Aplicações de Realidade Aumentada para Ensino de Física no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Campus Jataí

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1 Aplicações de Realidade Aumentada para Ensino de Física no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Campus Jataí Clarissa Avelino Xavier de Camargo 1, Vanessa Avelino Xavier de Camargo 2, Eliane Raimann 1, Italo Tiago da Cunha 2 e Marcos Wagner de Souza Ribeiro 2 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Campus Jataí 2 Universidade Federal de Goiás Campus Jataí clacamargo.info@gmail.com, vanessaxcamargo@gmail.com, elianeraimann@hotmail.com, italo.tiago@gmail.com.br e marcos_wagner@yahoo.com.br Resumo Existem vários problemas encontrados no processo de ensino-aprendizagem dos alunos, principalmente em nível fundamental e médio. A Física é uma disciplina que apresenta altos índices de reprovação e dificuldades de estudantes em compreendê-la. Este artigo tem como objetivo, portanto, o desenvolvimento e a utilização de um sistema em Realidade Aumentada como ferramenta didática e de motivação para o ensino de Física aos alunos do Ensino Médio, especialmente do IFG - Jataí (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Campus Jataí). Palavras chave: Realidade Aumentada, Ensino Médio, Concepção Espontânea. Abstract There are several problems in the teachinglearning process of students, especially in elementary and high school. Physics is a discipline that has high failure rates and difficulties of students in understanding it. This article aims the development and use an Augmented Reality system as a didactic and motivation's tool for teaching Physics to high school students, especially at IFG Jataí (Federal Institute of Education, Science and Technology of Goiás Campus Jataí). Keywords: Augmented Reality, High School, Spontaneous Conception, Constructivism 1. Introdução As relações humanas, embora complexas, são peças fundamentais no processo de ensino-aprendizagem, pois é a relação e a interação do aluno com o professor que levará o primeiro a construir o conhecimento e o segundo a se reavaliar constantemente. Contudo existem dificuldades a serem superadas para isso. As dificuldades encontradas pelos alunos ao aprender os conceitos, por exemplo, da Física, em todos os níveis escolares, vêm sendo objeto de discussão e análise há muitos anos. Mas os ainda altos índices de reprovação evidenciam a necessidade dessas pesquisas se aprofundarem ainda mais. Essas dificuldades, principalmente na educação básica são decorrentes do modo como a disciplina é ministrada e apresentada aos alunos. Nem sempre há a preocupação do professor em contextualizar fatos que permitiram aos físicos chegarem às conclusões científicas ensinadas. Na maioria das vezes, o conhecimento físico é apresentado separado da realidade do aluno, sendo composto por conjunto de fórmulas que serão utilizadas pelos alunos somente para resolver uma prova. O que se pode observar é uma falta de sintonia entre o que é elaborado nas pesquisas em Ensino de Física e o que é realmente utilizado nos textos de livros didáticos e, consequentemente, na sala de aula [14]. A mente do aluno não é como um livro em branco, pronto para se encher de informações. A interação e observação de mundo que ele já possui o habilitam na construção de explicações e previsões de diversos fenômenos físicos do seu dia-a-dia. Estas construções são conhecidas como concepções espontâneas (alternativas; intuitivas). As concepções espontâneas são encontradas em estudantes em todos os níveis de escolaridade, têm amplo poder explicativo e coerente, diferem dos conceitos, leis e teorias aceitas cientificamente, são persistentes e resistem aos conceitos que conflitam com elas, não mudam, mesmo diante de experimentos que as contrariam, apresentam semelhanças com esquemas de pensamento ultrapassados [14]. Apesar dos diversos estudos a respeito, por se apresentar como obstáculo principal a ser superado para alcançar o bom ensino de Física, não existe um modelo pronto, aceito pela comunidade de pesquisadores dessa área, sobre como alterar essas concepções prévias ou qual a melhor forma de modificá-las nos processos cognitivos dos alunos [8].

