Uma Estrutura Conceitual para o Desenvolvimento de Ambientes Virtuais Multimídia Colaborativos Educacionais

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1 Uma Estrutura Conceitual para o Desenvolvimento de Ambientes Virtuais Multimídia Colaborativos Educacionais Ildeberto A. Rodello 1, Paulo N. M. Sampaio 2, Laura M. R. Peralta 2 1 USP Universidade de São Paulo Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade de Ribeirão Preto (FEA-RP) Avenida dos Bandeirantes 3900 Monte Alegre CEP rodello@fearp.usp.br 2 Universidade da Madeira(UMA) Laboratory for Usage-centered Software Engineering (LabUSE) Centro de Ciências Matemáticas (CCM) Campus da Penteada , Funchal, Madeira, Portugal { psampaio, lmrodrig}@uma.pt Resumo O artigo apresenta a proposta de uma arquitetura conceitual para a geração de ambientes virtuais com fins educacionais. Sua concepção procura agregar recursos multimídia e conceitos de trabalho colaborativo suportado por computador em ambientes de Realidade Misturada, caracterizando um Ambiente Virtual Multimídia Colaborativo. Abstract The paper presents a proposal of a conceptual architecture for educational virtual environments generation. It aims at aggregating multimedia resources and computer supported collaborative work in Mixed Reality environments, characterizing.a in multimedia and collaborative virtual environment. 1. Introdução O uso da Informática com fins educacionais ou de treinamento tem aumentado significantemente baseado em diferentes tópicos de pesquisa e desenvolvimento tais como: web sites educacionais, tutoriais online, sistemas de autoria, aprendizagem colaborativa, ensino a distância e recursos de Realidade Misturada, entre outros. O uso da Realidade Misturada (RM), em particular no processo de ensino/aprendizado, tem como objetivo melhorar o processo de aprendizagem uma vez que permite a simulação de situações que não poderiam ser experimentadas por um estudante dentro de uma sala de aula. RM é um termo utilizado para caracterizar o espaço de transição entre o mundo real e um mundo artificial gerado por computador [6]. Um ambiente de RM baseia-se na coexistência de objetos reais e virtuais, que o usuário interage sem distinção, de maneira fácil e intuitiva. Para muitos, a RM é considerada como a próxima geração de concepção de interfaces. Além disso, a apresentação de informação por meio de documentos multimídia interativos (IMD) dentro dos ambientes virtuais representa uma tendência promissora e interessante no desenvolvimento de ambientes educacionais, enriquecendo a experiência dos estudantes. Os IMDs descrevem a apresentação simultânea de diversos tipos de mídia que podem ser integradas de forma a suportar diversas forma de interação (navegação, seleção, etc.) Ainda, se estes usuários puderem interagir e realizar atividades colaborativas/cooperativas (CSCW - Computer Supported Cooperative Work), o processo de aprendizagem pode também ser facilitado. A cooperação age como um agente motivador procurando aumentar a produtividade. Quando aplicada aos ambientes educacionais, pode estimular o estudante uma vez que ele pode, dentro de uma sessão colaborativa, se comunicar e trocar experiências com os participantes geograficamente dispersos. Dentro deste contexto foi iniciado em 2007 um projeto que propõe a criação de uma arquitetura genérica para o desenvolvimento de ambientes virtuais multimídia colaborativos (Multimedia and Collaborative Virtual Environments - MCVEs) com fins educacionais, denominada CreaTiVE (Creative Toolkit in Multimedia and Collaborative Virtual

2 Environments) [12], visando explorar o potencial da RM, da multimídia e do CSCW no desenvolvimento do software educacional. A RM para oferecer um modelo de interação atraente e intuitivo, a multimídia para descrever todos os aspectos da concepção de documentos multimídia e hipermídia e CSCW, para focalizar as formas apropriadas de cooperação entre pessoas ou grupos de pessoas para executar uma tarefa comum e examinar a concepção, a implementação e a realização de software para essas formas de cooperação. Adicionalmente, o CreaTiVE também tem a intenção de preencher uma lacuna percebida pelos autores na proposição de modelos ou estruturas conceituais que possam orientar e formalizar o projeto e o desenvolvimento de ambientes virtuais multimídia colaborativos. Assim, o objetivo principal desse artigo é descrever os componentes dessa estrutura, apresentando dois experimentos realizados. Tais experimentos tem a intenção de explorar o potencial de duas possibilidades de implementação (Java e C++/Ogre) dentro do modelo proposto. A integração em ambos os casos foi realizada com o apoio da linguagem XML. Este artigo está estruturado da seguinte forma: a seção 2 procura sumarizar o assunto relacionado a aplicação da tecnologia na Educação. Os aspectos relativos ao CreaTiVE (estrutura, módulos e componentes) são apresentados na seção 3. Na seção 4 são discutidos os dois experimentos realizados. Por fim, na seção 5, há algumas considerações finais. 