Desenvolvimento de um Livro com Realidade Aumentada para o Ensino de Geometria

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1 Desenvolvimento de um Livro com Realidade Aumentada para o Ensino de Geometria Fernanda Maria Villela Reis ICE / DMC / UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá Itajubá, MG, Brasil Tereza Gonçalves Kirner ICE / DMC / UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá Itajubá, MG, Brasil Abstract Este artigo enfoca o GeoAR, um livro com RA para o ensino e aprendizagem de tópicos de geometria sobre as principais figuras geométricas. É descrito um processo de desenvolvimento orientado a protótipos, definido para apoiar a construção de sistemas com RA, que foi adotado no desenvolvimento do Livro GeoAR. As funcionalidades do Livro são descritas e aspectos relevantes sobre livros com realidade aumentada, como benefícios, contribuições, vantagens e dificuldades são discutidos. Realidade Aumentada; livro com realidade aumentada; software educacional; processo de desenvolvimento de software. I. INTRODUÇÃO A Realidade Aumentada (RA) caracteriza-se por incluir objetos virtuais (imagens, textos, animações, etc.) ao mundo real, o que permite que o usuário visualize e explore cenários reais enriquecidos e atraentes. Do ponto de vista tecnológico, as aplicações de RA devem atender a três requisitos básicos: combinação do mundo real com o mundo virtual; interação em tempo real; e registro tridimensional dos objetos reais e virtuais que povoam o ambiente considerado [1]. As aplicações de RA vêm se disseminando e tornando-se cada vez mais disponíveis em notebooks e equipamentos móveis. Apesar da maioria destas aplicações ocorrerem em áreas como entretenimento, exploração de espaços urbanos e marketing, os sistemas de RA para propósitos educacionais estão se tornando cada vez mais priorizados por escolas e educadores [10]. De acordo com o tradicional Horizon Reports, que aponta anualmente os temas de maior impacto para a educação, nos seus relatórios de 2010 e 2011, previu que o uso da RA em educação alcançará ampla divulgação dentro dos próximos 2 a 3 anos [7], [8]. A RA possui um forte apelo à adoção do construtivismo na educação, segundo o qual os estudantes controlam sua própria aprendizagem. Ambientes de RA permitem que os estudantes interajam com o mundo real e o mundo virtual, explorando objetos, realizando tarefas, aprendendo conceitos e desenvolvendo habilidades. Ao usar aplicações educacionais com RA, cada estudante pode priorizar seus interesses, de acordo com a velocidade e as necessidades que melhor atendam a suas características individuais. Por exemplo, ao explorar um local histórico, usando uma aplicação de RA, cada estudante poderá construir seu próprio caminho de descobertas [10]. Um tipo de aplicação educacional bastante promissor, que vem se disseminando nos últimos dois anos [10], é o dos livros com RA. Quando se olha para esses livros com RA, eles aparentam ser um livro comum. Porém, quando são colocados em frente da webcam de um computador, objetos 3D, sons, animações, explicações textuais e outros elementos interativos, podem saltar de suas páginas. Esses recursos adicionados ao livro físico despertam o interesse dos alunos, motivando-os a explorarem os temas apresentados e propiciando a aprendizagem. O objetivo deste artigo é apresentar o desenvolvimento do GeoAR, um livro com RA para o ensino e aprendizagem de tópicos de geometria referentes às principais figuras geométricas. A seção II contém a revisão bibliográfica do tema, destacando os principais livros com RA discutidos na literatura e apontando os aspectos diferenciais do GeoAR. A seção III apresenta um processo de desenvolvimento, orientado a protótipos, definido para apoiar a construção de sistemas com RA e que foi adotado no desenvolvimento do Livro GeoAR. A seção IV descreve as funcionalidades do GeoAR, ilustrando os recursos de RA incorporados. As conclusões do trabalho são discutidas na seção V. II. TRABALHOS RELACIONADOS O desenvolvimento de livros com RA é tratado na literatura por meio de relatos de experiências, destacando-se, entre elas, os trabalhos de Billinghurst, Kato e Poupyrev [2], Oliveira e Kirner [16], Maier, Klinder e Tonnis [14], Gutierrez et al. [9] e Okawa, Kirner e Kirner [15]. O Magic Book [2], bastante divulgado na literatura, usa uma interface baseada em marcadores de RA. As pessoas podem ler o conteúdo do livro da maneira tradicional, folheando as suas páginas. Adicionalmente, usando a tecnologia de RA, elas podem ver objetos 3D saindo das páginas e enriquecendo os conteúdos apresentados. O desenvolvimento do LIRA - Livro Interativo com Realidade Aumentada [16], seguiu os princípios e conceitos propostos no MagicBook. O LIRA possibilita a exploração de objetos tridimensionais, com sons e animações, podendo ser aplicado a diferentes temas educacionais. O livro de Reações Químicas Aumentadas [14] propõe-se a auxiliar os estudantes a entenderem e aprenderem química, possibilitando inspecionar moléculas sob diferentes pontos de vista, controlar a interação entre moléculas e observar reações químicas.