2 Todavia, a busca por metodologias que motivam o estudante e que levam em consideração quais são essas concepções é válida e muito útil ao que tange a necessidade de melhoramento do desempenho desses estudantes. A utilização de computadores no ensino de física abrange algumas possibilidades como coleta e análise de dados em tempo real, simulação de fenômenos físicos, instrução assistida, etc. [14], além de ser uma ferramenta que desperta o interesse de seu usuário. Mas é importante ressaltar que a utilização da informática na sala de aula deve levar em consideração muitos fatores para se tornar efetiva. A simples utilização de uma tecnologia não é suficiente para resolver as dificuldades encontradas, logo, informatizar o material tradicional não é solução, se não houver uma alteração das técnicas de ensino. Neste contexto, esta pesquisa visou aplicar em turmas do Ensino Médio do IFG de Jataí, aplicações desenvolvidas com a tecnologia de Realidade Aumentada em conjunto com materiais convencionais para avaliar como essa metodologia seria capaz de alterar ou romper com as concepções intuitivas, contribuindo para a construção do conhecimento dos alunos. Especificamente foi desenvolvida uma apostila com conteúdos nível médio da disciplina de física e, com o software ARToolKit foi criada uma aplicação em RA, que utilizava os marcadores da apostila para projeção de objetos em realidade virtual, ampliando a visualização do aluno a cerca do fenômeno físico estudado. A partir de questionários e testes feitos com os alunos foram analisados aspectos sobre o entendimento do conteúdo, facilidade de utilização e relevância. 2. Ensino Médio e o Ensino de Física A Declaração Universal dos Direitos Humanos (1948) já anunciava que todos os seres humanos nascem livres e iguais em dignidade e direitos. Para assegurar esses direitos e dignidade, a educação escolar se tornou imprescindível e firmou-se como um direito formal das sociedades modernas. O direito a ela é condição necessária para o exercício da cidadania e participação no mercado de trabalho e ainda é forma de socialização das pessoas de acordo com valores e padrões culturais e ético-morais da sociedade [6]. Na maioria das vezes, esses valores pertinentes à educação de forma geral estão atrelados mais ao Ensino Superior, principalmente o que diz respeito à inserção do estudante no mercado de trabalho. Contudo, esses valores devem ser importantes para os outros níveis de ensino, especialmente o Ensino Médio que, de acordo com dados sobre repetência e evasão escolar, é nesta etapa da educação básica que existe a contingência de milhares de jovens que necessitam de um emprego ou outras atividades econômicas que gerem subsistência. Nesse sentido, algumas mudanças que devem ocorrer para atender melhor essa demanda de alunos, a matriz curricular e a forma como os conteúdos são trabalhados em sala de aula merece destaque. O alto índice de reprovação e as dificuldades apresentadas pelos alunos no aprendizado de Física, especificamente, torna interessante a discussão e a procura por ferramentas e metodologias que ajudem a melhorar o índice de desempenho desses estudantes. Analisando as médias obtidas pelas escolas em cada área de avaliação da prova do ENEM [6] Ciências Humanas, Linguagens, Ciências da Natureza e Matemática as duas últimas apresentam o desempenho mais baixo dos alunos, evidenciando deficiência na área de exatas. Outros dados comprovam também o baixo desempenho de estudantes nas Ciências Naturais (Física), como é o caso do Enade e PISA. O Enade 2008 (Exame Nacional de Desempenho de Estudantes) apresentou que apenas 3,9% dos cursos de graduação em Física, licenciatura e bacharelado, obtiveram conceito 5 na avaliação que estima o rendimento dos alunos em relação aos conteúdos programáticos, habilidades e competências nas Instituições de Ensino Superior [9]. Realizado em 2006, o Programa Internacional de Avaliação dos Estudantes PISA [15] classificou o Brasil em 52º lugar entre 57 países participantes da avaliação, na escala de ciências, sendo considerado como significativamente abaixo da média OCDE. 3. Realidade Aumentada A utilização de dispositivos tecnológicos para visualização de objetos virtuais em três dimensões gerados por computador, em um ambiente real é uma definição geral sobre Realidade Aumentada [13]. Entretanto, Realidade Aumentada é um segmento de um conceito mais amplo: o de Realidade Misturada. A Realidade Misturada [11], [13] combina real e virtual na Realidade Aumentada e Virtualidade Aumentada. Na Realidade Aumentada, o mundo real é predominante, ao contrário, na Virtualidade Aumentada predomina o mundo virtual. Na figura 1 podemos observar as possibilidades de sobreposição do real com o virtual e vice-versa no diagrama de realidade/virtualidade contínua.