2. Tecnologia e Educação Quando novas tecnologias para Educação são propostas, imagina-se que são apenas melhorias dos métodos de ensino/aprendizagem já conhecidos, e raramente são repensados os processos fundamentais do ambiente escolar. Não é possível encarar o computador como uma ferramenta que ensina, mas como uma ferramenta auxiliar para execução de um plano de estudos, procurando explorar os recursos disponíveis. É interessante ressaltar que apenas a tecnologia não garante a melhoria do processo educativo e, conforme for usada, pode revolucionar ou desfavorecer o processo de ensino/aprendizagem existente [7] [14]. As novas tecnologias tais como: Inteligência Artificial (IA), Internet e RV, dentre outras, permitem a interatividade, a participação, a intervenção, a bidirecionalidade e a multidisciplicinaridade em Ambientes Educacionais. Importa atentar-se para essa nova tendência, para esse novo receptor e suas necessidades, pois assim será possível moldar a Educação de forma substancial e fazer da sala de aula um espaço diversificado e não de uniformidade e de rotina. A criação de um ambiente artificial para aprendizagem pode ser um importante aliado para a forma apropriada para aquisição do conhecimento. A artificialidade poderá ajudar na concentração do conteúdo a ser ensinado, e as relações com o exterior conferem veracidade às propostas e geram possibilidades de troca, visando proporcionar uma evolução no processo de ensino/aprendizagem [1]. A possibilidade de criar ambientes computacionais para a utilização na Educação não afirma que os mesmos são Softwares Educacionais. O que qualifica um software como educacional é ele possuir alguma metodologia pedagógica associada. A compreensão das Teorias de Aprendizagem permite identificar qual metodologia possa ser a mais adequada para um determinado tipo de aprendizagem. Segundo [16], um software para ser educativo deve ser pensado segundo uma teoria sobre como o sujeito aprende, como ele se apropria e constrói seu conhecimento. Segundo [1], a Educação pode ser vista como um processo de descoberta, exploração e de observação, além de eterna construção do conhecimento. O que a torna a um dos campos mais férteis para o uso da tecnologia. Nesse sentido, a tecnologia como meio de ensino e aprendizagem se apóia nas teorias construtivistas, em que o conhecimento não é transmitido, mas sim construído pelo aluno. A construção do conhecimento parte de um processo ativo e engajado, e em atividades cognitivas. [10]. A tecnologia na Educação pode ser abordada das seguintes formas: utilizando o computador como meio de transmissão de conhecimentos, mantendo a mesma prática pedagógica em uma aula presencial, ou informatizando os processos de ensino já existentes. Outra forma ainda é a sua utilização para elaboração de ambientes de ensino/aprendizagem que enfatizam a construção do conhecimento, de forma a propiciar a vivência de experiências educacionais, do que simplesmente transmitir o conhecimento adquirido. Segundo [15], o computador apresenta um grande potencial como ferramenta de apoio ao ensino, enriquecendo a organização de ambientes de ensino/aprendizagem dos programas educacionais. A tecnologia como ferramenta educacional necessita ter como função principal à de ferramenta intelectual que permita aos alunos construírem significados e representações próprias do mundo. De acordo com [15], não basta apenas visualizar informações ou salas presenciais mudando a forma de aprendizagem, e sim fazer a mudança dos paradigmas educacionais. As tecnologias voltadas para o processo educacional

