Uso de RV no Suporte a Exercícios de Laboratório Auto Dirigidos e Interativos em Fisiologia

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1 Uso de RV no Suporte a Exercícios de Laboratório Auto Dirigidos e Interativos em Fisiologia F. C. Santos 1, M. Duzzioni 2, R. M. Siqueira 3, P. Giassi-Junior 4, L. Schwarz 5, C. L. de Oliveira 6, J. Marino Neto 7 1,2,3,4,5,6,7 Instituto de Engenharia Biomédica (IEB), Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil 7 Laboratório de Neurofisiologia Comparada (LNfC), Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil Resumo Neste artigo é apresentado um laboratório virtual 3D de Fisiologia, construído e implementado em VRML/X3D. É proposta a construção do laboratório virtual com alta similaridade em relação a laboratórios reais, a fim de se construir uma ferramenta útil na obtenção de conceitos e práticas que apóiem a educação continuada de profissionais da área da saúde. São descritas as funcionalidades providas por este laboratório, a otimização do sistema e relações deste com trabalhos correlatos, desejando criar um laboratório de realidade virtual no estado da arte. Palavras-chave: Laboratórios Virtuais, Aprendizado Virtual, Ambientes Virtuais, Aplicações Multimídia. Abstract - In this paper we introduce a virtual Physiology laboratory, designed and implemented in VRML/X3D. The virtual lab design proposed here is intended to represent, with high fidelity, the main attributes of a real Physiology lab, and may be helpful to support continued practical education of health staff personnel. This paper describes the functionalities provided by this laboratory, the system optimization and the relationships among other published works aimed to create a state-of-the-art virtual reality laboratory. Key-words: Virtual laboratories, Virtual learning, Virtual environments, Multimedia applications. Introdução Esforços têm sido feitos para reduzir o número de animais utilizados no ensino biomédico. Isso acarreta também em uma redução nas oportunidades de vivência prática com experimentos, dada a diminuição de uma ampla gama de aulas práticas. Devido à severa redução em práticas específicas no aprendizado dentro de cursos da área da saúde nas universidades, é esperada uma redução das habilidades e técnicas envolvendo métodos farmacológicos e fisiológicos, que são ainda essenciais na pesquisa básica para desenvolvimentos terapêuticos, assim como no descobrimento de medicamentos. A Realidade Virtual (RV) tem sido utilizada em treinamento de pessoal técnico em diferentes tarefas, no planejamento e melhoramento de organizações [1]. Alguns exemplos são vistos em [2] e [3]. Nos dias atuais a maioria das aplicações comerciais, como jogos e simulações militares, apresenta alta performance computacional e gráficos de alta qualidade. Muitos esforços e pesquisas têm sido feitos na produção de ambientes virtuais para este fim [4], [5], [6] e [7]. No entanto, a maioria dos ambientes virtuais aplicados à educação parece não possuir a mesma jogabilidade [8] e qualidade gráfica dos jogos comerciais. Este trabalho apresenta um laboratório de RV não-imersivo criado para difusão de conhecimento biológico com foco em práticas Fisiológicas. Leva-se em consideração aqui, a qualidade gráfica adequada aos padrões de jogos comerciais, necessária aos procedimentos laboratoriais. Além das características gráficas ou computacionais, é importante levar em consideração a confiabilidade do conteúdo apresentado. Assim, o laboratório apresentado neste trabalho é caracterizado por um padrão de procedimentos e rotinas didáticas similares às empregadas em um laboratório real. Aspectos de implementação Os ambientes foram desenvolvidos na linguagem VRML/X3D com o auxílio do software 3dsMax 7. Através deste software é possível a criação de modelos tridimensionais (3D) e de animações (Figura 1) que são exportadas para o padrão da linguagem VRML/X3D. A linguagem VRML/X3D possui em sua sintaxe, nodos prototype (PROTO node) para criação de objetos que possam ser reutilizáveis. Neste prototype é possível declarar campos e eventos que podem ser acessados externamente como translações SFVect3f e rotações SFRotation que possuem as coordenadas de movimentação dos objetos. O software 3dsMax 7