3 Figura 1. Diagrama de realidade/virtualidade contínua [13]. A realidade aumentada é definida de várias formas: visualização de objetos virtuais através de dispositivo tecnológico e em tempo real, enriquecendo o mundo real; utilização de textos e imagens virtuais gerados por computador para melhoria do ambiente real [11]; meio termo entre ambientes totalmente reais a ambientes totalmente virtuais, em que se encontra uma mistura dos dois mundos [13]; uso de objetos virtuais e reais no mundo real aplicando-se a todos os sentidos como audição, tato e cheiro, executando em tempo real [3]. A sobreposição de objetos virtuais no mundo real é possível por meio de computação gráfica e realidade virtual, permitindo ao usuário ampliar ou melhorar sua visão, de forma segura, ao interagir objetos virtuais em seu ambiente real [2], [5]. Além da visualização ampliada de objetos virtuais, a Realidade Aumentada proporciona ao usuário o manuseio desses objetos, tornando-se uma ferramenta motivadora e atrativa [4], [18]. Contudo, é necessária a utilização de software com capacidade de visualizar o ambiente real e fazer o posicionamento dos objetos virtuais através de um referencial (chamado marcador) para a manipulação e visualização de objetos virtuais em Realidade Aumentada, como o ARToolKit [17], por exemplo, que capta a imagem da webcam e, ao reconhecer um marcador cadastrado, posiciona sobre ele o objeto virtual correspondente. 4. Realidade Aumentada e Educação A informática já se firmou como recurso importante em todas as áreas. Na educação não é diferente, tornando assunto comum de pesquisas o porquê, como e quando utilizar o computador e ferramentas digitais (softwares e jogos, por exemplo) educativos para melhorar o processo de ensino e aprendizagem dos alunos em toda sua formação escolar. As novas tecnologias da informática vislumbram várias possibilidades de aplicação na educação, como o uso de softwares de simulação, tutoriais digitais, jogos educativos em realidade virtual, etc. A utilização de RA com fins educativos é outra tecnologia que merece destaque e tem sido avaliada de forma intensiva nos últimos anos [13]. Essas avaliações mostram como resultado, ganhos superiores de aprendizagem em comparação com diversas outras formas de interação visando educação mediada por computador [7]. Os mais diversos campos de ensino têm experimentado a implementação de sistemas que utilizam técnicas de Realidade Virtual e Aumentada, como medicina, indústria e aplicativos para matemática básica, experimentos virtuais de Óptica Geométrica e até simulações de circuitos integrados [7]. O ensino de Física, de forma geral, é um campo de ensino que pode também ser muito explorado com softwares e jogos em RA, pelas vantagens oferecidas por meio desta técnica de desenvolvimento. A aplicação de RA com fins educativos na aprendizagem de Física, sobretudo para Ensino Médio, além de um fator motivacional para os estudantes, admite a criação e observação de objetos e processos que dificilmente teriam acesso em aulas clássicas ou nos laboratórios, e ainda de situações e simulações que não são possíveis (ou são muito complexas) se reproduzir em laboratório, por exemplo: a ação de forças em um corpo sem a presença do atrito [1],[3],[7]. 5. Trabalhos Relacionados As técnicas de RV e RA surgiram há algumas décadas, mas só ganharam força e popularidade a partir da década de Da mesma forma as pesquisas sobre esse tema, que atualmente têm mostrado como são amplas as possibilidades de estudo. Na área da educação, podem-se encontrar trabalhos sobre as várias disciplinas e em todos os graus de ensino (fundamental, médio, superior). Esses trabalhos serviram como inspiração e também possíveis contribuições para trabalhos futuros para este projeto, por apresentarem um ponto de partida e maneiras para abordar o uso da tecnologia de RA na educação. O trabalho Realidade Aumentada e Objetos de Aprendizagem no Ensino de Física [7] apresenta a implementação de aplicações que utilizam RA para o ensino de Matemática e Física, mostrando o potencial dessa tecnologia na educação. O usuário, ao escolher Matemática, poderá construir, ele próprio, objetos 3D como solução de um exercício proposto. Para o caso da Física, podem ser visualizadas situações, como a queda livre de um corpo.

