PROTÓTIPO DE INTERAÇÃO ARDUINO E UNREAL ENGINE COMO PROPOSTA DE APLICAÇÃO NA METODOLOGIA DE APRENDIZAGEM BASEADA EM PROBLEMAS

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1 PROTÓTIPO DE INTERAÇÃO ARDUINO E UNREAL ENGINE COMO PROPOSTA DE APLICAÇÃO NA METODOLOGIA DE APRENDIZAGEM BASEADA EM PROBLEMAS Allexia Francisco Moreno Araújo¹, Amanda Kellen Silva Paiva¹,, Jhoisnáyra Vitória Rodrigues de Almeida¹ - 2 ano do Ensino Médio integrado ao técnico¹, Tiago dos Santos Patrocínio¹, Nádia Raquel Matos Oliveira¹, Francisco Marcelino Almeida de Araujo¹ 1 LABIRAS, Departamento de Indústria, Segurança e Produção Cultural DISPC IFPI. Endereço: Praça da Liberdade, 1597 Bairro Centro Teresina PI Resumo: Este artigo descreve uma metodologia de Aprendizagem Baseada em Problemas ou Problem Based Learning (PBL) e relata sua aplicação no ensino utilizando duas ferramentas do meio tecnológico, Arduino e Unreal Engine. O Arduino é um microcontrolador que é capaz de receber entradas emitidas por sensores para gerar saídas que resultam em comportamentos definidos em código. Unreal Engine é uma plataforma de desenvolvimento que possui um conjunto de ferramentas para desenvolvimento de jogos, ela possui um modelo de programação visual que descreve o comportamento do jogo na forma de um grafo de fluxo, denominado Blueprint. A proposta deste artigo é utilizar o metódo PBL de ensino-aprendizagem por meio da interação entre o microcontrolador Arduino e a Plataforma de desenvolvimento jogos Unreal Engine. Através dessa comunicação, seria possível uma interdisciplinaridade e maior motivação no processo de ensino-aprendizagem. Palavras Chaves: Robótica, Jogos, Educação, Arduino, Unreal Engine, PBL. Abstract: This article describes a Problem Based Learning (PBL) methodology and it's application, using tech based tools, specifically Arduino and Unreal Engine 4. Arduino is a microcontroller capable of receiving input through sensors and outputs that express behaviors written in code. Unreal Engine 4 is a platform that incorporates various tools for game development, it contains a visual programing module through which a game's behavior can be dictated by using a graphical user interface called Blueprint. The purpose of this article is to use the interaction between Arduino and Unreal Engine 4 as a PBL method. Through this interaction, a greater degree of interdisciplinarity, and higher motivation from the students can be achieved. Keywords: Robotics, Games, Education, Arduino, Unreal Engine, PBL. 1. INTRODUÇÃO O método utilizado na sala de aula, geralmente é o modelo padronizado, no qual o professor apenas passa o conhecimento de forma teórica e o aluno atua como receptor desse conhecimento. Mas há outras formas de ensino-aprendizagem, dentre elas se encontra o PBL (Problem-Based Learning). Criado na escola de medicina da Universidade McMaster, Canadá, em meados dos anos 1960 (ESCRIVÃO FILHO, 2009) Esta metodologia ordena o ensino através de projetos complicados, os quais propõe ao estudante problemas desafiadores, desta forma os estudantes despertam mais interesse em resolvê-los e acabam se envolvendo no entendimento do projeto proposto (NOBRE, 2006). A forma de ensino PBL contrapõe-se aos métodos tradicionais de ensino (COSTA, 2011). A verdadeira realização do PBL foi para que os professores passassem a ter discernimento de que os alunos adquiriam uma quantidade considerável de conceitos mas não tinham habilidades suficientes e não sabiam como integrar esses assuntos com a vida cotidiana (ESCRIVÃO FILHO, 2009). A tecnologia está cada vez mais relacionada com a educação, tornando-se uma proposta de ensino atrativa e lúdica. A robótica educativa é uma forma de ensino que abrange