Usando Realidade Aumentada no Desenvolvimento de Ferramenta para Aprendizagem de Física e Matemática

Transcrição

1 Usando Realidade Aumentada no Desenvolvimento de Ferramenta para Aprendizagem de Física e Matemática Cleberson E. Forte¹, Cláudio Kirner² ¹ Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação UNIMEP ² Universidade Federal de Itajubá ¹cleberforte@hotmail.com, ²ckirner@gmail.com Resumo Este artigo apresenta uma discussão sobre o uso de tecnologias na educação, com especial atenção sobre as matérias de física e matemática. São apresentadas, também, implementações de aplicações baseadas em realidade aumentada, mostrando o potencial desta tecnologia na educação. Abstract This article presents a discussion about the use of technology in education, with special attention on matters of physics and mathematics. The implementation of educational applications based on augmented reality are presented and discussed, showing the advantage of that technology. 1. Introdução Existem diversas linhas pedagógicas que propõem seus métodos para o desenvolvimento do educando. Atualmente, porém, a maioria delas está atenta ao fato da introdução da tecnologia como auxílio em seus processos pedagógicos. Adotando a premissa de que a tecnologia usada como ferramenta para auxílio no processo educativo tem a potencialidade de se mostrar como um diferencial para o aprendizado, nos lançamos no desafio de construir uma ferramenta que, através do uso da Realidade Aumentada, potencialize o conceito de aprendizado a partir de experiências teóricopráticas. Na seção 2, discutimos sobre a introdução da tecnologia na educação e seus efeitos esperados. Na seção 3, apresentamos os conceitos sobre Realidade Aumentada e exemplos de emprego desta tecnologia aplicada à educação. Na seção 4, discorremos sobre o uso de recursos computacionais aplicados à experimentação em tópicos das matérias de física e matemática. Na seção 5, apresentamos uma proposta em desenvolvimento que usa a Realidade Aumentada na implementação de ferramenta educacional. Por fim, na seção 6, apresentamos as conclusões preliminares que o desenvolvimento do trabalho nos permitem inferir. 2. Tecnologia na Educação Pensar na adoção de recursos tecnológicos como ferramentas facilitadoras no processo educacional pode ser encarado hoje como uma tarefa comum. Ao observarmos a questão sob um ponto de vista amplo, podemos inferir que a adoção de recursos tecnológicos em sala de aula não é algo novo, mas sim que grande parte das escolas sempre estiveram atentas ás características suscitadas pelos comportamentos dos alunos e da sociedade em geral, afim de que de acordo com estes comportamentos o processo educativo fosse melhorado. A adoção de tecnologias, então, pode ser entendida como um processo natural, que busca na realidade do educando um link que traz para o ambiente escolar as ferramentas já adotadas por estes, dando às tecnologias finalidades distintas daquelas que foram lhe atribuídas inicialmente. Neste contexto, podemos observar que a escola, de maneira geral, acolhe os recursos tecnológicos na medida em que estes se mostram potencialmente eficazes para algum fim educacional. Como exemplo, podemos citar a adoção do rádio e da televisão como facilitadores de aprendizado, ou até mesmo como veículos responsáveis por todo o processo educativo em algumas localidades.

