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Universidade Federal de UberlândiaFaculdade de Engenharia Elétrica

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Utilização de Mapas Conceituais naConstrução de Ambientes Virtuais de

Aprendizagem.

Orientador: Edgard Lamounier Júnior, PhDCo-Orientador: Alexandre Cardoso, DScOrientanda: Paula Teixeira Nakamoto

Janeiro2005

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Universidade Federal de UberlândiaFaculdade de Engenharia Elétrica

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Utilização de Mapas Conceituais na Construção de AmbientesVirtuais de Aprendizagem.

Dissertação apresentada por Paula Teixeira Nakamoto àUniversidade Federal de Uberlândia para obtenção do títulode Mestre em Ciências, aprovada em 28/01/2005 pela BancaExaminadora:

Edgard Lamounier Júnior, PhD (UFU) - OrientadorAlexandre Cardoso, DSc (UFU) - Co-OrientadorJudith Kelner, PhD (UFPE)Elise B. Mendes, DSc (UFU)Ernane Coelho, DSc(UFU)

i

Utilização de Mapas Conceituais na Construção deAmbientes Virtuais de Aprendizagem.

Paula Teixeira Nakamoto

Dissertação apresentada por Paula Teixeira Nakamoto à UniversidadeFederal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título deMestre em Ciências.

Edgard Lamounier Júnior, Phd João Batista Vieira Júnior, DScOrientador Coordenador do Curso de Pós-Graduação

ii

À minha mãe Maria Clarice, pelos exemplosde respeito, honestidade e simplicidade. E aoHugo, meu marido, pelo carinho, dedicaçãoe contribuição no desenvolvimento deste tra-balho.

iii

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus, por iluminar os meus caminhos nas minhas dificul-dades e vitórias, fazendo-me ser sempre perseverante na busca dos meus ideais. E emseguida, a todos que contribuíram para a realização deste trabalho e, pela participaçãomais direta, sou especialmente grata:

Ao meu orientador, Professor Edgard Lamounier Júnior, pela dedicação, paciênciae pela competente, segura e valiosa orientação prestada em todos os momentos darealização deste trabalho.

Ao Professor Alexandre Cardoso, pela dedicação, apoio e sugestões.

Aos Professores Eduardo Kojy Takahaschi e Elise Barbosa Mendes pelas excelentessugestões, contruibuições, apoio e dedicação oferecidos durante a execução desse trabalhomultidisciplinar.

Ao meu marido, Hugo Leonardo Pereira Rufino, agradeço o carinho e a compreeensãopelo longo tempo de ausência.

Aos meus amigos do departamento de Física pelo inestimável suporte, sem o qual tudoseria mais difícil.

Aos meus amigos do laboratório de Computação Gráfica pela troca de conhecimento,experiências e pela amizade.

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.

iv

Resumo

NAKAMOTO, Paula T. Utilização de Mapas Conceituais na Construção de AmbientesVirtuais de Aprendizagem, Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU, 2005.

Essa dissertação apresenta uma proposta de integração de técnicas de Realidade Virtual

e processos pedagógicos, com o objetivo de desenvolver sistemas educacionais de quali-

dade. O sistema proposto (LVCE - Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos) simula

um ambiente virtual para experimentos físicos, especificamente eletrodinâmica, a baixo

custo computacional e financeiro. A fim de garantir um ambiente com características

educacionais sustentáveis, foram usados alguns fundamentos construtivistas de desenho

pedagógico, bem como, uma ferramenta cognitiva denominada mapas conceituais - com

o objetivo de guiar os alunos na sua aprendizagem.

Como estudo de caso, desenvolveu-se um ambiente virtual para simular um laboratório

de circuitos elétricos, tendo como público alvo, alunos do Ensino Médio. Este sistema per-

mite ao aluno ter acesso ao conhecimento, através de tutoriais previamente elaborados.

Além disso, o sistema permite ao aluno criar seus próprios experimentos e, através dos

mapas conceituais, conduz o aluno na construção de seu próprio conhecimento. A modela-

gem do ambiente virtual foi implementada na linguagem VRML (Virtual Reality Modeling

Language). Entretanto, para superar as limitações da linguagem VRML em termos de

animações e permitir a interação do usuário com o mundo virtual, foi necessário utilizar

a linguagem JavaScript. Baseado em questionários aplicados a potenciais usuários, foi

possível identificar que o sistema mostrou-se útil e intuitivo como ferramenta de ensino.

v

Abstract

NAKAMOTO, Paula T. Using Conceptual Maps to Built Virtual Learning Environments,Uberlândia, Faculty of Electric Engineering - UFU, 2005.

This dissertation presents a proposal of integration of Virtual Reality techniques and

pedagogic process, with the objective to develop qualitative educational systems. The

proposed system simulates an virtual environment for physic experiments, specifically

electrodynamics, with low computational and financial costs. In order to guarantee an

environment with solid educational features, some constructivist fundamentals were used

with pedagogic drawings, as well as a cognitive tool, so called conceptual maps - in order

to guide students during their learning process.

As a case study, a virtual environment was developed to simulate a electric circuit

laboratory to be used by High School students. This system allows the students to access

the specific knowledge by previously elaborated tutorials. Furthermore, the system allows

the student to create his own experiments and through conceptual maps it guides the

student in building his own knowledge. The virtual environment was modeled by using

the VRML (Virtual Reality Modeling Language) language. However, to overcome VRML

limitations related to computer animation to support interactiveness with the user, it was

necessary to use the JavaScript language. Based on survey forms applied to potential

users, it was possible to identify the system intuitiveness as an educational tool.

vi

Lista de Publicações

A seguir são apresentados as publicações deste trabalho:

1. NAKAMOTO, Paula Teixeira; LAMOUNIER JÚNIOR, Edgard; CARDOSO,Alexandre; GUIMARÃES, Mauro; MENDES, Elise B; TAKAHASCHI, EduardoKojy. Construindo um Laboratório Virtual de Física Baseado noParadigma de Mapas Conceituais. In: SIMPÓSIO DE REALIDADE VIR-TUAL, 2004, São Paulo. SRV 2004 VII Symposium on Virtual Reality Proceedings.2004. v. Único, p. 231-242.

2. NAKAMOTO, Paula Teixeira; TAKAHASCHI, Eduardo Kojy; LAMOUNIERJÚNIOR, Edgard; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. Laborátorio Vir-tual de Eletrodinâmica. In: XVI SIMPÓSIO NACIONAL DO ENSINO DEFÍSICA, 2005, Rio de Janeiro. 2004. A ser publicado nos anais do evento.

3. NAKAMOTO, Paula Teixeira; TAKAHASCHI, Eduardo Kojy; LAMOUNIERJÚNIOR, Edgard; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. O Uso de MapasConceituais e Realidade Virtual para o Ensino de Física no Ensino Mé-dio. In: IX ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA,2004, Jaboticatuba. Anais do IX Encontro de Pesquisa em Ensino de Física. 2004.v. Único, p. 161-161.

4. NAKAMOTO, Paula Teixeira; LAMOUNIER JÚNIOR, Egard; CARDOSO,Alexandre; GUIMARÃES, Mauro. The Integration of Distance LearningTechniques and the Concept Maps Paradigm to Develop a Virtual Realitybased Electric Circuit Laboratory. In: GCETE’2005, 2005, Santos. 2004. Aser publicado nos anais do evento.

vii

Sumário

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Realidade Virtual na Educação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Processos Pedagógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Trabalhos Relacionados 9

2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Pintar VirtualLab Eletronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 FisicaNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 EngineSoft Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5 LVEE - Laborátorio Virtual para Experiências em Eletrônica . . . . . . . . 13

2.6 Quadro Comparativo dos Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.7 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 Processos Pedagógicos 17

3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Processos Pedagógicos do Laboratório Virtual da Eletrodinâmica . . . . . . 17

viii

3.3 Mapas Conceituais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24


4 Arquitetura do Sistema 27

4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Tecnologias de Apoio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.1 VRML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.2 JavaScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3 Diagrama da Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário - GUI . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.3.2 Bloco Manipulador de Mapas Conceituais . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3.3 Bloco do Ambiente Virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.4 Bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . 41


5 Implementação do Sistema 43

5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.2 Implementação do Ambiente Virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.3 Implementação do Gerenciador do Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52


6 Resultados e Limitações do Sistema 58

6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.2 Funcionamento do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.3 Avaliação do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

ix

6.4 Limitações do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71


7 Conclusões e Trabalhos Futuros 73

7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.2 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.3 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74


Referências Bibliográficas 76

Anexo 80

A Relatório de Avaliação 81

x

Lista de Figuras

1.1 Exemplo de mapa conceitual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Um exemplo de circuito no Pintar VirtualLab Eletronics . . . . . . . . . . 10

2.2 Um exemplo de circuito no FisicaNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Montagem e Análise de Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4 Desenvolvendo experiências no LVEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1 Exemplo de arquivo VRML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2 Exemplo de arquivo VRML sem código JavaScript . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3 Exemplo de arquivo VRML com código JavaScript . . . . . . . . . . . . . 33

4.4 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.5 Exemplo da GUI após um experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.6 Software CmapTolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.7 Caixa de dispositivos elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.8 Circuito pré montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.9 Menu de controle da tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.10 Multímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.11 Painel de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

xi

4.12 Página inicial do ambiente de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.13 Ambiente de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.1 Chave Fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2 Botão Exploratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3 Exemplo dos vetores da implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.4 Cálculo das correntes do circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.5 Exemplo de um circuito incompleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.1 Página Inicial do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.2 Laboratório virtual - áreas da Física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.3 Página de apresentação do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.4 Ambiente virtual de demonstração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.5 Exemplo de um circuito em 2D com um capacitor. . . . . . . . . . . . . . . 62

6.6 Cálculo da diferença de potencial entre os pontos BC. . . . . . . . . . . . . 63

6.7 Cálculo da corrente entre os pontos AB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

xii

Lista de abreviaturas

API Application Programming Interface

AV Ambiente Virtual

CA Corrente Alternada

CAL Computer Assisted Learning

CC Corrente Contínua

EAD Ensino a Distância

EAI External Authoring Interface

GCETE Congresso Global de Educação em Engenharia e Tecnologia

GUI Interface Gráfica com o Usuário

HTML Hypertext Markup Language

LVCE Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos

LVEE Laboratório Virtual para Experiências em Eletrônica

NURBS Non Uniform Rational B-Splines

RV Realidade Virtual

xiii

SRV Sistemas de Realidade Virtual

VRML Virtual Reality Modeling Language

UFU Universidade Federal de Uberlândia

WWW World Wide Web

XML Extensible Markup Language

xiv

Capítulo 1

Introdução

1.1 Motivação

Pesquisas recentes mostram que muitas escolas públicas e privadas, preocu-

padas com o processo de “inclusão digital” de seus estudantes, planejam investir em

tecnologia, através da construção de laboratórios de computadores com acesso à Inter-

net [da Educação e Cultura, 2003]. Assim, aumentam-se as necessidades de investigar

técnicas que explorem o uso de informática na educação, pois comumente faltam recursos

que possibilitam realizar um melhor aprendizado [Collis, 2002]. Como exemplo, é grande

o número de escolas de Ensino Médio que não possuem laboratórios de ensino, provendo

condições aos estudantes de compreender de forma concreta os conceitos trabalhados em

sala de aula.

Para suprir a carência de laboratórios de ensino e aproveitando a disponibilidade

de laboratórios de computadores nas escolas, é necessário criar ambientes virtuais

educativos que auxiliem o aprendizado da teoria/prática. Entretanto, o processo de

ensino/aprendizagem é muito complexo [Lousada and Caracóis, 2000], e é preciso que haja

um trabalho multidisciplinar suportado por fundamentos e técnicas pedagógicas pois, caso

contrário, a qualidade do sistema educacional pode ser afetada [Kommers et al., 1992].

