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FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
S586a
Silva, Luciano Ferreira, 1982- Associando realidade virtual não-imersiva e ferramentas cognitivas para o ensino de física / Luciano Ferreira Silva. - Uberlândia, 2006. 131f. : il. Orientador: Alexandre Cardoso. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra- ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Inclui bibliografia. 1. Realidade virtual - Teses. 2. VRML (Linguagem de programação de computador) - Teses. 3. Física - Estudo e ensino (Segundo grau) - Teses. 4. Ensino a distância - Teses. I. Cardoso, Alexandre. II. Universidade Fe-deral de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título. CDU: 681.3 : 007.52
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Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Associando Realidade Virtual não-imersiva e Ferramentas Cognitivas
para o Ensino de Física.
Orientador: Alexandre Cardoso, Dr Co-Orientadora: Elise B. Mendes, Dra
Orientando: Luciano Ferreira Silva
Janeiro 2006
i
Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Associando Realidade Virtual não-imersiva e Ferramentas Cognitivas para o
Ensino de Física.
Dissertação apresentada por Luciano Ferreira Silva à Universidade Federal de Uberlândia para obtenção do título de Mestre em Ciências, aprovada em 31/01/2006 pela Banca Examinadora:
Alexandre Cardoso, Dr (UFU) - Orientador Elise B. Mendes, Dra (UFU) - Co-Orientadora Edgard Lamounier Júnior, PhD (UFU) Eduardo Kojy Takahashi, Dr (UFU) José Remo Ferreira Brega, Dr (UNIVEM/UNESP)
ii
Associando Realidade Virtual não-imersiva e Ferramentas Cognitivas para o
Ensino de Física.
Dissertação apresentada por Luciano Ferreira Silva à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.
_________________________ _________________________ Alexandre Cardoso, Dr Darizon A. Andrade, PhD Orientador Coordenador
iii
À minha mãe Lazara Maria Ferreira e ao meu pai Luziano Alves da Silva, pelos exemplos de respeito, honestidade e simplicidade, pelo carinho, dedicação e pelos fundamentais apoios. E a todos familiares e amigos que contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.
iv
Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus, por iluminar os meus caminhos nas minhas
dificuldades e vitórias, fazendo-me ser sempre perseverante na busca dos meus ideais.
E em seguida, a todos que contribuíram para a realização deste trabalho e, pela
participação mais direta, sou especialmente grato:
Ao meu orientador, Professor Alexandre Cardoso, por sua amizade, dedicação,
paciência e pela importante, competente e segura orientação prestada em todos os
momentos da realização deste trabalho.
À minha co-orientadora, Professora Elise B. Mendes, por sua dedicação, valiosas
sugestões e importantíssima exigência quanto à qualidade deste trabalho.
Ao Professor Edgard Lamounier Júnior, pela dedicação, apoio e sugestões.
Aos Professores Eduardo Kojy Takahaschi, Nikoleta kerinska e Silvia Martins, pelas
excelentes sugestões, contribuições, apoio e dedicação oferecidos durante a execução
desse trabalho multidisciplinar.
Aos alunos de Iniciação Cientifica componentes da equipe multidisciplinar, Sorandra,
Dayane, Stephanie, Naira, Neiva, Lucas, Victor e Rodrigo, por seus esforços,
dedicação e vasta contribuição para conclusão deste trabalho.
Aos meus amigos do laboratório de Computação Gráfica, Marlene Marques, Marlene
Roque, Arquimedes, Marcio, Wneiton, Kenedy, Flávio, pela troca de conhecimento,
experiências e pela amizade.
Aos meus pais e minha irmã Laís, por acreditarem em meu potencial incentivando,
sempre, meus estudos.
À minha prima Núbia, por sua importante ajuda e dedicação em vários momentos de
dificuldades passados por minha família e por sempre acreditar em minha
capacidade.
Aos demais, mestres, amigos ou simples conhecidos, que foram, em níveis diferentes,
fundamentais para a minha formação e que me prestaram auxílio em muitas ocasiões.
v
Resumo SILVA, Luciano F. Associando realidade virtual não-imersiva e Ferramentas
cognitivas para o ensino de Física, Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica -
UFU, 2005.
Palavras-Chave: Realidade Virtual, Ferramentas Cognitivas, Ensino de Física.
Essa dissertação apresenta uma proposta de integração de técnicas de Realidade
Virtual e processos pedagógicos, com o objetivo de desenvolver, aplicar e avaliar, por
meio de uma equipe multidisciplinar, um sistema computacional educacional
direcionado para a aprendizagem de conceitos de Física no Ensino Médio.
Ao analisar alguns softwares recentes desenvolvidos para o ensino de Física
(WebTop, FisicaNet, LVEF, Pintar e LVCE) constatou-se que estes possuem
limitações em suas estruturas pedagógicas. Assim, visando suprir estas limitações
pedagógicas, foi proposto o SEFIRV (Sistema de Experiências Físicas Instrucional em
Realidade Virtual), composto por vinte e seis simulações virtuais alicerçadas em
princípios construtivistas e interligadas conceitualmente por meio de ferramentas
cognitivas.
Para tanto, foram desenvolvidos desenhos pedagógicos que possuem como
objetivo incentivar a aprendizagem e desafiar os aprendizes. Com o intuito de eliminar
a organização e distribuição linear e unidimensional dos conteúdos foi elaborado um
conjunto de organizadores gráficos e mapas conceituais para proporcionar ao aluno a
visualização do todo e das partes entre os conceitos, bem como a possibilidade de
gerenciar a sua aprendizagem.
Em relação aos aspectos tecnológicos, utilizou-se Realidade Virtual (RV) não
imersiva e a linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language) para a
modelagem dos objetos tridimensionais e a linguagem JavaScript foi utilizada para
animação dos Ambientes Virtuais e interação com o usuário.
A avaliação do SEFIRV limitou-se a verificar a usabilidade do sistema e a
aprendizagem de conceitos físicos. Os resultados da avaliação foram satisfatórios,
mostrando que o sistema contribui consideravelmente para o processo
ensino/aprendizagem.
vi
Abstract SILVA, Luciano F. Associating non-immersive virtual reality and cognitive tools for
Physics teaching, Uberlândia, University of Electric Engineering - UFU, 2005.
Key-words: Virtual reality, Cognitive Tools, Teaching of Physics.
This dissertation presents a proposal of integration of techniques of Virtual Reality and
pedagogic processes, with the aim of developing, to apply and to evaluate, through a
multidisciplinar team, a computational system education addressed for the teaching
Physics in high shool.
When analyzing some recent softwares developed for Physics teaching
(WebTop, FisicaNet, LVEF, to Paint and LVCE) was verified that these possess
limitations in their pedagogic structures. Thereby, seeking to supply these pedagogic
limitations was proposed the SEFIRV (System of Physical Experiences Instructional in
Virtual Reality) is composed by twenty-six virtual simulations within constructivist
principles and conceptually interlinked through cognitive tools.
For so much, it was developed a pedagogical drawing to stimulate learning of
the apprentices. With the intention of eliminating the linear organization and linear
distribution and one-dimensional of the contents a group of Graphic Organizers and
Conceptual Maps were elaborated to provide to the student a visualization of the
whole and of the parts among the concepts, as well as, the possibility to manage the
learning.
In relation to the technological aspects, non-immersive Virtual Reality (RV)
was used, together with the VRML (Virtual Reality Modeling Language) language for
the modeling of the three-dimensional objects and the JavaScript language for
animation of the virtual atmospheres and interaction with the user.
The overview of SEFIRV was limited to verify the usability of the system and
the learning of physical concepts. The results of the overview were satisfactory,
showing that the system contributes considerably to the process teaching/learning.
vii
Lista de Publicações
A seguir são apresentadas as publicações deste trabalho: 1. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B;
LAMOUNIER, Edgard. (2005). Associando Ferramentas Cognitivas e Realidade Virtual não-imersiva para o Ensino de Física. In: IADIS CONFERENCIA IBERO AMERICANA WWW/Internet, Lisboa.
2. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B;
LAMOUNIER, Edgard; TAKAHASHI, Eduardo Kojy. (2005). O uso de Realidade Virtual não-imersiva como suporte para o Ensino de Física. In: SBIE – SIMPÓSIO BRASILEIRO DE INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO, Juiz de Fora.
3. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B;
LAMOUNIER, Edgard; TAKAHASHI, Eduardo Kojy. (2005). Um Protótipo de Ensino Virtual Orientado por Modelo Psico-Pedagógico. In: WORKSHOP DE APLICAÇÕES DE REALIDADE VIRTUAL, Uberlândia.
4. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. (2004).
Pedagogical Design for Teaching Physics through Virtual Reality. In INTERNATIONAL CONFERENCE ON ENGINEERING EDUCATION AND RESEARCH. Bouzov Castle, Olomouc: INEER.
5. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. (2004). Um
Protótipo de Ensino Virtual Orientado por Modelo Psico-Pedagógico. In: CONGRESSO NACIONAL DE AMBIENTES DE HIPERMÍDIA PARA APRENDIZAGEM – CONAHPA, Florianópolis.
6. SILVA, Luciano Ferreira; CARDOSO, Alexandre. (2003). Usando Diretivas
Psico-Pedagógicas no desenvolvimento de Ambientes Virtuais para o Ensino de Física. In: PROCEEDINGS OF SVR 2003 – VI SYMPOSIUM ON VIRTUAL REALIY, Ribeirão Petro.
viii
Sumário 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................1
1.1 MOTIVAÇÃO ................................................................................................................1
1.2 OBJETIVOS...................................................................................................................4
1.3 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO................................................................................5
2 TRABALHOS RELACIONADOS .................................................................................7
2.1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................7
2.2 WEBTOP......................................................................................................................7
2.3 FISICANET...................................................................................................................8
2.4 LVEF – LABORATÓRIO VIRTUAL DE EXPERIÊNCIAS DE FÍSICA.................................10
2.5 PINTAR ......................................................................................................................11
2.6 LVCE – LABORATÓRIO VIRTUAL DE CIRCUITOS ELÉTRICOS ....................................14
2.7 COMPARAÇÃO DOS SISTEMAS ANALISADOS ..............................................................14
2.7.1 Ergonomia de Softwares.......................................................................................15
2.7.2 Quadro Comparativo............................................................................................16
2.8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................17
3 FUNDAMENTAÇÃO PEDAGÓGICA........................................................................19
3.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................19
3.2 APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA ................................................................................19
3.3 FERRAMENTAS COGNITIVAS......................................................................................21
3.3.1 Organizadores Gráficos .......................................................................................23
3.3.2 Mapas Conceituais ...............................................................................................23
ix
3.4 DESENHOS PEDAGÓGICOS DO SEFIRV .....................................................................25
3.4.1 Organizadores Gráficos .......................................................................................26
3.4.2 Experimentos Virtuais de Física ..........................................................................30
3.4.3 Mapas Conceituais ...............................................................................................30
3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................34
4 ARQUITETURA DO SISTEMA ..................................................................................35
4.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................35
4.2 TECNOLOGIAS DE APOIO ...........................................................................................35
4.2.1 VRML e X3D.........................................................................................................35
4.2.2 JavaScript .............................................................................................................38
4.3 DIAGRAMA DA ARQUITETURA DO SISTEMA...............................................................40
4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário – GUI ..............................................................42
4.3.2 Bloco dos Organizadores Gráficos ......................................................................42
4.3.3 Bloco das Experiências Físicas Virtuais ..............................................................45
4.3.4 Blocos dos Mapas Conceituais.............................................................................70
4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................72
5 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA ...........................................................................73
5.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................73
5.2 IMPLEMENTAÇÃO DOS AMBIENTES VIRTUAIS............................................................73
5.3 IMPLEMENTAÇÃO DOS MODELOS COMPORTAMENTAIS .............................................76
5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................81
6 RESULTADOS E LIMITAÇÕES DO SISTEMA ......................................................83
6.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................83
6.2 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA ..........................................................................................83
x
6.3 AVALIAÇÃO DO SISTEMA...........................................................................................84
6.3.1 Questões sobre os usuários ..................................................................................85
6.3.2 Questões sobre o guia do usuário ........................................................................86
6.3.3 Questões sobre os organizadores gráficos...........................................................87
6.3.4 Questões sobre os experimento físicos virtuais....................................................93
6.3.5 Questões sobre os mapas virtuais ........................................................................98
6.4 TABELA COMPARATIVA...........................................................................................103
6.5 LIMITAÇÕES DO SISTEMA ........................................................................................104
6.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ..........................................................................................104
7 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS...........................................................105
7.1 INTRODUÇÃO...........................................................................................................105
7.2 CONCLUSÕES...........................................................................................................105
7.3 TRABALHOS FUTUROS .............................................................................................107
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................................108
ANEXO..................................................................................................................................114
xi
Lista de Figuras Figura 2.1: Experimento do software WebTop ..........................................................................8
Figura 2.2: Simulação de Energia Potencial Gravitacional do FisicaNet...................................9
Figura 2.3: Simulação de Lentes e Espelhos Esféricos do FisicaNet.......................................10
Figura 2.4: Construção do Experimento Virtual no LVEF ......................................................11
Figura 2.5: Ilustração do Software Pintar no módulo Óptica ...................................................13
Figura 2.6: Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos.............................................................14
Figura 3.1: Exemplo de Organizador Gráfico ..........................................................................23
Figura 3.2: Hierarquia do Mapa Conceitual .............................................................................24
Figura 3.3: Mapa conceitual do mapa conceitual .....................................................................25
Figura 3.4: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte I..............................................................27
Figura 3.5: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte II ............................................................28
Figura 3.6: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte III ...........................................................29
Figura 3.7: Mapa conceitual do experimento de Queda Livre .................................................30
Figura 3.8: Mapa conceitual do experimento de Movimento Curvilíneo Uniforme ................31
Figura 3.9: Mapa conceitual do experimento de Colisão Elástica ...........................................31
Figura 3.10: Mapa conceitual do experimento de Sistema de Blocos das Leis de Newton .....32
Figura 3.11: Mapa conceitual do experimento de Lançamento de Satélites da Gravitação.....32
Figura 3.12: Mapa conceitual do experimento de Lançamento Oblíquo .................................33
Figura 3.13: Mapa conceitual do experimento de Empuxo da Hidrostática ............................33
Figura 4.1: Exemplo de um arquivo VRML ............................................................................37
Figura 4.2: Objeto virtual com o código JavaScript.................................................................40
Figura 4.3: Arquitetura do Sistema ..........................................................................................41
xii
Figura 4.4: A visualização de conceitos anteriores ..................................................................43
Figura 4.5: A visualização de conceitos posteriores................................................................43
Figura 4.6: Progressão de conceitos .........................................................................................44
Figura 4.7: Conceitos e definições ...........................................................................................44
Figura 4.8: Conceitos - Experiência ativada.............................................................................45
Figura 4.9: Experiência do Movimento Retilíneo Uniforme....................................................46
Figura 4.10: Placas de sinalização de Trânsito.........................................................................47
Figura 4.11: Câmera externa. ...................................................................................................48
Figura 4.12: Câmera aérea........................................................................................................49
Figura 4.13: Câmera interna. ....................................................................................................49
Figura 4.14: Câmera em um ponto referencial. ........................................................................50
Figura 4.15: Experiência de Queda Livre.................................................................................50
Figura 4.16: Experiência de Lançamento Oblíquo...................................................................51
Figura 4.17: Experiência de Lançamento Horizontal...............................................................52
Figura 4.18: Experiência de Movimento Curvilíneo Uniforme ...............................................52
Figura 4.19: Experiência de Sistema de Blocos .......................................................................53
Figura 4.20: Experiência de Equilíbrio de um Corpo Rígido...................................................54
Figura 4.21: Experiência de Lançamento de Satélites..............................................................55
Figura 4.22: Experiência de Empuxo .......................................................................................55
Figura 4.23: Experiência de Conservação da Quantidade de Movimento ...............................56
Figura 4.24: Experiência de Colisões Elásticas, exterior. ........................................................57
Figura 4.25: Experiência de Colisões Elásticas........................................................................57
Figura 4.26: Experiência de Colisão Completamente Inelástica..............................................58
Figura 4.27: Experiência da Conservação da Quantidade de Energia......................................58
Figura 4.28: Experiência de Dilatação de Sólidos....................................................................59
xiii
Figura 4.29: Experiência de Comportamento dos Gases..........................................................60
Figura 4.30: Experiência de Transferência de Calor e Mudança de Fases...............................61
Figura 4.31: Experiência de Espelhos Planos...........................................................................61
Figura 4.32: Experiência de Espelhos Esféricos ......................................................................62
Figura 4.33: Experiência de Lentes Esféricas ..........................................................................63
Figura 4.34: Experiência de Pêndulo Simples..........................................................................63
Figura 4.35: Experiência de Ondas em Cordas ........................................................................64
Figura 4.36: Experiência de Campo e Potencial Elétrico.........................................................65
Figura 4.37: Experiência de Associação de Resistências .........................................................65
Figura 4.38: Experiência de Associação de Capacitores..........................................................66
Figura 4.39: Experiência de Campo Magnético .......................................................................67
Figura 4.40: Experiência de Conservação da Quantidade de Energia / Painel de Controle.....67
Figura 4.41: Exemplo de Painel de Controle............................................................................68
Figura 4.42: Exemplo de objeto virtual - Trem de Ferro .........................................................70
Figura 4.43: Tecla “Tutorial” no experimento de Lançamento Oblíquo..................................71
Figura 4.44: Sistema de hiperlinks da experiência MRUV......................................................72
Figura 5.1: Objeto criado por extrusão Fechado ......................................................................74
Figura 5.2: Secção da Extrusão ................................................................................................74
Figura 5.3: Objeto criado por extrusão Aberto.........................................................................74
Figura 5.4: Extrusão de superfícies curvas...............................................................................75
Figura 5.5: Funções ligadas a objetos virtuais..........................................................................77
Figura 5.6: Acelerando e freando no Ambiente Virtual do MRUV .........................................79
Figura 6.1: Página de Abertura do SEFIRV.............................................................................84
xiv
Lista de Abreviaturas API – Application Programming Interface
ASCII – American Standard Code for Information Interchange
AV – Ambiente Virtual
GUI – Graphics User Interface
INEP – Instituto Nacional de Estudo e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira
LVCE – Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos
LVEF – Laboratório Virtual de Experiências Físicas
MCU – Movimento Circular Uniforme
MRU – Movimento Retilíneo Uniforme
MRUV – Movimento Retilíneo Uniformemente Variado
PCNEM – Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio
RV – Realidade Virtual
SEFIRV – Sistema de Experiências Físicas Instrucional em Realidade Virtual
UFU – Universidade Federal de Uberlândia
VRML – Virtual Reality Modeling Language
WWW – World Wide Web
XML – Extensible Markup Language
1
Capítulo 1
1 Introdução
1.1 Motivação
A nova era das tecnologias da informação e do capital intelectual exige uma
mudança profunda na organização, nas teorias curriculares e metodologias de ensino
das escolas [Sacardamalia and Bereiter, 2000].
Nos anos 90, devido à velocidade dos sistemas de comunicações e ao volume de
informações produzido pelas tecnologias da informação, tornaram-se superados os
parâmetros da formação do cidadão das décadas de 60 e 70. Hoje, não se trata mais de
adquirir “know-how” e acumular informações, porque a formação humanitária do
educando, a alfabetização científica e tecnológica, o aprender a aprender são
finalidades prioritárias para a formação dos cidadãos [Burgen and Härnqvist, 1997],
[American Association for the Advancement of Science - Project 2061, 2001].
Consoante às mudanças mundiais, o Brasil, por meio do Ministério da
Educação, criou as bases legais dos novos Parâmetros Curriculares Nacionais do
Ensino Médio (PCNEM) em 1999, com o objetivo de superar a extrema desvantagem
em relação ao índice de escolarização e ao nível de conhecimento dos países
desenvolvidos. Desse modo, a Secretaria de Educação Média e Tecnológica do Brasil
estabeleceu especial ênfase ao ensino da ciência. Através de sua diretoria está sendo
implementado um Plano de Educação para a Ciência que visa incorporar a prática e a
reflexão científicas na vida escolar e social de adolescentes. Como objetivos
específicos destacam-se o incentivo a projetos curriculares direcionados para a
educação científica e mudanças curriculares que incorporem abordagens práticas e
problematizadoras das ciências, e assim como a produção e distribuição de livros e
materiais didáticos de ciências.
2
Com relação ao ensino de Física, em levantamento realizado pelo Instituto
Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira [INEP, 2002], foi
detectado um déficit de 48015 professores, em 2001. Preocupado com esses dados, a
Secretaria de Educação Básica elaborou as Diretrizes Curriculares Nacionais para a
Formação de Professores [CNE, 2002], que têm como objetivo, entre outros, elaborar e
executar projetos de desenvolvimento dos conteúdos curriculares que apliquem
tecnologias da informação, estratégias e materiais de apoio inovadores, visando à
melhoria do processo ensino-aprendizagem. Entre as diretrizes curriculares nacionais
para o Ensino Médio destacam-se a contextualização e interdisciplinaridade como
princípios para estimular a aprendizagem. Esses princípios sugerem abordagens
teórico-metodológicas que articulem teoria e prática no ensino dos conceitos
científicos.
Entretanto, notam-se, na escola brasileira, escassos recursos didáticos e a
inexistência de laboratórios para o ensino de ciências, como por exemplo, a falta de
laboratórios de Física no Ensino Médio. Desse modo, é necessário procurar soluções
pedagógico-didáticas, consoantes com as necessidades da sociedade contemporânea,
que contribuam para a diminuição dos problemas apresentados no ensino brasileiro.
Uma proposta de solução seria a aplicação dos recursos computacionais
direcionados para o desenvolvimento de softwares de apoio ao ensino de conceitos de
Física. Entre as categorias de softwares que oferecem ao usuário ferramentas para
manipular representações conceituais e melhorar a compreensão desses processos,
encontram-se simulações, sistemas de Realidade Virtual, micromundos, mapas
conceituais e estações de trabalho (Workbenches) [Collis, 2002].
Segundo Latta (1994), Realidade Virtual (RV) é uma avançada interface-
homem máquina que simula um ambiente realístico, permitindo que os participantes
interajam com ele. Pimentel (1995) complementa definindo RV como o uso de alta
tecnologia para convencer o usuário de que ele está em outra realidade.
Em geral, o termo Realidade Virtual refere-se a uma tecnologia em que estão
sendo agrupados meios através dos quais o usuário pode livremente visualizar,
explorar/manipular e interagir com dados complexos em tempo real. Agrupando-se
3
alguns outros conceitos, pode-se dizer que Realidade Virtual é uma técnica avançada
de interface, em que o usuário pode realizar imersão (sensação de estar dentro do
ambiente), navegação e interação em um ambiente tridimensional gerado por
computador. [Pinho, 1998]
A RV permite que os conceitos científicos possam ser aprendidos de forma
concreta. Esta característica é consoante com os métodos construtivistas de ensino que
estabelecem a necessidade da aprendizagem pela experiência; neste caso, experiência
com objetos virtuais que podem ser observados, explorados e descobertos.
Portanto, as simulações em RV diferem de outros softwares em termos de:
exploração pelo usuário de um domínio conceitual, número de objetos que podem ser
manipulados, detalhes e a fidelidade das simulações. Como Pinho (1998) demonstra, a
potencialidade da RV, referente à capacidade de retenção e de compreensão de
informações, relaciona-se com o fato de permitir a exploração de ambientes, processos
ou objetos, não por meio de livros, fotos, filmes ou aulas, mas mediante a manipulação
e a análise do próprio alvo de estudo. O processo psicológico que torna ativa a imersão
da RV é muito semelhante ao modo como as pessoas adquirem conhecimento, isto é,
por meio da interação com objetos e eventos no mundo real [William Winn, 1993].
Como afirmam Barros e Kelner (2003) as razões para utilizar RV na Educação
são diversas, destacando-se a maior motivação do usuário, pois RV é uma forma como
a qual as pessoas visualizam, manipulam e interagem com computadores e dados
extremamente complexos [Burdea and Coiffet, 1994], [Kirner, 2004]. Além disso, a
RV possibilita a criação de Ambientes Virtuais interativos e intuitivos, proporcionando
a manipulação direta de seus objetos que respondem às ações do usuário, estimulando
sua participação ativa.
Com o surgimento da rede mundial de computadores, a Internet, surgiram novas
formas de aprendizagem como a Educação a Distância. Neste âmbito, a RV destaca-se
por possibilitar a criação de Ambientes Virtuais que podem ser compartilhados via
Web. Neste caso, pode-se usar o VRML (Virtual Reality Modeling Language) [Ames
et al., 1997], uma linguagem de modelagem 3D que gera arquivos pequenos, com
baixo custo de transmissão e armazenamento.
4
Autores contemporâneos definem desenho pedagógico como um novo horizonte
conceitual do ensino, da aprendizagem e dos suportes de aprendizagem. O termo
desenho pedagógico refere-se a qualquer escolha sistemática e ao uso de
procedimentos, métodos, prescrições e mecanismos numa ordem que proporcione
aprendizagem efetiva, eficiente e produtiva [Lowyck apud Mendes, 2002]. Qualquer
atividade de desenho pedagógico resulta em um plano ou cenário que define o
formato, os conteúdos, a estrutura do ambiente, os sistemas de distribuição e as
estratégias de execução. Com o crescimento de ambientes eletrônicos de
aprendizagem, essas definições certamente necessitam de algumas adaptações.
Inúmeros estudos relatam a criação de softwares educacionais de simulações de
fenômenos difíceis de serem realizados em sala de aula, e que não são fundamentados
em desenhos pedagógicos. Conseqüentemente, não estimulam processos ativos de
aprendizagem [Good and Berger, 1997].
Ao encerrar as anotações sobre a relevância da RV, concluiu-se que a
motivação para esta pesquisa está relacionada aos seguintes fatores:
• carência de professores qualificados e laboratórios para o ensino de Física;
• alto custo para a construção e manutenção de laboratórios de ensino de Física;
• carência de projetos multidisciplinares para desenvolvimento de softwares
educacionais;
• carência de modelos pedagógicos nos softwares de ensino existentes;
• processo de inclusão digital;
• facilidade de acesso ao software, podendo ocorrer de forma presencial e/ou via
rede eletrônica.
1.2 Objetivos
Essa pesquisa teve como objetivos investigar técnicas computacionais,
associadas a metodologias pedagógicas que visem desenvolver, aplicar e avaliar um
software para o ensino de Física que esteja direcionado ao Ensino Médio e
5
fundamentado em desenhos pedagógicos contemporâneos. Além disso, este software
deverá oferecer suporte ao ensino presencial e/ou a distância. Para atingir tal objetivo
foram definidas as seguintes metas:
• analisar softwares educacionais atuais para o ensino de Física, avaliando suas
vantagens e limitações;
• investigar técnicas de Realidade Virtual, visando criar uma ergonomia de
interface para o software que possibilite a fácil manipulação de seus objetos
virtuais, como também, o fácil acesso aos ambientes de aprendizagem;
• elaborar o Desenho Pedagógico do software de ensino de Física, fundamentado
em modelos cognitivos construtivistas;
• elaborar uma arquitetura de um sistema voltado para o ensino que permita ao
usuário estabelecer uma conexão conceitual entre o mundo real e o sistema;
• desenvolver o software educacional, denominado SEFIRV – Sistema de
Experiências Físicas Instrucional em Realidade Virtual, constituído de um
amplo conjunto de experimentos desenvolvidos com o uso de RV;
• elaborar estratégias de representação do mundo real em experimentos que se
relacionam com o conteúdo da Física no Ensino Médio;
• aplicar e avaliar o SEFIRV de forma sistemática, por meio de grupos de
controle, utilizando laboratórios de informática das escolas e da UFU -
Universidade Federal de Uberlândia e aplicando metodologias de ensino
coerente com os modelos pedagógicos do software.
1.3 Organização da Dissertação
Por questões operacionais, este estudo foi dividido em sete capítulos, a saber:
No Capítulo 1, ou seja, na Introdução estão registradas as considerações iniciais
sobre a importância da RV, assim como a motivação e os objetivos dessa pesquisa e a
organização da dissertação.
6
No Capítulo 2 discute-se o estado atual dos softwares educacionais relacionados
à Física da grade curricular do Ensino Médio, mostrando suas vantagens e limitações.
O Capítulo 3 são abordados o desenho e a fundamentação pedagógica dos
ambientes de aprendizagem.
O Capítulo 4 aborda as características mais importantes das tecnologias de
apoio (VRML e JavaScript) e descreve a arquitetura do sistema.
O Capítulo 5 apresenta técnicas utilizadas para implementação do sistema,
assim como alguns trechos do código demonstrando esta implementação.
O Capítulo 6 apresenta a descrição geral do software e suas limitações, o
funcionamento do sistema de navegação, e ainda os resultados obtidos por meio das
avaliações de usuários em potenciais, em relação à ergonomia de interface, ao desenho
pedagógico, à necessidade de aplicações de metodologias de ensino pertinentes ao
modelo pedagógico e ao desenvolvimento da aprendizagem significativa.
O Capítulo 7 apresenta as conclusões alcançadas ao longo da pesquisa e as
sugestões para trabalhos futuros. Finalmente, estão registradas as referências
bibliográficas utilizadas durante a pesquisa.
7
Capítulo 2
2 Trabalhos Relacionados
2.1 Introdução
Com o objetivo de avaliar as potencialidades dos softwares recentes
desenvolvidos para o ensino de Física foram analisados alguns trabalhos, procurando
ressaltar os processos de interações propostos, as estruturas pedagógicas e limitações.
2.2 WebTop
Com o intuito de ensinar Óptica, a University of State Mississipi criou a
ferramenta WebTOP (2005), totalmente desenvolvida em VRML e Java. O sistema é
composto por dezesseis módulos diferentes, envolvendo ondas, ótica geométrica,
reflexão e refração, polarização, interferência, difração, distribuídos em oito áreas da
Óptica. Cada módulo possui simulações computacionais interativas, animadas e em 3D
para apresentação de fenômenos físicos, sendo utilizados applets1 Java para controlar
interações do usuário com os ambientes de experimento.
Juntamente com cada simulação, o WebTop propõe uma seção sobre a teoria
envolvida no fenômeno em estudo, uma seção sobre como operar a simulação, e uma
seção com exercícios sugeridos.
O WebTop foi desenvolvido para auxiliar professores e alunos, sendo seus
experimentos voltados para estudantes universitários nivelados do curso de Física ou
áreas afins. Durante quatro anos, a universidade utilizou o WebTop para ensinar
Óptica em suas instalações, atualmente ele está sendo usado nacional e
1 Applets são pequenos programas construídos em Java. Podem ser executados dentro de um navegador do cliente quando a página é acessada. Estes pequenos programas podem executar tarefas de controle de acesso, efeitos gráficos e segurança, como por exemplo, a criptografia. O nome Applet tem uma alusão à palavra application do inglês [Escola Vésper, 2005].
8
internacionalmente em inúmeras outras universidades. A Figura 2.1 apresenta uma tela
típica de um experimento do software WebTop.
Figura 2.1: Experimento do software WebTop
Fonte: [WebTop, 2005].
Uma das limitações observadas no WebTop refere-se ao seu desenho
pedagógico, voltado exclusivamente para alunos com conhecimentos aprofundados em
Óptica. A estrutura pedagógica desta ferramenta não permite ao usuário gerenciar e
organizar a informação em busca da compreensão dos conceitos e de suas definições
relacionadas ao fenômeno. O WebTop permite apenas acessar textos explicativos
sobres os fenômenos do experimento em execução.
2.3 FisicaNet
O sistema FisicaNet (2005) possui um conjunto de simulações, no formato
applet Java, de diferentes conteúdos de Física do Ensino Médio (Mecânica,
Movimentos Ondulatórios, Óptica, etc). As simulações do FisicaNet são interativas, o
usuário pode inserir dados no experimento e observar as reações que cenário responde.
Estas reações podem ser observadas apenas no comportamento dos objetos de cena,
pois o sistema não apresenta respostas numéricas ao usuário. Este aspecto é uma das
limitações do sistema; Em laboratórios e experimentação, o estudante necessita
9
correlacionar os dados de entrada com os resultados, a fim de entender as equações
dos fenômenos da Física.
A Figura 2.2 apresenta um exemplo de simulação do FisicaNet referente ao
conteúdo Energia Potencial Gravitacional, da Mecânica. Neste experimento o usuário
observa uma prancha lançar um objeto, com gravidade fixa de 9,81 m/s2, sendo
possível a seleção da massa e a energia potencial gravitacional deste objeto. Também
pode-se escolher a porcentagem de transferência de energia a cada colisão do objeto.
Figura 2.2: Simulação de Energia Potencial Gravitacional do FisicaNet
Fonte: [FisicaNet, 2005].
As simulações do FisicaNet não são modeladas de forma realística, a grande
maioria está em apenas duas dimensões (2D), o que prejudica a associação do
experimento com o conhecimento do usuário sobre o real.
Observa-se que o FisicaNet utiliza fortemente em suas simulações símbolos que
não se relacionam com conceitos e suas definições, como também o usuário não tem
acesso às notações que representam o fenômeno. Como, por exemplo, a simulação de
lentes e espelhos esféricos, da Óptica, ilustrada na Figura 2.3. O experimento apresenta
campos de entrada de dados representados pelas letras p, q, f e M. O FisicaNet não
possibilita ao usuário associar estas letras aos conceitos e às definições do conteúdo
abordado nesta simulação.
10
Figura 2.3: Simulação de Lentes e Espelhos Esféricos do FisicaNet
Fonte: [FisicaNet, 2005].
Não é possível observar uma estrutura pedagógica no FisicaNet, pois suas
simulações estão dispostas de forma desconexa, existindo apenas textos explicativos,
no formato hipertexto, sobre a simulação em que está sendo executada.
2.4 LVEF – Laboratório Virtual de Experiências de Física
O LVEF [Cardoso, 2002] consiste em um sistema de experimentos de Mecânica
Clássica2 que permite ao usuário criar seu próprio experimento, utilizando objetos
virtuais de uma biblioteca predefinida. Os Ambientes Virtuais foram construídos em
VRML e JavaScript, sendo utilizados applets Java para realizar a interação do usuário
com o ambiente virtual. Inicialmente o cenário virtual encontra-se sem objetos, o
usuário escolhe cada objeto de acordo com o experimento que deseja realizar. Na
Figura 2.4 pode-se observar o cenário do experimento virtual sendo montado pelo
usuário.
2 Mecânica Clássica é a ciência que investiga os movimentos e as forças que os provocam, baseando-se nas leis de Newton; mecânica newtoniana [Alvarenga and Máximo, 2000].
11
Figura 2.4: Construção do Experimento Virtual no LVEF
Fonte: [Cardoso, 2002].
O LVEF é um sistema próprio para o ensino direcionado porque não possui
uma estrutura pedagógica que permite aos alunos, sem intervenção de professores, a
construção de seu próprio conhecimento. Uma limitação observada no LVEF refere-se
ao número reduzido de objetos disponíveis na biblioteca do cenário virtual, o que
restringe a variedade de experimentos a serem construídos.
2.5 Pintar
O Laboratório Virtual Pintar [Pintar, 2005] consiste em um software
direcionado para o ensino de Física no Ensino Médio. Está acessível gratuitamente, via
Internet, uma versão limitada deste software que não agrega todos seus aplicativos.
O Pintar é um conjunto composto de nove aplicativos totalmente individuais
destinados a simulações de experimentos, nas áreas de Física, Química e Matemática
do Ensino Médio, dispostas em três módulos:
• Física: Eletricidade, Eletrônica, Mecânica, Ondas, Ótica e Sons;
• Matemática: Geometria e Funções;
• Química: Moléculas.
12
O módulo de Mecânica trabalha com a Mecânica Clássica, dispondo de diversos
materiais como massas, molas, polias, etc. As propriedades de cada objeto podem ser
alteradas conforme necessário. O Pintar permite observar gráficos e vetores em cada
objeto existente e realizar comparações quadro a quadro.
Em Eletricidade o usuário pode criar experimentos conectando componentes
elétricos tais como baterias, interruptores, lâmpadas, resistores, voltímetros, relês,
amperímetros e outros. As propriedades de cada componente podem ser alteradas
quantas vezes se desejar.
No módulo de Ondas pode-se escolher um tipo de onda, plana ou esférica ou até
mesmo ambas, juntamente com outros objetos e realizar alterações no comprimento,
na freqüência, na amplitude, no período e na velocidade desta onda. O software
permite testar fenômenos como a difração, o princípio de Huygens, a interferência, a
reflexão e a refração, através de diferentes meios atingindo diferentes objetos.
Em Óptica o software permite o teste de fenômenos relacionados à luz
(reflexão, refração e difração) e à visão (correção de deficiências visuais, como a
miopia e a hipermetropia), podendo-se utilizar objetos como lentes, prismas, espelhos
e filtros.
Observa-se que a grande maioria dos experimentos possui uma interface
bidimensional, como apresentado na Figura 2.5, que ilustra uma simulação em Óptica
utilizando lentes convexas.
13
Figura 2.5: Ilustração do Software Pintar no módulo Óptica
Fonte: [Pintar, 2005].
A proposta do Pintar 2005 visa atingir professores e alunos da seguinte forma:
• Os professores podem usar os programas para demonstrar problemas que antes
só eram ilustrados de forma estática em livros.
• Os alunos podem fazer prognósticos, executar experimentos, testar cenários
alternativos e hipotéticos e ver os resultados de forma imediata.
O software Pintar propõe-se a estimular a aprendizagem através da
experimentação por meio do princípio construtivista "aprender fazendo", para que os
alunos aprendam de forma mais efetiva se estão ativamente envolvidos com a criação
de um material de aprendizagem significativo. Porém, a estrutura pedagógica do Pintar
não estimula o usuário a realizar a aprendizagem dos conceitos envolvidos na
simulação. O aprendiz deve possuir todos os conhecimentos prévios para construir e
compreender o experimento e associar o modelo comportamental do sistema ao
conteúdo estudado. Assim, este processo não exige uma ação metacognitiva do
aprendiz.
14
2.6 LVCE – Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos
O LVCE [Nakamoto P., 2005] é um sistema que simula um ambiente virtual de
experimentos físicos de eletrodinâmica. O seu cenário virtual consiste em um
laboratório virtual que permite realizar experimentos de circuito elétrico, como ilustra
a Figura 2.6. O laboratório por uma placa de circuitos, um conjunto de resistores,
baterias e um multímetro. O usuário pode manipular os objetos virtuais e realizar
medições para verificar o resultado do experimento.
Figura 2.6: Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos
Fonte: [Nakamoto P., 2005]
Como tutorial de aprendizagem o LVCE utilizou um mapa conceitual referente
à eletrodinâmica. No entanto, o sistema não faz relação entre os conceitos e suas
equações matemáticas do fenômeno físico.
2.7 Comparação dos Sistemas Analisados
Para melhor visualizar as diferenças e as similaridades dos sistemas analisados
foi construído um quadro comparativo com características importantes para um
software voltado à aprendizagem. Tais características foram ressaltadas com base na
ciência de Ergonomia de softwares para análises de interfaces e com base em diretrizes
do programa PROINFO – Programa de Informática na Educação, para análises de
processos pedagógicos [PROINF, 2006].
15
2.7.1 Ergonomia de Softwares
A interface de um software destina-se a interar o usuário com o sistema
computacional, segundo definição de Scapin apud Sperandio (1993). Ela é considerada
como concernente a todos os aspectos dos sistemas informáticos que influenciam a
participação do usuário nas tarefas informatizadas. É necessário ressaltar que esta não
se refere somente aos aspectos gráficos da camada imediatamente visível pelo usuário
na tela do computador, mas também (e inclusive) aos objetivos de interação e ao
próprio usuário.
Coutaz (1990), em uma outra definição, considera a interface como um
dispositivo que serve de limite comum a duas entidades comunicantes, exprimindo-se
por uma linguagem específica (sinal elétrico, movimento, linguagem natural). Além de
assegurar a conexão física, o sistema deve permitir a tradução de uma linguagem
(formalismo) para outra (o). No caso da Interface Homem-Computador (IHC), trata-se
de fazer a conexão entre a imagem externa do sistema e o sistema sensório-motor e
cognitivo do homem.
De forma mais completa, Galvis (1992) define a interface como a zona de
comunicação em que se realiza a interação entre o usuário e o programa. Nela estão
contidos os tipos de mensagens compreensíveis pelos usuários (verbais, icônicas,
pictóricas ou sonoras) e pelo programa (verbais, gráficas, sinais elétricos e outras), os
dispositivos de entrada e saída de dados que estão disponíveis para a troca de
mensagens (teclado, mouse, tela do monitor, microfone) e ainda as zonas de
comunicação habilitadas em cada dispositivo (as teclas no teclado, os menus no
monitor, barras de tarefas, área de trabalho).
Como a quantidade de usuários leigos em conhecimentos de informática é
crescente, diferentemente dos usuários com experiência, as dificuldades na interação
com as máquinas apresentam-se evidentes. Estas dificuldades são geralmente
provenientes da falta de experiência, das diferenças individuais e das funções
cognitivas exigidas na tarefa de interação, forçando, assim, o desenvolvimento de
interfaces cada vez mais amigáveis. [Ribeiro C., 1998]
16
A ergonomia busca a melhoria das condições de trabalho e seu objetivo é a
adaptação do trabalho ao homem. Segundo Wisner (1987), a ergonomia pode ser
definida como a utilização de conhecimentos científicos relativos ao homem e
necessários para conceber ferramentas, máquinas e dispositivos que possam ser
utilizados com o máximo de conforto, de segurança e eficácia pelo maior número de
pessoas.
Wisner apud Sperandio (1988) definiu a ergonomia de software como um caso
particular de adaptação do trabalho ao homem: a adaptação do sistema informático à
inteligência humana. Esta adaptação à inteligência começa com a adequação da
ferramenta à representação do usuário.
A ergonomia de softwares visa favorecer a adequação dos softwares,
particularmente das interfaces, às tarefas e objetivos de interação do usuário, o que
corresponde, em termos práticos, à capacidade do software em "permitir" ao usuário,
atingir facilmente seus objetivos. Para tanto, a ergonomia de softwares realiza estudos
em sistemas de informática, destacando-se:
• a utilidade, que determina se o sistema atende as necessidades funcionais e
operacionais;
• a usabilidade, que determina a facilidade de uso;
• a utilizabilidade (usabilidade + utilidade), que segundo Senach (1993), diz
respeito à facilidade de aprendizagem e de utilização.
2.7.2 Quadro Comparativo
Com base nas definições e conceitos descritos acima construiu-se um quadro
comparativo dos sistemas analisados, o qual está representado na Tabela 2.1. Os itens
comparados são: se as interfaces dos sistemas foram construídas em duas ou três
dimensões; se os sistemas permitem a manipulação direta de seus componentes; se os
objetos de aprendizagem foram modelados de forma realística, permitindo a
associação destes com o cotidiano do usuário; se os sistemas apresentam os resultado
dos experimentos de forma numérica, facilitando a compreensão dos fenômenos
17
físicos; se o softwares realizam experimentos de toda a grade curricular do Ensino
Médio; se os sistemas apresentam tutoriais de ajuda que auxiliem no
ensino/aprendizado do conteúdo estudado; se existem ferramentas cognitivas para
facilitar a compreensão de conceitos; e se os softwares apresentam desenhos
pedagógicos para direcionar a aprendizagem.
Tabela 2.1: Quadro Comparativo
WebTop FisicaNet LVEF Pintar LVCE
2D
3D
Manipulação direta
Modelagem realística
Apresentação dos resultados dos experimentos
Conteúdo completo de Física do Ensino Médio
Presença de tutoriais de ajuda conceitual
Presença de ferramentas cognitiva
Presença de desenhos pedagógicos
2.8 Considerações Finais
Após comparar e analisar cuidadosamente os sistemas acima foram observadas
diferentes características em suas arquiteturas. Por exemplo, o WebTop trabalha com
Óptica, o LVEF com Mecânica, o Pintar e o FisicaNet abordam todo o conteúdo de
Física do Ensino Médio.
Ao analisar como a modelagem dos cenários de aprendizagem de cada software
foi realizada, observa-se que o WebTop possui uma modelagem realística, mas voltada
para alunos com conhecimentos prévios em Óptica. O LVEF, em apenas alguns
momentos apresenta uma modelagem realística de seus objetos virtuais. O software
18
Pintar e o FisicaNet não possuem modelagem realística, apresentando interface em
duas dimensões (2D).
Analisando a estrutura pedagógica de cada software observa-se que no máximo
eles oferecem textos explicativos sobre o conteúdo abordado em seus experimentos e
não se percebe o uso de qualquer tipo de ferramenta cognitiva para intermediar e
facilitar os processos cognitivos do aprendiz.
Tomando como referência as informações citadas, verifica-se a necessidade de
desenvolver um sistema multidisciplinar com ambientes de aprendizagem interativos e
realísticos. O sistema deve apoiar-se também em propostas pedagógicas (Capítulo 3),
facilitando a criação de ambientes contextualizados que conduzam a aprendizagem dos
conceitos abordados nos experimentos.
19
Capítulo 3
3 Fundamentação Pedagógica
3.1 Introdução
Como se sabe, as tecnologias não intervêm diretamente a aprendizagem
[Jonassen, 1992 apud Mendes, 2002]. As pessoas não aprendem por meio de
computador, livros, vídeos ou outros instrumentos que foram desenvolvidos para
transmitir a informação. A aprendizagem é mediada pelo pensamento (processo
mental), o pensamento é estimulado pelas atividades de aprendizagem, e a
aprendizagem é ativada pelo processo de intervenção educacional, incluindo-se as
tecnologias.
Dessa forma, ao se pensar no desenvolvimento de tecnologias para
complementar e estender a mente humana, encorajando o processo e a potencialidade
para gerar a informação e ativando o processo de construção do conhecimento, devem-
se criar ferramentas que apresentem uma estrutura e funcionamento embasados em
modelos ativos da mente. Nesta perspectiva, é necessário elaborar uma arquitetura
pedagógica, para o desenvolvimento de software que ofereça suporte ao processo
ensino e aprendizagem, fundamentado em teorias cognitivas e instrucionais.
Para tanto, esta pesquisa fundamentou-se nas teorias de aprendizagem
significativa de Ausubel e Novak [Ausubel et al, 1984] e nos modelos de ferramentas
cognitivas para o desenvolvimento de uma arquitetura dos ambientes de
aprendizagem, bem como para a criação de estratégias e procedimentos instrucionais.
3.2 Aprendizagem Significativa
Aprendizagem significativa é o principal conceito da teoria de Ausubel, Novak
e Hanassen (1984). Esses teóricos consideram que a aprendizagem da nova informação
20
inicia-se com as observações de acontecimentos ou objetos, e da interação dessa nova
informação com os conceitos que as pessoas já possuem em sua estrutura cognitiva.
Por acontecimento entende-se qualquer elemento ou fenômeno que acontece ou
podem ser forçados a acontecer, e por objeto pretende-se traduzir algo que existe e que
pode ser observado. Salienta-se que a construção do conhecimento pode envolver tanto
os acontecimentos ou objetos de ocorrência natural, como os acontecimentos ou
objetos construídos pelo homem.
Conceitos são definidos como regularidade nos acontecimentos ou nos objetos
que se designam por um certo termo [Ausubel et al, 1984]. Por exemplo “cadeira” é o
termo da língua portuguesa usado para designar um objeto que possui pernas, um
assento e costas, e “vento” é o termo usado para o acontecimento que envolve o ar em
movimento. Os conceitos e as relações proposicionais entre os conceitos são os
elementos centrais na estrutura do conhecimento e na construção de significados, isso
porque o processo de dar significado ao mundo só é possível pela atividade do pensar,
e pensar “envolve conceitos: formá-los e relacioná-los entre si”. [Glasersfeld, 1995].
Para Ausubel (1963), a aprendizagem significativa é o mecanismo humano, por
excelência, para adquirir e armazenar a vasta quantidade de conceitos, idéias e
proposições representadas em qualquer campo de conhecimento. Esse processo de
aprendizagem se caracteriza pela interação da informação, de forma não arbitrária e
substantiva (não-literal), à estrutura cognitiva do aprendiz.
A não-arbitrariedade quer dizer que o material potencialmente significativo se
relaciona de maneira não-arbitrária com o conhecimento já existente na estrutura
cognitiva do aprendiz. Ou seja, o relacionamento não ocorre com qualquer aspecto da
estrutura cognitiva, mas sim com conhecimentos especificamente relevantes, os quais
Ausubel chama subsunçores. O conhecimento prévio serve de matriz ideacional e
organizacional para a incorporação, compreensão e fixação de novos conhecimentos
quando estes “se ancoram” em conhecimentos especificamente relevantes
(subsunçores) preexistentes na estrutura cognitiva. Novas idéias, conceitos,
proposições, podem ser aprendidos significativamente (e retidos) na medida em que
outras idéias, conceitos, proposições, especificamente relevantes e inclusivos estejam
21
adequadamente claros e disponíveis na estrutura cognitiva do sujeito e funcionem
como pontos de “ancoragem” aos primeiros.
A substantividade significa que o que é incorporado à estrutura cognitiva é a
substância do novo conhecimento, das novas idéias, não as palavras precisas usadas
para expressá-las. O mesmo conceito ou a mesma proposição podem ser expressos de
diferentes maneiras, por meio de distintos signos ou grupos de signos, equivalentes em
termos de significados. Assim, uma aprendizagem significativa não pode depender do
uso exclusivo de determinados signos em particular. A essência do processo da
aprendizagem significativa está, portanto, no relacionamento não-arbitrário e
substantivo de idéias simbolicamente expressas a algum aspecto relevante da estrutura
de conhecimento do sujeito, isto é, a algum conceito ou proposição que já lhe é
significativo e adequado para interagir com a nova informação. É desta interação que
emergem, para o aprendiz, os significados dos materiais potencialmente significativos
(ou seja, suficientemente não arbitrários e relacionáveis de maneira não-arbitrária e
substantiva a sua estrutura cognitiva). É também nesta interação que o conhecimento
prévio se modifica pela aquisição de novos significados.
A não arbitrariedade e a substantividade definem que é no curso da
aprendizagem significativa que o significado lógico do material de aprendizagem se
transforma em significado psicológico para o sujeito.
3.3 Ferramentas Cognitivas
Ferramentas, como demonstra [Jonassen, 1992 apud Mendes, 2002], são
extensões dos seres humanos que os favorecem em relação aos animais. Algumas
espécies de animais têm descoberto ferramentas, mas eles não são hábeis em conceber
necessidades de construí-las ou incorporá-las em suas culturas. Através da história, os
humanos têm desenvolvido ferramentas com o objetivo de facilitar o trabalho físico. A
revolução industrial ampliou este benefício ao adicionar-lhes recursos artificiais de
grande poder. A revolução da informação e da eletrônica estendeu-lhes também
recursos artificiais em sua funcionalidade e êxito.
22
Ferramentas cognitivas baseadas no computador vêm sendo desenvolvidas para
favorecer a aprendizagem. São ferramentas generalizáveis e podem facilitar o processo
cognitivo através do enriquecimento de estratégias de aprendizagem. As ferramentas
cognitivas como artefatos mentais e computacionais que facilitam, orientam e
estendem o processo de pensamento de seus usuários. Muitas ferramentas cognitivas,
tais como estratégias cognitivas e metacognitivas3, são internas ao aprendiz. Além das
ferramentas cognitivas internas, existem ferramentas externas, tais como os artefatos
baseados em computadores e ambientes que estimulam o processo de pensamento.
Essas ferramentas (internas e externas) são usadas para desenvolver o processo
cognitivo significativo da informação que pode ser aplicado aos problemas individuais
e coletivos.
Atualmente, os mapas conceituais e os organizadores gráficos são ferramentas
cognitivas utilizadas, em larga escala, para organizar e representar o conhecimento
científico e mental e para desenvolver novas metodologias de ensino.
A literatura sugere diferentes aplicações dos mapas conceituais e organizadores
gráficos na educação e do treinamento como estratégias de aprendizagem que
enriquecem a construção do conhecimento por meio de novas tecnologias da
informação. Os mapas conceituais são utilizados como auxiliares dos educadores na
definição de objetivos cognitivos, nos modelos de currículo, no desenvolvimento e
avaliação do material curricular, na elaboração de planos de ensino, na avaliação de
estratégias de aprendizagem, na construção do conhecimento em determinada área
científica. São ferramentas colaborativas de distribuição cognitiva a distância, em
estratégias de aprendizagem e decisão de navegação em lições, usando hipermeios e
hipertextos, em gerenciamento do conhecimento e da informação e em bibliotecas
virtuais [Mendes, 2002].
3 A metacognição é um importante conceito na teoria cognitiva e consiste em dois processos básicos que ocorrem simultaneamente: a monitoração do progresso enquanto se aprende e fazer mudanças e adaptar estratégias de aprendizagem se necessário. Refere-se à auto-reflexão, auto-responsabilidade e iniciativa, bem como uma meta a ser cumprida e a monitoração do tempo [Jans and Leclercq, 1997].
23
3.3.1 Organizadores Gráficos
Os organizadores gráficos [Ausubel, 1984] são estruturas conceituais
hierárquicas organizadas em sistemas em árvore, não estabelecendo reconciliações
integrativas entre os conceitos. Os organizadores são excelentes ferramentas cognitivas
para a organização e distribuição dos conteúdos da grade curricular, pois eliminam a
estrutura modular, fragmentada, linear e unidimensional dos modelos tradicionais de
ensino. Dessa maneira, servem como guia para o ensino dos conteúdos de forma
multidimensional e interdisciplinar, como também fornecem uma visão entre o todo e
as partes dos conceitos a serem estudados. Além disso, contribuem para o
gerenciamento da informação e para a aprendizagem significativa porque possibilitam
a identificação dos conceitos fundamentais e os conceitos a priori, necessários para
compreender a nova informação. A Figura 3.1 exemplifica um organizador gráfico.
Figura 3.1: Exemplo de Organizador Gráfico
Fonte: [Faria, 1995].
3.3.2 Mapas Conceituais
Em um sentido amplo, mapas conceituais são apenas diagramas indicando
relações entre conceitos [Moreira, 1980]. No entanto, eles podem ser vistos como
diagramas hierárquicos que procuram refletir a organização conceitual de um dado
conteúdo.
24
Os mapas conceituais têm por objetivo representar relações significativas entre
conceitos na forma de proposições. Uma proposição consiste em dois ou mais termos
conceituais ligados por palavras de modo a formar uma unidade semântica. A maior
parte dos significados dos conceitos são aprendidos através da composição de
proposições em que se inclui o conceito a ser adquirido. Embora as proposições
empíricas concretas possam facilitar a aprendizagem dos conceitos, a regularidade
representada pela designação do conceito adquire um significado adicional através do
estabelecimento de proposições em que se inclui o conceito em questão.
Um mapa conceitual é um recurso esquemático para representar um conjunto de
significados conceituais incluídos numa estrutura de proposições. Os mapas
conceituais servem para tornar claro, tanto aos professores como aos alunos, o
pequeno número de idéias chave em que eles se devem fixar para uma tarefa de
aprendizagem específica. Um mapa conceitual também pode funcionar como um mapa
rodoviário, mostrando alguns dos trajetos que se podem seguir para ligar os
significados de conceitos de forma a que resultem proposições. Como se sabe, a
aprendizagem significativa se produz mais facilmente quando os novos conceitos são
englobados sob outros conceitos mais amplos, mais inclusivos. Sendo assim, os mapas
conceituais devem ser hierárquicos, isto é, os conceitos mais gerais e mais inclusivos
(conceitos superordenados) devem situar-se no topo do mapa, com os conceitos cada
vez mais específicos, menos inclusivos, colocados sucessivamente abaixo deles. A
Figura 3.2 ilustra a hierarquia do mapa conceitual.
Figura 3.2: Hierarquia do Mapa Conceitual
Fonte: [Mendes, 2002].
25
Outro requisito importante nos mapas conceituais são as linhas terminadas em
setas usadas para unir os conceitos, esta estratégia visa mostrar que a relação de
significado entre os conceitos e a(s) palavras(s) de ligação se expressa principalmente
em um dos sentidos. Faz-se necessário isolar conceitos e palavras de ligação e
reconhecer que embora ambos sejam unidades de linguagem fundamentais, eles
desempenham papéis diferentes na transmissão do significado. A Figura 3.3 apresenta
um exemplo de mapa conceitual que aborda exatamente os conceitos desta subsecção.
Figura 3.3: Mapa conceitual do mapa conceitual
Fonte: [Mendes, 2002].
3.4 Desenhos Pedagógicos do SEFIRV
Desenho pedagógico é um novo horizonte conceitual do ensino, da
aprendizagem e dos suportes de aprendizagem. O termo desenho pedagógico refere-se
a qualquer escolha sistemática e ao uso de procedimentos, métodos, prescrições e
26
mecanismos numa ordem que proporcione a aprendizagem efetiva, eficiente e
produtiva [Lowyck, 2002]. Como outros usos de desenho, a exemplo da arquitetura e
da engenharia, o desenho pedagógico surge de uma extensiva base de conhecimento
para a realização de tarefas, identificação e resolução de problemas.
Qualquer atividade de desenho pedagógico resulta em um plano ou cenário que
define o formato, os conteúdos, a estrutura do ambiente, os sistemas de distribuição e
as estratégias de execução. Com o crescimento de ambientes eletrônicos de
aprendizagem, essas definições certamente necessitam de algumas adaptações. Nos
mais recentes modelos, alguns componentes estão presentes, tais como: a) uma análise
da base de conhecimento sobre as teorias da aprendizagem e das teorias instrucionais,
b) o desenho da estrutura de referência usado para o contexto, grupo alvo e conteúdo
similar c) o agrupamento de regras ou procedimentos válidos para regularizar e
realizar o processo e o produto do desenho [Lowyck, 2002].
De acordo com essas definições, elaborou-se um desenho pedagógico para o
software de ensino de Física no Ensino Médio, baseado na análise de desenho
pedagógico de Lowyck (2002), nos princípios construtivistas para o desenho de
sistemas instrucionais de Lebow (1995), nos modelos de aprendizagem significativa de
Ausubel (1984), nos modelos de ensino de ciências de Mintzes Wandersee e Novak
(1998) e nas pesquisas sobre ferramentas cognitivas e tecnologias da informação de
Jonassen, Kommers e Mayes (1992). Elaboraram-se três desenhos para os ambientes
de aprendizagem, os quais serão descritos nas subsecções seguintes.
3.4.1 Organizadores Gráficos
O primeiro ambiente consiste em um sistema de organização e distribuição dos
conteúdos por meio de organizadores gráficos conceituais (sistema em árvores). Os
conceitos e suas hierarquias baseiam-se em livros tradicionais de Física do Ensino
Médio. O organizador gráfico construído encontra-se ilustrado nas Figuras 3.4, 3.5 e
3.6.
27
Figura 3.4: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte I
28
Figura 3.5: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte II
29
Figura 3.6: Organizador gráfico do SEFIRV - Parte III
30
3.4.2 Experimentos Virtuais de Física
O segundo ambiente de aprendizagem foi desenhado para que o aluno interaja
em sistemas de simulações de fenômenos físicos, em Realidade Virtual,
contextualizados com a sua realidade. Estes ambientes que possuem cenários com
diversos objetos de aprendizagem têm como intuito estimular a ação intencional, a
reflexão e a aprendizagem significativa dos aprendizes. Os experimentos virtuais de
Física serão explicados com maiores detalhes Capítulo 4.
3.4.3 Mapas Conceituais
O terceiro ambiente é um sistema tutorial que possibilita ao aluno gerenciar a
aprendizagem significativa e compreender os conceitos envolvidos nos sistemas de
simulações dos fenômenos físicos.O sistema tutorial foi desenvolvido por meio de
Mapas Conceituais referentes aos fenômenos físicos das simulações. Como exemplo, a
seguir são apresentados alguns destes mapas:
• A Figura 3.7 apresenta o mapa conceitual do experimento de Queda Livre.
Figura 3.7: Mapa conceitual do experimento de Queda Livre
31
• A Figura 3.8 ilustra o mapa conceitual do experimento de Movimento
Curvilíneo Uniforme.
Figura 3.8: Mapa conceitual do experimento de Movimento Curvilíneo Uniforme
• A Figura 3.9 apresenta o mapa conceitual do experimento de Colisão Elástica.
Figura 3.9: Mapa conceitual do experimento de Colisão Elástica
32
• A Figura 3.10 ilustra o mapa conceitual do experimento de Sistema de Blocos,
das Leis de Newton.
Figura 3.10: Mapa conceitual do experimento de Sistema de Blocos das Leis de Newton
• A Figura 3.11 elucida o mapa conceitual do experimento de Lançamento de
Satélites da Gravitação.
Figura 3.11: Mapa conceitual do experimento de Lançamento de Satélites da Gravitação
33
• A Figura 3.12 elucida o mapa conceitual do experimento de Lançamento
Oblíquo.
Figura 3.12: Mapa conceitual do experimento de Lançamento Oblíquo
• A Figura 3.13 apresenta o mapa conceitual do experimento de Empuxo da
Hidrostática.
Figura 3.13: Mapa conceitual do experimento de Empuxo da Hidrostática
34
3.5 Considerações Finais
Neste capítulo foram analisadas algumas teorias construtivistas que podem
auxiliar no aprendizado dos alunos. Assim como, ressaltados pontos importantes
destas teorias que contribuem para um melhor desempenho de softwares educacionais
e, apresentado os desenhos pedagógicos desenvolvidos para o SEFIRV.
No próximo capítulo apresenta-se a arquitetura do SEFIRV, levando-se em
consideração os softwares analisados no Capítulo 2 e os processos pedagógicos
estudados neste capítulo.
35
Capítulo 4
4 Arquitetura do Sistema
4.1 Introdução
A partir do estudo descrito nos capítulos anteriores, elaborou-se uma arquitetura
de um sistema voltado para o ensino que permita ao usuário estabelecer uma conexão
conceitual com o mundo real e realizar uma aprendizagem significativa dos conceitos
físicos da grade curricular do Ensino Médio.
4.2 Tecnologias de Apoio
Antes de apresentar a referida arquitetura do sistema em detalhes, será realizada
uma breve exposição sobre as tecnologias de apoio necessárias para o funcionamento
deste sistema, bem como a importância da utilização de cada uma delas.
4.2.1 VRML e X3D
Existem várias abordagens sobre a Realidade Virtual, sendo que algumas
requerem o uso de tecnologias avançadas como plataformas de hardware e software
sofisticadas. No entanto, a linguagem VRML possibilita a criação de mundos virtuais
tridimensionais, com alta qualidade, aplicáveis à Internet, utilizando apenas um
browser e um plug-in para realizar a visualização. O plug-in é um programa que
permite visualizar informações dentro da janela do navegador de Internet. O
surgimento dos plug-ins ocorreu para evitar as constantes modificações nos
navegadores para se adaptarem aos novos formatos de mídia. Optou-se por manter os
navegadores e desenvolver programas específicos, os plug-ins, associados a cada tipo
de arquivos que, de acordo com a necessidade do usuário, seriam utilizados pelo
navegador.
36
A lista de plug-ins para visualização 3D cresceu rapidamente, existindo
atualmente uma grande variedade à venda no mercado. Entre os plug-ins mais
utilizados estão o Cortona criado pela ParallelGraphics [ParallelGraphics, 2005], e o
Cosmo Player produzido pela Silicon Graphics [Silicon Graphics, 2005], ambos estão
disponíveis, gratuitamente, na Internet para download. Neste trabalho optou-se por
utilizar o Cortona devido a sua alta capacidade de renderização, oferecendo uma
visualização dos objetos virtuais com maior qualidade e a sua maior portabilidade,
sendo compatível a diversos navegadores. A seguir, são apresentadas as ferramentas
utilizadas na arquitetura deste sistema.
A sigla VRML é a abreviação de Virtual Reality Modeling Language, cuja
tradução para Português é Linguagem para Modelagem de Realidade Virtual. VRML é
uma linguagem criada por Mark Pesce e Tony Parisi, que independe de plataforma e
permite a criação de cenários 3D. A linguagem foi concebida para descrever
simulações interativas, em mundos virtuais disponibilizados na Internet e ligados com
o WWW (World Wide Web), mas a primeira versão da linguagem, versão 1.0, não
possibilitou grandes interações do usuário com o ambiente virtual. Nas versões atuais
foram acrescentadas características como animação, movimentos de corpos, som e etc.
A última versão é a 2.0 draft #3, chamada Moving Worlds VRML 2.0. [Hartman and
Wernecke, 1996].
Tudo que se precisa para escrever um código VRML é um editor de textos.
Uma vez editados, os arquivos são gravados em formato ASCII (American Standard
Code for Information Interchange) com a extensão .wrl, sendo necessário um browser
e um plug-in para visualizar os objetos virtuais criados, como já dito.
A versão de VRML 1.0 tem como principais características a criação de
mundos 3D estáticos e a criação de âncoras para outros ambientes. Já na versão de
VRML 2.0, os objetos do mundo virtual podem mover-se e responder a eventos
baseados no tempo ou em iniciativas do usuário. Além disso, esta nova versão permite
a utilização de objetos multimídia, como sons e filmes em uma cena 3D. Em resumo,
as características do VRML 2.0 podem ser agrupadas em quatro áreas principais:
37
melhoria dos mundos estáticos, interação, animação e comportamento baseado em
scripts, e prototipação de novos objetos VRML. [Fox and Shaddock, 1996]
A estrutura de um arquivo VRML 2.0 pode conter quatro tipos principais de
componentes:
• Cabeçalho (obrigatório em qualquer arquivo VRML);
• Prototypes;
• Formas, Interpolators, Sensores, Scripts;
• Rotas;
A modelagem dos Ambientes Virtuais é feita basicamente através de nós, que
descrevem os objetos da cena e suas propriedades, utilizando parâmetros chamados de
fields. Os nodes podem ser hierarquicamente agrupados de modo a viabilizar a
representação audio-visual dos objetos, além de participarem do processo de geração e
transmissão de eventos.
Abaixo é apresentado um pequeno trecho de código VRML, que exemplifica
alguns de seus componentes e a sua simplicidade em termos de codificação desta
linguagem. A Figura 4.1 mostra como ocorre a visualização deste código no browser.
Figura 4.1: Exemplo de um arquivo VRML
#VRML V2.0 utf8 #Cabeçalho Shape { geometry Sphere { #Nodo radius 2.0 #Campo } }
38
A modelagem de um Ambiente Virtual em VRML pode ser feita apenas em um
editor de texto padrão, porém isto se torna extremamente difícil quando os objetos
virtuais possuem geometrias complexas. Para amenizar tal problema existem diversas
ferramentas para auxiliar a modelagem tridimensional como, por exemplo, o 3D
Studio [Discreet, 2002], o Cosmo World [Cosmo worlds, 1996], etc. Contudo, ao
término da modelagem faz-se necessária a sua conversão para o formato VRML, o que
pode acarretar alguns problemas, como a geração de um código VRML
excessivamente grande e até mesmo a geração de um código com erros em sua
estrutura.
Atualmente surge um novo padrão para criação de ambientes tridimensionais
via Web o X3D, uma extensão do XML - Extensible Markup Language. Ele não é uma
API (Application Programming Interface) de programação, nem um formato de
arquivo para troca de geometrias. O X3D combina ambos, geometria e descrições de
comportamentos instantâneos em apenas um arquivo. [X3D, 2005]
4.2.2 JavaScript
A evolução do potencial da linguagem VRML em termos de interação e
animação de objetos virtuais deve-se, em grande parte, à criação do nó Script. Ele
provê meios de incluir formas mais complexas de interação e pode ser usado para
realizar uma grande variedade de tarefas, mas é tipicamente utilizado para
desempenhar funções como:
• agir como o estágio da "máquina de execução" para controlar uma animação;
• processar entradas para agir como o estado de Lógica em uma animação.
Como outros nós, um Script recebe eventos de entrada e gera eventos de saída.
Ao contrário de outros nós, entretanto, ele pode executar algum tipo de processamento
antes de produzir esses eventos de saída. A parte do nó que realiza o processamento é
um programa escrito em uma linguagem de programação suportada pelo browser, e as
linguagens geralmente utilizadas são Java e JavaScript.
39
JavaScript é uma linguagem desenvolvida especificamente para a programação
de scripts diferentemente do Java. O JavaScript não oferece todos os recursos
computacionais de Java e, principalmente, não inclui nenhum suporte às funções de
acesso às redes. Por esta razão, para criar mundos virtuais que se baseiam em uma
arquitetura cliente/servidor (como em um ambiente multi-usuário, por exemplo) os
desenvolvedores geralmente terão de optar por Java.
A combinação VRML/Java através dos nós Script é bastante poderosa, pois o
programa associado ao nó pode controlar toda a interação e o comportamento dos
elementos do mundo virtual. [Tamiosso and Raposo, 1997].
Cada vez que um nó Script recebe um conjunto de eventos de entrada, o
browser entrega-os para o programa especificado. Através de vários métodos
(dependendo da linguagem utilizada para escrever o programa), cada evento é tratado.
A abordagem mais comum para o tratamento de eventos de entrada é a utilizada em
JavaScript: definir uma função no programa para cada evento de entrada listado no nó
Script. Quando um evento de entrada chega ao nó, o browser chama a função de
mesmo nome. A função recebe como parâmetros o valor do evento e um timestamp
que indica, geralmente, quando o evento foi enviado.
Para cada campo e evento de saída definido em um nó Script, o browser cria
uma variável global com o mesmo nome e o mesmo tipo, para ser usada pelo
programa. Para inserir o valor de um evento de saída, basta atribuir um valor à variável
correspondente.
Abaixo se encontra um trecho de código VRML, contendo um JavaScript que
atribui uma forma espiral a um objeto virtual de acordo com equações matemáticas
inseridas no código de programação JavaScript. A Figura 4.2 ilustra este objeto.
url "javascript: // Início do código de programação JavaScript function generateSpine( ){ y = -6; angle = 0.0; delta = 0.19625; for( i = 0; i <= (192); i++){ spine_changed[i][0] = 2 * Math.cos(angle); spine_changed[i][1] = y; spine_changed[i][2] = 2 * Math.sin(angle); angle += -delta; y = y + 0.04; } } " // Fim do código de programação JavaScript
40
Figura 4.2: Objeto virtual com o código JavaScript
4.3 Diagrama da Arquitetura do Sistema
O sistema proposto possui uma interface simples, permitindo a professores e
alunos a manipulação fácil dos ambientes virtuais. Não há necessidade de
conhecimentos técnicos relacionados à Informática e/ou sobre os conceitos de Física,
porque foram criadas estratégias de navegação que orientam os aprendizes no processo
de interação nos ambientes de aprendizagem.
A primeira estratégia é a criação de um conjunto de organizadores gráficos
conceituais da grade curricular do ensino de Física, para facilitar o processo de
navegação conceitual e estimular a aprendizagem significativa. A segunda estratégia é
criar o acesso às experiências virtuais de fenômenos físicos por meio dos nós
conceituais dos organizadores gráficos. A terceira estratégia é o acesso aos mapas
conceituais tutoriais nos ambientes de simulações de experiências virtuais.
Os Ambientes Virtuais do sistema são construídos com a linguagem VRML e
JavaScript, o que contribui para a criação de arquivos pequenos, que são
compartilhados via Web a um baixo custo de transmissão e armazenamento. O acesso
a Web é obtido por meio de um programa navegador na Internet. A visualização dos
Ambientes Virtuais é realizada por meio de um plug-in, como o Cortona, que é
executado sob supervisão do navegador da Internet.
Os Ambientes Virtuais dos experimentos são, em grande maioria, modelados de
acordo com o mundo real, facilitando deste modo uma melhor associação do conteúdo
com o experimento. Para a montagem e definição dos Ambientes Virtuais (cenários de
41
aprendizagem) foram elaborados conjuntos de objetos de aprendizagem, cada qual
tentando representar o conceito ao qual a experiência se refere.
O usuário pode acessar a GUI (Interface Gráfica do Usuário) do sistema que
oferece suporte a todos processos de criação e visualização dos resultados dos
experimentos, presencialmente ou a distância, via Internet. A Figura 4.3 mostra o
diagrama básico da arquitetura do sistema. Tal figura representa a visão geral da
comunicação e as partes que compõem este sistema.
Figura 4.3: Arquitetura do Sistema
A arquitetura proposta é formada pelos módulos e sub-módulos a seguir:
• Interface Gráfica do Usuário;
• Bloco dos Organizadores Gráficos;
• Bloco das Experiências Físicas Virtuais:
Bloco dos Painéis de Controle e/ou Manipulação Direta;
Bloco Modelo Comportamental;
Bloco dos Objetos Virtuais;
• Bloco dos Mapas Conceituais.
42
4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário – GUI
Este bloco permite ao usuário visualizar graficamente e de modo interativo o
resultado de suas ações no sistema. O usuário realiza uma ação, entrada de dados, por
exemplo, e recebe da GUI a saída de informações, através de atualizações,
proporcionando uma maior sensação de interação com o meio virtual.
A GUI permite o acesso aos organizadores gráficos que ativam os módulos das
experiências que, por sua vez, possibilitam o acesso ao conteúdo dos mapas
conceituais. Assim, a GUI pode apresentar:
• um organizador gráfico, modelado a partir de primitivas geométricas, que
permite a visualização de conceitos, suas definições, o acesso a outros
organizadores e a simulações virtuais;
• uma experiência de Física a ser desenvolvida, composta por um conjunto de
objetos virtuais de aprendizagem que viabilizam interações e a reações do
ambiente virtual;
• o mapa conceitual da experiência, desenvolvido em 2D para evitar confusões
visuais.
4.3.2 Bloco dos Organizadores Gráficos
Este bloco corresponde a um conjunto de organizadores gráficos conceituais
construídos em três dimensões, usando a linguagem VRML. Os organizadores gráficos
conceituais foram desenhados em estruturas de árvores. Este modelo teve como
objetivo eliminar a organização linear e unidimensional dos conteúdos curriculares
formados pelos modelos tradicionais de ensino, e criar um sistema multidimensional e
interdisciplinar para a organização e distribuição dos conceitos científicos. Foram
utilizados organizadores gráficos para grade curricular porque os mapas conceituais
podem confundir visualmente os usuários com a sua estrutura de reconciliações
integrativas e estruturas semânticas.
43
O uso de VRML para organização e distribuição dos conceitos teve como
objetivo facilitar a visualização rápida de profundidade do todo da rede conceitual,
fato que não é possível com o uso de sistemas bidimensionais (que necessitam de
navegação por meio de sub-mapas para a visualização da rede conceitual). Ao colocar
o mouse sobre cada conceito o usuário pode visualizar os conceitos que virão, se a
progressão ocorrer. Deste modo, o estudante pode investigar minuciosamente os
conceitos e verificar se possui conhecimento a priori necessário (Subsunçores) para
assimilar a nova informação, como apresentado na Figura 4.4, que demonstra que, se o
usuário colocar o mouse sobre o nó conceitual “Mecânica”, ele visualizará os
conceitos que virão.
Figura 4.4: A visualização de conceitos anteriores
Estes ambientes também apresentam um ícone que permite ao usuário visualizar
e retornar à ramificação conceitual anterior, como exemplifica a Figura 4.5. Permitir a
visualização de conceitos anteriores e posteriores em um mesmo ambiente é uma
estratégia pedagógica que tem como objetivo localizar conceitualmente o usuário nos
organizadores gráficos virtuais.
Figura 4.5: A visualização de conceitos posteriores
44
A progressão dos organizadores gráficos ocorre através de trocas de ambientes
virtuais, que apresentam um sistema de redes conceituais com poucos nós na interface,
com objetivo de atrair a imagem visual e focalizar a atenção. Isso pode ser verificado
na Figura 4.6, quando o usuário acessa a “Mecânica”, ele passa para um novo
Ambiente Virtual com conceitos de maior especificidade que os conceitos anteriores.
Figura 4.6: Progressão de conceitos
O usuário pode também acessar as definições conceituais de cada nó. Esse
procedimento possibilita o gerenciamento da aprendizagem significativa dos conceitos
envolvidos nos fenômenos físicos. Na Figura 4.7, por exemplo, pode-se verificar a
definição de cinemática e, depois disto, o usuário pode fechá-la, evitando confusão
visual no ambiente virtual.
Figura 4.7: Conceitos e definições
Os conceitos mais específicos apresentam ambientes de aprendizagem que
possibilitam a interação do aprendiz com simulações de fenômenos físicos em
Realidade Virtual, envolvendo toda a rede conceitual de um determinado fenômeno. A
45
Figura 4.8 mostra que se o usuário quiser requisitar o conceito de Espelhos Esféricos,
ele é transferido para um novo Ambiente Virtual que é interativo, permitindo-lhe a
observação, exploração e descoberta de fenômenos físicos, podendo também inserir e
receber dados.
Figura 4.8: Conceitos - Experiência ativada
4.3.3 Bloco das Experiências Físicas Virtuais
Este bloco foi produzido para auxiliar a compreensão de definições e conceitos
a priori, associando-os a objetos virtuais e seus comportamentos. As experiências
físicas foram construídas de acordo com o mundo real do usuário, por exemplo, carros
percorrendo uma rodovia ou uma avenida no meio urbano, aviões sobrevoando
cidades, circuitos elétricos usados para acender uma lâmpada, etc. Tais situações
fazem parte do cotidiano do aprendiz, o que o leva a associar o Ambiente Virtual ao
mundo real e ao conteúdo estudado. Esta associação é de grande importância, pois
mostra ao usuário qual é a aplicação e o porquê de se estudar Física no Ensino Médio.
4.3.3.1 Experiências de Física Desenvolvidas
Foram construídas vinte e seis experiências físicas virtuais distribuídas em
diferentes áreas da Física e organizadas conceitualmente pela ferramenta cognitiva
organizador gráfico. Tais experiências são:
i. O experimento de Movimento Retilíneo Uniforme (MRU), ilustrado na Figura
4.9.
46
Esta simulação possui um cenário virtual com dois carros de cores
diferentes, cor azul e cinza, localizados em uma rodovia sinalizada por placas
verticais situada entre montanhas. O usuário pode alterar a velocidade de ambos
os carros, a distância entre eles e decidir se o movimento destes carros deve
acontecer no mesmo sentido ou em sentidos opostos.
Após a seleção destes dados e ativada a experiência, o usuário pode
visualizar a posição de cada carro e o tempo do experimento. Com estes dados o
usuário observa a posição de encontro dos carros, quando houver, e o tempo
gasto para tal encontro.
Figura 4.9: Experiência do Movimento Retilíneo Uniforme
ii. O experimento de Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV).
A criação do cenário de aprendizagem do MRUV consistiu na construção
de uma área urbana virtual que se baseia em detalhes do mundo real, contendo
casa, pessoas, animais domésticos, etc. Este Ambiente Virtual possui um
conjunto de objetos educacionais necessário para a aprendizagem dos conceitos
envolvidos no experimento: seis quarteirões, cinco semáforos e uma caminhonete
situada em uma avenida principal. Cada quarteirão mede duzentos metros e todos
possuem placas verticais de posição, Figura 4.10 (a), que permitem ao usuário
calcular este valor. Outra informação, transmitida por placas de sinalização pelo
47
Ambiente Virtual, é o limite máximo de velocidade, ou seja, vinte e cinco metros
por segundo, Figura 4.10 (b).
Figura 4.10: Placas de sinalização de Trânsito.
Os semáforos estão localizados em todos os cruzamentos da avenida
principal e possuem três tipos de sinais luminosos diferentes e pré-
cronometrados: a luz verde, com duração de vinte e cinco segundos, indica a livre
passagem de automóveis, a luz amarela, com duração de cinco segundos, adverte
que ocorrerá uma transição para a luz vermelha, e a luz vermelha, com duração
de trinta segundos, indica que está proibida a passagem de automóveis. Os cinco
semáforos estão sincronizados, com o tempo de dez segundos, para executarem o
fenômeno de trânsito conhecido como “Onda Verde”.
O objetivo do usuário, nesta simulação, é passar por todos os semáforos
abertos sem ultrapassar o limite de velocidade, podendo acelerar ou frear a
caminhonete a qualquer momento do experimento. Caso não cumpra seu
objetivo, ele é multado a cada infração.
A primeira ação realizada no Ambiente Virtual da simulação é escolher
valores para a aceleração do motor e de frenagem da caminhonete. Esta
calibragem do veículo possibilita a interação com o cenário virtual e a recepção
de diferentes sensações de acordo com suas escolhas no ambiente. A entrada
destes dados é feita por meio de um painel de controle que permite a seleção de
valores inteiros entre um e nove para ambas as acelerações.
Além disso, o usuário tem a opção de realizar a experiência de fora da
caminhonete por meio de uma câmera externa ou aérea. A forma externa
possibilita utilizar um ponto de visão que acompanha a caminhonete durante o
experimento, como mostra a Figura 4.11. A forma aérea permite a visualização
48
do cenário virtual de cima para baixo como um todo; em ambas as opções deve-
se utilizar o painel de controle para observar os dados de saída.
Figura 4.11: Câmera externa.
O layout deste cenário virtual foi desenvolvido pela equipe da Artes,
composta pela aluna de iniciação científica Stephanie Nagamine e pela professora
Nikoleta Kerinska da UFU. A equipe contribuiu com a criação de alguns objetos
virtuais como casas, prédios, etc. E a geração de algumas imagens como o
fundo do painel de controle.
Realizando o experimento de forma aérea, pode-se visualizar um rastro
deixado pela caminhonete que muda de cor dependendo das ações do usuário,
que podem ser: (1ª) acelerar, sendo a velocidade variável, o rastro deixado será de
cor verde; (2ª) acelerar, sendo a velocidade máxima (50 m/s), o rastro deixado
será de cor amarela, neste caso como a velocidade foi saturada, ela permanece
constante, com o veiculo movendo-se em MRU (Movimento Retilíneo
Uniforme); (3ª) frear, o rastro deixado será de cor vermelha; (4ª) se não houver
ação do usuário o rastro deixado será de cor azul. Esse procedimento do cenário
virtual oferecer rastro tem como objetivo servir de suporte para análises gráficas
do usuário. A Figura 4.12 ilustra esta situação.
49
Figura 4.12: Câmera aérea.
O usuário pode ainda realizar o experimento dentro da caminhonete,
utilizando seu painel para visualizar os resultados da experiência, como é
apresentado na Figura 4.13.
Figura 4.13: Câmera interna.
Existem três câmeras localizadas em pontos pré-definidos no cenário
virtual que permanecem fixas e acompanham o movimento da caminhonete
durante seu trajeto. Esse artifício orienta a reflexão do usuário sobre os conceitos
de referencial e movimento relativo. A Figura 4.14 exemplifica a situação em que
a câmera está em um destes pontos referenciais.
50
Figura 4.14: Câmera em um ponto referencial.
iii. O experimento de Queda livre, ilustrado na Figura 4.15.
Neste cenário o usuário encontra dois objetos virtuais de importância,
uma bola e o medidor de altura. Este objeto não é comum no mundo real, mas sua
presença no Ambiente Virtual contribui significativamente para a compreensão
do conteúdo estudado.
O usuário pode selecionar a altura, a velocidade inicial da bola e a
gravidade na qual é realizado o experimento. Serão atualizados de forma
instantânea os dados de saída altura, velocidade e tempo.
Figura 4.15: Experiência de Queda Livre
51
iv. O experimento de Lançamento Oblíquo, ilustrado na Figura 4.16.
O cenário virtual desta experiência apresenta um canhão, uma bala e um
alvo. O usuário pode selecionar o valor da velocidade de lançamento da bala, o
ângulo em que o canhão realiza o lançamento, a gravidade do experimento e a
localização do alvo. O experimento oferece, como dados de saída às coordenadas
da bala e o tempo decorrido da experiência.
O alvo é um objeto de aprendizagem cuja finalidade é estimular as ações
intencionais do usuário, ou seja, ele realiza o experimento com alguma intenção,
neste caso, a de acertar o alvo. Para cumprir este objetivo, o aprendiz deve
conhecer o fenômeno e suas equações físicas, para selecionar corretamente os
dados de entrada da experiência.
Figura 4.16: Experiência de Lançamento Oblíquo
v. O experimento de Lançamento Horizontal, ilustrado na Figura 4.17.
Este cenário é composto por um avião, uma caixa, inicialmente dentro do
avião, e um alvo situado em uma cidade deserta. O usuário pode selecionar a
velocidade do avião, a sua altura de vôo, a distância que o avião deve percorrer a
partir de sua posição inicial até soltar a caixa, a gravidade do experimento e a
52
localização do alvo. Nesta simulação, o usuário deve selecionar o dados de
entrada corretamente para acertar o alvo com a caixa.
Figura 4.17: Experiência de Lançamento Horizontal
vi. O experimento de Movimento Curvilíneo Uniforme (MCU), ilustrado na Figura
4.18.
Neste cenário está uma máquina que provoca rotações em cinco rodas
com tamanhos a serem selecionados. O usuário pode escolher a freqüência de
rotação deste motor e o raio de cada roda. Após seleção dos dados e ativada a
experiência, o usuário visualiza a velocidade angular e linear de cada roda. A
mudança do raio possibilita observar a alteração da velocidade linear de cada
uma das rodas
Figura 4.18: Experiência de Movimento Curvilíneo Uniforme
53
vii. O experimento de Sistema de Blocos, referente às leis de Newton, ilustrado na
Figura 4.19.
Neste cenário observam-se dois blocos, Bloco A e Bloco B, ligados por
uma corda que passa por uma roldana presa a uma prancha. O Bloco A está sobre
esta prancha e sujeito ao atrito da mesma, o Bloco B está suspenso pela corda no
ar. Nesta experiência pode-se selecionar a massa de cada bloco, o coeficiente de
atrito e o ângulo de inclinação da prancha. O usuário obtém, como dados de
saída, a tensão da corda e a aceleração do sistema.
Figura 4.19: Experiência de Sistema de Blocos
Novamente a equipe da Artes contribuiu com o layout do cenário virtual,
com a geração das imagens que compõem o ambiente e o fundo do painel de
controle.
viii. O experimento de Equilíbrio de um Corpo Rígido, ilustrado na Figura 4.20.
Este cenário apresenta uma prancha de madeira apoiada, em seu centro,
sobre um suporte metálico e um conjunto de pesos sobre o piso (cinco pesos
azuis e cinco pesos vermelhos de massas: um, dois, três, quatro e cinco quilos). O
usuário observa duas setas distintas sobre a prancha, seta vermelha e seta azul, as
quais representam forças. Nesta experiência pode-se escolher a intensidade e a
54
localização de cada força de duas maneiras: inserindo os dados pelo painel de
controle ou manipulando diretamente os pesos, colocando-os na posição
desejada. Escolhendo os dados pelo painel de controle, os pesos são
automaticamente selecionados e direcionados para uma nova posição de acordo
com estes dados; escolhendo os dados por manipulação direta, os dados do painel
de controle são atualizados instantaneamente. Trabalhando com as setas
(representado os vetores força) juntamente com os pesos, o usuário pode analisar
o Ambiente Virtual apoiado em um esquema vetorial de suas ações. Depois de
ativar o experimento o Ambiente Virtual oferece a mensagem “Sistema em
equilíbrio” ou “Sistema e desequilíbrio”, dependendo da escolha dos dados
realizada inicialmente pelo usuário.
Figura 4.20: Experiência de Equilíbrio de um Corpo Rígido
ix. O experimento de Lançamento de Satélites, referente à Gravitação, ilustrado na
Figura 4.21.
O cenário é composto por um satélite e um planeta. O usuário pode
selecionar o raio, a massa do planeta e a altura que o satélite deve estar deste
planeta. Após a seleção de dados e ativada a experiência, o usuário visualiza a
gravidade do planeta, a velocidade com que o satélite é lançado e permanece
durante todo seu movimento e o período do satélite (tempo necessário para que
ocorra uma volta completa em torno do planeta).
55
Figura 4.21: Experiência de Lançamento de Satélites
x. O experimento de Empuxo, referente à Hidrostática, ilustrado na Figura 4.22.
Esta simulação possui um cenário virtual com um grande pote de vidro
cheio de um determinado líquido, um guindaste com uma garra, e uma esfera.
Inicialmente a esfera encontra-se presa pelo guindaste, fora do líquido. O usuário
pode selecionar a densidade do líquido, a pressão atmosférica do ambiente, a
massa, o raio da esfera e a altura em que o guindaste deve soltar a esfera.
Após a seleção dos dados de entrada e ativada a experiência, o guindaste
deixa a esfera na profundidade escolhida e dados de saída profundidade, pressão
e empuxo sobre a esfera são visualizados. A esfera afunda, permanece estática ou
emerge até a superfície, dependendo do valor dos dados selecionados
inicialmente.
Figura 4.22: Experiência de Empuxo
56
xi. O experimento de Conservação da Quantidade de Movimento, ilustrado na
Figura 4.23.
Este cenário apresenta dois trens de ferro de cores diferentes, cor preta e
cor cinza, situados em linhas de ferro distintas. O usuário pode selecionar a
quantidade de madeira carbonizável para ambos os trens. A madeira irá produzir,
de forma diretamente proporcional à quantidade inserida, uma aceleração de
arranque inicial. Os trens aceleram até uma determinada velocidade limite, cujo
valor é influenciado pelo tipo de motor do móvel e passam a se locomover com
velocidade constante. Outro fator que influencia a velocidade dos trens é a
quantidade de carga que cada um está carregando. A carga de cada trem é um
dado de entrada que pode ser selecionado pelo usuário.
Após a seleção de dados e ativada a experiência, o usuário visualiza a
velocidade, à distância percorrida e tempo gasto em locomoção de cada trem.
Com estes dados o usuário consegue perceber que o trem com maior carga se
move com menor velocidade e assimilar que o motivo deste fato baseia-se no
conteúdo estudado.
Figura 4.23: Experiência de Conservação da Quantidade de Movimento
xii. O experimento de Colisões Elásticas.
57
Neste cenário o usuário inicialmente depara-se com três prédios, em um
deles encontra-se um botequim chamado de Sinuca Bar e, com apenas um clique
do mouse, o usuário é conduzido ao seu interior, ilustrado na Figura 4.24. Dentro
do Sinuca Bar encontram-se pessoas, garrafas, prateleiras e uma mesa de bilhar
com duas bolas, a bola número 1 e a bola de número 8.
Figura 4.24: Experiência de Colisões Elásticas, exterior.
Neste experimento, o usuário observa a colisão da bola 1 com a bola 8,
podendo alterar a massa e velocidade inicial de cada uma delas e optar pelo tipo
de colisão que deve ocorrer, colisão direta ou colisão oblíqua. Após a seleção de
dados e ativada a experiência, o usuário visualiza a velocidade após a colisão de
cada bola, como elucida a Figura 4.25.
Figura 4.25: Experiência de Colisões Elásticas
xiii. O experimento de Colisões Completamente Inelásticas, ilustrado na Figura 4.26.
Este cenário é composto por um carro e um caminhão situados em uma
rua na área urbana. O usuário pode selecionar a velocidade, a massa do caminhão
e a massa do carro. O experimento oferece como dados de saída à velocidade de
cada um deles depois do choque.
58
Os dados de saída e a própria simulação virtual permitem ao usuário
concluir que os dois veículos, após o choque, movem-se juntos com a mesma
velocidade, fato característico de colisões completamente inelásticas.
Figura 4.26: Experiência de Colisão Completamente Inelástica
xiv. O experimento de Conservação da Quantidade de Energia, ilustrado na Figura
4.27.
Neste cenário o usuário encontra três objetos virtuais de importância, um
cubo, uma mola e o medidor de altura. O usuário pode selecionar a altura, a
velocidade inicial, a massa do cubo, a constante de elasticidade da mola e
gravidade na qual é realizado o experimento. Sendo atualizados de forma
instantânea, os dados de saída da energia potencial elástica, potencial
gravitacional e cinética.
Figura 4.27: Experiência da Conservação da Quantidade de Energia
59
xv. O experimento de Dilação de Sólidos, ilustrado na Figura 4.28.
Esta simulação possui um cenário virtual composto por um forno, um
cubo de um determinado material, preso a um guindaste e uma caixa também em
formato cúbico sobre uma mesa. Inicialmente o usuário seleciona em qual
temperatura o forno deve estar para entrada do cubo e em qual temperatura o
cubo deve sair do forno. Também são dados escolhidos pelo usuário o volume
inicial e o coeficiente de dilatação do cubo e o volume da caixa.
Após a seleção dos dados e ativada a experiência, o guindaste coloca e
retira o cubo do forno nas temperaturas pré-escolhidas e tenta colocá-lo na caixa
sobre a mesa. O experimento virtual oferece ao usuário o volume final do cubo e
uma mensagem, indicando se o cubo coube ou não na caixa.
Este cenário virtual estimula a ação intencional do usuário na escolha
correta dos dados de entrada para colocar o cubo, após sua saída do forno, na
caixa.
Figura 4.28: Experiência de Dilatação de Sólidos
xvi. O experimento de Comportamento dos Gases, ilustrado na Figura 4.29.
O cenário desta simulação virtual apresenta um recipiente, contendo um
determinado gás, provido de um pistom que permite a variação do volume e da
60
pressão deste gás. O recipiente encontra-se sobre um chapa metálica que efetua
transferências de calor para o gás, possibilitando a variação de sua temperatura.
O usuário pode inicialmente selecionar três grandezas físicas do gás, a
sua temperatura, a sua pressão e o seu volume. Logo após pode ser selecionado
por qual tipo de transformação este gás deve passar e uma de suas grandezas
físicas possíveis para variação. O experimento oferece ao usuário a temperatura, a
pressão e o volume do gás após a transformação escolhida.
Figura 4.29: Experiência de Comportamento dos Gases
xvii. O experimento de Transferência de Calor e Mudanças de Fase, ilustrado na
Figura 4.30.
Este cenário é composto por uma grande balde com gelo, um recipiente
com água e um guindaste com uma garra. O usuário pode selecionar a massa e a
temperatura da água, a capacidade térmica do recipiente da água e a massa de
uma pedra de gelo. Após a seleção de dados e ativada a experiência, o guindaste
transporta a pedra de gelo do balde para a água. O experimento virtual oferece ao
usuário a temperatura final da água e a massa de gelo restante, se houver.
61
Figura 4.30: Experiência de Transferência de Calor e Mudança de Fases
xviii. O experimento de Espelhos Planos, ilustrado na Figura 4.31.
Este cenário apresenta um espelho e uma estátua. O usuário pode
selecionar o tamanho e a distância da estátua ao espelho. Ao ativar a experiência
a estátua aproxima-se gradativamente do espelho, e o usuário observa o que
ocorre com a imagem refletida neste espelho. O experimento oferece como dados
de saída a distância da estátua ao espelho, o tamanho e a distância da imagem
refletida no espelho e uma classificação para a imagem. Com estes dados, o
usuário consegue concluir que a estátua e a imagem refletida possuem o mesmo
tamanho e distam igualmente do espelho.
Figura 4.31: Experiência de Espelhos Planos
62
xix. O experimento de Espelhos Esféricos, ilustrado na Figura 4.32.
Neste cenário observa-se um espelho esférico e uma estátua. O usuário
pode selecionar o tipo de espelho, côncavo ou convexo, sua curvatura, o tamanho
e a distância da estátua à lente. Após o experimento ativado, a estátua aproxima-se
gradativamente do espelho e pode-se observar, como dados de saída, a distância
da estátua ao espelho, o tamanho e a distância da imagem refletida no espelho
esférico e uma classificação da imagem: virtual ou direta, real ou invertida.
Figura 4.32: Experiência de Espelhos Esféricos
xx. O experimento de Lentes Esféricas, ilustrado na Figura 4.33.
Neste cenário observa-se uma lente e uma estátua. O usuário pode
selecionar o tipo de lente, convergente ou divergente, sua curvatura, o tamanho e
a distância da estátua à lente. Após o experimento ativado, a estátua aproxima-se
gradativamente da lente e pode-se observar, como dados de saída, a distância da
estátua à lente, o tamanho e a distância da imagem refletida na lente esférica e
uma classificação da imagem: virtual ou direta, real ou invertida.
63
Figura 4.33: Experiência de Lentes Esféricas
xxi. O experimento de Pêndulo Simples, ilustrado na Figura 4.34.
Neste cenário observa-se um pêndulo simples, do qual o usuário pode
escolher o seu comprimento, a gravidade do Ambiente Virtual e a amplitude de
oscilação. Após a seleção dos dados e ativada a experiência, o usuário pode
visualizar o período e a freqüência de oscilação deste pêndulo.
Figura 4.34: Experiência de Pêndulo Simples
64
xxii. O experimento de Ondas em Cordas, ilustrado na Figura 4.35.
A simulação deste experimento apresenta uma onda em uma corda, da
qual o usuário pode escolher a amplitude, o comprimento e velocidade de
propagação. E depois de ativada a experiência, o ambiente oferece o período e a
freqüência de propagação desta onda, como dados de saída.
Figura 4.35: Experiência de Ondas em Cordas
xxiii. O experimento de Campo e Potencial Elétrico, ilustrado na Figura 4.36.
Esta simulação possui um cenário virtual com uma bateria ligada a duas
placas metálica, sendo uma carregada positivamente e a outra negativamente, e
uma partícula elementar entre elas.
O usuário pode selecionar o tipo da partícula, elétron ou próton, sua
altura e velocidade inicial, a voltagem da bateria e a distância entre as placas.
Depois de ativada a experiência, o ambiente oferece ao usuário a aceleração e as
coordenadas da partícula elementar, o campo elétrico, sendo opcional a
visualização de suas linhas de força.
65
Figura 4.36: Experiência de Campo e Potencial Elétrico
xxiv. O experimento de Associação de Resistências, ilustrado na Figura 4.37.
Neste cenário virtual observa-se um circuito elétrico, inicialmente aberto,
composto por uma bateria, uma associação de resistores pré-montada, uma
lâmpada e uma chave. Neste experimento o usuário pode selecionar a voltagem
da lâmpada e da bateria, a resistência da lâmpada e de cada resistor.
Depois da escolha de dados e de ativada a experiência, o circuito elétrico
é fechado através da chave, e o Ambiente Virtual oferece ao usuário, como dados
de saída: a voltagem e a corrente elétrica da lâmpada e de cada resistor.
Dependendo do valor dos dados inseridos, a lâmpada pode acender, não
acender ou queimar. Este fato é perceptível no comportamento do objeto virtual
lâmpada e por uma mensagem escrita ao usuário sobre tal comportamento.
Figura 4.37: Experiência de Associação de Resistências
66
xxv. O experimento de Associação de Capacitores, ilustrado na Figura 4.38.
Este cenário virtual apresenta um circuito elétrico, inicialmente aberto,
composto por uma bateria, uma associação de capacitores pré-montada e uma
chave. Neste experimento o usuário pode selecionar a voltagem da bateria e a
capacitância de cada capacitor.
Após a escolha de dados e ativada a experiência, o circuito elétrico é
fechado, através da chave, e o Ambiente Virtual oferece ao usuário, como dados
de saída: a voltagem, a carga e a energia de cada capacitor.
Figura 4.38: Experiência de Associação de Capacitores
xxvi. O experimento de Campo Magnético em Espiras, referente à Magnetismo,
ilustrado na Figura 4.39.
Esta simulação possui um cenário virtual composto por um ímã e uma
espira ligada a uma lâmpada. O usuário pode escolher o valor do campo
magnético criado pelo ímã, sendo opcional a visualização de suas linhas de
indução, e selecionar a área e a resistência da espira.
Depois de inserir os dados de entrada e ativar a experiência, o usuário
pode observar o comportamento da lâmpada, visualizar o fluxo magnético e a
corrente elétrica produzida pelo sistema.
67
Figura 4.39: Experiência de Campo Magnético
4.3.3.2 Bloco dos Painéis de Controle e/ou Manipulação Direta
Nos ambientes de Experiências Físicas Virtuais, a primeira ação do usuário é
inserir os dados nos painéis de controle e/ou manipular diretamente os objetos virtuais.
Por exemplo, a experiência de Conservação da Quantidade de Energia, ilustrada na
Figura 4.40, permite duas opções ao usuário:
• Pode-se inserir a altura inicial de queda do cubo através do painel de controle.
Desta forma os dados de entrada são valores inteiros que aumentam ou
diminuem de uma quantidade pré-estipulada.
• Pode-se movimentar o Cubo com o mouse, entrando com qualquer valor
desejado seja real ou inteiro.
Figura 4.40: Experiência de Conservação da Quantidade de Energia / Painel de Controle
68
Um objeto de aprendizagem, padronizado no sistema, presente em todos
experimentos e de suma importância é o painel de controle com variáveis que
interferem no fenômeno da experiência física (velocidades, ângulos, acelerações,
forças, etc). Esse painel foi desenvolvido para que o usuário interaja e compreenda as
simulações, alterando parâmetros e visualizando os resultados imediatos dessas
alterações por meio da mudança de comportamento dos objetos virtuais, dispostos em
cada ambiente. A Figura 4.41 apresenta um exemplo de painel de controle (painel da
experiência de Conservação da Quantidade de Energia). Através deste painel podem-
se inserir dados (Altura Inicial, Massa do Bloco, Gravidade, Constante da Mola e
Velocidade Inicial) e observar as alterações decorrentes no ambiente virtual. Tais
alterações são representadas numericamente pelos dados de saída do painel (Energia
Potencial Gravitacional, Energia Potencial Elástica e Energia Cinética).
Figura 4.41: Exemplo de Painel de Controle
Os painéis de controle são compostos, sob uma forma padrão, de:
• campos de entrada e saída de dados dispostos na cor branca;
• setas alaranjadas que permitem aumentar ou diminuir o valor dos dados de
entrada;
• um botão verde usado para ativar o experimento, depois de efetuada a seleção
de dados;
69
• um botão vermelho usado para parar a experiência a qualquer momento,
permitindo a observação pausada do experimento;
• um botão roxo ou azul usado para dar acesso ao mapa conceitual referente ao
experimento.
Optou-se por padronizar o painel de controle, principal meio de entrada e saída
de dados numéricos das experiências, para facilitar a interação do usuário com o
experimento virtual, pois desta forma, mesmo com conhecimentos mínimos sobre a
manipulação do ambiente virtual, ele consegue realizar o experimento físico e
generaliza tais conhecimentos para outros ambientes virtuais.
Para alguns ambientes de simulação foram criados painéis com designs
desenvolvidos pela equipe da Artes. A equipe gerou uma imagem de fundo para o
painel.
4.3.3.3 Bloco Modelo Comportamental
No bloco Modelo Comportamental ocorre a descrição do comportamento dos
objetos virtuais, através de equações matemáticas que regem cada fenômeno físico,
implementadas em JavaScript e associadas ao VRML. Este procedimento permite
atribuir características reais aos objetos virtuais de cada simulação, pois o JavaScript
garante a construção de experimentos que obedeçam fielmente às leis físicas.
Ao se realizar um experimento, primeiramente o usuário efetua a entrada de
dados, e ativa o experimento, os dados são transmitidos para o JavaScript que os
processa de acordo com as equações matemáticas físicas do fenômeno em questão. Por
exemplo, no caso da Conservação da Quantidade de Energia, citado anteriormente,
tem-se a conservação da Energia Mecânica do sistema (Energia Cinética + Energia
Potencial Gravitacional + Energia Potencial Elástica). O JavaScript transmite aos
Objetos Virtuais os cálculos das equações físicas do experimento, estes por sua vez,
realizam uma mudança de comportamento (translação, rotação, aumentam ou
diminuem de tamanho, etc) no Ambiente Virtual de acordo com estes cálculos. Os
resultados do experimento são transmitidos, através do JavaScript, para o painel de
controle da experiência, onde o usuário os visualiza de forma instantânea.
70
4.3.3.4 Bloco dos Objetos Virtuais
A maioria dos objetos virtuais é criada obedecendo às características dos
objetos reais os quais eles representam. Como, por exemplo, o “Trem de Ferro”,
ilustrado na Figura 4.42, utilizado na simulação de Conservação da Quantidade de
Movimento, a sua modelagem baseou-se em várias fotografias de diferentes tipos de
locomotivas.
Figura 4.42: Exemplo de objeto virtual - Trem de Ferro
Para aumentar o nível de realismo de cada objeto virtual, utilizou-se uma
variedade de técnicas de modelagem, escolhidas de acordo com a complexidade da
geometria dos objetos a serem modelados. Por exemplo, objetos de geometria simples
normalmente são construídos por agrupamentos ou deformações de primitivas
geométricas (cilindros, cones, paralelepípedos e esferas), já objetos de geometria
complexa normalmente são modelados por extrusão. Outro fato que aumenta o
realismo dos objetos virtuais é a aplicação de texturas em suas aparências, já que os
visualizadores VRML permitem o mapeamento de imagem com extensões GIF, JPEG,
MPEG e PNG.
4.3.4 Blocos dos Mapas Conceituais
Quando o usuário está realizando um experimento, ele consegue acessar, a
qualquer momento, o mapa conceitual tutorial referente aos conceitos envolvidos
naquele fenômeno. Este tutorial tem como objetivo facilitar a assimilação dos
conceitos e suas relações com um determinado fenômeno físico, bem como, estimular
a memória compreensiva a longo prazo. Isto é exemplificado nas Figuras 4.41 e 4.42.
Na Figura 4.43 observa-se a experiência do Movimento Retilíneo Uniformemente
71
Variado (MRUV) e na Figura 4.44 exemplifica-se o mapa conceitual tutorial referente
a esta experiência.
Figura 4.43: Tecla “Tutorial” no experimento de Lançamento Oblíquo
Para ter acesso a este mapa conceitual basta utilizar a opção ‘Tutorial’, presente
no painel de controle de cada experiência. Na construção destes Mapas Conceituais
utilizou-se a linguagem HTML (Hypertext Markup Language) porque essa apresenta
uma fácil visualização das reconciliações integrativas e podem ser inseridos
hipertextos para explicações mais aprofundadas. Esses procedimentos de acessos aos
hiperlinks nos mapas conceituais têm como objetivo servir de suporte para o
gerenciamento da aprendizagem, visto que os alunos podem assimilar novas
informações e perceber os conceitos que não compreendem.
72
Figura 4.44: Sistema de hiperlinks da experiência MRUV
4.4 Considerações Finais
A arquitetura proposta neste capítulo procurou integrar processos pedagógicos e
Ambientes Virtuais visando estimular o usuário para a aprendizagem de conceitos
físicos. A linguagem VRML e JavaScript suportaram perfeitamente a criação dos
experimentos físicos virtuais, compostos por ambientes consideravelmente interativos,
com animações dos seus objetos virtuais, com qualidade.
73
Capítulo 5
5 Implementação do Sistema
5.1 Introdução
Neste Capítulo são apresentados os detalhes de implementação do SEFIRV com
maior relevância para o desenvolvimento deste trabalho, sendo abordados trechos do
código, e explicadas suas respectivas funcionalidades nos Ambientes Virtuais.
5.2 Implementação dos Ambientes Virtuais
Os Ambientes Virtuais das experiências físicas foram modelados através da
linguagem VRML, optando-se em não utilizar modeladores tridimensionais na criação
dos objetos virtuais, e sim a descrição de suas geometrias e aparências diretamente no
código fonte, por meio do editor VRMLPAD 2.0 desenvolvido pela ParallelGraphics
[ParallelGraphics, 2005]. Esta estratégia tem como objetivo reduzir o tamanho dos
arquivos *.wrl facilitando o compartilhamento via Web.
Foram utilizadas primitivas geométricas como Cubos, Esferas, Cilindros e
Cones (nós básicos do VRML), sobre ação de translações, rotações e escalas para
construção de objetos virtuais simples. Para o restante dos objetos utilizou-se o nó
Extrusion para modelagem que permite definir formas complexas, usando um número
reduzido de pontos.
Com o nó Extrusion inicialmente define-se uma secção 2D sobre o plano XZ,
sobre a qual será aplicada a extrusão (crossSection). Em seguida, define-se uma
"coluna vertebral" (spine) da extrusão que funciona como um caminho 3D, ou seja,
onde a secção irá percorrer para criar a forma final. Por exemplo, o trecho de código
abaixo cria uma geometria apresentada na Figura 5.1 por extrusão:
74
Figura 5.1: Objeto criado por extrusão Fechado
A seqüência de pontos definida em crossSection do código VRML acima cria,
no plano XZ, a imagem bidimensional apresentada na Figura 5.2. Esta geometria
bidimensional gerada percorre os segmentos de reta com extremidade nos pontos
(0,0,0) e (0,1,0) definidos em spine do código.
Figura 5.2: Secção da Extrusão
Os campos solid e endCap do nó Extrusion especificam se a forma resultante da
extrusão será aberta, com o valor (FALSE) para ambos, ou fechada, com o valor
(TRUE) para ambos. Por exemplo, alterando estes campos no código acima, a
geometria apresentada na Figura 5.3 é gerada.
Figura 5.3: Objeto criado por extrusão Aberto
Shape { geometry Extrusion { solid TRUE endCap TRUE convex FALSE crossSection [ 1 1, 2 1, 2 -1, 1 -1, 1 -2, -1 -2, -1 -1, -2 -1, -2 1, -1 1, -1 2, 1 2, 1 1] spine [0 0 0, 0 1 0] } }
75
Em geometrias curvas é necessária a descrição de um número maior de pontos
na secção (crossSection) e/ou "coluna vertebral" (spine) do nó Extrusion aumentando
sua complexidade. Por exemplo, o código VRML abaixo gera a geometria de uma
“argola”, apresentada na Figura 5.4, criada por extrusão, cuja secção é uma
circunferência de raio 0.16, e a "coluna vertebral" é uma circunferência de raio 1.
Figura 5.4: Extrusão de superfícies curvas
Mesmo sendo maior a quantidade pontos em superfícies curvas esta quantidade
ainda é reduzida, comparando-a com o número de pontos de outro nó modelador o
IndexedFaceSet que especifica um conjunto de faces planares num sistema de
coordenadas locais. Os modeladores tridimensionais VRML geram seus códigos fonte
de geometrias não primitivas utilizando o nó IndexedFaceSet, criando um grande
número de pontos conseqüentemente originam arquivos *.wrl maiores que dificultam
o compartilhamento via Web.
Shape {geometry Extrusion { crossSection[ 0.16000 0.00, 0.154919 -0.04, 0.13856 -0.08, 0.105830 -0.12, 0.00000 -0.16, -0.105830 -0.12, -0.13856 -0.08, -0.154919 -0.04, -0.16000 0.00, -0.154919 0.04, -0.13856 0.08, -0.105830 0.12, 0.00000 0.16, 0.105830 0.12, 0.13856 0.08, 0.154919 0.04, 0.16000 0.00] spine[ -1.00 0.00 0, -0.92 0.38 0, -0.71 0.71 0, -0.38 0.92 0, 0.00 1.00 0, 0.38 0.92 0, 0.71 0.71 0, 0.92 0.38 0, 1.00 0.00 0, 0.92 -0.38 0, 0.71 -0.71 0, 0.38 -0.92 0, 0.00 -1.00 0, -0.38 -0.92 0, -0.71 -0.71 0, -0.92 -0.38 0, -1.00 0.00 0] } }
76
5.3 Implementação dos Modelos Comportamentais
Após a modelagem dos objetos virtuais foram-lhes atribuídos comportamentos.
Por exemplo, movimentos, efeitos luminosos e variações de formas obedecendo a
equações físicas. Os modelos comportamentais também abrangem alguns tipos de
interações de maior complexidade, como a criação de seqüências pré-definidas de
deslocamento de câmeras, posicionamento intencional de objetos virtuais, etc. Nesta
secção serão destacadas algumas técnicas de programação em JavaScript que
contribuíram para a criação do Modelos Comportamentais dos cenários virtuais de
aprendizagem.