2 O conceito de tecnologia, tomado de maneira ampla, pode ser concebido como qualquer artefato, método ou técnica criado pelo homem para tornar seu trabalho mais leve, sua locomoção e sua comunicação mais fáceis, ou simplesmente sua vida mais agradável e divertida [1]. Neste sentido, o próprio conceito de tecnologia não é nada novo, entretanto, atualmente quando o termo usado é tecnologia na educação, somos impelidos a entender a questão como o uso do computador como ferramenta em ambientes educacionais. Esta correlação direta pode ser entendida, quando observamos o fato de que o computador traz em si a possibilidade de uso de todas as outras mídias anteriormente encontradas dispersas em diferentes veículos. Quando uma pessoa prefere ler noticiários online, assistir a vídeos hospedados em determinados sites ou ouvir a uma dentre muitas rádios disponíveis na internet, ela utiliza o computador como um instrumento que congrega a possibilidade de acesso a diferentes mídias. Este comportamento comum é o que justifica a naturalidade da adoção do computador como ícone de tecnologia nos ambientes educativos atuais e, em certa medida, ilustra a questão levantada anteriormente, na qual observamos a atenção dos ambientes educacionais para com os hábitos da sociedade, afim de que eles possam apontar quais ferramentas poderiam servir de apoio ao processo educativo. Geralmente, o primeiro contato com equipamentos eletrônicos, por parte de crianças e jovens, que se encontram em idade escolar, acontece por meio de um vídeo game. Neste contexto, se justifica a adoção de diferentes jogos como ferramentas educacionais que, segundo Savi e Ulbricht [2], proporcionam práticas educacionais atrativas e inovadoras, onde o aluno tem a chance de aprender de forma mais ativa, dinâmica e motivadora. Para os autores, os jogos educacionais podem se tornar auxiliares importantes do processo de ensino e aprendizagem. Assim como afirma Chaves [1], nem todas as tecnologias inventadas pelo homem são relevantes para a educação. Algumas apenas estendem sua força física, seus músculos. Outras apenas lhe permitem mover-se pelo espaço mais rapidamente e/ou com menor esforço. Nenhuma dessas tecnologias é altamente relevante para a educação. As tecnologias que amplificam os poderes sensoriais do homem, contudo, sem dúvida o são. O mesmo é verdade das tecnologias que estendem a sua capacidade de se comunicar com outras pessoas. Mas, acima de tudo, isto é verdade quando se fala das tecnologias, hoje disponíveis, que aumentam os seus poderes intelectuais, como sua capacidade de adquirir, organizar, armazenar, analisar, relacionar, integrar, aplicar e transmitir informação. Particularmente, quando tratamos de temas mais abstratos ou distantes temporal ou fisicamente do aluno, o uso de recursos mais ricos que a simples explicação é quase que imprescindível para a conquista de um bom resultado de compreensão. Para isso, costuma-se lançar mão de fotografias, desenhos, sons, vídeos, que são recursos tecnológicos multimídia, normalmente congregados pelo computador, que podem dar ao educando a possibilidade de compreensão do assunto estudado de maneira mais ampla, não apenas a partir da explanação de conceitos, mas através da visualização e interação com esses temas. O que se espera com atitudes semelhantes é de fato a possibilidade de, como elencado por Chaves [1], aumentar os poderes intelectuais dos estudantes. 3. Realidade Aumentada e educação No início dos anos 90, ocorreu o nascimento do conceito de Realidade Aumentada (RA). De acordo com Antoniac [3], o termo Realidade Aumentada foi citado pela primeira vez em 1992 num artigo de Thomas Caudell e David Mizell [4]. Para Kirner [5], a RA é definida pela inserção de objetos virtuais no ambiente físico, mostrada ao usuário, em tempo real, com o apoio de algum dispositivo tecnológico, usando a interface do ambiente real, adaptada para visualizar e manipular os objetos reais e virtuais. Podemos afirmar que a Realidade Aumentada trata do mundo real como ponto de partida para uma experiência que leva o usuário a experimentar o mundo virtual. Enquanto a Realidade Virtual (RV) tem por premissa a necessidade de levar o usuário ao ambiente virtual e fazer com que ali ele interaja com os objetos programados e passe a perceber este mundo virtual como seu próprio mundo, a RA prevê que não seja retirada do usuário a consciência de que ele está em seu ambiente real, mas traz para ali (o ambiente real) os objetos tridimensionais necessários para que a interação ocorra. As características da tecnologia de RA permitem a construção de sistemas que utilizam dispositivos mais comuns, como uma webcam e marcadores impressos em papel, mais baratos e, conseqüentemente, mais acessíveis quando comparados aos sistemas de RV. Por este motivo, observa-se como crescente o número