3 colocam o aluno em um ambiente repleto de estímulos visuais, auditivos, convivendo com imagens animadas, vídeos e jogos. Segundo [4], o principal fator em qualquer iniciativa de instrução, independentemente do formato ou local, é a qualidade do projeto instrucional que é executado. Com base na falta de provas de que a tecnologia influencia significativamente o processo de aprendizagem, acadêmicos no campo da tecnologia instrucional concluem que a tecnologia utilizada em um programa online não é tão importante como outros fatores, tais como a pedagogia e o projeto do curso. No entanto, como afirmam os autores: a aprendizagem parece ser a mais afetada do que aquilo que é entregue por meio da entrega. O design instrucional (planejamento instrucional) tem muita importância no planejamento e desenvolvimento de cursos online. O conhecimento do modelo pedagógico, dos métodos e das competências necessárias pelos instrutores e alunos, bem como a pesquisa e as estratégias instrucionais (atividades planejadas, técnicas ou processos implementados pelo instrutor), são importantes e devem ser considerados durante o projeto e o desenvolvimento de cursos online. Dessa forma, são levantadas as seguintes questões: (a) como devem ser incorporadas todas essas informações para a elaboração de em um curso efetivo? (b) qual a melhor forma de combinar o planejamento e o desenvolvimento escolhidos? Deve-se perceber que as pessoas envolvidas no processo devem ter um projeto muito bem elaborado de preferência flexível - para que seja possível o tratamento de todas as variáveis e diferentes configurações presentes em um curso a distância [3]. 3. Creative Toolkit in Multimedia and Collaborative Virtual Environments O CreaTiVE visa fornecer uma ferramenta de autoria onde os usuários possam criar e customizar seu próprio ambiente de aprendizagem pela adição dos elementos de RM, de ferramentas colaborativas e de apresentação multimídia. No entanto, a ferramenta de autoria depende da estruturação conceitual do desenvolvimento de uma aplicação. Essa seção apresenta tal estrutura Arquitetura Geral Apresentada na Figura 1, a arquitetura geral do CreaTiVE prevê a inter-relação de quatro módulos para a implementação de MCVEs: Colaborativo (CSCW), Realidade Misturada (RM), Multimídia e Comunicação. Figura 1. Arquitetura Geral do CreaTiVE O módulo MVCEs está relacionado a uma plataforma para a criação das aplicações onde o usuário (autor) pode aplicar (instanciar) as ferramentas disponíveis (através de APIs) dos módulos CSCW, RM e Multimídia. Em linhas gerais, o módulo CSCW é o responsável por fornecer todo o suporte para as atividades colaborativas, gerenciamento de groupware, percepção em tempo real e gestão da coordenação de atividades. O módulo RM, prove todo o suporte para a criação de ambientes de realidade misturada, incluindo-se modelos de interação não convencionais. O módulo Multimídia, por sua vez, está incumbido de realizar o gerenciamento, principalmente no que se refere ao suporte para a sincronização de mídias (som, vídeo, texto e imagem) e também por fornecer a interface para a inserção de mídias interativas no AV. Por fim, a plataforma de comunicação, tem como finalidade oferecer suporte para toda a troca de mensagens via Internet, em tempo real, entre os participantes do ambiente. Tal suporte pretende incluir: video-conferência (multicasting), qualidade de serviço e autenticação, entre outros Módulo CSCW Como mencionado, o módulo CSCW é o responsável por fornecer todo o suporte para as atividades colaborativas, gerenciamento de groupware, percepção em tempo real e gestão da coordenação de atividades. Ele é composto por 3 submódulos: Ferramentas Colaborativas, Gerenciamento de Sessão e Gerenciamento de Participantes (Figura 2). Figura 2 Módulo CSCW

4 As ferramentas colaborativas compreendem um conjunto de facilidades tais como: whiteboard, chat, ferramentas de percepção (awareness), vídeoconferência, entre outros. A percepção, em particular, fornecerá uma descrição do estado da sessão apresentada dentro do cenário virtual. A base para sua implementação é o synchronous session model CDSM (Coordination Diagram based Synchronous session Model) [11]. O gerenciamento de Sessão é composto por um conjunto de mecanismos por meio dos quais um usuário pode encontrar, iniciar e deixar uma sessão colaborativa. Há mecanismos para: i) gerenciar as ações relacionadas ao controle do estado da sessão e, ii) notificar mudanças desses estados. Deve também gerenciar as atividades de colaboração distribuídas e concorrentes, além dos eventos de: sessão (abrir/fechar/criar/apagar sessão), participantes (entrar/deixar uma sessão), ferramentas (abrir/fechar uma aplicação) e mensagens (warnings). O submódulo Gerenciamento de Participantes, por sua vez, permite a criação de perfis de usuários e controle dos participantes dentro de uma sessão. É oferecida uma interface onde cada usuário poderá definir seu perfil (nome, , afiliação, endereço IP, representação, etc.), se juntar a um determinado grupo e escolher a sessão. Para maior controle, todas as informações de perfil e estado são armazenadas em uma base de dados