1

Além disso, é necessária também a criação de softwares que modelem os objetos reais

e que sejam interativos para facilitar o aprendizado através de uma aproximação mais

realística entre o estudante e seu objeto de estudo.

Então, para prover o ensino de maior qualidade, baixo custo computacional, que

permita aos alunos a criação, análise e simulações de objetos reais, foi desenvolvido um

trabalho multidisciplinar com especialistas da área de Realidade Virtual, Pedagogia e

Física. A escolha pela criação de um ambiente virtual de Física deve-se à carência de

laboratórios de ensino nesta área e porque os alunos, em sala de aula, estudam somente a

teoria veiculada nos livros de eletricidade, os quais trazem a simbologia dos dispositivos

elétricos (resistores, capacitores, fontes, etc), de modo que o aluno não compreende como

eles são na realidade.

Para a criação do ambiente de aprendizagem, foram utilizados alguns princípios

construtivistas de ambientes de aprendizagem, aplicou-se o mapa conceitual para organi-

zação e distribuição do conteúdo com o objetivo de eliminar os sistemas de transferência

de informação de forma modular, unidirecional e criar um ambiente em que o aluno possa

ver o todo conceitual de forma integrada e gerenciar a informação de acordo com a sua

necessidade. Já para a criação do ambiente de simulação foram utilizadas técnicas de Rea-

lidade Virtual que, através da interação, navegação e imersão, permitiram a criação/uso

de ambientes mais reais.

Logo, a motivação deste trabalho se relaciona com:

• Carência de projetos multidisciplinares;

• aprendizado assíncrono1;1Aprendizado no qual a interação entre alunos e professores ocorre de forma intermitente e com retardo

de tempo. Este aprendizado é de fácil acesso e o aluno pode fazer o curso no ritmo desejado

2

• custo dos laboratórios de ensino;

• processo de inclusão digital;

• fácil acessibilidade do software que pode ser local ou via rede de computadores,

Internet;

• investigação do uso de Realidade Virtual na educação.

1.2 Objetivos

Este trabalho tem por objetivo a construção de um ambiente virtual eficiente

que permita o ensino de circuitos elétricos no Ensino Médio. Para atingir tal objetivo as

seguintes metas foram definidas:

• Investigar sistemas educacionais desenvolvidos para o ensino de circuitos elétricos e

avaliar suas vantagens e limitações;

• pesquisar técnicas de Realidade Virtual e Processos Educativos para que o sistema

disponha de maior qualidade e maior facilidade de assimilação do conteúdo pelo

usuário;

• desenvolver um sistema protótipo que possua dispositivos similares aos que existem

em um laboratório de Física na área de circuitos elétricos no Ensino Médio;

• avaliar o LVCE - Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos junto a usuários poten-

ciais e analisar os resultados obtidos.

3

1.3 Realidade Virtual na Educação

Pinho (1998) e Borges et al. (2002) comprovam que a capacidade de assimilação

e de compreensão de um indivíduo aumenta quando a mídia usada para comunicação é

interativa, isto é, o sujeito pode agir e refletir sobre suas ações. Essa interação pode ser

adquirida com o uso da Realidade Virtual que dispõe também de imersão e navegação.

A potencialidade da Realidade Virtual possibilita a exploração de ambientes,

processos ou objetos, não por meio de livros, fotos, filmes ou aulas, mas mediante a mani-

pulação e a análise virtual do próprio alvo de estudo [Pinho, 1998]. Ao aplicar as técnicas

de RV na Educação, é possível produzir ambientes que facilitem o ensino-aprendizagem ou

até mesmo complementem o conteúdo aprendido pelo aluno. A proposta deste trabalho

relaciona-se com um laboratório virtual de Física na área de circuitos elétricos que permite

ao aluno simular a modelagem real dos dispositivos e analisar os circuitos construídos, sem

correr o risco de queimar ou danificar os componentes e equipamentos elétricos.

Quando se consideram Ambientes Virtuais (AVs) ou Sistemas de Realidade Vir-

tual (SRVs), há uma tendência em se pensar em alguém que esteja sempre usando um ca-

pacete, totalmente imerso em um ambiente gerado por computador [Meiguins et al., 2002].

Esta situação acontece numa pequena parcela do amplo conjunto de SRV, evidenciando

um método de entrega de informação ao usuário puramente imersivo, de grande realismo.

Contudo, é melhor tomar o termo Realidade Virtual num contexto mais amplo, como por

exemplo, SRV Não-Imersivos.

A Realidade Virtual Não-Imersiva trata imagens geradas diretamente no monitor

e dispensa o uso de periféricos não convencionais [Meiguins et al., 2002]. Com isso, os

sistemas ficam acessíveis a um número maior de pessoas e há possibilidades mais reais e

interessantes para aplicações em situações educacionais.

4

Existem diversas razões para se usar a RV na Educação [Meiguins et al., 2002],

[Barros and Kelner, 2003], entre elas, destacam-se:

• A flexibilidade de o usuário escolher diferentes maneiras de realizar o aprendizado,

pois alguns preferem o aprendizado visual, outros o verbal, alguns preferem explorar,

outros deduzir. Em cada estilo, pode-se usar a RV de uma forma diferente.

• Maior motivação dos usuários porque “Realidade Virtual é uma forma de as pes-

soas visualizarem, manipularem e interagirem com computadores e dados extrema-

mente complexos” [Burdea and Coiffet, 1994], [Kirner, 2004]. O usuário pode inte-

ragir com o ambiente manipulando, diretamente seus objetos.

• Maior oportunidade para experiências, cujo acesso, muitas vezes, seria difícil por

outros meios. Pessoas aprendem, com maior facilidade, pela exploração, pelos testes,

do que pela dedução. A RV pode criar ambientes altamente interativos e intuitivos,

proporcionando a manipulação direta com um ambiente que responde às ações do

usuário, estimulando a sua participação ativa .

• Melhorar a interface entre o homem e o computador, pois alguns laboratórios apenas

utilizam aplicativos em interface 2D para realização de experiências, com isto o aluno

não tem idéia de como os componentes são na realidade. O emprego da RV poderá

minorar este problema.

• Possibilitar o intercâmbio cultural entre as pessoas, pois a utilização da RV no âm-

bito da Educação a Distância também possibilitaria o intercâmbio entre pessoas de

diferentes instituições de ensino, que poderiam discutir problemas, trabalhar juntas

ou apenas assistir aulas em uma sala virtual tridimensional. Desta forma, pode-se

verificar como pessoas de diferentes instituições enfocam os mesmos problemas.

5

• A possibilidade de criação de ambientes virtuais que podem ser compartilha-

dos via Web. Neste caso, usa-se o VRML (Virtual Reality Modeling Language)

[Ames et al., 1997], uma linguagem de modelagem 3D que cria arquivos pequenos,

resultando em baixo custo de transmissão e armazenamento.

1.4 Processos Pedagógicos

As tecnologias computacionais aplicadas na Educação, até 1980, se resumiam, na

grande maioria, em ferramentas que auxiliavam a transferência de informação, ao ensino

de programação, a exercício de reforço, como editor de texto, como ferramentas gráficas,

banco de dados, planilha eletrônica e a software instrucionais (incluindo-se programas de

resolução de problemas através de exercícios) [Jonassen, 1992]. Já, na metade da década

de 90, com o surgimento dos multimeios e da internet, ocorreu uma grande mudança

da educação computacional e, atualmente, são as tecnologias da informação que exercem

função predominante na Educação, embora ainda não tenham sido utilizadas plenamente

com todo seu potencial como ferramenta cognitiva de aprendizagem, para oferecer suporte,

orientação e extensão ao processo de pensamento dos usuários [Petrosino, 1997].

Para que um software educacional realmente estimule aprendizagem significativa

é importante criar ambientes de aprendizagem que promovam a ação e a reflexão dos

alunos, como também, devem ser aplicadas ferramentas que ofereçam suporte, orientação

e extensão ao processo de aprendizagem. Entre as diversas ferramentas podemos citar

os mapas conceituais que contribuem substancialmente para o processo de aprendizagem

significativa.

Neste sistema o mapa é utilizado somente como uma ferramenta instrucional para

organizar e distribuir o conteúdo de Física. Dessa forma, o mapa conceitual teve como

6

objetivo eliminar os processos de transferência da informação de forma linear e seqüen-

ciada e estimular processos de navegação conceitual e gerenciamento da informação pelo

usuário. Através dos Mapas Conceituais visualizam-se as inter-relações existentes entre

os conceitos, que, segundo Moreira [Moreira and Buchweitz, 1987], “são representações

gráficas de uma estrutura de conhecimento demonstrada hierarquicamente, apresentando

forma e representação condizentes com a maneira como os conceitos são relacionados,

diferenciados e organizados”. A Figura 1.1 mostra um exemplo de mapa conceitual.

Figura 1.1: Exemplo de mapa conceitual

7

1.5 Organização da Dissertação

Este trabalho está dividido em sete capítulos, incluindo a Introdução.

O Capítulo 2 apresenta o estado atual dos trabalhos computacionais e educa-

cionais relacionados a Circuitos Elétricos, mostrando suas vantagens e limitações.

O Capítulo 3 descreve algumas definições de Mapas Conceituais, juntamente

com suas vantagens em relação à melhora na qualidade do aprendizado. Mostra também

o desenho pedagógico do sistema.

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 as técnicas utilizadas para a implementação do sistema

e alguns trechos de código demonstrando esta implementação.

O Capítulo 6 apresenta a descrição do funcionamento do sistema, suas limitações

e mostra os resultados obtidos através da avaliação do sistema por potenciais usuários.

O Capítulo 7 apresenta as conclusões obtidas neste trabalho e as sugestões para

trabalhos posteriores.

Por último, têm-se as referências bibliográficas aqui utilizadas.

8

Capítulo 2

Trabalhos Relacionados

2.1 Introdução

Este capítulo apresenta alguns sistemas computacionais direcionados à área de

Educação para o estudo de circuitos elétricos com o objetivo de avaliar suas potenciali-

dades, destacar suas vantagens, limitações e ressaltar os tipos de interações propostas por

esses sistemas.

2.2 Pintar VirtualLab Eletronics

O Pintar VirtualLab Eletronics Lite [Pintar, 2000] é um software educacional

com interface em duas dimensões (2D). Ele é disponibilizado em duas versões: uma versão

de demonstração gratuita, na qual o usuário pode visualizar os símbolos dos dispositivos

elétricos e criar os circuitos; e uma versão comercial (paga), em que os usuários podem,

além de criar os circuitos elétricos, analisá-los. Uma das limitações encontradas no pro-

tótipo refere-se à interação do usuário com o sistema que ocorre apenas na visualização

e manipulação dos objetos, não propiciando ao usuário ver a modelagem real (3D) dos

dispositivos, criando assim um obstáculo entre a teoria e a prática. A Figura 2.1 mostra

um exemplo de circuito construído pelo Pintar VirtualLab Eletronics.

9

Figura 2.1: Um exemplo de circuito no Pintar VirtualLab Eletronics

2.3 FisicaNet

Outro trabalho analisado é o applet1 Java disponível em [FisicaNet, 2003],

chamado FísicaNet e mostrado na Figura 2.2. Este sistema apresenta técnicas de mode-

lagem interativa, em que, na parte superior da figura, existe uma quantidade limitada de

dispositivos elétricos que o usuário poderá arrastar para um circuito pré-montado na sua

parte inferior. Além de possuir uma quantidade limitada de dispositivos, ele disponibiliza

somente resistores para serem usados no circuito. Dependendo dos valores de resistência

inseridos no circuito, do valor da bateria e se a chave estiver fechada, a lâmpada poderá

acender, quebrar ou não acontecer nada.