Por exemplo, no experimento MRUV o usuário realiza, por intermédio do
painel de controle, uma calibragem da caminhonete inserindo valores inteiros entre 1 e
9 para a aceleração do motor e a aceleração de frenagem do veiculo. O código VRML,
abaixo, descreve como esta ação interativa é criada através da linguagem JavaScript.
DEF Script_controle_geral Script { # Abaixo declara-se dois eventos de entrada do tipo booleano, cujos # nomes são “upArrowClick” e “downArrowClick”. eventIn SFBool upArrowClick eventIn SFBool downArrowClick # Abaixo define-se um conjunto de variáveis globais (campos VRML) e # seus respectivos valores default. Elas serão utilizadas na # programação JavaScript. field SFFloat min 1 field SFFloat max 9 field SFFloat step 1 field SFFloat cur 1 url "javascript: // Início do código de programação JavaScript // Abaixo com cria-se a função upArrowClick que aumenta o valor do dado de entrada a cada clique do mouse. function upArrowClick(b) { if (b = = true) { if (cur < max) cur = cur + step; if (cur >= max) cur = max; } }
77
As funções “upArrowClick” e “downArrowClick” são ligadas, por meio de
sensores de toque e rotas, aos objetos virtuais desejados, neste caso as setas do painel
de controle, como mostra a Figura 5.5.
Figura 5.5: Funções ligadas a objetos virtuais
Outro processo interativo criado no Ambiente Virtual do MRUV é a
possibilidade de acelerar e frear a caminhonete a qualquer momento do experimento.
O código VRML que permite esta interação segue abaixo.
// Abaixo se cria à função “Acelera”, do tipo booleana, que permite //acelerar a caminhonete com valor pré-escolhido por ele. //A função “Acelera”: (i) captura os valores de “Velocidade”, //“Distancia” e “Tempo” no instante do clique do mouse; (ii) atribui //o valor de “cur” (Aceleração do Motor) para a variável “Acele” no //momento em que o usuário aperta o botão do mouse; (iii) atribui o //valor de “AcFat” (Aceleração de Atrito) para a variável “Acele” no //momento em que o usuário solta o botão do mouse. function Acelera(value, time){ if(value = = true && A = = 0){ if(Velocidade < VMax){ Velo0 = Velocidade Dist0 = Distancia Acele = cur TVari = Tempo } if(Velocidade >= VMax){ Velo0 = VMax Dist0 = Distancia Acele = 0 TVari = Tempo }
// Abaixo com cria-se a função downArrowClick que diminui o valor do dado de entrada a cada clique do mouse. function downArrowClick(b) { if (b = = true) { if (cur > min) cur = cur - step; if (cur <= min) cur = min; } }
78
A = 1 } if(value == false){ Velo0 = Velocidade Dist0 = Distancia Acele = AcFat A = 0 TVari = Tempo } } // Abaixo se cria à função “Freia”, do tipo booleana, que permite //frear a caminhonete com valor pré-escolhido por ele. // A função “Freia”: (i) captura os valores de “Velocidade”, //“Distancia” e “Tempo” no instante do clique do mouse; (ii) atribui //o valor de “-cur1” (Aceleração de Frenagem) para a variável //“Acele” no momento em que o usuário aperta o botão do mouse; (iii) //atribui o valor de “AcFat” (Aceleração de Atrito) para a variável //“Acele” no momento em que o usuário solta o botão do mouse. function Freia(value, time){ if(value == true && F == 0){ if(Velocidade <= 0){ Velo0 = 0 Dist0 = Distancia Acele = 0 TVari = Tempo } if(Velocidade > 0){ Velo0 = Velocidade Dist0 = Distancia Acele = -cur1 TVari = Tempo } F = 1 } if(value == false){ Velo0 = Velocidade Dist0 = Distancia Acele = AcFat F = 0 } } //Abaixo tem-se a função “clock”, ela possui uma variável interna // “st”, que assume seqüencialmente valores reais de 0 a 1 em um // determinado tempo. function clock(st, time){ //Abaixo cria-se o tempo virtual do experimento. Tempo = 240 * st // Abaixo se define uma seqüência de atualizações que ocorrem // instantaneamente na velocidade do veiculo. TEqua = Tempo – Tvari if(Velocidade >= 0 && Velocidade <= VMax){ Distancia = Dist0 + Velo0 * TEqua + (Acele * Math.pow(TEqua, 2))/2
79
Para interagir com o objeto caminhonete, acelerando-a e freando-a
instantaneamente, foi criado um painel contendo uma geometria que simboliza um
acelerador e um freio, na qual são conectadas as funções “Acelera” e “Freia” por meio
de sensores de toque e rotas, como ilustra a Figura 5.6.
Figura 5.6: Acelerando e freando no Ambiente Virtual do MRUV
Como descrito no Capítulo 4, o Ambiente Virtual do MRUV simula o
movimento de uma caminhonete por uma avenida pavimentada. Ao logo de seu
percurso, o veiculo deixa um rastro que muda de cor de acordo com sua aceleração e
velocidade. Esta estratégia permite ao usuário analisar graficamente o experimento e
foi criada por meio da seqüência de código abaixo.
// A cor dos objetos VRML é formada pela composição das cores básicas// vermelho, verde e azul, este sistema de geração de cores é // chamado de RGB, sigla advinda do Inglês: Red, Green, Blue. O // valor de cada uma destas cores varia entre 0 e 1. Deste modo, // foram declaradas as variáveis globais “R”, “G” e “B” para // armazenar o valor de cada cor básica do sistema RGB. Abaixo //estes valores são modificados para composição de cores diferentes // de acordo com o valor das variáveis “Acele” e “Velocidade” // (aceleração e velocidade da caminhonete, respectivamente). if(Acele == -cur1){R = 1; G = 0; B =0} if(Acele == cur){R = 0; G = 1; B =0} if(Acele == AcFat){R = 0; G = 0; B =1} if(Velocidade == VMax){R = 1; G = 1; B =0} // Com a seqüência de código abaixo se cria um novo objeto virtual // com geometria de um Box, utilizando a composição de cores citada
Velocidade = Velo0 + Acele * TEqua if(Velocidade < 0){ Distancia = Dist0 - (Math.pow(Velo0, 2))/(2 * Acele); Velocidade = 0; } if(Velocidade > VMax){ Distancia = Dist0 + (Math.pow(VMax, 2) - Math.pow(Velo0, 2))/(2 * Acele) + VMax * (TEqua - (VMax - Velo0)/Acele); Velocidade = VMax; } }
80
No Ambiente Virtual do experimento de equilíbrio de um corpo rígido
(conteúdo pertencente à estática da Mecânica Clássica), podem-se colocar blocos de
diferentes massas, por meio do mouse, em um conjunto de ganchos fixados em tábua,
podendo ser verificado, logo após, o estado de equilíbrio deste sistema, como descrito
no Capítulo 4. Para criar esta interação foi utilizada a técnica computacional conhecida
como envelopamento para detecção de colisões entre objetos. Foi construído um Box
em torno de cada gancho, assim que um dos blocos colide com um destes Box, o
programa interpreta que o usuário pendurou o bloco no gancho envelopado por este
Box. O código JavaScript abaixo mostra como foi utilizada esta técnica de
envelopamento.
// Para implementação desta interação colocou-se um sensor de // movimento em cada bloco, e com as linhas de código abaixo se pode// capturar a posição deste sensor. x = Sensor.translation_changed[0] // Posição do sensor no eixo X y = Sensor.translation_changed[1] // Posição do sensor no eixo Y // Foi declarado no código VRML “cur” como sendo uma variável // global, ela é utilizada para a localização dos blocos no eixo X. // Abaixo são construídos retângulos, no plano xy, em torno de cada // gancho. Não foram realizados cálculos no eixo z, pois o usuário // não movimenta os blocos em sua direção. if(x >= 1.5 && x <= 2.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 1 // Aqui se cria um retângulo de base e altura nos respectivos // segmentos de reta, [1.5, 2.5] e [-3.3, -3]. Caso o bloco esteja
// acima, e localizado na posição da caminhonete. newVRML = ' DEF OBJECT Transform {'; newVRML += ' translation 15 -9.5 '+ (-Distancia); newVRML += ' children ['; newVRML += ' Shape {'; newVRML += ' appearance Appearance {'; newVRML += ' material Material {'; newVRML += ' diffuseColor '+R+' '+G+' '+B; newVRML += ' }'; newVRML += ' }'; newVRML += ' geometry Box {'; newVRML += ' size 2.5 2.5 10'; newVRML += ' }'; newVRML += ' }'; newVRML += ' ]'; newVRML += ' }'; newChildren = Browser.createVrmlFromString(newVRML);
81
Os trechos de código citados anteriormente são exemplos de algumas das
técnicas utilizadas na implementação dos modelos comportamentais dos experimentos.
Houve necessidade do desenvolvimento de diferentes técnicas, sendo a maioria delas
para melhorar a interação do usuário com os ambientes virtuais. Contudo, todos os
modelos comportamentais foram construídos com base em equações matemáticas de
seus fenômenos físicos. Tal estratégia permite a criação de experiências virtuais
contextualizadas com o mundo real.
5.4 Considerações Finais
As técnicas de implementação descritas anteriormente exigiram maiores estudos
sobre programação. No entanto, foram desenvolvidas técnicas simples como, por
exemplo, a criação dos organizadores gráficos tridimensionais e dos mapas
conceituais. Para a navegação (trocas de tela) nos organizadores utilizou-se o nó
“Anchor” que conecta um arquivo VRML a outro com extensão .wrl ou .html, e esta
conexão ocorre na forma de link. Para a interação (abrir e fechar a caixa de definições
e visualizar estruturas anteriores e posteriores dos organizadores gráficas) utilizou-se o
nó “Switch” associado a um Script, foi desenvolvida uma função booleana que
// na região de abrangência deste retângulo ele é posicionado em 1. } if(x >= 3.5 && x <= 4.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 2} if(x >= 5.5 && x <= 6.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 3} if(x >= 7.5 && x <= 8.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 4} if(x >= 9.5 && x <= 10.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 5} if(x >= 11.5 && x <= 12.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 6} if(x >= 13.5 && x <= 14.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 7} if(x >= 15.5 && x <= 16.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 8} if(x >= 17.5 && x <= 18.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur = 9} if(x >= 19.5 && x <= 20.5 && y >= -3.3 && y <= -3){cur3 = 10} // De acordo com as linhas de programação abaixo o bloco retornará // para sua posição inicial caso não colida com nenhum retângulo. if(x < 1.50 || x > 2.50 && x < 3.50 || x > 4.50 && x < 5.50 || x > 6.50 && x < 7.50 || x > 8.50 && x < 9.50 || x > 10.5 && x < 11.5 || x > 12.5 && x < 13.5 || x > 14.5 && x < 15.5 || x > 16.5 && x < 17.5 || x > 18.5 && x < 19.5 || x > 20.5 || y < -3.3){ Posicao_Bloco [0] = 20; Posicao_Bloco [1] = -9; Posicao_Bloco [2] = 0;}
82
determina quais elementos aparecem no cenário virtual de acordo com o clique do
mouse.
Os mapas conceituais foram desenvolvidos em páginas Web que, por meio de
hiperlinks, abrem novas janelas HTML contendo definições de conceitos físicos
fundamentais.
Concluiu-se que as técnicas utilizadas para o desenvolvimento do sistema,
independente de seu grau de complexidade, atingiram os objetivos propostos,
proporcionando a criação de Ambientes Virtuais com suporte para a navegação, a
interação e a manipulação de seus objetos.
83
Capítulo 6
6 Resultados e Limitações do Sistema
6.1 Introdução
Este capítulo apresenta uma sucinta descrição sobre o funcionamento do
SEFIRV e explana tópicos importantes sobre a avaliação deste sistema (por exemplo,
sua base teórica e seu desenvolvimento e aplicação), os resultados obtidos e as suas
limitações.
6.2 Utilização do Sistema
O primeiro contato do usuário com o SEFIRV ocorre por meio de uma página
de hipertextos, ilustrada na Figura 6.1, que contém os seguintes links:
• Software SEFIRV – Inicia a execução do software.
• Mapas Conceituais – Possibilitam o acesso direto aos mapas conceituais dos
experimentos virtuais.
• Simulações – Permitem o acesso direto aos experimentos virtuais, sem a
necessidade de executar o SEFIRV.
• Guia do Usuário – Permite o acesso a uma nova página em HTML com
informações sobre funções de ícones e explicações de como executar algumas
ações não intuitivas no sistema.
• Equipe – Apresenta uma página HTML contendo os nomes e os departamentos
dos componentes da equipe, formada por professores e alunos que contribuíram
para o desenvolvimento do SEFIRV.
84
Figura 6.1: Página de Abertura do SEFIRV
O layout desta página Web foi criado por Lucas Daniel, aluno de iniciação
científica da Ciência da Computação da UFU.
Após acessar o link “Software SEFIRV” e iniciar a execução do software, o
usuário depara-se com uma breve abertura em um ambiente virtual. Ao seu término
dispõem-se os organizadores gráficos virtuais para o começo do processo
aprendizagem. Como explicado nos Capítulos 3 e 4, o usuário primeiramente navega
pelos organizadores gráficos, em seguida acessa os Ambientes Virtuais de simulação
e, por último, pode acessar o mapa conceitual da simulação em execução.
6.3 Avaliação do Sistema
Com base em preceitos da ISONORM 9241-10 Usability (conjunto de normas
que permite avaliar a capacidade de um sistema interativo oferecer a seu usuário a
possibilidade de realizar tarefas de maneira eficaz e agradável [Prugmper, 1999]) e de
acordo com o Checklist do PROINFO (critérios para avaliação especificamente de
85
softwares educacionais [PROINF, 2006]) foi elaborado um questionário de avaliação
para este sistema, disponível no Anexo.
O SEFIRV foi apresentado a trinta e quatro alunos do Ensino Médio de
diferentes escolas, considerados como usuários em potencial. Primeiramente foram
fornecidas informações sobre o objetivo do projeto e, em seguida, de forma individual,
eles iniciaram o uso do sistema. Após a execução, responderam o questionário de
avaliação.
O questionário avalia os ambientes de aprendizagem do sistema separadamente,
os organizadores gráficos, as experiências físicas virtuais e os mapas conceituais. Tal
metodologia faz-se necessária, pois cada ambiente possui desenhos pedagógicos e
interfaces diferentes.
Analisando as respostas nos questionários, foi possível avaliar os itens que se
seguem e para cada item foi gerado um gráfico comparativo:
6.3.1 Questões sobre os usuários
• Você já desenvolveu experimentos de Física em laboratórios durante o Ensino
Médio?
No gráfico, observa-se que a maioria dos usuários nunca desenvolveu
experimentos em laboratórios de Física. E aqueles que já desenvolveram
experimentos afirmaram que, não utilizam estes laboratórios freqüentemente.
86
• Com qual freqüência você usa o computador?
No gráfico, observa-se que a maioria dos usuários utiliza muito
freqüentemente ou freqüentemente computadores. Ao analisar este gráfico e o
anterior, pode-se observar que, os alunos possuem uma maior acessibilidade a
computadores de que a laboratórios de Física.
6.3.2 Questões sobre o guia do usuário
• Você conseguiu compreender o guia do usuário?
De acordo com o gráfico observa-se que todos os usuários
compreenderam o guia e que a maioria o compreendeu por completo.
87
• Você considera que o guia do usuário ajudou na compreensão do software?
Como mostrado no gráfico, todos os usuários entenderam que o guia do
usuário contribui para a compreensão e uso do software, somente a minoria
classificou esta contribuição como parcial.
6.3.3 Questões sobre os organizadores gráficos
• Descobrir a função do ícone , ou seja, realizar a abertura da “janela de
definição”.
De acordo com o gráfico percebe-se que a grande maioria dos usuários
classifica como fácil à ação de descobrir a função do ícone .
88
• Utilizar o ícone para acessar a “janela de definição”.
Observa-se no gráfico que todos os usuários classificaram a utilização do
ícone como fácil, somente a minoria classificou esta utilização como parcial.
• Você conseguiu compreender as informações das “janelas de definições”?
No gráfico pode-se observar que todos os usuários compreenderam as
informações contidas nas “Janelas de definições”, mas a minoria compreendeu
parcialmente estas informações.
89
• As “janelas de definições” foram úteis para sua aprendizagem?
Percebe-se no gráfico que a maioria dos usuários entendeu que as
“Janelas de definições” foram úteis para a sua aprendizagem. Apenas um usuário
achou que elas não apresentaram utilidade.
• Você considera que a visualização dos próximos organizadores gráficos, antes
que ocorra a progressão no ambiente, é útil para sua aprendizagem?
No gráfico pode-se observar que todos os usuários consideraram a
visualização dos próximos organizadores gráficos, antes que ocorra a progressão,
útil para a sua aprendizagem, somente a minoria classificou como parcial esta
utilidade.
90
• Você considera que a progressão para a próxima estrutura foi de fácil
manuseio?
Observa-se no gráfico que todos os usuários consideraram fácil progredir
para a próxima estrutura, apenas a minoria classificou esta ação como parcialmente
fácil.
• Você considera que este tipo de progressão foi útil para sua aprendizagem?
Percebe-se no gráfico que todos os usuários consideraram útil para
aprendizagem o tipo de progressão nos organizadores gráficos. A minoria
classificou esta ação como parcialmente útil.
91
• Descobrir a função do ícone , ou seja, visualizar os organizadores gráficos
anteriores e retornar a esta estrutura, se necessário.
De acordo com o gráfico percebe-se que a grande maioria dos usuários
classifica como fácil à ação de descobrir a função do ícone .
• Utilizar o ícone para visualizar e retornar aos organizadores gráficos
anteriores, se necessário.
Observa-se no gráfico que todos os usuários classificaram a utilização do
ícone como fácil. A minoria classificou esta utilização como parcialmente fácil.
92
• A possibilidade de visualizar e retornar, se necessário, aos organizadores
gráficos anteriores foi útil para sua aprendizagem?
Percebe-se no gráfico que a maioria dos usuários entendeu como útil
para a aprendizagem a possibilidade de visualizar e retornar aos organizadores
gráficos anteriores.
• O processo de navegação nos organizadores gráficos, em geral, desde o início
até o acesso aos experimentos físicos.
De acordo com o gráfico percebe-se que todos os usuários classificaram
como fácil o processo de navegação, desde o início até o acesso aos experimentos
físicos, somente a minoria classificou como parcialmente fácil este processo.
93
• As estratégias criadas para navegação pela estruturas tridimensionais
contribuíram para sua aprendizagem?
Observa-se no gráfico que todos os usuários entenderam que as
estratégias criadas para navegação pela estruturas tridimensionais contribuíram
para a sua aprendizagem, apenas a minoria classificou como parcial esta
contribuição.
6.3.4 Questões sobre os experimento físicos virtuais
• A compreensão e utilização dos Painéis colocados junto aos experimentos.
No gráfico percebe-se que todos os usuários consideraram fácil a
compreensão e utilização dos Painéis de controle. A minoria considerou parcial
esta facilidade.
94
• A visualização dos conceitos contidos nos Painéis.
No gráfico observa-se que todos os usuários consideraram fácil a
visualização dos conceitos nos Painéis, mas, a minoria considerou parcial esta
facilidade.
• Como você considera que as informações contidas nestes Painéis são
suficientes para a realizar e compreender o experimento?
Observa-se no gráfico que maioria dos usuários considerou a
informações contidas nos Painéis suficientes para realizar e compreender o
experimento físico, somente dois usuários não consideraram suficientes as
informações e não justificaram suas respostas.
95
• Os ambientes de simulação possuem relação com o cotidiano, ou seja, eles se
assemelham com a realidade do seu dia-a-dia?
Ao observar o gráfico percebe-se que a maioria dos usuários acha que os
ambientes de simulação possuem uma grande relação com o seu cotidiano, alguns
acham que possuem pouca semelhança e apenas um usuário acha que cenário
virtual não estabelece nenhuma relação com o seu cotidiano.
• Os objetos virtuais e as suas posições no ambiente de simulação contribuíram
para a compreensão do fenômeno físico?
De acordo com o gráfico percebe-se que apenas um usuário entende que
os objetos virtuais e as suas posições no ambiente de simulação não contribuíram
para a compreensão do fenômeno físico, e ele não justificou a sua resposta.
96
• A manipulação dos objetos virtuais.
Percebe-se no gráfico que a maioria dos usuários não encontrou
dificuldades em manipular os objetos virtuais.
• Descobrir os diferentes tipos de pontos de visão, ou seja, as diferentes câmeras.
Observa-se no gráfico que a maioria dos usuários não encontrou
dificuldades em descobrir os diferentes tipos de pontos visão. Porém, existe um
número considerável de usuários (nove) que encontrou dificuldades. Uma
possibilidade que pode explicar a dificuldade encontrada por estes usuários seria
porque o modo de mudar de câmeras no Ambiente Virtual VRML depende do
plug-in utilizado, o Cortona não oferece um grande destaque a esta troca de pontos
de vista em sua interface, logo esta ação deixa de ser intuitiva, mesmo sendo
explicada no guia do usuário.
97
• Estas câmeras foram úteis para sua aprendizagem?
Percebe-se neste gráfico que para a maioria dos usuários as câmeras são
úteis para sua aprendizagem. Porém, para sete deles as câmeras não foram úteis.
Estes usuários foram os mesmos que encontraram dificuldades em mudar de
câmeras, sendo assim, é plausível considerar que pode ter ocorrido uma influência
da dificuldade em efetuar a trocar de câmeras neste item da avaliação.
• Os ambientes de simulação contribuíram para sua aprendizagem?
De acordo com o gráfico percebe-se que apenas um usuário entende que
os ambientes de simulação não contribuíram para a sua aprendizagem, porém, ele
não justificou a sua resposta.
98
6.3.5 Questões sobre os mapas virtuais
As questões abaixo possuem como objetivo avaliar a aceitação, como os mapas
conceituais dos experimentos contribuem para o processo aprendizagem e
memorização, em longo prazo, de conceitos. Estas questões não foram respondidas,
pois foi considerado que, para obtenção de resultados válidos e representativos seria
necessária a aplicação de uma metodologia pedagógica que exige um longo prazo de
aplicação e acompanhamento dos usuários.
• Com que freqüência você utilizou a tecla “Tutorial” do painel?
• Com que freqüência você acessa os links de definições dos mapas conceituais?
• Os mapas conceituais contribuíram para a sua compreensão do experimento
físico?
• Os mapas conceituais contribuíram para que você memorizasse os conceitos
envolvidos no experimento?
De posse dos resultados dos questionários de avaliação e suas representações
gráficas foram realizados alguns estudos de Estatística Descritiva, com intuito de obter
uma nova análise da avaliação deste sistema. Esta análise deve apresentar gráficos
percentuais comparativos baseados em alguns parâmetros específicos da ISONORM
9241-10 Usability. Esta estratégia resulta em uma representação resumida e objetiva
para a avaliação do software. Os gráficos provenientes destes estudos estão a seguir:
• Compatibilidade – Retrata a adequação das funções do sistema para as ações
do usuário.
Compatibilidade
24%4%
72%
AltoMédioBaixo
99
No gráfico pode-se observar que 72% dos usuários classificaram o
parâmetro Compatibilidade do software como alto, 24% como médio e apenas 4%
como baixo.
• Códigos/Denominações – Referem-se à clareza dos termos utilizados no
software.
Códigos/ Denominações
9% 0%
91%
AltoMédioBaixo
Observa-se no gráfico que 91% dos usuários classificaram o parâmetro
Códigos/Denominações como alto, 9% como médio e 0% como baixo.
• Homogeneidade/Coerência – Retrata a facilidade de uso do programa.
Homogeneidade/ Coerência
12% 0%
88%
AltoMédioBaixo
Pode-se observar no gráfico que 88% dos usuários classificaram o
parâmetro Homogeneidade/Coerência como alto, 12% como médio e 0% como
baixo.
100
• Gestão de erros – Refere-se à qualidade da ajuda ao usuário e as informações
de uso do software.
Gestão de erros
25%0%
75%
AltoMédioBaixo
Observa-se no gráfico que 75% dos usuários classificaram o parâmetro
Gestão de erros como alto, 25% como médio e 0% como baixo.
• Adaptabilidade – Retrata as diferentes maneiras de se realizar uma tarefa.
Adaptabilidade
31%
24%
45% AltoMédioBaixo
Pode-se observar no gráfico que 45% dos usuários classificaram o
parâmetro Adaptabilidade como alto, 31% como médio e 24% como baixo.
101
• Controle explícito – Retrata o controle sobre as atividades do software e a
confiança na execução destas.
Controle explícito
24%1%
75%
AltoMédioBaixo
Observa-se no gráfico que 75% dos usuários classificaram o parâmetro
Controle explícito como alto, 24% como médio e apenas 1% como baixo.
• Carga de trabalho – Refere-se ao número de passos e funções utilizadas para
executar uma determinada tarefa.
Carga de trabalho
35%
0%
65%
AltoMédioBaixo
Pode-se observar no gráfico que 65% dos usuários classificaram o
parâmetro Carga de trabalho como alto, 35% como médio e 0% como baixo.
102
• Condução – Retrata a agilidade de acesso a funções, aspectos gráficos da tela
e, o entendimento de ícones.
Condução
11% 4%
85%
AltoMédioBaixo
Observa-se no gráfico que 85% dos usuários classificaram o parâmetro
Condução como alto, 11% como médio e apenas 4% como baixo.
Em resumo e para melhor comparação construiu-se o gráfico abaixo.
72
24
4
91
90
88
12
0
75
25
0
45
3124
75
24
1
65
35
0
85
114
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Compatibilidade Códigos/Denominações
Homogeneidade/Coerência
Gestão de erros Adaptabilidade Controle explícito Carga detrabalho
Condução
Gráfico ISONORM
Alto Médio Baixo
Ao analisar os itens avaliados nos questionários, conclui-se que o sistema
desenvolvido obteve uma boa aceitação por parte dos usuários entrevistados. Estes
contribuíram com algumas sugestões, descritas a seguir:
• Inserir efeitos sonoros nos ambientes virtuais.
103
• Possibilitar a manipulação dos objetos virtuais por meio de um joystick.
• Criar uma forma de evidenciar a trocar de câmeras.
Observando as sugestões propostas e o processo de avaliação, pode-se constatar
que houve forte motivação por parte dos usuários na utilização do sistema,
comprovando que softwares produzidos de forma multidisciplinar e apoiados em
estruturas pedagógicas servem de estímulo aos usuários.
6.4 Tabela Comparativa Finalmente, pode-se avaliar o SEFIRV comparando-o com outros softwares
educacionais voltados para o ensino de Física. Abaixo, encontra-se o quadro
comparativo apresentado no Capítulo 2, contendo os quatro softwares analisados,
incluindo o SEFIRV.
Tabela 6.1: Quadro Comparativo incluindo o SEFIRV
WebTop FisicaNet LVEF Pintar LVCE SEFIRV
2D
3D
Manipulação direta
Modelagem realística
Apresentação dos resultados dos experimentos
Conteúdo completo de Física do Ensino Médio
Presença de tutoriais de ajuda conceitual
Presença de ferramentas cognitiva
Presença de desenhos pedagógicos
104
6.5 Limitações do Sistema
Além das limitações apontadas pelos usuários nas sugestões descritas (sons e
câmeras pouco evidentes), o sistema apresenta outras limitações. Como, por exemplo,
os ambientes de simulação possuem uma estrutura fixa, ou seja, não permitem ao
usuário, de posse de um conjunto de objetos virtuais, construir diferentes
experimentos. É permitido alterar propriedades de objetos virtuais, mas não inserir ou
retirar objetos.
Outra limitação observada é que, em alguns experimentos, os Ambientes
Virtuais oferecem pouca manipulação direta de seus objetos, o que gera dependência
do painel de controle.
6.6 Considerações Finais
Este capítulo apresentou o funcionamento do sistema, a avaliação e alguns de
seus conceitos e metodologias, e as limitações do sistema. Por meio de um quadro
comparativo de sistemas, verificou-se que o sistema apresenta algumas características
adicionais em relação aos sistemas analisados, o que aumenta a sua eficiência em
relação a aspectos de ensino/aprendizagem. Embora o SEFIRV apresente certas
limitações, se mostrou adequado e atendeu aos objetivos propostos.
105
Capítulo 7
7 Conclusões e Trabalhos Futuros
7.1 Introdução
Esta dissertação descreveu uma pesquisa realizada de forma multidisciplinar
(Engenharia Elétrica, Educação, Física e Artes Visuais) que engloba estudos sobre
técnicas de Realidade Virtual e processos pedagógicos em ambientes computacionais.
Este estudo visou a criação de um software educacional que ofereça suporte ao ensino
de Física, direcionado ao Ensino Médio. O presente capítulo traz algumas conclusões a
respeito deste trabalho e sugestões para possíveis trabalhos futuros.
7.2 Conclusões
No decorrer desta pesquisa, verificou-se a existência de diversos softwares
voltados para o ensino de Física. No entanto, a maioria não apresenta uma
fundamentação pedagógica explícita de seus ambientes, o que conseqüentemente
acarreta desvios na eficiência do processo ensino e aprendizagem.
Diante disso, este estudo contribui com as pesquisas atuais em tecnologias da
informação na educação, ao desenvolver um software para o ensino de Física,
fundamentado em desenhos pedagógicos para ambientes computacionais. Apresenta
diversos cenários e objetos de aprendizagem em Realidade Virtual, com o objetivo de
estimular o gerenciamento da aprendizagem (aprender a aprender), a aprendizagem
intencional e significativa de conceitos em Física que possam ser transferidos para
outros contextos de aprendizagem.
Pode-se afirmar que o produto final desse software obteve melhoras
significativas devido às contribuições da equipe multidisciplinar. A equipe da
Educação contribuiu com a arquitetura e os desenhos pedagógicos dos cenários e
objetos de aprendizagem dos três ambientes do sistema. A equipe de Física ofereceu
106
um suporte conceitual para o sistema e estratégias para a criação de simulações. A
equipe de Artes Virtuais contribui com layouts interfaces para os Ambientes Virtuais e
algumas modelagens de objetos.
A integração do VRML com o Javascript foi de suma importância na
implementação. A linguagem VRML foi apropriada para modelar os mundos virtuais,
porém para incluir interações, animações e realizar cálculos foi preciso utilizar uma
linguagem de programação específica que contemplasse comandos (JavaScript). O uso
de tal técnica garantiu a possibilidade do sistema desenvolvido ser acessado via
Internet, sem custo de aquisição de softwares e hardwares adicionais.
De acordo com a avaliação dos usuários, o sistema apresenta-se como uma das
principais contribuições para uso de processos pedagógicos integrados a técnicas de
RV. A adoção de princípios e técnicas pedagógicas e as técnicas de RV exploradas
indicaram uma maior motivação do usuário para o gerenciamento da informação e
construção de seu conhecimento de forma mais intuitiva que outros tutoriais
encontrados na literatura e na Internet.
Verificou-se que o SEFIRV foi bem aceito e de fácil usabilidade. Além disso,
constatou-se também que os alunos não têm acesso freqüente ao laboratório de ensino
de Física; pelo contrário, utilizam constantemente o computador. Diante desses fatos,
indica-se que esse software pode oferecer suporte ao ensino de Física, tornando-se
uma ferramenta de apoio às escolas e aos alunos que não têm acesso a laboratórios de
Física instalados.
A avaliação demonstra que as estratégias de representação de fenômenos
físicos, elaboradas para o desenvolvimento dos ambientes virtuais, foram bem
avaliadas pelos usuários, sendo consideradas úteis para a aprendizagem em Física.
Os usuários consideraram que os organizadores gráficos e os mapas conceituais
ajudaram no seu aprendizado, devido a sua organização, distribuição e as relações
entre os conceitos. No entanto, não foi possível avaliar as contribuições destas
ferramentas cognitivas para a memorização, a longo prazo, dos conceitos.
107
O desenvolvimento deste trabalho demonstrou o grande potencial que a
tecnologia de Realidade Virtual oferece à área educacional, principalmente se esta
tecnologia estiver aliada a processos pedagógicos.
E finalmente, é possível verificar que esta pesquisa contribuiu para melhoria do
entendimento sobre o uso das técnicas de Realidade Virtual não-imersiva e
ferramentas cognitivas (mapas conceituais e organizadores gráficos) como ferramentas
auxiliares ao processo de ensino e aprendizagem.
7.3 Trabalhos Futuros
Como trabalhos futuros, uma possível continuação deste trabalho, podem ser
sugeridas:
• A criação de outros modelos virtuais, ou mesmo a modificação dos ambientes
do SEFIRV, para que o usuário possa, em um mesmo cenário, manipular um
conjunto de objetos de aprendizagem para solução de diferentes problemas.
• O desenvolvimento de novos ambientes virtuais, introduzindo resolução de
problemas e teorias de jogos como apoio pedagógico para estes ambientes.
• A criação de Ambientes Virtuais distribuídos em rede, para que a
aprendizagem ocorra de forma cooperativa e sincrônica.
• O desenvolvimento de uma plataforma de EAD, obedecendo ao padrão
SCORM [SCORM, 2006], para acompanhar o aprendizado do aluno com o
SEFIRV.
• O desenvolvimento de um sistema computacional de histórico para cada
ambiente, no qual serão armazenadas as ações do usuário assim como as
respostas do SEFIRV a estas ações. Este histórico terá como objetivo servir de
suporte para análises e comparações mais complexas dos experimentos.
108
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Anexo
Avaliação do Programa de Experiências de Físicas Avaliador: ______________________________________Data da avaliação: ___ / ___ / 2005 Série: ( ) 1º Colegial ( ) 2º Colegial ( ) 3º Colegial Escola: _____________________________________________________________________ 1. Você já desenvolveu experimentos de Física em laboratórios durante o Ensino Médio? ( ) Sim ( ) Não 2. Com qual freqüência você usa o computador? ( ) Muito Freqüentemente ( ) Freqüentemente ( ) Pouco Freqüentemente 3. Você conseguiu compreender o guia do usuário? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 4. Você considera que o guia do usuário ajudou na compreensão do software? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
I. Organizadores Gráficos de Conceitos Tridimensionais (Diagramas 3d) 1. Você considera que descobrir a função do ícone , ou seja, realizar a abertura da “janela
de definição” foi: ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil 2. Você considera que utilizar o ícone para acessar a “janela de definição” é: ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil 3. Você conseguiu compreender as informações das “janelas de definições”? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 4. As “janelas de definições” foram úteis para sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 5. Você considera que a visualização dos próximos organizadores gráficos antes que ocorra a
progressão no ambiente é útil para sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 6. Você considera que a progressão para a próxima estrutura foi de fácil manuseio? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 7. Você considera que este tipo de progressão foi útil para sua aprendizagem?
115
( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 8. Você considera que descobrir a função do ícone , ou seja, visualizar os organizadores
gráficos anteriores e retornar a esta estrutura se necessário, foi: ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil 9. Você considera que a utilizar o ícone para visualizar e retornar aos organizadores
gráficos anteriores, se necessário, é: ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil 10. A possibilidade de visualizar e retornar, se necessário, aos organizadores gráficos
anteriores foi útil para sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 11. Como você considera o processo de navegação nos organizadores gráficos em geral, desde
o início até o acesso aos experimentos físicos? ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil 12. As estratégias criadas para navegação pela estruturas tridimensionais contribuíram para
sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
II. Experimentos Físicos Virtuais
1. Como você considera a compreensão e utilização dos Painéis colocados junto aos experimentos, que lhe permitem alterar valores?
( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil
2. Como você considera a visualização dos conceitos contidos nos Painéis (Exemplo Aceleração do Motor, tempo, velocidade, etc)?
( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil
3. Como você considera que as informações contidas nestes Painéis são suficientes para a realizar e compreender o experimento?
( ) Sim, são suficientes. ( ) Não, faltam informações. Quais? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Os ambientes de simulação possuem relação com o cotidiano, ou seja, eles se assemelham
com a realidade do seu dia-a-dia? ( ) Muito ( ) Pouco ( ) Nada
116
5. O ambiente onde você realiza o experimento é composto por um conjunto de objetos (por exemplo, carro, casas, etc), chamados de objetos virtuais. Estes objetos e a suas posições no ambiente de simulação, contribuíram para a compreensão do fenômeno físico?
( ) Sim, contribuiu. ( ) Não contribuiu. Sugira novos objetos e novas formas de organizar os ambientes ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
6. Como você considera a manipulação dos objetos virtuais? ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil
7. Como você considera descobrir os diferentes tipos de pontos de visão, ou seja, as
diferentes câmeras? ( ) Fácil ( ) Parcialmente Fácil ( ) Difícil
8. Estas câmeras foram úteis para sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 9. Os ambientes de simulação contribuíram para sua aprendizagem? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
III. Mapas conceituais
1. Com que freqüência você utilizou a tecla “Tutorial” do painel? ( ) Muito Freqüentemente ( ) Freqüentemente ( ) Pouco Freqüentemente 2. Com que freqüência você acessa os links de definições dos mapas conceituais? ( ) Muito Freqüentemente ( ) Freqüentemente ( ) Pouco Freqüentemente 3. Os mapas conceituais contribuíram para a sua compreensão do experimento físico? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte 4. Os mapas conceituais contribuíram para que você memoriza-se os conceitos envolvidos
no experimento? ( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
IV. Comentários ou sugestões adicionais __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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