3 de aplicações desenvolvidas em diferentes áreas que se utilizam desta tecnologia, tal como: medicina, entretenimento, manutenção de equipamentos e educação. Uma iniciativa bastante significativa que serviu de inspiração para diversos outros trabalhos, nos quais se utiliza a Realidade Aumentada aplicada a educação, foi o MagicBook [6]. Neste trabalho (figura 1), os autores desenvolvem uma aplicação que enriquece a experiência do usuário em contato com um livro de histórias, possibilitando ao usuário transitar entre a realidade, realidade aumentada e realidade virtual. ou objetos, não através de livros, fotos, filmes ou aulas, mas através da manipulação e análise virtual do próprio objeto alvo de estudo. O consenso na comunidade parece apontar para o grande auxílio da tecnologia de RA, quanto á manutenção do interesse e incremento da motivação do aluno para com o assunto estudado [10]. Além desses fatores, destacam-se, também, como salientado por Pantelides [11]: o maior poder de ilustração adquirido pelo uso de tecnologias de RV e RA em comparação com outras mídias, é o fato da tecnologia propiciar maior oportunidade para a realização de experiências e o fato de permitir ao educando a possibilidade de desenvolvimento de seu conhecimento, a partir de seu próprio ritmo. 4. Uso de recursos computacionais para o ensino de física e matemática Figura 1 Usuário interagindo com o MagicBook [7]. No Brasil existem, também, diversas iniciativas que vão de encontro ao objetivo de criar aplicações e demonstrar as potencialidades de usos destas como ferramentas facilitadoras no processo de aprendizagem. Como exemplo podemos citar o projeto SICARA [8], que apresenta o desenvolvimento de vários cenários de aprendizagem, enfatizando principalmente a integração do lúdico com o formal. O projeto, inspirado no MagicBook, cria o LIRA, um livro enriquecido com Realidade Aumentada, além do Aritmética (figura 2), um sistema de aprendizagem deste tema que tem a RA como aliada no processo de instrução. Figura 2 Sistema de Aprendizagem de Aritmética com RA. Projeto SICARA [8]. Neste mesmo contexto, destacam-se, também, iniciativas que tentam utilizar a RA como tecnologia aplicada à comunicação e aprendizado de LIBRAS [9], entre outros. O que se observa é que, como afirma Pinho [10], a potencialidade da RA está exatamente no fato de permitir que exploremos alguns ambientes, processos Pinho [10] ressalta o fato de que podemos dividir a maneira como conhecemos o mundo e, assim, realizamos nosso processo de aprendizado, de duas maneiras: Numa delas, a que se dá a partir de experiência em primeira pessoa, o indivíduo conhece o mundo como resultado de sua interação diária com ele. Na segunda forma, a que prevê experiências de aprendizado em terceira pessoa, o indivíduo conhece o mundo a partir da descrição deste feita por outra pessoa. Diante do exposto, é compreensível que a eficácia de cada um dos tipos de aprendizado seja questionada. Afinal, o conhecimento adquirido pela experiência em primeira pessoa seria superior ao adquirido a partir da experiência em terceira pessoa? O ideal, como é fácil de se imaginar, seria quando se permitisse o aprendizado a partir dos dois tipos de experiência. Segundo Fiolhais e Trindade [12], uma das características das matérias das Ciências em geral, como a física, que a torna particularmente difícil para os alunos, é o fato de lidarem com conceitos abstratos e em larga medida contra-intuitivos. A capacidade de abstração dos estudantes, em especial dos mais novos, é reduzida. Em conseqüência, muitos deles não conseguem apreender a ligação destas matérias com a vida real. Esta dificuldade é tratada em parte pela introdução de métodos de experimentação através de atividades em laboratórios. Essa atitude vai de encontro à observação sobre a junção dos dois modos de aprender como forma de maximizar o aprendizado. Quando observamos as naturezas de determinadas disciplinas, como o caso da física, podemos perceber que ela é, sem dúvida, uma das áreas do conhecimento

4 que mais se presta ao aprendizado por experimentação e observação de fenômenos [10]. Por este fato, justifica-se o grande número de aplicações e métodos desenvolvidos que integram o ensino prático aos tópicos desta matéria. Para Fiolhais, entretanto, física e matemática são matérias que mantém uma relação de grande proximidade [13]. Para o autor, pode-se afirmar inclusive que as duas matérias mantêm uma relação de interdependência. Fiolhais defende o convívio muito de perto das duas matérias, pois acredita que neste convívio grande parte das ciências básicas, que são a pedra angular de todas as ciências naturais e de todas as ciências de engenharia, têm sido cultivadas [13]. Para o autor, é inconcebível um curso em que as matérias sejam estanques em seus próprios mundos. A interconexão dos assuntos deve ser aproveitada e os educandos que se destinam ao estudo de uma ou outra devem, invariavelmente, conhecer tanto os tópicos de sua matéria escolhida quanto da outra. Diante destas questões, o que se pode perceber é a possibilidade de que o processo de aprendizado de tópicos nas matérias de física e matemática tenham maior sucesso, quando pautados tanto na experimentação, característica mais comumente atrelada à física, como na explanação lógica, característica mais atrelada à matemática. Uma possibilidade de concretização dessa teoria seria possível, a partir de um processo que envolva o conhecimento dos conceitos e a prova destes, a partir de práticas de experimentação. Entretanto, o conceito clássico de educação laboratorial requer, geralmente, o uso de laboratórios físicos, com materiais e reagentes especialmente preparados para cada aplicação. Essa exigência fica acima das possibilidades reais da maioria dos estabelecimentos de educação do país. Uma tentativa de contornar tal situação é a introdução do computador como meio de simulação de atividades. Neste modelo de uso de tecnologia para apoio á educação, o computador executa um papel de facilitador, na medida em que dá ao educador a possibilidade de acesso a ferramentas antes indisponíveis, sem, no entanto, ser o centro do processo pedagógico e nem devendo ser encarado como o único responsável pelo sucesso da aprendizagem. 