1Applets são pequenos programas construídos em Java. Podem ser executados dentro de um navegadorno cliente quando a página é acessada. Estes pequenos programas podem executar tarefas de controle deacessos, efeitos gráficos e segurança, como por exemplo a criptografia. O nome Applet tem uma alusão àpalavra application do inglês [EscolaVesper, 2003].

10

Figura 2.2: Um exemplo de circuito no FisicaNet

Uma limitação apresentada nesse sistema é que os dispositivos não são modelados

de forma realística. Por exemplo, um resistor não possui código de cores para a definição

de seu valor, e o applet não oferece nenhuma “dica” ou ajuda, caso o usuário tenha

alguma dúvida. O sistema poderia permitir que o usuário também inserisse capacitores

no circuito, pois comumente são utilizados com resistores na montagem de circuitos.

Outro problema é que, se o usuário não tiver nenhum aprendizado anterior sobre

circuitos, não existe nenhum link ou botão que traga qualquer conceito, logo, ele não

conseguirá entender o circuito, muito menos aprender de maneira significativa.

2.4 EngineSoft Constraints

Silva; Lamounier Junior (2002) desenvolveram um sistema baseado em restrições

geométricas para suportar projetos de circuitos elétricos. O sistema desenvolvido utiliza

uma representação em grafo na construção dos desenhos esquemáticos de circuitos elétri-

cos, permitindo a satisfação incremental das restrições. O sistema é capaz de executar a

análise de circuitos em CC (corrente contínua) e em CA (corrente alternada), podendo

conter resistores, indutores, capacitores e fontes de tensão (ver Figura 2.32).

2Fonte: Figura retirada do artigo de Arquimedes Silva [Silva et al., 2004a].

11

Figura 2.3: Montagem e Análise de Circuitos

Suas principais características são:

• Possuir uma natureza incremental que é responsável por avaliar a porcentagem de

vértices do Grafo de Restrições visitado quando uma nova restrição é inserida. A

acomodação das conexões são feitas entre dois vértices no grafo com a adição de um

arco entre eles, sem a necessidade de re-satisfazer as restrições existentes.

• Apresentar suporte para manipulações diretas, pois qualquer um dos componentes

do circuito elétrico pode ser manipulado individualmente porque o grafo mantém

preservadas as ligações existentes entre os componentes do circuito.

• Apresentar uma extensão para Projetos de Instalações Elétricas. Os autores tem

apresentado trabalhos [Silva et al., 2004a, Silva et al., 2004c, Silva et al., 2004b]

que demonstram a extensão do sistema baseado no paradigma das restrições, supor-

tando eficientemente sistemas CAD, para instalações elétricas.

Uma restrição apresentada nesse sistema é que ele só modela componentes em

2D para circuitos elétricos, através da representação simbólica dos dispositivos eletrônicos,

12

como são vistos nos livros de Física. Essa característica limita a capacidade prática de

aprendizado do usuário no que diz respeito à recriação da realidade.

2.5 LVEE - Laborátorio Virtual para Experiências emEletrônica

O projeto LVEE [Meiguins et al., 2002] foi desenvolvido pela Universidade Fe-

deral do Pará e consiste na criação de um ambiente virtual, baseado em modelos do

mundo real, para experimentação de atividades virtuais relacionadas a circuitos elétricos

e eletrônicos.

Neste sistema, o estudante encontra, no ambiente virtual, uma bancada consti-

tuída de um protoboard, onde podem ser inseridos os dispositivos e um painel de controle

que o usuário usará para inserção dos componentes eletrônicos. Todo o material necessário

para executar as experiências, tais como: capacitores, resistores, fontes etc, estão no painel

de controle. O painel de controle possibilita ao aluno realizar testes não só com todos os

materiais, como também com as mudanças de parâmetros na execução das experiências,

como valores de resistência, voltagem etc.

No LVEE, o usuário que deseja fazer um teste, pode selecionar os componentes

no painel de controle e clicar no botão “Inserir” para que o dispositivo possa ser colocado

no protoboard. Caso o usuário deseje fazer alguma modificação no circuito, ele deverá,

no painel de controle, especificar o dispositivo e clicar no botão “Remover”. Logo após a

inserção dos dispositivos, o circuito montado poderá ser analisado clicando-se no botão

“Simular”. Os resultados aparecerão nas caixas de texto. O software LVEE é mostrado

na Figura 2.43.

3Fonte: Figura retirada do artigo de Bianchi Serique [Meiguins et al., 2002].

13

Figura 2.4: Desenvolvendo experiências no LVEE

O LVEE foi modelado utilizando a linguagem VRML (Virtual Reality Modeling

Language) e os parâmetros são definidos por um apllet Java, encontrada na mesma página

Web que o Browser VRML que atualiza o cenário virtual. Essa interatividade e troca de

informações, entre o usuário e o ambiente virtual, são proporcionadas pela integração da

linguagem VRML com a EAI4 e a linguagem Java.

O sistema LVEE permite ao usuário realizar várias análises com diferentes dis-

positivos, mas, ao realizar uma análise, ele não permite que esta seja real, pois no software

não existe modelado nenhum equipamento de medição como, por exemplo, um multímetro4EAI(External Authoring Interface): permite que um applet escrito em Java, em uma página

HTML(Hypertext Markup Language) envie eventos para o mundo VRML. O apllet Java também podeser notificada quando um node5da cena envia eventos [Marrin, 2001]

5Node é um conjunto de especificações que determinam as características dos objetos contidos nocenário. Os nodes definem a hierarquia e as características individuais de cada objeto dentro do contextogeral do cenário. O node é o bloco básico de construção e descreve o tipo do objeto, que pode ser umaesfera, um cilindro, etc. O node é a construção fundamental de um arquivo VRML [UFBA, 2003].

14

que pode ser ligado ao protoboard. Todas as medições do circuito aparecem juntas na caixa

de texto “Resultado do SPICE”, no painel de controle. Outro problema é que o sistema

não transmite a sensação de o usuário estar montando o circuito, pois o protoboard não

é manipulado diretamente, ele é sempre atualizado a cada ação que o usuário executa no

painel de controle.

2.6 Quadro Comparativo dos Sistemas

Abaixo é mostrado um quadro comparativo entre os sistemas citados anterior-

mente.

Pintar VirtualLab FisicaNet EngineSoft Constraints LVEE2D X X3D X XManipulaçãoDireta

X X X

ModelagemRealística

X

Presença deTutoriais deAjudaPresença deAparelho deMediçãoPresença deFerramentaPedagógica

15

2.7 Considerações Finais

O computador apresenta um grande potencial como ferramenta de apoio ao

ensino, na medida em que seja usado para enriquecer a organização dos ambientes de

aprendizagem dos programas educacionais [Dizeró et al., 1999].

Analisando-se os sistemas apresentados neste capítulo, conclui-se que a maio-

ria não apresentava a modelagem tridimensional (real) dos dispositivos elétricos, o que

prejudica o entendimento do aluno caso ele queira construir circuitos reais. Já o soft-

ware analisado, que dispõe de modelagem 3D, não explora técnicas de Realidade Virtual

suficientes para permitir ao usuário ter a sensação real de estar criando o circuito elétrico.

Analisando o quadro que apresenta a comparação dos sistemas apresentados

neste capítulo, verifica-se claramente a necessidade de desenvolver um sistema multidisci-

plinar que explore técnicas de RV para dar suporte a uma interação mais real e natural e

que explore também propostas pedagógicas para aumentar a qualidade do sistema, pois

acredita-se que as técnicas de RV, associadas a propostas pedagógicas (Mapas Conceitu-

ais - serão apresentados no Capítulo 3), contribuam fortemente para a elaboração de um

ambiente contextualizado de aprendizagem significativa.

16

Capítulo 3

Processos Pedagógicos

3.1 Introdução

Este capítulo apresenta alguns processos pedagógicos importantes para a criação

de ambientes de aprendizagem com qualidade. Dentre eles, cita-se, com detalhes, a ferra-

menta Mapa Conceitual. Neste capítulo também serão mostrados o desenho pedagógico

do ambiente virtual e o mapa conceitual da eletrodinâmica utilizados neste protótipo.

3.2 Processos Pedagógicos do Laboratório Virtual daEletrodinâmica

As categorias de softwares que oferecem ao usuário ferramentas para manipular

representações conceituais, para melhor aprofundamento e compreensão desses processos,

incluem simulações, sistemas de realidade virtual, micromundos, ferramentas de mapea-

mento conceitual e workbenches [Collis, 2002]. As simulações em realidade virtual diferem

de outros softwares em termos de: exploração pelo próprio usuário de um domínio con-

ceitual, número de variáveis que podem ser manipuladas, detalhes e a fidelidade das

simulações e a quantidade de recursos úteis para o aprendiz durante a manipulação das

simulações. Ambientes virtuais mais sofisticados envolvem a imersão, e requerem equipa-

17

mentos especiais de alto custo e a capacidade do usuário em manipular e fazer ajus-

tamentos do movimento corporal para adaptação ao ambiente virtual. Tais ambientes

são ainda inacessíveis à maioria dos estudantes. Entretanto, simulações em realidade

virtual utilizando a linguagem VRML estão cada vez mais comuns na educação, con-

tribuindo substancialmente para a reconceitualização da grade curricular e para o processo

de ensino-aprendizagem de escolas públicas.

Diversas pesquisas [Collis, 2002], [Good and Berger, 1998], cobrindo uma

extensa área urbana e de periferia, analisaram as contribuições de softwares de simulações

em Realidade Virtual para o processo ensino-aprendizagem dos conteúdos curriculares e

concluíram o seguinte:

• Estudos demonstraram que os alunos que usaram simulações por meio de computa-

dor apresentaram melhor entendimento conceitual do que os alunos que não usaram

simulações durante estudos do conteúdo curricular. Um dos grupos que utilizou

computadores para o processo ensino-aprendizagem usou as simulações somente du-

rante a leitura do texto, e o outro grupo utilizou a simulação em todo o processo de

atividades de aprendizagem do conteúdo em questão. Após serem avaliados sobre

o entendimento do conteúdo, os alunos que utilizaram as simulações, em diferentes

momentos, apresentaram melhor compreensão dos conceitos. Abraham (Abraham

apud Collisb, 2002) concluiu que as animações contribuíram para o melhor entendi-

mento conceitual, promovendo a formação de modelo mental dinâmico do fenômeno.

• Os alunos que receberam orientação dos professores quando usavam sistemas de

simulações tinham melhor entendimento dos conceitos envolvidos nas simulações.

• Muitas dessas tecnologias de ensino não são fundamentadas em modelos cognitivos

18

e pedagógicos e, portanto, não estimulam processos ativos de aprendizagem.

Se a simples simulação de fenômenos reais não desenvolve e orienta processos de

aprendizagem, esta pesquisa tem como objetivo criar um software direcionado ao ensino

de Física, fundamentado em teorias da aprendizagem significativa e em sistemas instru-

cionais por meio de realidade virtual. Dessa forma, limitou-se a desenvolver um software

baseado em CAL (Computer-Assisted Learning), com o objetivo de contribuir para o de-

senvolvimento de material didático virtual de apoio ao ensino de Física, direcionado para

o Ensino Médio.

A pesquisadora não desenvolveu um software como ferramenta cognitiva a exem-

plo dos trabalhos de Kommers, Jonassen e Mayes (1992). Entretanto, buscou aplicar, no

desenho pedagógico dos ambientes de aprendizagem, alguns princípios construtivistas tais

como ação, reflexão, gerenciamento da aprendizagem [Mendes, 2002] para a interação do

aprendiz com o ambiente de simulação. Além disso, utilizou a ferramenta mapa conceitual

para organização e distribuição do conteúdo do ambiente tutorial do conteúdo de Física.