diversas áreas do conhecimento (Física, Mecânica, Matemática, Computação, etc.), por promover uma interdisciplinaridade, e a partir da interação com protótipos robóticos, induzir o pensamento sobre o funcionamento das coisas. As pessoas podem experimentar, observar, analisar e corrigir possiveis erros. (PIROLA, 2010). Outro parâmetro da tecnologia utilizado no processo ensinoaprendizagem são os jogos eletrônicos. Os mesmos destacamse por não serem mais vistos apenas como ferramentas de entretenimento, mas também um recurso eficaz de ensinoaprendizagem por despertar motivação nos usuários-jogadores (GURGEL, 2006). Neste trabalho apresentamos uma interação entre Arduino e a Unreal Engine, a fim de criar uma forma interativa entre robótica e jogos. O Arduino é um microcontrolador produzido para proporcionar uma comunicação entre o hardware e software (CAVALCANTE, 2011). Unreal Engine é uma plataforma de desenvolvimento de jogos, que possui desde mecanismos para o desenvolvimento de jogos 2D, para dispositivos portáteis até simulações realistas e usos de realidade virtual (DE MACEDO, 2015). Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

2 O projeto desenvolvido consiste na comunicação entre Arduino e a Unreal Engine para aplicação em Aprendizagem Baseada em Problemas (PBL) por englobar conhecimentos da aréa de computação e robótica, proporcionando ao aluno, assim, uma experiência de aprendizagem interdisciplinar e lúdica. O artigo encontra-se organizado da seguinte forma: a seção 2 apresenta uma discussão sobre o trablho proposto com subtópicos sobre a interação Arduino e Unreal Engine, a seção 3 descreve os materiais e a metodologia utilizada, a seção 4 mostra os resultados obtidos no protótipo, e por fim a seção 5 apresenta as conclusões. 2. TRABALHO PROPOSTO Foi proposta uma interação entre jogos e robótica. Com isso, trabalhou-se com a hipótese de que, fazendo essa interação, seria promovida uma interdisciplinaridade entre áreas do conhecimento, em que o aluno desenvolveria sua lógica e a partir disso poderia gerar algo de sua autoria, com os conhecimentos adquiridos. Para isso acontecer, fez-se uma comunicação entre a plataforma de desenvolvimento de jogos Unreal Engine e o microcontrolador Arduino, com o intuito do jogo, já elaborado, ensinarem e despertar o interesse dos alunos, interagindo com outros componentes eletrônicos e aplicando a metodologia de Aprendizagem Baseada em Problemas Integração Arduino e Unreal A placa arduino UNO é conectada ao computador por meio de um cabo USB. A programação é feita por meio do Blueprint da plataforma Unreal Engine e enviada para a placa. Um circuito é montado na protoboard contendo jumpers, resistores, um potenciômetro, um buzzer, um switch, um LDR e LEDs. Esse circuito é conectado com a placa arduino, que está programada com o código feito no Blueprint. Esses sensores e componentes eletrônicos mandam ou recebem dados que interagem com o jogo, ou seja, os dados lidos pelo Arduino são enviados para a Unreal Engine e executam ações no jogo. O Blueprint recebe essas informações do Arduino e se algum valor for retornado, acontece uma interação do jogo com componentes eletrônicos, como por exemplo: ao apertar o switch (botão) no circuito, bolas são atiradas na interface do jogo que aparece na tela do computador. A Unreal Engine foi escolhida por sua boa acessibilidade e seu fácil entendimento por conta do uso do Blueprint na plataforma (UNREAL, 2016). Paralelamente, a placa Arduino é adequada por seu acesso ser mais viável, além da variedade de tipos das suas placas, tanto que é usada em muitos trabalhos no mundo inteiro, dos mais simples aos complexos (MCROBERTS, 2011). 