2 exporta (através do VRML exporter) estes movimentos no padrão VRML/X3D como KeyValues inclusos na definição do prototype da cena. Chamou-se este prototype de PROTOCENA, pois ele possui todos os registros desta cena que podem ser acessados posteriormente. A interatividade da cena é executada através de nodos Scripts implementados na hierarquia do VRML. Os nodos Scripts permitem chamadas de linguagens interpretáveis pelo browser, como JavaScript, e possibilitam a manipulação de eventos e valores gravados, tais como KeyValues, SFVect3fs e SFRotations. Esta funcionalidade traz dinâmica aos mundos virtuais. É possível pegar um objeto e levá-lo a outro lugar do mundo virtual de diferentes formas através de eventos VRML/X3D, como touch e plane sensors. Diferentes ações podem disparar diferentes animações, expandindo as possibilidades de manipulação da cena. caso deste experimento onde foram gravados vídeos de células sanguíneas animais). Um importante aspecto a ser ressaltado é o desenho dos objetos no software 3dsMax 7 (Figura 2). É necessário que os designers trabalhem a malha de maneira adequada para otimizar os gráficos, garantindo alta qualidade e baixo número de polígonos. Aplica-se neste caso a técnica low-poly. Aspectos de iluminação onde são utilizados a radiosidade também são necessários para que seja alcançado realismo adequado à cena. DESIGN Malha do 3dsMax EXPORTADOR VRML DEF Transform {} Animação do3dsmax Keys & KeyValues Figura 2 - Modelagem do laboratório contendo uma mesa e os objetos sobre ela, formando a raiz da cena para posicionamento dos objetos e animações. PROTOCENA [ Nodes, keys, keyvalues, CenaScript ] DEF Cena Transofrm { Children [ DEF TubodeEnsaio Transform {}, DEF PipetadeVidro Transform {},,,, DEF ObjetoN Transform {}, ] } O experimento virtual implementado A estrutura computacional implementada é uma solução trivial para o desenvolvimento de experimentos virtuais. Neste caso, o objetivo do experimento implementado é a observação de mudanças de uma variável homeostática, a osmolaridade do meio circundante sobre uma função celular. Uma visão geral do laboratório é mostrada na (Figura 3). Figura 1 - Estrutura geral do experimento mostrando a interação entre Design e Codificação. O prototype externo FlashMovie (ParallelGraphics) permite a inclusão de arquivos SWF da tecnologia Macromedia Flash (Macomedia). O formato de arquivo Macomedia Flash (.SWF) estabelece soluções multimídias triviais dada à otimização e redução do tamanho dos arquivos. Todas as funcionalidades dos Scripts Macromedia são inclusas nas animações Flash, como sons, Flash Scripts e vídeos (no Figura 3 Visão geral da sala de experimento. O roteiro do experimento da vida real começa com a inclusão de 2ml de sangue em um

3 tubo de ensaio, com capacidade de 10ml, contendo 0,4ml de heparina (anticoagulante). Após agitação rápida os tubos de ensaio são deixados em repouso por cerca de 5 minutos e analisados conforme o aspecto (cores). No final deste período, uma amostra de 0,2ml de cada tubo de ensaio é coletada e colocada sobre uma lâmina, recoberta por uma lamínula. Ao ser observada no microscópio óptico é possível constatar as diferenças quanto a osmolaridade entre as soluções. O funcionamento do experimento virtual começa com o usuário conectando a URL de uma página (página VRML/X3D). O ambiente é um conjunto de objetos onde há mesas cadeiras, quadros negros e bancos, simulando um laboratório (Figura 4). Outros objetos, relacionados ao experimento de fisiologia, estarão sobre a mesa. Divididos em duas categorias: Objetos de proteção o Guarda pó o Luvas cirúrgicas o Óculos de proteção Objetos do experimento o Tubos de ensaio o Frascos o Estande o Pipeta automática o Pipeta de vidro o Lâminas o Lamínula o Microscópio organização computacional dos cientistas da computação e o objetivo requerido pelos profissionais da biologia. Esta visão de produção é vista na (Figura 5). Perspectiva do Designer Construção do experimento virtual Desenho de objetos e animações Perspectiva do Professor Vídeo Discussão Resultado Final Perspectiva da informática Codificação VRML/X3D Figura 5 - A visão de produção do experimento agregando diferentes profissionais. O vídeo demonstrou de qual forma os objetos eram movimentados e quais eram as ações da personagem com os objetos da cena. O roteiro final foi dividido em dez partes: Figura 4 Laboratório virtual com os objetos necessários ao experimento. Estes objetos estão organizados na cena em nove passos do roteiro. Para maior fidelidade um ator gravou um vídeo em um laboratório real. Cada cena foi analisada, seus detalhes foram observados e mudanças foram efetuadas antes da implementação computacional do experimento virtual. A compilação do roteiro em um vídeo revelou ser uma excelente ferramenta de comunicação, pois a cena final seria interpretada diferentemente por pessoas de diferentes áreas. Estas áreas incluíam profissionais