Como foi mencionado na introdução dessa dissertação, aplicou-se o mapa conceitual para

organização e distribuição do conteúdo com o objetivo de eliminar os sistemas de trans-

ferência de informação de forma modular, unidirecional e criar um ambiente em que o

aluno veja o todo conceitual de forma integrada e possa gerenciar a informação de acordo

com a sua necessidade.

O desenho pedagógico definiu três cenários de aprendizagem. O primeiro

ambiente consiste em um sistema tutorial para o conteúdo da eletrodinâmica; para orga-

nização e distribuição do conteúdo aplicou-se, como estratégia, o mapa conceitual. O

segundo ambiente consiste em um tutorial que apresenta o laboratório virtual de Física

com os dispositivos elétricos (resistor, capacitor) e a placa pré-montada possibilitando,

19

ao aluno identificar as ferramentas necessárias para a utilização do ambiente virtual. O

terceiro ambiente é a simulação de um laboratório de Física virtual interativo que permite

ao aluno agir e refletir sobres sua ação, possibilitando a criação de circuitos elétricos e

o cálculo da corrente, tensão elétrica (diferença de potencial) ou resistência através do

multímetro.

A estratégia da simulação de um laboratório virtual interativo tem como objetivo

fazer com que o aluno manipule os objetos e reflita sobre suas manipulações. Como

afirma Mendes (2002), a aprendizagem é um processo humano amplamente expandido

pela curiosidade. Quando a aprendizagem ocorre sobre as coisas do contexto natural, o

ser humano interage com o ambiente e manipula os objetos que o circundam, observando

os efeitos de suas intervenções e construindo suas próprias interpretações dos fenômenos

e os resultados de suas manipulações. Nessas situações, os aprendizes manipulam os

objetos, as ferramentas e observam os efeitos de suas manipulações, o que significa dizer

que aprendizagem real requer aprendizes ativos.

3.3 Mapas Conceituais

A literatura sugere diferentes aplicações dos mapas conceituais, dos organizadores

gráficos na educação e do treinamento como estratégias de aprendizagem que enrique-

cem a construção do conhecimento por meio de novas tecnologias (Mendes, 2002). Os

mapas conceituais são utilizados como auxiliares dos educadores na definição de obje-

tivos cognitivos, nos modelos de currículo, no desenvolvimento e avaliação do material

curricular, na elaboração de planos de ensino, na avaliação de estratégias de aprendiza-

gem, na construção do conhecimento em determinada área científica. São ferramentas

colaborativas de distribuição cognitiva a distância, em estratégias de aprendizagem e

20

decisão de navegação em lições, usando hipermeios e hipertextos em gerenciamento do

conhecimento e da informação em empresas e em bibliotecas virtuais.

Os mapas conceituais são também ferramentas cognitivas gráficas que repre-

sentam o conhecimento científico e mental. Sua estrutura é formada por um sistema

de redes conceituais que se organizam e se distribuem por diferenciações progressivas e

reconciliações integrativas, em um modelo que se relaciona por ligações semânticas. Dife-

renciações progressivas se estruturam de forma que os conceitos superordenados (âncoras

para a compreensão da informação) estejam no topo e depois se especifiquem em conceitos

subordinados, em diferentes níveis de inclusão. As reconciliações integrativas evidenciam

as possíveis relações existentes entre as diversas idéias que estão sendo trabalhadas, de

modo a facilitar e a catalisar a criação destas ligações na estrutura cognitiva do aprendiz.

Como ferramentas cognitivas estimulam o metaconhecimento, a metacognição

de professores, alunos e concepções alternativas. Como ferramenta do metaconhecimento

contribuem para a reflexão sobre uma determinada área do conhecimento, os conceitos e

relações que envolvem determinada ciência e a interdisciplinaridade com outras áreas do

conhecimento. Como ferramenta metacognitiva estimula a construção do conhecimento

ao possibilitar ao estudante a representação e reflexão da estrutura cognitiva do aprendiz

e a evolução do seu processo de aprendizagem.

Adicionados ao potencial cognitivo, os mapas são excelentes ferramentas instru-

cionais para a organização e distribuição dos conteúdos da grade curricular, pois eliminam

a estrutura modular, fragmentada, linear e unidimensional, criando sistemas multidimen-

sionais e interdisciplinares, como também fornecendo uma visão entre o todo e as partes

dos conceitos a serem estudados. O mapa conceitual de uma determinada área pode ser

usado para identificar as áreas que devem ser incluídas, os conceitos fundamentais e os

21

conceitos a priori, necessários para se compreender a nova informação. Esses procedimen-

tos de criar mapas para organização e distribuição do conteúdo de um curso servem como

guia para o processo de ensino. Essa estratégia de formar um todo integrado para os

conteúdos a serem ensinados, estimula a memória compreensiva, a longo prazo, nos estu-

dantes e possibilita ao aluno gerenciar a aprendizagem, detectando erros conceituais e

conceitos a priori necessários para compreender a nova informação. As pesquisas indicam

que os mapas conceituais instrucionais ajudam os alunos a entender o material, clari-

ficar as relações entre os conceitos e diminuir o tempo gasto para memorizar o conteúdo

(Jonassen apud Mendes, 2000).

Mendes (2002) observa que os livros, conferências e outros materiais de exposição

são planejados, de forma geral, por meio de alinhamento. Os mapas conceituais diferem

desses esboços em quatro diferentes aspectos. Primeiro, os mapas conceituais mostram

os conceitos-chave e suas proposições numa linguagem concisa. Segundo, os esboços mis-

turam conceitos, exemplos e proposições numa matriz que, embora hierárquica, se torna

inadequada por não mostrar as relações entre conceitos superordenados e subordinados,

entre os conceitos-chave e as proposições. Terceiro, bons mapas conceituais mostram as

relações ideais num modelo visual simples que atrai devido à notável capacidade humana

para fixar a imagem visual. Quarto, os mapas estimulam a memória, e os estudantes

mostram que podem se lembrar da relação dos conceitos ali relatados.

A proposta de trabalho dos mapas conceituais é baseada na idéia fundamental

da Psicologia Cognitiva de Ausubel, que estabelece a aprendizagem significativa como

um processo de assimilação de novos conceitos e proposições por meio de interação entre

a estrutura cognitiva do aluno e a nova informação. Novas idéias e informações são

aprendidas, na medida em que existam pontos de ancoragem para a acomodação dessas

22

(subsunçores).

Se o conteúdo escolar a ser aprendido não consegue se associar com algo já

conhecido pelo aprendiz, ocorre o que Ausubel chama de aprendizagem mecânica, ou seja,

as novas informações são assimiladas sem se relacionar com conceitos relevantes existentes

na estrutura cognitiva. Assim, o aluno decora fórmulas, leis, exemplos e proposições;

esquecendo-os após a avaliação.

Aprendizagem significativa implica modificações na estrutura cognitiva e não

apenas em acréscimos de conteúdos, desenvolvendo estruturas cognitivas mais móveis

e flexíveis com capacidade de transferir, generalizar e aplicar os conceitos aprendidos

em contextos diferentes. Aragão (2002) observa os seguintes aspectos relevantes para a

aprendizagem significativa:

• Subsunçores (conhecimento específico a priori) são necessários para a compreensão

da nova informação.

• Material didático deve ser organizado de forma não arbitrária e literal.

• Novas idéias e conceitos devem ser "potencialmente significativos” para o aluno.

Dessa forma, buscando uma coerência com os pressupostos de Ausubel, cria-se

um ambiente tutorial para os conceitos de Física que permite ao aluno gerenciar a apren-

dizagem, podendo facilmente acessar as definições, exemplos e proposições dos conceitos a

priori necessários para compreender a nova informação, como também, acessar aos novos

conceitos que o software desenvolve. Entretanto, compreende-se as limitações desse tra-

balho em relação às contribuições das avaliações do software para a aprendizagem dos

alunos, como também como material de apoio ao professor.

23

3.4 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica

A Figura 3.1 mostra o mapa conceitual da eletrodinâmica (construído com a

ferramenta Cmap Tools [of West Florida, 2004] e desenvolvido pela equipe de Física da

Universidade Federal de Uberlândia, em nome do professor PhD Eduardo Kojy Taka-

haschi), que está sendo usado no sistema desenvolvido.

24

Figura 3.1: Mapa Conceitual da Eletrodinâmica

25


Esse capítulo apresentou alguns estudos sobre a importância dos softwares de

aprendizagem assistidos por computador no aprendizado de alunos. Apresentou também

alguns processos pedagógicos utilizados no ambiente virtual para o aumento da qualidade

do sistema.

No próximo capítulo, apresenta-se a arquitetura do LVCE, levando-se em con-

sideração os softwares estudados e os processos pedagógicos.

26

Capítulo 4

Arquitetura do Sistema

4.1 Introdução

A partir do estudo realizado nos capítulos anteriores, foi possível projetar uma

arquitetura para um sistema educacional que ofereça ao usuário um aprendizado mais

amplo e com maior qualidade, já que o mesmo poderá visualizar, na prática e na teoria,

o conteúdo de Circuitos Elétricos.

Antes de mostrar a referida arquitetura do sistema em detalhes, será apresentada

a tecnologia de apoio necessária ao funcionamento desse sistema, bem como a importância

de cada uma das tecnologias utilizadas.

4.2 Tecnologias de Apoio

Novas tecnologias têm sido criadas para dar suporte ao desenvolvimento de apli-

cações de Realidade Virtual. O surgimento de VRML trouxe a possibilidade de construir

mundos virtuais tridimensionais, visualizáveis pela Internet com qualidade, através de um

browser e de um plug-in. O conceito de plug-in surgiu da necessidade de se possibilitar

a interpertação de novos formatos de mídia através dos browsers [Reis, 2000]. Para con-

tornar o problema de realizar constantes modifições nos navegadores devido às mudanças

27

nos formatos de mídia, foi adotada a filosofia de manter os navegadores e desenvolver

programas específicos associados a cada tipo, ou conjunto de tipos de arquivo que, de

acordo com a necessidade do usuário, seriam utilizados pelo navegador. Esses progra-

mas não fariam parte do código principal do navegador, sendo chamados apenas quando

o navegador fosse carregar uma página que contivesse algum arquivo de um tipo não

“primitivo”.

Atualmente, existe uma série de visualizadores 3D no mercado, nesse trabalho

optou-se pelo plug-in Cosmo Player [Graphics, 2003] por apresentar uma maior clareza

na visualização dos objetos no ambiente virtual. Ele está disponível para download, gra-

tuitamente, pela Internet. A seguir, as ferramentas utilizadas na arquitetura proposta são

apresentadas.

4.2.1 VRML

VRML é uma linguagem de descrição de cenas independente de plataforma,

utilizada para descrever objetos e mundos interativos 3D através da World Wide Web

(WWW). Entretanto, é uma linguagem de computador e não uma linguagem de progra-

mação. VRML não é compilada, pois é simplesmente um arquivo texto que pode ser

interpretado por um browser acompanhado de um plug-in [Silveira, 2002].

Na versão VRML 2.0 existe a possibilidade de se adicionar áudio, objetos inte-

rativos, comportamentos, entre outras funcionalidades. Um arquivo VRML consiste de:

• Cabeçalho;

• nodes que especificam os objetos, por exemplo, cilindros ou esferas, e transformações

que especificam a movimentação dos objetos, por exemplo, rotação ou escala;

• campos que são os parâmetros dos nodes.

28

A seguir, apresenta-se um trecho do código VRML, exemplificando alguns de

seus componentes e a sua simplicidade de codificação. A Figura 4.1 mostra como este

código é visto no Browser.