5. Desenvolvimento de software para apoio à aprendizagem de tópicos em física e matemática Sob a luz do contexto descrito, pode-se desenvolver uma ferramenta, que una os benefícios anteriormente discutidos acerca do uso da RA em processos educacionais com a possibilidade de relacionamento entre as matérias de física e matemática. Isto pode promover a aprendizagem nos contextos da explanação e interação com o conteúdo e ser de grande relevância tanto para a área de RA, pelo conhecimento adquirido a partir de seu emprego em um novo ambiente, como para a área de educação por contar com uma ferramenta com tais propósitos Proposta A proposta deste trabalho é a utilização da RA, a partir da implementação de um software, nas linguagens C/C++ que, seguindo os pressupostos de Fiolhais quanto ao ensino de tópicos de física e matemática, possa ser usado como ferramenta de auxílio pedagógico. Para isso, utilizamos como base as características do software SACRA, que consiste em um sistema de autoria em RA desenvolvido na UNIMEP [14]. O que se quer observar é a influência do uso de RA em softwares educacionais, com especial atenção ao possível ganho de aprendizado do aluno em interação com estas ferramentas. O que se sabe, é que o uso de recursos multimídia tende a auxiliar o educando quanto à compreensão do objeto estudado, porém, estes recursos multimídia não são normalmente providos de interação, fator relevante quando se implementa uma aplicação com RA Ambiente desenvolvido O software SACRA [14], em sua versão original, permite a comunicação em rede para a realização de trabalhos colaborativos pautados em atividades que envolvam a RA. O presente trabalho explora essa característica, ao desenvolver um programa de computador, provisoriamente chamado de ARTutor, que também apresenta a possibilidade de transmitir dados para o SACRA. De maneira geral, esta comunicação ocorre a partir do envio de mensagens via sockets. A configuração do ambiente permite que o software SACRA, responsável pela renderização e exibição do objeto 3D, receba parâmetros predeterminados do ARTutor e, com base nestes parâmetros, redesenhe os objetos virtuais em cena, quando necessário (recurso utilizado nos tópicos de física). Além da transmissão de mensagens via sockets, utiliza-se o recurso de

5 manipulação de arquivos para a criação de objetos virtuais personalizados, quando não há a necessidade de redesenho dos objetos virtuais em cena (utilizado nos tópicos de matemática). No que tange aos aspectos de interação, o software, como pode ser observado na figura 3, prevê a disponibilidade de um ambiente amigável, no qual os tópicos de matemática e física são sempre visíveis e facilmente acessáveis pelo educando. Figura 4 Área de revisão teórica. Ao clicar sobre o botão Exercício (figura 3), o educando tem a oportunidade de responder ao desafio exposto, além de escolher a cor do objeto virtual que deseja criar, como apresentado em detalhes na figura 5. Figura 3 Visão geral do software 5.3. Funcionamento A ferramenta tem como compromisso a facilitação do acesso aos recursos provindos da RA. O que se observa é que grande parte das aplicações desenvolvidas, utilizando esta tecnologia, requer certo domínio sobre informática, pois normalmente necessita-se de configurações e tratamentos de exceções diversas. No ARTutor o educador tem a possibilidade de desenvolver suas tarefas pedagógicas, sem que lhe seja atribuído sobrecarga de trabalho. Basicamente, o funcionamento do sistema, desde a sua instalação (realizada a partir de aplicação de autoinstalação, como a maioria dos softwares encontrados no mercado), se dá de maneira bastante intuitiva. Como ilustração, adotemos uma tarefa, onde o educando trabalhará com o conceito de sólidos geométricos da área de matemática. Ao acessar o programa, é exibido o menu principal, no qual se encontram todas as possibilidades de trabalhos das duas matérias abordadas, tal como se pode observar no menu esquerdo exibido na figura 3. Escolhendo o assunto desejado (possivelmente orientado pelo educador) e clicando em Iniciar (figura 3), são mostrados os tópicos mais relevantes sobre o assunto em questão, como detalhado na figura 4. Esta seção vai de encontro à teoria de que o conhecimento deve ser composto tanto pela explanação do conceito quanto pela sua experimentação. Figura 5 Exercício prático Por fim, o educando, ao clicar em Avançar (figura 3), tem a possibilidade de observar sua criação em RA e, utilizando-se de uma placa controle, pode alterar o objeto virtual apresentado inicialmente, por um texto 3D que contém o resultado do exercício. No caso da figura 6, o exercício do educando estava incorreto. Figura 6 Seqüência apresentando o objeto criado pelo usuário e o resultado do exercício proposto após inserção da placa Controle em cena. Caso o assunto escolhido seja algum relacionado á matéria de física, tal como o de queda livre, ao invés de um objeto virtual configurado por ele, o educando visualizaria em 3D o movimento de uma esfera virtual sendo solta de certa altura configurável, afim de que se possa observar a influência desta variável no tempo de queda dos corpos, por exemplo. Uma visão geral do programa, em funcionamento no momento da visualização dos exercícios, pode ser observada na figura 7.