2.2 Trabalhos Relacionados LOGO é uma linguagem de programação que foi desenvolvida no Massachusetts Institute of Technology (MIT), Boston, E.U.A., pelo Professor Seymour Papert, ela é uma linguagem que como todas as outras serve para que possamos nos comunicar com os computadores, mas em especial ela é desenvolvida para facilitar o aprendizado de uma forma lúdica e criativa (VALENTE, 2008). O kit educacional LEGO foi criado com o mesmo intuito da linguagem de programação LOGO, mas através de rôbos programáveis (MAIA, 2008). Este kit disponibiliza de peças de LEGO que contêm blocos de montar, engrenagens, motores, sensores, polias e uma interface (DE SOUZA PIO, 2006). Apesar da facilidade de aprendizado que esses kits educacionais proporcionam, não são tão acessíveis por terem um valor relativamente alto para a maioria das pessoas, ao contrário do Arduino. Os Kits Lego Mindstorms de robótica custam, em média, acima de reais (LEGO, 2016). Scratch é uma ferramenta desenvolvida pelo grupo Lifelong Kindergarten, do MIT, que tem um ambiente de programação ligado a objetos com características que incentivam jovens, de forma intuitiva, a utilizá-la e desenvolver sua lógica de programação. Como complemento, um grupo independente criou uma adaptação deste software, fazendo uma interação com o Arduino, o S4A (Scratch for Arduino). O S4A tem o propósito de facilitar o acesso às funcionalidades do Arduino (KALIL, 2013). Porém o S4A, por utilizar o Sratch que constitui em um sistema de blocos para construção de um script simplificado para crianças, se torna limitado e não abrange todos os níveis de alunos e projetos. A Unreal Engine é uma plataforma de desenvolvimento de jogos que possui uma interface de programação visual, denominada Blueprint, que facilita a prática de desenvolvedores com menos experiência e permite criação de projetos de vários níveis. É um software livre e grátis, disponível para qualquer desenvolvedor interessado (UNREAL, 2016). O Arduino é um microcontrolador que permite essa integração entre hardware e software, a fácil utilização é sua maior vantagem sobre outras plataformas, pessoas sem formação técnica podem, a partir do Arduino, aprender o básico e aplicar em seus projetos (MCROBERTS, 2011). Portanto, a escolha da Unreal Engine para interagir com o Arduino deu-se pelo seu fácil acesso e acessibilidade econômica, sendo possivel o uso dos dois como uma ferramenta educacional e acessível. O protótipo propõe, então, criação de jogo na plataforma Unreal Engine em conjuto com o microcontrolador Arduino e outros componentes eletrônicos aplicando a metodologia de Aprendizagem Baseada em problemas. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Arduino O Arduino é uma plataforma de código aberto (open-source) que surgiu da necessidade de integrar software e hardware de maneira simples e fácil de usar. As placas Arduino são capazes de receber entradas emitidas por sensores (sensores de luminosidade, botões) para gerar saídas que resultam em comportamentos definidos em código (ARDUINO, 2016). Ao decorrer dos anos, o Arduino tem sido a plataforma mais utilizada em projetos ao redor do mundo, variando de objeto do dia-a-dia até objeto de complexas pesquisas científicas. Tendo em vista sua ampla utilização e popularidade, este trabalho utiliza a plataforma Arduino como base Firmata Mostra Nacional de Robótica (MNR)