#VRML V2.0 utf8 #CabeçalhoShape

geometry Cylinder #Nodoradius 3 #Campoheight 6

Figura 4.1: Exemplo de arquivo VRML

Efeitos interativos podem estar presente através de nodes VRML do tipo sensor,

como exemplo: o sensor TouchSensor. Outro recurso importante são os nodes do tipo

script. Eles possibilitam a criação de objetos animados em um mundo e oferece a eles um

aspecto mais “inteligente” atribuindo-lhes determinadas ações [Ames et al., 1997].

VRML vem sendo utilizada por desenvolvedores de ambientes tridimensionais

por apresentar, entre outras, as seguintes funcionalidades:

29

• Permite criar mundos e objetos 3D interativos;

• permite disponibilizar cenários 3D em ambientes distribuídos (Internet) com quali-

dade;

• as ferramentas associadas são multiplataformas (browsers, plug-ins, etc) e algumas

não são proprietárias, obedecendo a padrões internacionais de mídias;

• oferece suporte a EAI (External Authoring Interface), para melhorar a funcionali-

dade dos mundos e objetos 3D criados em VRML;

• permite a integração com outros formatos de arquivos, como HTML;

• oferece suporte a formatos gráficos padrões (por exemplo, .gif, .jpg, etc);

• o seu código é de simples edição e de interpretação.

A modelagem de um ambiente virtual em VRML, a princípio, não exige software

especial, bastando apenas um editor de texto padrão. Contudo, existem no mercado,

várias ferramentas para modelagem tridimensional como: 3D Studio [Discreet, 2002],

Cosmo World 2.0 [Graphics, 1996] etc. Essas ferramentas oferecem suporte desde a cria-

ção dos objetos até a junção desses na montagem do ambiente virtual. O problema é

que depois de modelado um objeto, é necessário convertê-lo para o formato VRML. Tais

conversões, muitas vezes, resultam no aumento do código fonte e até mesmo encontram-se

erros no código fonte em VRML.

O VRML possui uma extensão que é o padrão X3D. Esta nova especificação

da linguagem é proposta pelo WEB3D, consórcio responsável pelo desenvolvimento do

padrão VRML. Esse formato apóia codificações múltiplas e APIs, assim pode ser integrado

facilmente com browsers de Web por XML ou com outras aplicações. O X3D é a tecnologia

30

do suporte 3D e do MPEG-4. A utilização do mecanismo para a codificação de metadados

e descrição de recursos na Web pode descrever os elementos de realidade virtual escritos

no padrão X3D, possibilitando uma solução genérica e extensível para a integração e

distribuição de informações tridimensionais na web. Outra característica importante é o

suporte a NURBS1 (Non Uniform Rational B-Splines) [da Costa, 2002].

4.2.2 JavaScript

JavaScript é uma linguagem de programação independente de plataforma que

não é compilada, e seu arquivo é interpretrado por um browser.

Para inserir animações nos mundos virtuais optou-se por essa linguagem devido,

essencialmente, à sua simplicidade e facilidade de integração com VRML. As animações

foram construídas através de funções escritas nessa linguagem e inseridas no código

VRML, através de nós scripts. Esses scripts proporcionam uma maior interação do usuário

com o sistema, pois puderam controlar a interatividade e outras características avançadas

de um mundo VRML [Ames et al., 1997]. Por exemplo, para programar comportamento

em cena, um nó script é criado para receber eventos que significam uma ação do usuário,

que executa um código que realiza algum tipo de cálculo em resposta ao evento. A seguir,

apresenta-se um trecho de código VRML que mostra a sua integração com JavaScript.

Esse código é utilizado para manter uma luz ligada até que o usuário a desligue, ou mantê-

la desligada até que o usuário a ligue. A Figura 4.2 apresenta um exemplo de um objeto

antes de se utilizar esse código, e a Figura 4.3 apresenta um exemplo depois de utilizado

o código JavaScript, conforme abaixo:1NURBS é uma tecnologia que nada mais é do que um formato de curvas usado em programas vetoriais

para o 3D, o que garante uma imagem mais nítida com alto acabamento nas superficies.

31

#VRML V2.0 utf8url "javascript:

function set_booleanluzquarto (bool, eventTime) if (bool==false)

return;if (value==true)

value=false;else

value=true;value_changedluzquarto=value;

Figura 4.2: Exemplo de arquivo VRML sem código JavaScript

32

Figura 4.3: Exemplo de arquivo VRML com código JavaScript

4.3 Diagrama da Arquitetura do Sistema

O LVCE possui uma interface que permite que professores e alunos desenvolvam

experiências de forma ágil, simples, com a necessidade mínima de conhecimentos téc-

nicos relacionados à Informática e conhecimentos mínimos anteriores sobre a matéria

em questão, pois o sistema contém os Mapas Conceituais que podem guiar os alunos

na aprendizagem dos conceitos. O sistema é composto de documentos hipertextos, que,

geralmente, são engendrados usando a "Hypertext Markup Language” (HTML). O mundo

virtual, como já citado, é construído com as linguagens VRML e JavaScript. O acesso

a Web é obtido por meio de um programa navegador na Internet (web browser). A vi-

sualização dos mundos em Realidade Virtual é realizada por um plug-in Cosmo Player

[Graphics, 2003], que é executado sob supervisão do navegador da Internet.

Em um ambiente virtual, o usuário encontrará uma série de dispositivos que

possibilitarão a criação de experiências, a visualização dos efeitos e resultados obtidos a

partir de suas escolhas. A implementação do sistema em VRML e JavaScript contribuem

para a criação de arquivos pequenos, que são compartilhados via Web, resultando num

baixo custo de transmissão e armazenamento. A Figura 4.4 mostra o diagrama básico da

33

arquitetura do sistema.

Cenário

Ação

Atualização

Ação

US

UÁ

RIO

INTER

FA

CE G

RÁ

FIC

A - G

UI

Manipulador deMapas Conceituais

Ambiente Virtual

Objetos Virtuais

Gerenciadorde

Circuitos Elétricos

Figura 4.4: Arquitetura do Sistema

A Figura 4.4 ilustrada acima representa a visão geral da comunicação entre as

partes que compõem o LVCE para o ambiente virtual.

A arquitetura proposta é formada pelos seguintes módulos:

• Interface Gráfica do Usuário;

• bloco Manipulador de Mapas Conceituais;

• bloco do Ambiente Virtual;

• bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos.

4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário - GUI

Este bloco permite ao usuário visualizar, graficamente e de modo interativo, a

entrada de dados e a saída de informações. O usuário executará as ações e receberá

as atualizações. O acesso do usuário a GUI será presencial ou a distância, via rede de

computadores mundial, Internet.

A Figura 4.5 mostra os resultados obtidos na GUI, após a realização de uma

experiência pelo usuário.

34

Figura 4.5: Exemplo da GUI após um experimento

4.3.2 Bloco Manipulador de Mapas Conceituais

O bloco Manipulador de Mapas Conceituais é composto de nós e relações semân-

ticas entre os nós. Os nós contém os conceitos essenciais para a aprendizagem em

eletrodinâmica os quais podem ser acessados, possibilitando, assim, uma maior definição

e compreensão do tópico em análise. As relações semânticas ou ligações entre os con-

ceitos têm o objetivo de integrar as partes em um todo semântico, estimulando a leitura

compreeensiva a longo prazo, pelo fato de possuir um texto conciso. O software utilizado

para construir os mapas conceituais é o CmapTools [of West Florida, 2004] exibido na

Figura 4.6.

35

Figura 4.6: Software CmapTolls

4.3.3 Bloco do Ambiente Virtual

O bloco Ambiente Virtual é composto pelo bloco Objetos Virtuais, os quais

possuem sensores que captam o toque do usuário por meio do mouse.

Entre os objetos virtuais temos:

• A caixa de dispostivos elétricos;

• o circuito pré montado com a chave e a bateria;

• o multímetro;

• o painel de controle.

A caixa de dispositivos elétricos sobre a mesa contém os dispositivos que o usuário

poderá usar para criar o circuito. Nela existem seis resistores de valores distintos, sendo

36

que cada valor possui vários exemplares. Essa quantidade de resistores foi escolhida por

ser suficiente para que o aluno crie várias possibilidades de circuitos diferentes e inicie

seu aprendizado. Existe também um capacitor, com apenas um exemplar e vários fios.

Um único capacitor é suficiente, pois já mostra ao usuário o seu carregamento e o seu

comportamento no circuito. A Figura 4.7 mostra a caixa de dispositivos.

Figura 4.7: Caixa de dispositivos elétricos

O circuito pré-montado possui sensores que uma vez habilitados podem receber

dispositivos elétricos. Ele possui também uma chave animada que pode ser aberta ou

fechada e uma bateria, com a qual o usuário poderá modificar seus valores ao clicar sobre

ela. Ao clicar-se na bateria aparecerá um controle onde, através de setas, o usuário poderá

modificar os seus valores de tensão. O circuito pré-montado é mostrado na Figura 4.8 e

o menu de tensão é mostrado na Figura 4.9.

Figura 4.8: Circuito pré montado

37

Figura 4.9: Menu de controle da tensão

O multímetro possui vários sensores que o controlam. Tem-se um sensor para

habilitar o amperímetro, o voltímetro e o ohmímetro. Eles são identificados respectiva-

mente pelas letras A, V e Ω. Há também duas caixas na parte inferior do multímetro

que se habilitadas podem ligar o multímetro aos pontos do circuito. Ele é mostrado na

Figura 4.10

Figura 4.10: Multímetro

O painel de controle mostrado na Figura 4.11 possui os seguintes botões:

• Primeira botão - Abre a página principal do protótipo;

• Segundo botão - Habilita o Tutorial Cosmo Player que ensina o usuário a utilizar

todas as funcionalidades do navegador Cosmo;

• Terceiro botão - Habilita o Tutorial do Ambiente de Simulação, para mostrar, com

detalhes, como utilizar todos os recursos do Ambiente de Construção de Circuitos;

38

• Quarto botão - Habilita o Tutorial do Resistor com o qual o aluno, utilizando o

código de cores, determina qual é o valor de uma resistência;

• Quinto botão - Habilita o Mapa Conceitual, que mostra, com detalhes, os conceitos

da eletrodinâmica, com definições e exemplos.

• Sexto botão - É o botão exploratório, muito importante na preparação de ambientes

de aprendizagem. Ele prevê as dificuldades ou dúvidas que os estudantes possam

ter, ao testar seus conhecimentos ou habilidades. Caso o usuário queira acessar a

“dica”, basta posicionar o cursor do mouse sobre o botão "?"que uma caixa de texto

será apresentada, mostrando-lhe algumas “dicas” sobre a situação atual do circuito;

• Sétimo botão - Este botão reinicia a simulação, proporcionando novas experiências.

Figura 4.11: Painel de controle

Na Figura 4.12 mostra-se a página inicial do software e na Figura 4.13 expõe-se

um outro exemplo do ambiente de simulação, com alguns dispositivos elétricos já inseridos

e com o botão exploratório sendo acessado e mostrando uma dica.

39

Figura 4.12: Página inicial do ambiente de simulação

Figura 4.13: Ambiente de Simulação

40

4.3.4 Bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos

No bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos, estão as funções implementadas

em JavaScript, integradas ao VRML, que permitem realizar tarefas complexas com mais

facilidade, aumentando a interação do usuário com o ambiente virtual. Essa interação

viabiliza as entradas de dados pelo usuário, que, por meio do mouse, seleciona os dois

pontos na placa onde se deseja colocar o dispositivo e, em seguida, na caixa de dispositivos,

também com o mouse, seleciona-se o dispositivo desejado. Este procedimento se repetirá

até a construção completa do circuito sobre a placa. Finalizada a construção do circuito,

o usuário poderá utilizar o multímetro para realizar medições de parâmetros e variáveis do

circuito, tais como: a resistência, a corrente ou a diferença de potencial (tensão elétrica)

entre dois pontos quaisquer do circuito. O procedimento para inserir o multímetro no

circuito é similar à montagem do circuito, ou melhor, com o mouse, selecionam-se dois

pontos na placa e, a seguir, seleciona-se a função desejada no multímetro.