2 O AR-Dehaes [9] foi desenvolvido para auxiliar estudantes universitários a visualizarem, executarem tarefas e entenderem conceitos complexos da engenharia espacial, como: superfícies, planos, vértices, projeções, etc. O livro Sistema Solar com Realidade Aumentada - SOL- RA [15] apresenta um sistema solar interativo com RA, usando recursos de imagens, animações, sons e interações com múltiplos marcadores, visando facilitar o conhecimento no contexto da estrutura e comportamento do Sistema Solar, para uso educacional. Além dos trabalhos destacados acima, estudos interessantes sobre desenvolvimento de livros com realidade aumentada são discutidos em Woods [19], Dunser e Hornecker [6] e Dias [5]. Os trabalhos revisados foram de grande valia para o projeto tratado neste artigo. Procurou-se, porém, obter um diferencial positivo em relação aos estudos existentes, por meio de: Definição de um processo sistemático de desenvolvimento de aplicações de RA, compatível com os princípios e conceitos da engenharia de software, que foi adotado no desenvolvimento do Livro GeoAR. Uso integrado de recursos de imagem, animação, som e texto, além dos marcadores, buscando uma interação rica que contribui para a usabilidade do produto de software pretendido. Criação de um livro com RA que inclui um conteúdo compatível com exigências do ensino fundamental, no que se refere ensino e aprendizagem de figuras geométricas, visando sua utilização efetiva no ambiente escolar. Agregação de um instrumento de avaliação da aprendizagem com o GeoAR, que consiste de um conjunto de questões, também apresentadas com recursos de RA, para os alunos exercitarem os conceitos explorados no livro. Preocupação com o design gráfico do livro físico, associado ao GeoAR, uma vez que este é um aspecto importante para a geração de produtos de software de boa qualidade, com as características dos livros com RA. III. DESENVOLVIMENTO DO LIVRO GEOAR A. Visão Geral do Processo de Desenvolvimento Para criar o Livro GeoAR, foi definido um processo de desenvolvimento compatível com os princípios da engenharia de software [18] e levando-se em conta as especificidades da aplicação e da tecnologia de RA. O processo segue uma abordagem orientada para prototipagem, segundo a qual vão sendo construídas e avaliadas versões do software, até se obter um protótipo que atenda às exigências do problema e dos usuários. Esse produto final poderá, então, ser transformado em um produto para comercialização e uso [4]. A Figura 1 contém uma visão geral do processo de desenvolvimento definido para a criação de aplicações de RA, destacando as etapas envolvidas e os atores participantes dessas etapas. B. Descrição do Processo de Desenvolvimento Conforme mostra a Figura 1, o desenvolvimento do livro GeoAR incluiu as seguintes etapas, descritas a seguir: Engenharia de Requisitos; Geração do Protótipo do Livro Impresso e do Livro com RA; Avaliação do Protótipo com Desenvolvedores; Avaliação com Alunos (potenciais usuários). B.1 Engenharia de Requisitos A engenharia de requisitos é a etapa do desenvolvimento de sistemas de software que abrange a análise do problema ou tarefa enfocado, a identificação das necessidades e expectativas dos usuários e a documentação completa dos requisitos resultantes [17]. No desenvolvimento do Livro GeoAR, essa etapa compreendeu o estudo do domínio da aplicação, que envolve livros para ensino/aprendizagem de conceitos de geometria que fazem parte dos programas de matemática do ensino fundamental. Para isso, foram analisados livros com o assunto e consultada uma professora que atua nessa área. Além disso, contou-se com a colaboração voluntária de uma profissional de comunicações e design gráfico, que opinou sobre o layout e design do livro físico que seria criado. Como resultados, foram definidos os requisitos funcionais, não funcionais e aspectos de design da interação humanocomputador. O tipo e perfil dos usuários finais (alunos do ensino fundamental, na faixa dos 10 a 11 anos) também foram analisados nesta etapa de desenvolvimento do GeoAR. B.2 Geração dos Protótipos Em um processo de desenvolvimento de software dirigido a protótipos, são criadas versões do sistema, que, após serem avaliadas, são melhoradas, até se obter um protótipo que atendas os requisitos previamente definidos [4]. Seguindo essa abordagem, com base nos requisitos identificados foi construída a primeira versão do Livro GeoAR (Livro Interativo de Geometria com Realidade Aumentada), incluindo o design do livro impresso associado. O conteúdo de geometria incluiu conceitos fundamentais sobre as principais figuras geométricas (círculo, retângulo, quadrado, pentágono, triângulo e trapézio), com apresentação do cálculo do perímetro e da área de cada figura. Adicionalmente, é apresentado o cálculo do volume dos respectivos sólidos de cada figura. O GeoAR usa imagens, animação e som. B.3 Avaliação com Desenvolvedores A avaliação de um protótipo, por outros desenvolvedores que não aquele que atuou na implementação, é fundamental para se identificar aspectos que devem ser alterados e complementados na versão atual do sistema. Com isso, o tempo de produção do sistema final é agilizado e a sua qualidade é incrementada [4], [17].

3 No livro GeoAR, os protótipos (livro impresso e livro com RA) foram avaliados com 16 alunos do 4º e do 5º ano do bacharelado em ciência da computação da UNIFEI, todos experientes em programação, engenharia e qualidade de software, além de uma parte deles possuir experiência em realidade aumentada. Foi realizada uma seção de avaliação, que seguiu um processo sistemático, incluindo: (a) Apresentação do Livro GeoAR e informações sobre a avaliação; (b) Disponibilização do protótipo para utilização livre pelos participantes; (c) Levantamento dos dados da avaliação, que consistiu em uma explanação escrita sobre a experiência de utilização do protótipo, enfatizando pontos positivos, negativos, críticas e sugestões; (d) Análise qualitativa dos dados obtidos, feita com base em uma técnica de análise de protocolos por meio de análise categorial das explanações escritas dos participantes; (e) Compilação dos resultados obtidos, incluindo pontos positivos e negativos, facilidades e dificuldades, além de sugestões expressadas pelos avaliadores. Os resultados obtidos foram utilizados para geração da segunda versão do protótipo. O detalhamento da avaliação com desenvolvedores é apresentado em [17]. B.4 Avaliação com Alunos A etapa de avaliação do protótipo do sistema de software por usuários finais é fundamental para se criar um produto de alta qualidade [17]. Neste sentido, a versão melhorada do protótipo do GeoAR será avaliada por potenciais usuários, ou seja, alunos da quarta e quinta séries do ensino fundamental de uma instituição de ensino de Itajubá. Essa avaliação está prevista para setembro e outubro de Para tanto, foi definido um Modelo de Avaliação de Sistemas de Realidade Aumentada, baseado em um conjunto de requisitos e atributos de usabilidade e funcionalidade, específicos para as características de sistemas de RA. Os dados coletados serão analisados e os resultados obtidos serão utilizados para geração da terceira versão do protótipo do GeoAR. O detalhamento desse modelo é apresentado em [13]. De acordo com o processo de desenvolvimento definido, versões melhoradas do protótipo vão sendo construídas, até que se chegue a uma versão que atenda os requisitos inicialmente propostos. O protótipo final obtido será transformado em produto, comercial ou não, para uso no ensino de geometria nas escolas fundamentais. Figura 1. Processo de Desenvolvimento do Livro Interativo de Geometria com RA.

4 C. Aspectos de Implementação Como requisitos de hardware, o Sistema GeoAR necessita de um computador, uma webcam e um monitor de vídeo. O sistema computacional obtém a imagem real captada pela câmera, entende os objetos, sobrepõe o objeto real por seu correspondente virtual e reproduz a imagem modificada no monitor, permitindo que o usuário visualize o ambiente real simultaneamente aos objetos virtuais e produzindo a imersão em RA. O GeoAR foi desenvolvido com a ferramenta SACRA - Sistema de Autoria Colaborativa em Realidade Aumentada [12], que requer a instalação do Sistema Operacional Windows. Os objetos gráficos usados são do tipo VRML (*.wrl), modelados por meio da ferramenta de autoria Vivaty Studio, que são carregados pelo SACRA e representam um recurso chave da interação com RA. Os arquivos de áudio usados estão no formato WAVE (*.wav) e propiciam maior envolvimento e imersão, por meio de explicações sobre o funcionamento do sistema, narrações, sinais de alerta, etc. IV. FUNCIONALIDADE DO LIVRO GEOAR A utilização do Livro GeoAR compreende o uso conjugado do livro impresso e do software aplicativo que implementa os conceitos e ações constantes no livro, com recursos de RA. Esse tipo de funcionalidade, característica dos livros interativos com RA é interessante, pois representa um paradigma que mantém o uso dos livros na sua forma tradicional, aliado ao enriquecimento propiciado pela tecnologia. Os passos para utilização do Livro GeoAR são destacados a seguir. A. Instruções Iniciais para Uso do GeoAR Para utilizar o livro GeoAR, é necessário ter uma webcam conectada ao computador e um monitor de vídeo. Atendidos esses requisitos, realizam-se os seguintes passos para dar início à utilização do sistema: Ativar a webcam; Executar o arquivo relativo ao GeoAR; Posicionar o livro do GeoAR em frente à webcam e certificar-se que a iluminação do local favorece o reconhecimento dos marcadores pelo software. A Figura 2 mostra uma página do Livro, referente ao quadrado. B. Estudo das Formas Geométricas O livro GeoAR exibe um marcador por página, sendo que elas abrangem os seguintes temas relacionados à geometria: retângulo, quadrado, triângulo, classificação dos triângulos quanto aos lados, classificação dos triângulos quanto aos ângulos, trapézio, pentágono e círculo. A Figura 2 exibe uma página do GeoAR referente ao quadrado. Figura 2. Página do livro GeoAR. Assim, para estudar o conteúdo de cada página do GeoAR, é necessário: Posicionar o livro sob a webcam, de modo que o marcador específico seja reconhecido; Posicionar o marcador INSPEÇÃO ao lado do marcador da página, de modo que a webcam também o reconheça, e que sua esfera colida com a esfera exibida pelo marcador específico. Desse modo, as animações e possíveis ações exploratórias do usuário, referentes à figura geométrica tratada na página, serão exibidas. Posicionar o marcador CONTROLE ao lado do marcador da página, de modo que a webcam também o reconheça. Com a colisão dos pontos, diferentes animações referentes à mesma figura geométrica aparecerão. Para desativar a animação, é necessário utilizar o marcador INSPEÇÃO novamente. As Figuras 3 e 4 ilustram o estudo das formas geométricas com o GeoAR, abordando o cubo e a esfera, respectivamente.

5 Figura 3. Estudo do cubo com o GeoAR. Figura 4. Estudo da esfera com o GeoAR. Figura 5. Artefato do qu estionário GeoAR e marcador CONTROLE. Para responder cada pergunta do questionário, é necessário seguir os passos abaixo: Posicionar o artefato do questionário em frente da webcam, de modo que ela reconheça o marcador contido nele; Teclar a para que todos os pontos contidos no artefato sejam ativados; Com o ponteiro do marcador CONTROLE, clicar sobre o círculo do ponto P, para visualizar a pergunta; Clicar no ponto X para visualizar a animação referente à pergunta; Clicar em uma das alternativas (1, 2 ou 3), para escolher a resposta considerada correta à pergunta; Clicar em R para visualizar a resposta; Clicar novamente em X e em R para desativar esses pontos. A Figura 6 ilustra a utilização do questionário do GeoAR. C. Teste do Conhecimento Depois de concluído o estudo das formas geométricas, dá-se início ao teste de aprendizagem do conteúdo do GeoAR. O teste é feito utilizando-se um artefato físico, criado para apoiar a criação de questionários com RA, e o marcador CONTROLE, que é implementado por meio de um ponteiro. O artefato possui seis pontos: um para mostrar a pergunta (P), um para verificar a resposta correta (R), três pontos para as alternativas da resposta (1, 2, 3) e um ponto para visualizar a animação em três dimensões (X). Cabe ressaltar que o uso de artefatos físicos e de maquetes possibilita uma forma de interação tangível com RA, que pode enriquecer substancialmente ambientes educacionais com RA (ver [11]). A Figura 5 mostra o uso do artefato criado para a realização de testes sobre o conhecimento obtido pelos usuários por meio do Livro GeoAR. Figura 6. Utilização do questionário GeoAR.

6 V. CONCLUSÃO Este trabalho abordou o uso da RA como tecnologia capaz de contribuir efetivamente para a criação de sistemas aplicativos para ensino e aprendizagem. A RA é um dos temas de maior impacto para a área educacional nos próximos 2 a 3 anos, conforme identificado pelo Horizon Reports [7], [8]. Entre os sistemas aplicativos educacionais com RA, os livros interativos vêm se destacando, como um recurso altamente promissor. Neste contexto, o trabalho apresentou o desenvolvimento do GeoAR, um livro interativo com RA, destinado ao ensino e aprendizagem de formas geométricas, conforme estabelecido nos conteúdos programáticos de matemática do ensino fundamental. O desenvolvimento do Livro GeoAR seguiu um processo, proposto para atender às peculiaridades da criação de sistemas e aplicações que envolvem RA. O processo de desenvolvimento proposto insere-se em uma abordagem orientada a prototipagem e inclui etapas de avaliação dos protótipos, conduzidas sob a perspectiva de desenvolvedores e de usuários das aplicações com RA. As diferentes etapas do processo de desenvolvimento seguido para se criar o GeoAR foram descritas e questões específicas de implementação foram destacadas. A funcionalidade do livro também é descrita, com ilustrações do GeoAR sendo utilizado. As contribuições almejadas pelo trabalho abrangem dois aspectos principais: Destacar a RA como tecnologia capaz de incrementar a qualidade dos sistemas de software educacionais, principalmente daqueles destinados ao ensino fundamental; Apresentar um processo sistemático de desenvolvimento de Livros Interativos com RA, proposto com o fim de melhorar a produtividade na criação desses livros e garantir maior qualidade nos Livros Interativos com RA obtidos. A continuidade do trabalho envolve tanto avaliações do GeoAR no ambiente educacional de escolas fundamentais quanto o refinamento do processo de desenvolvimento proposto, em decorrência das experiências adquiridas a partir da criação de novos livros e demais aplicações de RA para o ensino/aprendizagem. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento concedido ao Projeto AIPRA (Processo /2010-2), que possibilitou a realização deste trabalho, e a Luana Braga da Silva, pela contribuição ao design da versão impressa do Livro GeoAR. REFERÊNCIAS [1] R. Azuma, A Survey of augmented reality, Presence, Teleoperators and Virtual Environments, vol. 6, n. 4, pp , [2] M. Billinghurst, H. Kato, and I. Poupyrev, The MagicBook - moving seamlessly between reality and virtuality, IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 21, n. 3, pp. 6-8, May [3] M. Billinghurst, Augmented reality in education, New Horizons for Learning, Acesso em 20/07/2011, disponível em: [4] A. M. 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