3 Firmata é um protocolo de comunicação com microcontroladores através de um software em um computador (ou smartphone/tablet, etc). O protocolo pode ser implementado no firmware de qualquer arquitetura de microcontroladores, bem como em qualquer pacote de software de computador.atualmente, a implementação mais completa encontra-se para a plataforma Arduino, incluído todas as suas variações e toda a família de microcontroladores semelhantemente compatíveis (ARDUINO, 2016) Unreal Engine A Unreal Engine é uma plataforma de desenvolvimento que possui um conjunto de ferramentas para desenvolvimento de jogos. Possui em seu catálogo de jogos desde projetos simples até jogos complexos criados em grandes estúdios. Essa variedade de jogos é devido a seus modelos de programação inclusos, capazes de atender a diversos tipos de desenvolvedores com níveis de programação variados (UNREAL, 2016) Blueprint Blueprint é um modelo de programação visual incluso na Unreal Engine, que descreve o comportamento do jogo na forma de um grafo de fluxo (figura 1). Por ser visual e simples, é o modelo mais adotado por desenvolvedores com menos experiência em programação, podendo ser estendido à linguagem de programação C++. Figura 2 Programação de comunicação com Arduino através do Firmata com Blueprint (Fonte: autoria própria). Sendo possível a comunicação entre o microcontrolador Arduino e a Unreal Engine, utilizam-se componentes eletrônicos (Tabela 1) para interagir com o espaço virtual do jogo. Esses componentes enviam ou recebem dados, e, de acordo com o que se é programado em Blueprint, executam uma ação (Figura 3). Figura 3 Interação entre Arduino e Unreal Engine (Fonte: autoria própria). Tabela 1 Materiais do projeto. Figura 1 Programação visual Blueprint. (Fonte: autoria própria) 3.5. Comunicação Arduino e Unreal Para realizar este trabalho, foi desenvolvido comunicação entre Unreal Engine e Arduino utilizando o protocolo Firmata. Assim, foi necessário o desenvolvimento de um Plugin em C++ que implementa a comunicação serial entre software e Arduino seguindo os padrões estabelecidos pelo protocolo. A fim de simplificar o processo de programação, foi realizada uma adaptação do código feito em C++ para o formato de programação visual Blueprint (figura 2). Materiais Quantidade Valor Microcontrolador Arduino UNO 01 R$ 60,00 Protoboard 01 R$ 15,00 Jumpers 10 R$ 15,00 Potenciômetro 01 R$ 1,50 Buzzer 01 R$ 1,00 Switch 01 R$ 0,50 LED 01 R$ 0,50 Resistores 02 R$ 0,20 Cabo USB 01 R$ 10,00 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Utilizando as ferramentas da Unreal Engine foi desenvolvido um protótipo do jogo interagindo com alguns componentes eletrônicos presentes na Tabela 1. O Arduino UNO é o receptor dos dados enviados através de portas digitais ou analógicas Mostra Nacional de Robótica (MNR) 3

4 pelos componentes (Figura 4). Os dados recebidos pelos componentes são interpretados pela programação em Blueprint e, a partir desses dados e da programação elaborada no Blueprint, é executado alguma função no jogo. SCAICO, Pasqueline Dantas et al. Programação no ensino médio: uma abordagem de ensino orientado ao design com Scratch. In: Anais do Workshop de Informática na Escola FERRANDIN, Mauri; STEPHANI, Simone Lilian. Ferramenta para o ensino de programação via Internet. Anais SULCOMP, v. 1, Figura 4 Esquematização dos componentes eletrônicos na protoboard. (Fonte: autoria própria) A integração é executada de modo bidirecional, é possivel enviar e receber dados com o Arduino UNO. Por exemplo, é utilizado o potenciômetro (resistor variável) para o controle da movimentação de uma plataforma na interface do jogo, e também é emitido um som pelo Buzzer (alto-falante) quando atingido um elemento da interface do jogo. Por consequência, é possivel a realização da comunicação das duas maneiras: com resultado na interface do jogo, nos elementos do jogo (virtual) e no exterior, nos componentes eletrônicos (físico). 5. CONCLUSÕES A aplicação da metodologia de Aprendizagem Baseada em Problemas no projeto de integração Arduino e Unreal Engine é uma proposta de ensino que visa um aprendizado interdisciplinar e lúdico a partir do uso da criação de um projeto de jogo interativo com componentes eletrônicos. Assim sendo, pretende-se implementar isso como opção de ensinoaprendizagem em algumas matérias da área de exatas como Física e Matemática. Foi observada a necessidade de uma interface de jogo mais elaborada para que o protótipo se torne mais atrativo visualmente e também realizar a implementação de mais componentes eletrônicos interativos com outras categorias de placa Arduino. Ao longo do desenvolvimento do projeto foi possível observar que a interação pode ser utilizada para outras áreas além do ensino. Com uma visão ampliada, percebe-se que é possível e viável utilizar a integração Arduino e Unreal Engine para outros projetos. Aqui coloca a parte que ele pediu e eu esqueci. Sendo assim não apenas uma ferramenta utilizável para ensino, mas também uma fonte de várias outras pesquisas e projetos futuros. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOS SANTOS, Rodrigo Pereira; COSTA, Heitor Augustus Xavier. Análise de Metodologias e Ambientes de Ensino para Algoritmos, Estruturas de Dados e Programação aos iniciantes em Computação e Informática. INFOCOMP Journal of Computer Science, v. 5, n. 1, p , CAVALCANTE, Marisa Almeida; TAVOLARO, Cristiane Rodrigues Caetano; MOLISANI, Elio. Physics with Arduino for beginners. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 4, p , DE MACEDO, Daniel Valente; RODRIGUES, Maria Andréia Formico; SERPA, Yvens Rebouças. Desenvolvimento de Aplicações Gráficas Interativas com a Unreal Engine 4. Revista de Informática Teórica e Aplicada, v. 22, n. 2, p , NOBRE, João Carlos Silva et al. Aprendizagem Baseada em Projeto (Project-Based Learning PBL) aplicada a software embarcado e de tempo real. In: Anais do Simpósio Brasileiro de Informática na Educação p COSTA, Valéria CI. Aprendizagem baseada em problemas (PBL). Revista Távola Online, n. 5-3, DE OLIVEIRA, Wagner LA; ARRUDA, Gustavo HM; BITTENCOURT, Roberto A. Uso do método PBL no ensino de arquitetura de computadores ESCRIVÃO FILHO, Edmundo; RIBEIRO, Luis Roberto de Camargo. Aprendendo com PBL Aprendizagem Baseada em Problemas: relato de uma experiência em cursos de engenharia da EESC-USP. Revista Minerva, v. 6, n. 1, p , DE ANDRADE, Antônio Gabriel Pereira et al. Aplicação do Método PBL no Ensino de Engenharia de Software: Visão do Estudante PIROLA, Nelson Antonio. Ensino de ciências e matemática, IV: temas de investigação GURGEL, Ivannoska et al. A importância de avaliar a usabilidade dos jogos: A experiência do virtual team. Anais do SBGames, Recife, GURGEL, Ivannoska et al. A importância de avaliar a usabilidade dos jogos: A experiência do virtual team. Anais do SBGames, Recife, Mostra Nacional de Robótica (MNR)

5 Arduino Arduino. [ONLINE] Disponível em: Acessado em: 16 jul VALENTE, José Armando. Diferentes usos do computador na educação. Em aberto, v. 12, n. 57, Arduino Arduino. [ONLINE] Disponível em: Acessado em: 16 Jul Unreal Engine Epic Games. [ONLINE] Disponível em: Acessado em: 16 Jul MAIA, Lady Daiana O. et al. A Robótica como Ambiente de Programação ao Utilizando o Kit Lego Mindstorms Lego Lego Mindstorms. [ONLINE] Disponível em: Acessado em: 17 jul DE SOUZA PIO, José Luiz; DE CASTRO, Thais Helena Chaves; DE CASTRO JÚNIOR, Alberto Nogueira. A robótica móvel como instrumento de apoio à aprendizagem de computação. In: Anais do Simpósio Brasileiro de Informática na Educação p MCROBERTS, Michael. Arduino básico. Editora Novatec, v , KALIL, Fahad et al. Promovendo a robótica educacional para estudantes do ensino médio público do Brasil. Nuevas Ideas en Informática Educativa, TISE, p , Mostra Nacional de Robótica (MNR) 5