Ao analisar o circuito, alguns detalhes importantes devem ser observados, como,

por exemplo: se a chave da placa está aberta ou fechada; se os pontos estão selecionados

no multímetro; se o que se deseja calcular (corrente, diferença de potencial ou resistência)

está selecionado; e, também, o valor da fonte de tensão DC (bateria ou pilha). O valor

default da fonte de tensão é 1.5 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão, que

aparecerá ao clicar-se na pilha.


A arquitetura aqui proposta foi construída com base nas análises dos sistemas

educacionais e das ferramentas apresentadas no Capítulo 2 desse trabalho.

A linguagem VRML e os scripts JavaScript se adequaram perfeitamente para

41

realização desse projeto em termos de animação, interação e realização de cálculos através

do multímetro.

No próximo cápitulo, são apresentados os detalhes da implementação da arquite-

tura do LVCE.

42

Capítulo 5

Implementação do Sistema

5.1 Introdução

Este capítulo apresenta algumas características da implementação do LVCE por

esse trabalho. Aborda alguns aspectos utilizados na construção do código VRML e

JavaScript, os quais proporcionaram a construção de um ambiente educacional intera-

tivo.

Também nesse capítulo são apresentadas as considerações finais sobre a imple-

mentação desse sistema.

5.2 Implementação do Ambiente Virtual

Esse mundo virtual foi modelado em VRML, sendo necessário a inserção de

scripts, desenvolvidos na linguagem JavaScript que permite realizar tarefas complexas

com mais facilidade através do uso de funções matemáticas predefinidas.

No mundo virtual encontra-se o objeto chave que é utilizado para abrir ou fechar

o circuito. Este objeto possui um sensor, chamado TouchSensor que permite ao usuário

clicar com o mouse na chave (Figura 5.1), fazendo com que ela seja aberta ou fechada

dependendo do estado em que ela se encontra. Por exemplo, se o usuário clicar na chave

43

e ela estiver aberta, ela fechará.

Figura 5.1: Chave Fechada

A seguir, apresenta-se um trecho do código VRML, utilizado no desenvolvimento

da chave, através de Proto.

#criação de um PROTO, cujo nome é chaveProtoPROTO chaveProto [

#aqui é definido a interface da chaveProto, ou seja,#o que será visível para outros nodos que utilizarão#este PROTOeventOut SFBool resultadoChave]

#criação do Transform, cujo nome é chave. Sempre que se desejar#mudar o objeto, fazer alguma transformação nele. Isso será#feito através do TransformDEF chave Transform

children [

#início do bloco onde são declaradas as variáveis que#serão usadas nas funções script.DEF ChaveScript Script

eventOut SFBool bln IS resultadoChaveeventOut SFTime ligadoeventOut SFTime desligadoeventIn SFTime iniciofield SFBool estado FALSE

#início do bloco onde as funções script são#implementadasurl "vrmlscript:

44

#quando utilizadas com o VRML,#as funções JavaScript recebem dois argumentos.#O primeiro é o valor que recebe o eventIn, o#segundo é um valor que contém o tempo em#que a função foi chamada, esse tempo é#um valor absoluto

function Comutar(value, time) #variável booleana que, a cada vez que é chamada,#comuta de estado (verdadeiro para falso e#vice-versa)estado = !estado;

#bln recebe o valor de estado. Como bln está#conectada ao eventOut resultadoChave. Se bln#mudar, resultadoChave também mudabln = estado;

#se estado for verdadeiro então a variável#ligado vai receber o tempo absoluto que a função#Comutar foi chamada. Caso contrário,#desligado vai receberif (estado)

ligado = time; else

desligado = time;

#a função inicio chama a função comutar com os#mesmos argumentos que ela recebefunction inicio(value, time)

Comutar(value, time);"

# Código para a modelagem da chave

#trecho de código que contém a criação#dos sensoresDEF MovChave Transform

children [#sensor que possibilica o clique na chaveDEF SensorMovChave TouchSensor

45

Group children [

DEF DescerChave Group children DEF TSDescChav TimeSensor

cycleInterval 0.25

DEF OrDescChav OrientationInterpolator

key [1.0]keyValue [

0.0 0.0 1.0 0.79]

]

Group

children [DEF SubirChave Group

children DEF TSSubChav TimeSensor cycleInterval 0.25

DEF OrSubChav OrientationInterpolator key [1.0]keyValue [

0.3 1.55 0.0 0.0]

]

]

]

#linha que servirá de gatilho, chamando a função inicio ROUTE

SensorMovChave.touchTime TO ChaveScript.inicio

#quando a variável desligado for alterada, ela passará#seu valor (tempo) para o TimeSensor TSDescChav que#se iniciaráROUTE ChaveScript.desligado TO TSDescChav.set_startTime

46

#assim que o TSDescChav se iniciar, o fraction_changed#ficará gerando novas frações de tempo. A cada fração#de tempo gerada, o valor é passado para#OrSubChav.set_fraction que gera novos valores#para rotaçãoROUTE TSDescChav.fraction_changed TO OrSubChav.set_fraction

#os novos valores para rotação são passados para#MovChave.set_rotation através do eventOut#OrSubChav.value_changedROUTE OrSubChav.value_changed TO MovChave.set_rotation

#quando a variável ligado for alterada, ela passará#seu valor (tempo) para o TimeSensor TSSubChav que#se iniciaráROUTE ChaveScript.ligado TO TSSubChav.set_startTime

Para verificar se a chave está aberta ou fechada, utiliza-se o

eventOut resultadoChave que devolve valores booleanos. Sendo True se a chave

estiver aberta, e False se a chave estiver fechada. Este evento é importante, pois é

sempre chamado antes do circuito ser analisado.

No multímetro, quando o usuário seleciona um instrumento de medição

(amperímetro, voltímetro ou ohmímetro), o botão referente ao instrumento acenderá para

que o usuário saiba qual o equipamento está habilitado. A seguir, apresenta-se o script

JavaScript que controla o acender do botão.

47

#função que recebe como argumento um valor booleano#é chamada quando o usuário clica no amperímetro,#voltímetro ou ohmímetrofunction set_booleanLuz(bool)

#se bool for verdadeiro, vai entrar no ifif (bool)

#se o usuário clicar no botão que corresponde#ao amperímetro, então AmpSensor.isActive#será Verdadeiro, entrando no ifif (AmpSensor.isActive)

#acendendo a luz do botão que corresponde ao#amperímetrovalorAmp = !valorAmp;luzAmp.on = valorAmp;

#função chamada para atualizar a posição dos fios#de mediçãoatualizarFiosAmp();

#apagando a luz do botão que corresponde ao#ohmímetrovalorOhm = false;luzOhm.on = valorOhm;

#apagando a luz do botão que corresponde ao#voltímetrovalorVolt = false;luzVolt.on = valorVolt;

#saindo da função set_booleanLuzreturn;

48

if (OhmSensor.isActive) valorOhm = !valorOhm;luzOhm.on = valorOhm;atualizarFiosVoltOhm();

valorAmp = false;luzAmp.on = valorAmp;

valorVolt = false;luzVolt.on = valorVolt;return;

if (VoltSensor.isActive) valorVolt = !valorVolt;luzVolt.on = valorVolt;atualizarFiosVoltOhm();

valorOhm = false;luzOhm.on = valorOhm;

valorAmp = false;luzAmp.on = valorAmp;return;

Veja que, dentro da função set_booleanLuz, estão sendo chamadas outras

funções: atualizarFiosAmp e atualizarFiosVoltOhm. A primeira posiciona os fios

quando se está medindo a intensidade. A segunda posiciona os fios quando se está medindo

a tensão ou a resistência. Importante salientar que existem duas funções diferentes, pois

o amperímetro deve ser inserido em série no circuito, e o voltímetro/ohmímetro devem

ser inseridos em paralelo.

Para auxiliar o usuário na montagem do circuito, algumas “dicas” são mostradas

em um quadro branco que aparece quando o usuário passa o mouse sobre o botão “?” que

está no painel de controle. Este botão é mostrado na Figura 5.2. Se o usuário tirar omouse

49

do botão, ele desaparece. Isso acontece, pois esse é um botão exploratório, e o usuário

somente deve buscá-lo em casos de dúvida. A seguir, apresenta-se a implementação VRML

para o quadro.

Figura 5.2: Botão Exploratório

#inicio do bloco que contém o código onde o#quadro onde as mensagens de ajuda são mostradasDEF quadro Switch

#como o quadro só é mostrado quando o usuário#passa o \emphmouse sobre ele usou-se o whichChoice = -1#isto quer dizer que inicialmente ele não é#mostrado. só é mostrado se o whichChoice for zerowhichChoice -1choice [

Transform translation -2.8 -1.8 -6.8scale 0.045 0.045 0.045children [

#fundo branco#Transform

translation -25.0, 25.0, 0.0scale 20.0 20.0 1.0children [

Shape appearance Appearance

material Material diffuseColor 1.0 1.0 1.0

geometry IndexedFaceSet

solid FALSEcoord Coordinate

50

point [-1.0 1.0 0.0,

1.0 1.0 0.0,1.0 -1.0 0.0,

-1.0 -1.0 0.0]

coordIndex [

0, 1, 2, 3, 0]

],

#texto basico#Transform

translation -40.0 40.0 0.1scale 4.0 4.0 1.0children [

Shape appearance Appearance

material Material diffuseColor 0.0 0.0 0.0

geometry DEF msg_ajuda Text

#campo que conterá os textos que#serão mostrados para o usuáriostring [""]

#formatação da fonte do textofontStyle FontStyle

style "BOLD"size 1.5justify "LEFT"

]

]

]

51

Para controlar o aparecimento/desaparecimento do quadro, usa-se o código

JavaScript mostrado a seguir.

recebe um valor booleano. quando o usuário #passa o \emphmousesobre a ajuda, esta função recebe #verdadeiro. Caso contrário,falso function set_boolean1(s)

if(s)#este comando que faz o quadro de ajuda aparecerquadro.whichChoice = 0;

else#este comando faz o quadro de ajuda desaparecerquadro.whichChoice = -1;

As mensagens do quadro são atualizadas a cada ação do usuário. Para controlar

as trocas de mensagens, o conteúdo do quadro deve ser apagado antes que ele receba uma

nova mensagem. A função usada para apagar o conteúdo do quadro é mostrada a seguir.

function LimpaAjuda() for (i=0; i<=9; i++)

#limpando o vetor que contém o texto de#ajuda ao usuáriomsg_ajuda.string[i] = ;

5.3 Implementação do Gerenciador do Circuito

O bloco Gerenciador do Circuito é implementado em JavaScript, em que os valo-

res dos componentes elétricos e os pontos entre os quais eles estão inseridos são armazena-

dos em uma matriz 1. Após criar o circuito, os conteúdos da matriz são convertidos em

valores que serão usados num conjunto de equações (Lei das Malhas) que são processadas

e fornecem uma análise completa do circuito [Silva and Junior, 2002].1Em JavaScript os vetores são de apenas uma dimensão [Goodman and Morrison, 2004], logo para

simular a matriz são usados vetores paralelos.

52

Foram criados quatro vetores pto1, pto2, valor e tipo. Eles respectivamente

armazenam o primeiro ponto que o usuário selecionar do circuito pré-montado, o segundo

ponto do circuito pré-montado, o valor do resistor ou capacitor que o usuário escolher e

o tipo do componente elétrico que o usuário inserir. Os vetores possuem quatro posições,

pois o circuito pré-montado possui a possiblidade de inserção de componentes elétricos

entre os pontos AB, BC, CD e DB. Por exemplo, se no circuito pré-montado forem clicados

os pontos A e B e, logo em seguida, for escolhido um resistor de valor 100 Ω, os vetores

ficarão com os valores mostrados na Figura 5.3.

'A'

'B'

100

'R'

pto1

pto2

valor

tipo

Figura 5.3: Exemplo dos vetores da implementação

Preenchidos os vetores todos os cálculos poderão ser feitos. O circuito pode ser

analisado em vários sentidos, mas o escolhido para implementação foi o sentido conven-

cional da corrente elétrica, do positivo para o negativo nas cargas (resistores).

Para calcular a corrente foram usadas as Leis de Kirchhoff [Halliday et al., 2003].

Elas são divididas em duas: Primeira Lei de Kirchhoff ou lei dos nós estabece que a soma

das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que saem do mesmo nó,

e a Segunda Lei de Kirchhoff ou lei das malhas estabelece que a soma das elevações de

potencial, ao longo de um percurso fechado qualquer (malha), é igual a soma das quedas

de potencial no mesmo percurso fechado. Assumindo-se que as quedas de potencial (do

terminal positivo para o negativo no sentido do percurso escolhido) são positivas e que

53

as elevações de potencial (do terminal negativo para o positivo no sentido do percurso

escolhido) são negativas, a lei das malhas estabelece que a soma algébrica das tensões em

um percurso fechado é nula. Todas essas características permitem que, uma vez criado

o circuito, o usuário poderá fazer qualquer tipo de medição utilizando o multímetro e o

resultado será sempre válido.

A seguir, apresenta-se o cálculo da corrente do circuito mostrado na Figura 5.4

usando as leis de Kirchhoff. O circuito mostrado possui três malhas (ABDA, ABCDA e

BCDB).

+

-

i1

i2

i3

10V

Figura 5.4: Cálculo das correntes do circuito

A primeira Lei de Kirchhoff aplicada ao nó B (ponto B no circuito da Figura 5.4),

fornece a equação 5.1.

As outras duas equações que permitem resolver esse problema decorrem da apli-

cação da segunda Lei de Kirchhoff. Para a aplicação da segunda lei foram escolhidas

as malhas ABDA e BCDB. Com a malha ABDA (partindo de B e no sentido horário),

obtém-se a equação 5.2. E com a malha BCDB (partindo de B e no sentido horário),

54

obtém-se a equação 5.3.

i1 = i2 + i3 (5.1)

i2 × 1− 10 + i1 × 100 = 0 (5.2)

i3 × 50 + i3 × 47− i2 × 1 = 0 (5.3)

Resolvendo esse sistema, tem-se que i1 = 99 mA, i2 = 98 mA e i3 = 1.01 mA.

Com as correntes calculadas, usa-se a Lei de Ohm (U = R × I) para calcular a tensão

entre os pontos selecionados.

Para calcular a resistência dos resistores ligados entre os seus terminais (pontos

do circuito) deve-se usar o botão ohmímetro do multímetro. Contudo, para o valor da

resistência ser real, o circuito deverá estar aberto. O circuito poderá estar aberto de duas

maneiras: através da chave que abre ou fecha o circuito ou se o circuito estiver incompleto.

A Figura 5.5 mostra um exemplo de um circuito incompleto.

Figura 5.5: Exemplo de um circuito incompleto

55

A seguir, mostra-se a função utilizada para verificar se o circuito esta completo.

#função que verifica se o circuito montado pelo#usuário está completofunction VerificaCircuitoCompleto()

var condicao1 = false;var condicao2 = false;var resposta = false;

#se existir algum componente entre os pontos A e B# e os pontos B e D então pode-se afirmar que o#circuito está completocondicao1 = (verificaExistPontos(’A’, ’B’) &&

verificaExistPontos(’B’, ’D’));

#se existir algum componente entre os pontos A e B,#B e C, C e D então pode-se afirmar que o#circuito está completocondicao2 = (verificaExistPontos(’A’, ’B’) &&

verificaExistPontos(’B’, ’C’) &&verificaExistPontos(’C’, ’D’));

#satisfazendo a condicao1 ou a condicao2 o#circuito estará completoif (condicao1 || condicao2)

resposta = true; else

resposta = false;

return resposta;

Para verificar se a chave está aberta ou fechada, utiliza-se o

eventOut resultadoChave apresentado na Seção 5.2.


Esse capítulo apresentou parte da implementação do LVCE, desenvolvido através

de técnicas de Realidade Virtual não-imersiva proporcionadas pelo uso da linguagem

VRML integrada à linguagem JavaScript.

56

Para a criação/modelagem dos componentes do ambiente virtual utilizou-se a

linguagem VRML e para a maioria das animações e de todos os cálculos utilizou-se a

linguagem JavaScript.

Concluiu-se que as técnicas utilizadas para o desenvolvimento do sistema atingi-

ram os objetivos propostos, proporcionando um ambiente virtual mais interativo, devido

à interação dos dispositivos elétricos, multímetro e placa de circuito.

No próximo capítulo, apresentam-se os resultados e limitações do sistema, após

avaliação do mesmo por potenciais usuários.

57

Capítulo 6

Resultados e Limitações do Sistema

6.1 Introdução

Este capítulo apresenta, através de um estudo de caso, o funcionamento do LVCE

que simula o Laboratório Virtual de Física na área de circuitos elétricos. Para avaliação

desse sistema foram aplicados questionários a potenciais usuários, e os resultados obtidos

são também mostrados nesse capítulo.

6.2 Funcionamento do Sistema

O LVCE é composto por várias páginas HTML/JavaScript e dois ambientes

virtuais: o ambiente de demonstração e o ambiente de simulação. Na primeira página,

faz-se a apresentação do trabalho, como mostra a Figura 6.1.

58

Figura 6.1: Página Inicial do Sistema

Na próxima página, abrir-se-á um laboratório virtual que será importante para a

realização e inclusão de trabalhos futuros. Esse laboratório é mostrado na Figura 6.21. A

página possui vários computadores, onde cada um representa uma área da Física. Nesse

trabalho, o único computador que possui um ambiente implementado é o computador da

eletricidade. Para ir diretamente ao computador da eletricidade, basta clicar na lista de

pontos de visualização do navegador CosmoPlayer e escolher a opção eletricidade.

1Fonte: O Laboratório Virtual de Física foi construído pelo Professor DSc Alexandre Cardoso - UFU

59

Figura 6.2: Laboratório virtual - áreas da Física

Ao escolher a opção eletricidade, o usuário deve clicar na tela do computador

para ter acesso a um menu de opções. Deve clicar na seta para baixo para escolher a opção

“circuitos”. Através dela, o usuário terá acesso a uma página que tece alguns comentários

e “dicas” do mapa conceitual e dos ambientes de simulação. Nessa página, o usuário terá

acesso aos ambientes citados anteriormente e a alguns tutoriais. Tal página é mostrada

na Figura 6.3

60

Figura 6.3: Página de apresentação do protótipo

Caso o usuário não tenha muito conhecimento sobre circuitos elétricos, ele de-

verá acessar o mapa conceitual para maiores esclarecimentos. O mapa conceitual da

eletrodinâmica foi mostrado na Seção 3.4. Caso o usuário queira conhecer o ambiente

do laboratório virtual da eletrodinâmica, ele deve acessar o ambiente de demonstração

que lhe apresentará o ambiente e os dispositivos elétricos. O ambiente de demonstração é

mostrado na Figura 6.4. Para o usuário obter informações sobre os objetos do ambiente

de simulação, ele deve tocar com o cursor do mouse sobre o objeto que o interessa e

aparecerá uma caixa de texto com algumas explicações.

61

Figura 6.4: Ambiente virtual de demonstração

Se o usuário já quiser realizar experiências, ele deve acessar o ambiente de si-

mulação. Nesse ambiente, o usuário tem acesso a vários links de ajuda que o auxiliarão

a utilizar o navegador CosmoPlayer, o ambiente de simulação e a descobrir o valor dos

resistores através do seu código de cores. A Figura 6.5 mostra um exemplo de circuito

construido em 2D, e seu similar construído no Laboratório Virtual de Física (Figura 6.6).

47W

25W

5W

-

1mF

1,5V

A

E

D C

B

Figura 6.5: Exemplo de um circuito em 2D com um capacitor.

62

Ao analisar o circuito, alguns detalhes importantes devem ser observados, como,

por exemplo: se a chave da placa está aberta ou fechada; se os pontos estão selecionados

no multímetro; se o que se deseja calcular (corrente, diferença de potencial ou resistência)

está selecionado; e, também, o valor da fonte de tensão DC (bateria ou pilha). O valor

default da fonte de tensão é 1.5 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão que

aparecerá ao se clicar na pilha. A Figura 6.6 mostra o valor medido para a tensão nos

pontos BC, e a Figura 6.7 mostra o cálculo da corrente entre os pontos AB.

Figura 6.6: Cálculo da diferença de potencial entre os pontos BC.

63

Figura 6.7: Cálculo da corrente entre os pontos AB.

6.3 Avaliação do Sistema

O sistema foi apresentado a trinta e um usuários, sendo 06 professores e 25

alunos, entre eles, alunos do curso de graduação de Física e alunos do Ensino Médio.

Primeiramente, foi explicado a esses usuários o objetivo do sistema e, em seguida,

cada um deles executou-o individualmente. Após a execução do sistema, os usuários

responderam a um questionário.

Analisando-se as respostas nos questionários, foi possível avaliar os itens que

seguem abaixo e para cada item foi gerado um gráfico comparativo:

• Você já desenvolveu experimentos de Eletrodinâmica em um laboratório de Física

no Ensino Médio?

64

0

5

10

15

20

25

Sim

Não

Sim 2 0

Não 23 6

Alunos Professores

No gráfico, observa-se que a grande maioria dos usuários nunca utilizou um labo-

ratório de ensino na área de Física. Os dois usuários que declararam ter utilizado

um laboratório de ensino, disseram que a construção de circuitos elétricos na prática

é muito importante, pois facilita o aprendizado.

• Quanto à finalidade de uso da ferramenta

0

5

10

15

20

25

Muito Útil

Útil

Pouco Útil

Muito Útil 21 3

Útil 4 3

Pouco Útil 0 0

Alunos Professores

No gráfico, observa-se que a grande maioria dos usuários respondeu que o sistema é

Muito útil. Alguns pessoas que responderam que o sistema éÚtil, não justificaram

suas respostas, mas elogiaram o sistema pelo fato dele incluir a teoria e a prática

65

sobre circuitos elétricos.

• Quanto ao entendimento dos menus de ajuda

0

5

10

15

20

Fácil Entendimento

Médio Entendimento

Difícil Entendimento

Fácil Entendimento 20 6

Médio Entendimento 5 0

Difícil Entendimento 0 0

Alunos Professores

Observando-se o gráfico, vê-se que a maioria dos usuários considerou os Menus de

Ajuda de Fácil entendimento e eles justificaram que os menus são muito impor-

tantes para a compreeensão do ambiente de simulação. O botão exploratório que

traz dicas ao usuário foi bastante elogiado, pois facilita o estudo e a compreeensão

de circuitos elétricos. Os usuários que consideraram os Menus de Ajuda de Médio

entendimento não justificaram suas respostas, mas mesmo assim consideraram os

menus importantes.

• Quanto à interface com o usuário

66

0

5

10

15

20

25

Fácil Entendimento

Médio Entendimento

Difícil Entendimento

Fácil Entendimento 22 6

Médio Entendimento 3 0

Difícil Entendimento 0 0

Alunos Professores

Observando-se o gráfico, nota-se que a maioria dos usuário considerou os coman-

dos apresentados de Fácil entendimento, os demais justificaram a necessidade de

um prévio conhecimento sobre Informática, considerando que muitos poderão ter

dificuldades em executar comandos, exigindo, antes da execução, a apresentação

de algumas informações adicionais para operacionalização do sistema. Outros co-

mentaram que, graças aos Menus de Ajuda, houve facilidade no entendimento dos

comandos.

• Quanto à facilidade de uso

0

5

10

15

20

Muito Intuitivo

Intuitivo

Pouco Intuitivo

Muito Intuitivo 16 5

Intuitivo 9 1

Pouco Intuitivo 0 0

Alunos Professores

67

Nesse item, 21 usuários consideraram o sistema Muito intuitivo. A maior parte

das pessoas que avaliou o sistema como Intuitivo, citou a necessidade de ler o

tutorial do ambiente de simulação antes de iniciar suas experiências.

• Os objetos disponíveis permitem

0

5

10

15

20

25

Conceber a

experiência

Conceber parte da

experiência

Não permite conceber

a experiênciaConceber a experiência 23 5

Conceber parte da

experiência

2 1

Não permite conceber a

experiência

0 0

Alunos Professores

Nesse item, a maioria dos usuários respondeu que os objetos disponíveis são sufi-

cientes para realizar várias experiências diferentes. Os outros usuários consideraram

que os objetos disponíveis permitem conceber somente parte da experiência, pois

o software possue um número limitado de componentes elétricos e de pontos no

circuito.

• O Mapa Conceitual da Eletrodinâmica ajudou a melhorar a compreensão dos con-

ceitos

68

0

5

10

15

20

25

Sim

Não

Em parte

Sim 24 6

Não 0 0

Em parte 1 0

Alunos Professores

De acordo com o gráfico acima, a maioria dos usuários considerou que o mapa con-

ceitual ajudou na compreeensão dos conceitos e facilitou o aprendizado para aque-

les que não tinham prévio conhecimento sobre circuitos elétricos. Alguns usuários

elogiaram o mapa por ele mostrar o conteúdo todo interligado, o que facilita a

aprendizagem e a memorização. O único usuário que respondeu que o mapa ajudou

somente em parte não justificou a sua resposta.

• O sistema permitiu a aquisição de informações úteis a respeito de como funciona

um circuito

0

5

10

15

20

25

Sim

Não

Em parte

Sim 25 6

Não 0 0

Em parte 0 0

Alunos Professores

Pelo gráfico, pode-se observar que todos os usuários que responderam ao questionário

69

consideraram que o programa permitiu a aquisição de informações úteis a respeito

do funcionamento dos circuitos elétricos. Entre várias justificativas, temos usuários

que consideraram o sistema muito importante, pois ele serve de apoio a alunos e

mescla a teoria e a prática.

Analisando todos os itens avaliados nos questionários, conclui-se que o sistema

protótipo desenvolvido foi bem aceito pelos usuários entrevistados. Estes contribuíram

com algumas sugestões, descritas a seguir:

• Inserir no sistema um apresentador (avatar) indicando o uso do programa;

• inserir mais dispositivos elétricos, principalmente mais capacitores;

• inserir sons para facilitar a visualização dos eventos;

• bloquear o multímetro (não permitir medições) quando ocorrer um curto circuito,

pois se isso ocorrer em um laboratório real, o equipamento pode ser danificado (item

foi contemplado).

Ao analisar a avaliação feita pelos usuários e as sugestões propostas pelos mes-

mos, constatou-se que houve motivação por parte deles na utilização do sistema, compro-

vando que a introdução do computador no processo multidisciplinar de educação tende a

impulsionar novos paradigmas no processo de ensino aprendizagem.

Entretanto, observou-se que o sistema foi muito bem avaliado por professores e

alunos de graduação de Física. Isso se deve ao fato de os alunos do Ensino Médio terem

mais dificuldade de abstração e aplicabilidade da ferramenta e se preocuparem muito com

a interface do sistema.

70

Finalmente, pode-se avaliar o LVCE comparando-o com outros sistemas edu-

cacionais na área de circuitos elétricos. Abaixo, apresenta-se um quadro com algumas

características de quatro sistemas educacionais e do LVCE.

Pintar VirtualLab FisicaNet EngineSoft Constraints LVEE LVCE2D X X3D X X XManipulaçãoDireta

X X X X

ModelagemRealística

X X

Presença deTutoriais deAjuda

X

Presença deAparelho deMedição

X

Presença deFerramentaPedagógica

X

6.4 Limitações do Sistema

Além das limitações apontadas pelos usuários nas sugestões apresentadas, o sis-

tema apresenta uma outra limitação que é a impossibilidade de modificação dos valores

dos resistores e capacitor porque tais valores são fixos e limitados. A inserção de uma

função que permitisse modificação dos valores traria melhor funcionalidade no protótipo.

Outra limitação é a não existência de um Watímetro, responsável por medir a potência.

71


Esse capítulo apresentou o funcionamento do sistema protótipo desenvolvido, o

estudo de caso proposto e a avaliação do sistema. Através do quadro de comparação dos

sistemas, verifica-se que o sistema apresenta algumas características adicionais em relação

aos sistemas avaliados, o que aumenta a sua eficiência em relação ao ensino/aprendizagem.

Os usuário mostraram-se motivados durante a avaliação do sistema e indicaram

várias sugestões para melhorar o funcionamento do mesmo.

Embora o sistema apresente certas limitações, o mesmo se mostrou adequado e

atendeu aos objetivos propostos.

No próximo capítulo, serão apresentadas as conclusões desse trabalho e as suges-

tões para trabalhos futuros.

72

Capítulo 7

Conclusões e Trabalhos Futuros

7.1 Introdução

Esta dissertação descreveu um estudo de técnicas de Realidade Virtual e o pro-

cesso educativo - mapa conceitual para a criação de um software educacional e utilitário

sobre a montagem e análise de circuitos elétricos. Este capítulo traz os principais tópicos

abordados nesta dissertação, as contribuições científicas relacionadas com o trabalho e

cita os possíveis trabalhos futuros.

7.2 Conclusões

Durante a pesquisa, constatou-se que existem diversos ambientes voltados para o

ensino. Porém, muitos desses ambientes não simulam objetos como eles são na realidade

e não apresentam processos pedagógicos que aumentem a eficiência do aprendizado.

O sistema computacional desenvolvido neste trabalho, resultado de um projeto

multidisciplinar, apresentou uma simulação de um laboratório de Física real, devido à

modelagem suportada pelas técnicas de RV exploradas. Ele apresenta como principais

contribuições o uso de processos pedagógicos integrados a técnicas de RV e o desenho

pedagógico. O uso de tecnologias tais como a integração de VRML e Javascript, mostrou

73

a capacidade do sistema de simular fielmente a criação e análise de circuitos elétricos.

A adoção de princípios e técnicas pedagógicas habilitou o sistema para permitir ao seu

usuário a construção de seu conhecimento de forma mais intuitiva que outros tutoriais

encontrados na literatura e Internet. Além disso, ao explorar tais técnicas, garantiu-se

que o laboratório desenvolvido poderá ser acessado via Internet, sem custo de aquisição de

softwares e hardwares adicionais. Ao avaliar o protótipo por usuários potenciais, verificou-

se que ele foi bem aceito e por isso pode se tornar uma ferramenta de apoio para as escolas

e alunos que não têm acesso a laboratórios de Física instalados.

7.3 Trabalhos Futuros

Como continuação desse trabalho, sugere-se:

• Outras áreas da física e também outras áreas de conhecimento poderão ser investi-

gadas e implementadas com as técnicas pedagógicas aqui apresentadas;

• A implementação de Realidade Virtual Imersiva;

• Criação de sistemas de avaliação do software como suporte para a aprendizagem

significativa dos alunos e como ferramenta de apoio aos professores;

• A introdução de agentes inteligentes;

• Desenvolvimento de uma ferramenta para a criação de mapas conceituais coopera-

tivos via EAD (Educação a Distância).


O desenvolvimento desse trabalho possibilitou à autora verificar o grande poten-

cial que a tecnologia de Realidade Virtual oferece à área educacional, principalmente se

74

esta tecnologia estiver aliada a processos pedagógicos. Durante a pesquisa, foi possível

conhecer vários ambientes virtuais educacionais desenvolvidos em diferentes ferramentas.

A partir desse estudo, a arquitetura proposta mostrou-se adequada, pois propor-

cionou a construção dos vários ambientes adequados ao estudo de Circuitos Elétricos.

Nesse contexto, a linguagem de modelagem VRML foi apropriada para modelar

os mundos virtuais. Porém, para incluir as interações, animações e cálculos do circuito

foi necessária a utilização de uma linguagem de programação mais completa. Nesse caso,

os recursos oferecidos pelo JavaScript foram de fundamental importância para a imple-

mentação do sistema.

Finalmente, a autora entende que esta pesquisa contribuiu para melhorar o

entendimento sobre o uso das técnicas de Realidade Virtual não-imersiva e do Mapa

Conceitual como ferramentas auxiliares ao processo de ensino e aprendizagem.

75

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em 06/09/2004.

80

Apêndice A

Relatório de Avaliação

Avaliação do Sistema que Simula um Laboratório Virtual de Física na Área

de Circuitos Elétricos

Avaliador:

Data de Avaliação: ¢¢ ¢¢

Escolaridade:

( ) Ensino Médio ( ) 3o grau ( ) Pós-graduado

Principais Finalidades de Utilização do Computador. Descreva:

Você já desenvolveu experimentos de Eletrodinâmica em um Laboratório de Física no

Ensino Médio?

( ) Sim ( ) Não

Avalie o Laboratório Virtual de Eletrodinâmica, através das seguintes perguntas:

I - Quanto à Finalidade: (Ensino de Circuitos)

( ) Muito útil ( ) Útil ( ) Pouco Útil

Justificativa -

81

II - Quanto ao entendimento dos Menus de Ajuda:

( ) Fácil entendimento ( ) Médio entendimento ( ) Difícil entendimento

II.b. - A presença dos Menus de Ajuda facilitou a utilização do sistema (Tutorial Cosmo

Player, Tutorial do Ambiente de Simulação e Tutorial sobre Resistores) e facilitou o seu

aprendizado (Botão Exporatório)? Justifique.

III - Quanto à Interface:

( ) Fácil entendimento sobre o software

( ) Médio entendimento sobre o software

( ) Difícil entendimento sobre o software

Justificativa -

IV - Quanto à facilidade de uso:

( ) Muito intuitivo ( ) Intuitivo ( ) Pouco Intuitivo

Justificativa -

V - Quanto aos recursos do Programa, a experiência proposta foi:

( ) Foi integralmente desenvolvida

( ) Não foi desenvolvida por completo

V.b. - Os objetos disponíveis permitem:

( ) Conceber a experiência proposta

( ) Conceber parte da experiência proposta

( ) Não permitem conceber a experiência

V.c. - Sugere inserir novos objetos no experimento. Sim ou Não.

Tais como:

82

V.d. - Sugere inserir explicações adicionais sobre os dispositivos ou sobre a construção

do circuito. Sim ou Não.

Tais Como:

VI - O Mapa Conceitual da Eletrodinâmica ajudou numa melhor compreensão dos

conceitos não conhecidos?

( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte

VII - O sistema permitiu a aquisição de informações úteis a respeito de como funciona

um circuito?

( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte

VIII - Observações sobre o programa que achar relevante:

IX - Sugestões Adicionais:

83

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