6 Manual Manufacturing Processes. In: Proceedings of Hawaii International Conference on System Sciences, Hawaii, USA [5] KIRNER, Cláudio; KIRNER, Tereza G. Virtual Reality and Augmented Reality Applied to Simulation Visualization. In: El Sheikh, A.A.R.; Al Ajeeli, A.; Abu- Taieh, E.M.O.. (Org.). Simulation and Modeling: Current Technologies and Applications. 1 ed. Hershey-NY: IGI Publishing, 2007, v. 1, p Figura 7 Usuário interagindo com o objeto virtual criado no exercício. 6. Conclusões O ARTutor encontra-se em fase de desenvolvimento final, na qual mais tópicos de física estão sendo implementados. No momento, existem seis possibilidades de interação que envolvem assuntos da área de matemática e dois da área de física. Ao concluir a codificação das novas ferramentas, espera-se poder validar o software em ambiente escolar, a fim de se verificar qual o grau de contribuição da ferramenta e da RA para o processo de aprendizagem. A priori, o que se pode observar, a partir de análises informais feitas por pedagogas convidadas, é que a ferramenta apresenta as características necessárias para que possa ser utilizada em larga escala por educadores sem conhecimento específico prévio de computação. Destaca-se também que o ambiente mostra-se de fácil utilização e com interface motivadora, requisitos importantes para o segmento em que se propõe. 7. Referências [1] CHAVES, Eduardo O. C. Tecnologia na Educação Disponível em: < m> Acesso em: fev [2] SAVI, Rafael; ULBRICHT, Vânia R. Jogos Educacionais: Benefícios e Desafios. Renote. V. 6. N 2. Dez Disponível em: < Acesso em: ago [3] ANTONIAC, Peter. Augmented Reality Based User Interfaces for Mobile Applications and Services. Oulu, Finlândia: University of Oulu, p. Faculdade de Ciências. [4] CAUDELL, Thomas P; MIZELL, David W. Augmented Reality: An Application of Heads-Up Display Technology to [6] BILLINGHURST, Mark; KATO, Hirkazu; POUPYREV, Ivan. The MagicBook Moving Seamlessly Between Reality and Virtuality. IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 21, [7] BILLINGHURST, Mark. Augmented Reality in Education. Disponível em: < urst.htm> Acesso em: ago [8] KIRNER, Cláudio. Projeto SICARA. Disponível em: Acesso em: dez [9] BREGA, José Remo et al. O Emprego de Realidade Aumentada na Viabilização da Comunicação em Libras. Disponível em: < Acesso em: ago [10] PINHO, Márcio. Realidade Virtual como Ferramenta de Informática na Educação. Disponível em: < Acesso em: jul [11] PANTELIDES, V. Reasons to use Virtual Reality in Education. VR in the Schools, vol. 1, no. 1, jun [12] FIOLHAIS, Carlos; TRINDADE, Jorge. Física no Computador: O Computador como uma Ferramenta no Ensino e na Aprendizagem das Ciências Físicas, Disponível em: < =S > Acesso em set [13] FIOLHAIS, Carlos. A Matemática Vista Pelas Outras Ciências A Relação da Matemática com a Física. Disponível em: < Acesso em: jul [14] SANTIN, Rafael. SACRA - Sistema de Autoria Em Ambiente Colaborativo com Realidade Aumentada. Piracicaba: UNIMEP - Universidade Metodista de Piracicaba, p. Dissertação Mestrado em Ciência da Computação, Faculdade de Ciências Exatas e da Natureza.