Módulo RM Esse módulo é o responsável pelo suporte necessário ao desenvolvimento e execução dos recursos de RM. Tal suporte está baseado na relação de 4 submódulos, apresentados na Figura 3. Figura 3 Módulo Realidade Misturada O submódulo Captura de Imagens, consiste no suporte para eventual uso de câmeras para a captura do ambiente real onde serão inseridos os objetos virtuais gerados pelo submódulo Objetos Virtuais. Adicionalmente, o submódulo Captura de Imagens será dotado de mecanismos de processamento de imagens para a detecção e posicionamento dos objetos virtuais na cena. O submódulo Interação consiste no devido suporte para os processos interativos pertinentes a um sistema de RM. Tais processos compreendem: visualização, navegação, seleção e manipulação, acesso, feedback e controle do sistema [2]. Complementarmente ao submódulo de interação, existe o submódulo Suporte a Dispositivos, que oferece recursos para a inserção de dispositivos não convencionais tais como luvas e capacetes como dispositivos de E/S Módulo Multimídia O módulo multimídia é responsável por fornecer um conjunto de APIs para apresentação, gerenciamento de sincronização e escalonamento de apresentações multimídia. Tais APIs podem ser instanciadas tanto dentro do ambiente virtual quanto pela ferramenta colaborativa. Os componentes desse módulo estão caracterizados na Figura 4. Figura 4 Módulo Multimídia Os submódulos: i) Vídeo Player; ii) Audio Player e iii) Video/Audio Player, permitem o tratamento e a apresentação de streams de áudio e vídeo. O IMDs Player, por sua vez, permite a apresentação de documentos multimídia interativos, e pode ser descrito com linguagens de autoria de alto-nível, tais como SMIL [13], XMT/MPEG-4 [5], etc. O submódulo de sincronização/escalonamento é responsável por: i) assegurar a sincronização e a consistência temporal das apresentações multimídia e, ii) escalonar tais aplicações Plataforma de Comunicação A plataforma de comunicação visa prover um conjunto de serviços para assegurar a conectividade e a troca de informações entre os participantes. Face aos outros componentes do sistema, tais serviços deverão ser implementados para suportar comunicação em tempo-real. Havendo aplicações multimídia, recursos tais como multicast e garantias de qualidade de serviço (QoS) deverão ser implementadas. Em relação a atividades colaborativas, são disponibilizados serviços tais como suporte para notificação e autenticação, entre outros.

5 4. Experimentos Seguindo a estrutura apresentada na seção 3 foram desenvolvidos dois ambientes experimentais para testes que são apresentados e discutidos nessa seção. O primeiro é um AV que se apóia nos princípios de mapa conceituais como ferramenta pedagógica e orientação para a inserção da multimídia. O segundo tem foco no processo de sincronização de mídias dentro de um AV. Ambos os experimentos foram pensados somente em termos dos módulos RM e Multimídia. Duas linguagens diferentes (Java e C++, respectivamente) foram aplicadas de forma a ilustrar a implementação da arquitetura por meio da utilização de XML Experimento 1 O projeto é formado por uma interface que permite a inserção de mapas conceituais [17], por meio de um ambiente gráfico 3D (Figura 5) [9]. Junto com a inserção do mapa conceitual, é possível relacionar recursos áudio visuais para a transmissão de cada conteúdo de ensino. Após a inserção do mapa conceitual, o sistema permite que o aluno o acesse, por meio de um AV, os recursos disponibilizados para aquisição do conhecimento. Figura 5. Interface de Inserção do Mapa Conceitual A ativação e desativação das apresentações multimídia não são controladas por API nativas do sistema operacional. Os objetos 3D funcionam como um ponto de interação para início do respectivo player. A Tabela 1 sumariza os formatos suportados. Tabela 1. Extensões dos arquivos suportados Mídia Extensões Suportadas Texto TXT, DOC e HTML Imagem JPG, GIF, BMP e PNG Som MID, WAV e MP3 Video MOV, AVI, JPEG e WMV Slides PPT e PPS A solução aplicada para o suporte multimídia pode ser observada na Figura 6. O exemplo representa um cenário dentro de uma sala virtual com o suporte do mapa conceitual para navegação (canto superior esquerdo). Os recursos estão dispostos nas prateleiras. A partir da seleção com um clique, o recurso relacionado é ativado. Figura 6. Exemplo do Experimento Experimento 2 A apresentação de conteúdo multimídia de forma sincronizada foi o alvo do experimento 2. Para esse propósito, uma solução foi proposta e desenvolvida para fornecer integração de conteúdo multimídia dentro do ambiente OGRE [8], denominada OGRE- Multimedia. A principal meta do OGRE-Multimedia é fornecer uma forma de customizar apresentações multimídia como texturas sobre qualquer objeto 3D inserido no AV. Algumas importantes considerações devem ser levadas em conta para a integração de conteúdo multimídia dentro de um AV tais como: especificação da sincronização lógica e temporal para diferentes mídias, determinação de qual evento (interações) será aplicado para comunicação entre ambientes 2D/3D. As Figuras 7, 8, e 9 ilustram a utilização desse experimento. A apresentação multimídia é iniciada após a interação do usuário (por clique) com uma coluna sensitiva (Figura 7). Figura 7. Ponto de Interação Inicial Quando a apresentação é iniciada, a transparência do objeto é gradualmente modificada produzindo efeito fading-in. Como observado na Figura 8, um web-

6 browser é também apresentado como uma textura multimídia. Ao redor, há vídeos e imagens, que são exibidas de maneira sincronizada. A Figura 9 apresenta um exemplo de navegação. Figura 8. Exemplo do Experimento 2 Figura 9. Exemplo de Navegação com Browser 5. Considerações Finais e Trabalhos Futuros O artigo apresentou uma estrutura conceitual com aspectos de devem ser observados no projeto e implementação de ambientes virtuais multimídia colaborativos. Foram sumarizados dois experimentos que procuraram utilizar dessa estrutura. Os resultados obtidos nos dois casos demonstraram a viabilidade da arquitetura proposta através da utilização de tecnologias diferentes de implementação, tanto em termos de linguagens quanto em termos de APIs para suporte a execução das mídias. Ainda há vários aspectos a serem observados e outras tecnologias para serem analisadas. Cabem ainda experimentos acerca de ambientes colaborativos para fins de validação da estrutura no que se refere a essa parte. 6. Referências [1] Braga, M., (2001) Realidade Virtual e Educação. Revista de Biologia e Ciências da Terra, Volume 1, Nro 1. [2] Bowman, D. A., et al., (2001) An Introduction to 3-D User Interface Design, Presence, v.10, n. 1, p [3] Dabbagh, N.; Bannan-Ritland, B. (2005). Online learning: concepts, strategies and application Pearson. [4] Johnson, S. D.; Aragon, S. R. (2003). An Instructional Strategy Framework for Online Learning Environments. New Directions for Adult and Continuinge Ducation, n.100, p [5] Kim, M., Wood, S., Cheok, L. T. (2000). Extensible MPEG-4 Textual Format (XMT). In: Proceedings of the ACM Multimedia 2000 Workshops, Los Angeles, CA, USA. [6] Milgran, P.; et al.; (1994) Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-Virtuality Continuum, Telemanipulator and Telepresence Technologies, Vol. 2351, p [7] Nakamoto, P, et al., (2005). Utilização de Mapas Conceituais na Construção de Ambientes Virtuais de aprendizagem. XXV Congresso da Sociedade Brasileira de Computação. [8] OGRE 3D: Open source graphics engine. Avaliable on URL: [9] Oliveira, G. F. (2008)Desenvolvimento de um Sistema para Geração Automática de Ambientes Virtuais a Partir de Mapas Conceituais. Dissertação (mestrado). Univem. [10]Passerino, L.M., (2001). Informática na Educação Infantil: Perspectivas e Possibilidades. In: Roman, E. D.; Steyer, V. E. (Org.). A Criança de 0 a 6 anos e a Educação Infantil: Um retrato multifacetado. Canoas, pp [11] Rodríguez P., L. M., et al. (2002). Managing dependencies in dynamic collaborations using coordination diagrams, 6th International Conference on Principles of Distributed Systems (OPODIS 02), Reims France, pp [12] Sampaio, P. N. M.; et al. (2008). Customizing Multimedia and Collaborative Virtual Environments. In: Goran D. Putnik; Maria Manuela Cunha. (Org.). Encyclopedia of Networked and Virtual Organizations. 1 ed. Hershey, New York: Information Science Reference (an imprint of IGI Global), v. I, p [13] SMIL 2.0 (2001). Synchronized Multimedia Integration Language (SMIL 2.0). W3C Recommendation, [14] Souza, R. R.,(2005).Algumas Considerações Sobre as Abordagens Construtivas para Utilização de Tecnologias na Educação. Revista Liinc, V. 2, n. 1, p [15] Vendruscolo, F., Dias, J.A., Bernardi, G., Cassal, M.L., (2005) Escola TRI-Legal Um Ambiente como Ferramenta de Apoio ao Ensino Fundamental Por meio de Jogos Educacionais. Colabora A Revista Digital da CVA- RICESU, V. 3, N. 9. [16] Vieira, F.M.S. (1999) Avaliação de Software Educativo: reflexões para uma análise criteriosa. Edutecnet. [17] Novak, J.D.; Canãs, A.J., The Theory Underlying Concept Maps and How to Construct and Use Them, Relatório Técnico IHMC CmapTools Rev , Florida Institute for Human and Machine Cognition, disponível em: