige direitos de administrador. Se a porta não aparecer, siga a lista de verificação do artigo erro ao carregar código no Arduino.
3. Instale o pacote de placas do ESP32 pelo Gerenciador de Placas (explicado em o que é o ESP32). O pacote é grande, então faça o download antes das aulas, quando a rede da escola estiver tranquila.
4. Instale o Thonny para o Pico e grave o firmware MicroPython em cada Pico uma única vez (o que é o Raspberry Pi Pico). Se você fizer isso no início do semestre, na aula só resta escrever código.
5. Instale com antecedência as bibliotecas de que os projetos do ano precisam (por exemplo, as bibliotecas DHT e LCD I2C); a biblioteca Servo já vem com a Arduino IDE.
6. Em cada computador, carregue o exemplo Blink com a placa daquela mesa e, quando funcionar, cole o número da mesa no computador.
7. Escreva todos os passos em uma lista de verificação de instalação de uma página. Sempre que os computadores forem formatados ou chegar uma atualização grande, você executa a lista de novo desde o começo.

Resolva as restrições da rede e dos computadores da escola antes do início do semestre. Na maioria das escolas, a permissão para instalar programas e drivers fica com o setor de TI; envie a lista de verificação de instalação com pelo menos duas semanas de antecedência e definam juntos quais computadores serão usados e com qual conta de usuário. Algumas escolas bloqueiam dispositivos de armazenamento USB; enquanto o firmware MicroPython está sendo gravado, o Pico aparece no computador como um pendrive, então, se houver bloqueio, faça essa etapa junto com a TI. Os projetos com ESP32 trazem uma questão à parte: o ESP32 clássico só se conecta a Wi-Fi de 2,4 GHz, e a maioria dos códigos de exemplo espera uma rede simples protegida por senha. Em redes corporativas, nas quais você entra com usuário e senha, ou em redes de convidados que abrem uma página de login no navegador, esses exemplos não funcionam como estão. Com a aprovação da TI, um ponto de acesso simples de 2,4 GHz exclusivo do laboratório, ligado só durante as aulas, resolve esse problema de vez.

Modelo de orçamento: preencha os preços com o seu fornecedor

A tabela abaixo não é um orçamento fechado; é um modelo para preencher. A coluna de quantidade vem das tabelas acima; você preenche as colunas de preço unitário e total com orçamentos de fornecedores locais. Peça pelo menos dois orçamentos para cada item e anote qual escolheu e por quê; quando você pedir doações ou se inscrever em editais de financiamento, essas anotações viram a parte mais forte do seu pedido. Some separadamente os itens de compra única e os anuais: no primeiro ano você precisa da soma dos dois, e nos anos seguintes, na maior parte, só dos itens anuais. Acrescente no fim uma reserva de 10–15% para imprevistos; frete, uma placa quebrada ou um preço que muda no meio do semestre ficam cobertos por ela. Ficar com um único modelo de placa e, se possível, um único fornecedor facilita muito os drivers e as peças de reposição por anos.

Segundo ano: caixas de ampliação com sensores e módulos

Depois que os kits básicos estiverem consolidados, monte caixas temáticas em vez de acrescentar módulos novos a cada caixa de grupo. Uma caixa temática guarda de 2 a 8 unidades de cada módulo de um mesmo tema e é emprestada conforme o projeto: os grupos que fazem um projeto com display naquela semana pegam o que precisam da caixa Display e devolvem tudo no fim da aula. Assim, você não precisa comprar 8 unidades de um módulo pouco usado, e as caixas dos grupos continuam tão simples quanto no primeiro dia. Coloque no cartão de conteúdo da caixa temática uma ficha de empréstimo, onde se anota, ao lado do nome dos módulos, qual grupo pegou o quê. Na hora de decidir quais módulos comprar, a lista da Oficina do BlueGrays, descrita mais abaixo, ajuda: quando você cadastra o conteúdo de uma única caixa de grupo, vê qual peça que falta liberaria quantos projetos.

Sistema de armário e caixas: números, cartões de conteúdo, código de cores

Tudo o que é portátil no laboratório deve ter um nome e um lugar. Numere as caixas dos grupos de G1 a G8, as caixas de ESP32 de E1 a E4, as caixas de Pico de P1 a P4, as caixas temáticas pelo nome e a caixa reserva como S; a placa, o cabo USB e a protoboard dentro de cada caixa levam o mesmo número. Organize o armário pelo peso e pela frequência de uso: caixas dos grupos na altura dos olhos, de G1 a G8 da esquerda para a direita, caixas temáticas na prateleira de cima, o estoque de reserva pesado embaixo, e baterias e ferros de solda em um compartimento separado e trancado. Pendure as ferramentas manuais em um painel de parede e contorne cada uma com um marcador; no fim da aula, um contorno vazio mostra a ferramenta que falta sem precisar contar nada. Cole um cartão de conteúdo plastificado na parte de dentro da tampa de cada caixa: nome da peça, quantidade, cor e um pequeno desenho. O cartão também deve ter a data da última contagem e uma linha para as peças que faltam.