da biologia, designers e cientistas da computação. Os objetivos de cada um foram definidos levando-se em consideração o vídeo real do experimento, ou seja: pesquisa de campo dos designers, a Cena Interativa 1: Vestindo o equipamento de segurança; Cena Interativa 2: Colocando solução de NaCl nos tubos de ensaio; Cena Interativa 3: Colocando solução heparinizada nos tubos; Cena Interativa 4: Colocando 0,2ml de sangue por tubo de ensaio; Cena interativa 5: Agitando a solução por um minuto; Cena interativa 6: Colocando a solução em repouso por cinco minutos; Cena interativa 7: Colocando 0,2ml de sangue na lâmina e cobrindo com a lamínula; Cena interativa 8: Levando a lâmina ao microscópio; Cena interativa 9: Analisando a solução no microscópio; Cena interativa 10: Ver outra lâmina. O usuário pode interagir nestas cenas, através do mouse e teclado, para movimentar os objetos de acordo com as necessidades da aula prática. Algumas ações também devem ser inibidas, pois alguns passos devem ser cumpridos

4 antes de outros, por exemplo: a vestimenta de segurança antes de iniciar o experimento. Destaca-se, em especial, a cena interativa 9, onde o usuário leva a lâmina com a solução de sangue animal ao microscópio. Após isto, com um clique do mouse no microscópio, o aluno visualizará um vídeo (gravado em um microscópio real) com soluções de sangue animal de diferentes concentrações de permeabilidade a NaCl que são: isotônica, hipotônica e hipertônica. É disponível zoom na cena para análise das hemácias com maior detalhes (Figura 6). Figura 6 Vídeo de uma solução hipotônica de hemácias obtido com um microscópio real. Durante a observação ao microscópio virtual, elas movimentam-se como se estivessem dentro de um capilar sanguíneo. Mais informações e detalhes do experimento estão disponíveis na internet através da página: ria/downloads.php onde será possível fazer o experimento on-line e observar com maiores detalhes cada etapa da aula prática. Discussão As aplicações de RV na educação se tornaram mais visíveis desde o começo da década de 90 com aplicações específicas [9-10]. A RV tem sido aplicada na construção de laboratórios virtuais, sendo estes, modelos alternativos à prática real. É possível a migração de conceitos abstratos em eventos práticos sem os problemas relacionados ao mundo real (segurança, tempo de uso, etc). Os laboratórios virtuais provêem aos estudantes uma interação com a prática apesar da distância da instituição de educação [11]. Além disso, laboratórios virtuais permitem fácil compartilhamento de recursos educacionais e de pesquisa para estudantes e profissionais em geral. A didática envolvida em mundos virtuais é outro importante aspecto que deve ser levada em consideração. Mundos virtuais provêem campo para o aprendizado construtivista [12], pois através de tarefas experimentais, os estudantes são guiados a descobrir conceitos críticos por eles mesmos [11]. Na exploração de um laboratório virtual "você literalmente aprende jogando" [13]. Deste modo, laboratórios virtuais criam um 'ciclo de conhecimento/experiência', desenvolvendo no usuário estratégias para resolução de diversos problemas. O envolvimento do professor é de suma importância para o resultado final do projeto, pois é ele que apontará o perfil dos usuários do sistema e como os problemas poderão ser solucionados. Professores de biologia/fisiologia estiveram presentes na confecção deste experimento particularizando os aspectos de aprendizagem. A metodologia de trabalho neste artigo proporcionou a produção de um experimento de fisiologia virtual. No entanto, a produção deste laboratório possibilita sua reutilização na construção de outros experimentos em outras matérias, tais como química, farmacologia e medicina. O uso do software 3dsMax 7 pelo exportador VRML/X3D aumentou a produtividade, deu ao projeto interfaces gráficas e jogabilidade com padrão de estado da arte. Objetos como pipetas, lâminas, lamínulas, microscópio, cenário, dentre outros, devem estar muito bem detalhados, com a finalidade de se alcançar fidelidade com o mundo real. A gravação de vídeos reais das soluções de sangue animal e inserção destes no ambiente virtual, contribuiu para o realismo do experimento, pois o aluno visualiza células reais, havendo fidelidade nas conclusões a respeito de suas propriedades. Este experimento parece possuir gráficos acima dos padrões de jogos educacionais. Estes detalhes podem ser vistos na Figura 7. Isso ocorreu, porque objetos bem desenhados em 3dsMax 7, através da técnica low-poly, reduziram a quantidade de polígonos empregados na malha de um objeto e possibilitaram performance computacional satisfatória. Figura 7 Detalhes dos objetos do experimento. A maioria das aplicações de RV em educação parece não possuir qualidade nas imagens e animações. Nos dias atuais, é necessário o uso de gráficos com alta qualidade,

5 pois a indústria do entretenimento digital (videogames e jogos de computador) melhorou expressivamente a qualidade dos mundos virtuais não-colaborativos. Presume-se que os usuários ao fazerem uso de jogos educacionais desejem a mesma qualidade, ou qualidade similar, à dos jogos da indústria de videogames. Uma constatação desta afirmação é o estudo de como a qualidade de renderização contribuiu na vontade de utilização e cumprimento das tarefas por parte dos alunos. Não havendo qualidade gráfica suficiente, a atividade executada (neste caso, o experimento virtual) pode ser ineficaz, não despertando interesse e prazer ao utilizar o software [14]. Alguns trabalhos podem demonstrar esta deficiência devido à falta de resolução gráfica, como: aplicações de RV ao ensino de engenharia química [2], no trabalho [15] há a representação 3D de um laboratório de rádio-farmacologia. Um exemplo contrário é o trabalho [16], onde é apresentado um modelo de treinamento de Medicina por computador, baseado na visualização de simulações de situações clínicas em um paciente virtual, o qual apresenta jogabilidade e gráficos consagrados pelo uso da engine do jogo de computador Unreal Tournament. Um fator que influenciou a produção deste trabalho é a não existência de projetos produzidos no Brasil neste sentido. Portanto, este projeto demonstra uma iniciativa na produção de laboratórios em RV de fisiologia e proporciona uma ferramenta para auxiliar os professores a melhorar o aprendizado através da solução de problemas e da observação experimental. Por fim, demonstrou-se viável a possibilidade de construção de outros experimentos para outras áreas do conhecimento baseados na metodologia deste trabalho. Conclusões O presente trabalho mostrou a produção de um experimento virtual através de um laboratório de fisiologia virtual em 3D. A metodologia empregada aqui é extensível a outros tipos de tutoriais de diferentes áreas da biologia, farmacologia e medicina. Experimentos de fisiologia similares a este não foram relatados, tornando-se um fator de motivação ao desenvolvimento do projeto. Aspectos como a qualidade gráfica do ambiente e dos objetos envolvidos na cena foram de especial importância ao trabalho, para que houvesse fidelidade entre o experimento virtual e o real. O envolvimento de profissionais da biologia foi fundamental no levantamento do tema a ser transportado do mundo real para o virtual. Assim, construiu-se uma ferramenta que preza pela objetividade e que é útil na obtenção de conceitos e práticas que auxiliem profissionais da área da saúde. Estão em andamento implementações destinadas a incluir no experimento: som, novas ações do usuário com os objetos da cena, processos computacionais para análise do comportamento do usuário dentro do ambiente e tutoriais que enfoquem diferentes aspectos correlacionados às propriedades do sangue animal. Também se encontra em desenvolvimento a construção de ambientes colaborativos virtuais baseados na metodologia deste trabalho. Suporte Financeiro FINEP Financiadora de estudos e projetos. CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico. Referências [1] Netto, A.V., Machado, L. S., Oliveira, M.C.F. (2002). Realidade Virtual: Definições, Dispositivos e Aplicações. Revista Eletrônica de Iniciação Científica, [http://www.sbc. org.br/reic/edicoes/2002e1/tutoriais/rv-defini coesdispositivoseaplicacoes.pdf], 10 de julho de [2] Bell, J.T., (2004), The Application of Virtual Reality to (Chemical Engineering) Education, Proceedings of the IEEE Virtual Reality Conference 2004, Chicago, pp , Mar. [3] Blanc, L.A, Bunt, J., Kwok, Y., (2004). The Virtual Learning Space - An Interactive 3D Environment, Proceedings of the tenth international conference on 3D Web technology, Bangor, pp ,29 Mar-1 Apr. [4] Budhu, M. (2002), Virtual Laboratories for Engineering Education, Proceedings of the International Conference on Engineering Education 2002, Manchester, pp , Aug. [5] Jacobson, R. (1993), After the virtual reality gold rush: the virtual world paradigm Comput & Graphics, v.17, pp [6] Jou, M., Zhang H., and Lin C. (2005), Development of an Interactive e-learning System to Improve Manufacturing, Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies, Kaohsiung, pp , Jul.

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