• Azul: caixas de grupo com Arduino Uno (G1–G8) e os cabos delas.
• Verde: caixas de ESP32 (E1–E4); o aviso de 3,3 V vem escrito na tampa.
• Roxo: caixas de Raspberry Pi Pico (P1–P4); a tampa indica que o MicroPython já está instalado.
• Amarelo: caixas temáticas; a ficha de empréstimo fica na parte de dentro da tampa.
• Vermelho: o que só se usa com o professor: baterias, ferros de solda, a fonte de bancada e a caixa Alimentação.
• Branco: a caixa reserva e o estoque de material de consumo; não são abertos durante as aulas, servem só para repor o que falta.

A rotina de contagem funciona camada por camada. O grupo confere a própria caixa no fim de cada aula; falamos dessa rotina de dois minutos no post sobre turmas grandes. Você confere os equipamentos compartilhados e as caixas temáticas uma vez por semana; graças ao painel de ferramentas e aos cartões de conteúdo, isso não leva mais de cinco minutos. Não conte um por um os itens pequenos de consumo, como resistores, LEDs e fios: marque uma linha de “mínimo” em cada saquinho ou compartimento e, quando o nível ficar abaixo da linha, inclua o item na lista de pedidos. Placas, sensores e módulos, por outro lado, são contados um a um, porque perder um HC-SR04 não é a mesma coisa que perder um LED. No fim de cada semestre, você faz um inventário completo e testa as placas uma a uma. Em vez de punir peças perdidas e quebradas, registre-as: qual peça some de qual caixa e com que frequência diz o que pedir da próxima vez e qual regra não está funcionando.

Material de consumo: quanto se gasta em um ano?

Material de consumo são as peças pequenas que quebram, se perdem ou se danificam durante as aulas. Os números abaixo não são medições, e sim uma estimativa aproximada de planejamento baseada em 8 grupos e uma aula por semana; use os registros de contagem do seu primeiro semestre para descobrir sua própria taxa e atualizar a tabela. Há três motivos principais para as peças acabarem: terminais dobrados tantas vezes que quebram, LEDs ligados sem resistor ou invertidos, e peças pequenas que caem embaixo das mesas. Os dois primeiros diminuem com bons hábitos de montagem, e o terceiro, com caixas com divisórias e uma checagem das mesas no fim da aula. Comprar LEDs e resistores em pacotes grandes, em saquinhos separados por cor e por valor, reduz o preço unitário e facilita a contagem. Para que os alunos consigam devolver ao compartimento certo os resistores que se espalharam, ensine-os a ler os valores pelas faixas de cores; a ferramenta grátis Código de cores ajuda nesse exercício.

Segurança: o limite de 5 V, solda, baterias e primeiros socorros

A regra básica de segurança do laboratório é o limite de alimentação: no primeiro ano, todo circuito é alimentado pela porta USB do computador, ou seja, com 5 V. Essa tensão é baixa em termos de choque elétrico; os riscos reais são componentes e fios esquentando em um curto-circuito, queimaduras com o ferro de solda e baterias de lítio. Projetos que usam um relé para acionar aparelhos ligados à tomada não são feitos no laboratório; os projetos com relé usam apenas uma carga de baixa tensão. Se houver solda, deixe claro desde o início que a ponta do ferro passa de 300 °C, que ele nunca fica fora do suporte e que a fumaça da solda é retirada com a janela aberta ou um extrator de fumaça; se for usada solda com chumbo, as mãos são lavadas depois. Células Li-ion e 18650 são guardadas em uma caixa trancada e resistente ao fogo, com os terminais sem possibilidade de se tocar, e com meia carga quando ficam guardadas por muito tempo; uma bateria estufada, amassada ou quente não é usada, e sim levada a um ponto de coleta de pilhas e baterias, e a carga nunca fica sem supervisão (detalhes no artigo módulo carregador TP4056). Em queimaduras leves, os primeiros socorros consistem em manter a área sob água corrente fria por cerca de 20 minutos; o local do kit de primeiros socorros e do extintor de incêndio deve estar indicado perto da porta, e todo incidente é comunicado de acordo com o procedimento da sua escola. Pendure as 8 regras abaixo em um cartaz A3 ao lado da porta.

1. O cabo USB fica desconectado enquanto você monta ou altera um circuito.
2. A única fonte de alimentação é o USB do computador; pilhas, baterias, adaptadores e módulos de alimentação só são usados com permissão do professor.
3. Se você notar um componente quente, com cheiro ou soltando fumaça, desconecte o USB e levante a mão.
4. Nada de comida ou bebida nas mesas; as mochilas ficam na prateleira da entrada.
5. Cada peça volta para a própria caixa; nada de trocar peças entre caixas.
6. Ferros de solda, baterias e a fonte de bancada só são usados na mesa do professor e com o professor.
7. Use óculos ao cortar terminais e segure a ponta que você está cortando.
8. Não esconda uma peça quebrada, perdida ou danificada; anote no cartão de conteúdo e avise o professor.

Calendário anual de manutenção

BlueGrays para o inventário do laboratório e o planejamento de projetos

Você pode manter o inventário do laboratório no BlueGrays com a Oficina; como Peças é um recurso Premium, isso é feito na sua própria conta de professor. Em Peças, você adiciona os componentes com as quantidades, escreve detalhes como “330R” ou “LED vermelho” no campo Nome personalizado e informações de localização como “caixas G, armário 2” na observação; um componente com quantidade baixa aparece com a etiqueta Estoque baixo. O ganho real está no planejamento: como Peças é um único inventário, se você cadastrar o conteúdo de uma caixa de grupo, e não o total do laboratório, a lista Projetos que você pode montar mostra os projetos que cada grupo consegue montar com as peças da sua caixa, enquanto Projetos com componentes faltando indica, com etiquetas como “2 faltando”, quais projetos se abrem se você acrescentar qual peça, e assim você escolhe as caixas temáticas do segundo ano. Os detalhes estão no artigo como achar projetos com as peças que você tem. Enquanto os alunos acompanham um projeto na própria tela, a lista Componentes necessários mostra as quantidades, e você pode preparar as caixas daquela aula de acordo com ela. Quando passar dos projetos grátis, você pode dar Premium aos alunos com os pacotes para educadores, na forma de códigos comprados com pagamento único, que não exigem cartão e não se renovam automaticamente. Se quiser levar para as aulas um projeto específico do seu laboratório, você o compartilha em Aprender > Fórum > Nova publicação, na categoria Tutorial: adicione fotos do circuito, seu código com Adicionar código e os projetos prontos relacionados e depois envie o link da publicação aos alunos com Compartilhar (passos no artigo como dar aula com o seu próprio projeto).

Lista de documentos para doações, patrocínios e editais

• Resumo de uma página: o objetivo do laboratório, quantos alunos e quais disciplinas ele vai atender e quantas horas por semana será usado.
• Lista de necessidades em três camadas: as tabelas de kits, equipamentos e infraestrutura deste post, com as quantidades.
• Modelo de orçamento preenchido: pelo menos dois orçamentos por item, o orçamento escolhido e o motivo, com os totais de compra única e anuais separados.
• Informações sobre o espaço: fotos atuais da sala, um esboço simples da disposição e a situação das tomadas e dos computadores.
• Plano de segurança: o cartaz de regras, como baterias e equipamentos de solda são guardados, os primeiros socorros e a pessoa responsável.
• Plano de funcionamento: o calendário anual, a rotina de contagem e o nome do professor responsável pelo laboratório.
• Sustentabilidade: de onde virá o orçamento de material de consumo e de reposição nos anos seguintes.
• Metas mensuráveis: por exemplo, o número de projetos concluídos por semestre, uma exposição no fim do ano, atividades de clube.
• Aprovação da direção: uma carta de apoio da direção da escola e como os equipamentos serão incluídos no registro patrimonial da escola.
• Compromisso de prestação de contas: quando e com que conteúdo (fotos, lista de projetos, inventário) você vai apresentar um relatório ao apoiador.

Um laboratório escolar nunca é montado de uma vez e pronto; no primeiro ano, os kits, as caixas e as regras se acomodam, no segundo ele cresce com as caixas temáticas, e nos anos seguintes os seus registros de contagem mostram o que acaba e o que realmente é usado. Depois de montar sua primeira caixa de grupo, instalar o BlueGrays no celular e conferir quais projetos grátis dá para montar com as peças daquela caixa é um jeito fácil de preparar a lista de aulas do primeiro semestre.