4 Figura 2. Objeto criado e resposta do exercício proposto (resposta incorreta) [7] O trabalho Uso de Realidade Aumentada Como Ferramenta Complementar Ao Ensino Das Principais Ligações Entre Átomos [1] apresenta uma aplicação desenvolvida utilizando a biblioteca FLARToolKit para simular as principais ligações entre átomos em realidade aumentada. Através da interação do aluno com a aplicação, incentiva e auxilia a construção do conhecimento, sendo avaliado de forma positiva. Figura 3. AR Chemical Connection [1] O projeto Sistema Complexo Aprendente: Um Ambiente de Realidade Aumentada Para Educação [10] apresenta o desenvolvimento de vários cenários de aprendizagem, enfatizando principalmente a integração do lúdico com o formal, visando atender as recomendações da legislação de implantação do Ensino Fundamental de 9 anos. Figura 4. Projeto SICARA [10] O trabalho Usando Realidade Aumentada no Desenvolvimento de Quebra-cabeças Educacionais [19] discute o uso de RA no desenvolvimento de quebra-cabeças em três dimensões, ostentando que é possível, usando o computador com plataforma simples e software gratuito, recriar esse jogo de forma motivadora, atraente e fácil de jogar. Figura 5. Quebra-Cabeças [19] 6. Implantação de RA no IF Goiás A implantação das Técnicas de Realidade Aumentada nas turmas de Ensino Médio do IFG (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Campus Jataí) aconteceu de maneira gradativa, auxiliando e facilitando o acompanhamento da evolução dos educandos ao interagirem com a aplicação desenvolvida. No IFG Campus Jataí, as séries de ensino médio ofertadas são todas na modalidade Ensino Médio Técnico Integrado. Além disso, o Instituto possui 9 (nove) laboratórios de informática bem estruturados com máquinas configuradas para possibilitarem a utilização por todos os alunos. Essa proximidade dos alunos com o uso básico do computador foi extremamente importante para iniciar a utilização da aplicação em RA, pois facilitou o uso da aplicação, os alunos entenderam com facilidade como usar o sistema e as dificuldades encontradas foram mínimas. Antes que os alunos tivessem acesso ao Livro Mágico de Física e à aplicação, os professores que ministraram a disciplina de Física nas turmas analisadas tiveram a oportunidade de explorar e manipular todas as simulações programadas, de maneira a tornarem-se aptos a ministrar as aulas práticas. Os professores mostraram-se animados com o uso de uma nova ferramenta didática para tornarem as aulas mais interessantes e menos cansativas, já que na instituição em questão a duração das aulas é de uma hora e trinta minutos seguidos de intervalos de quinze minutos. Os alunos, alvo principal desta pesquisa, motivaram-se com o novo método de utilização dos recursos computacionais disponíveis e com a interação do livro didático com as simulações em computador Livro de Marcadores O livro com os marcadores utilizados para visualizar os objetos virtuais foi desenvolvido a partir de conceitos retirados de livros texto da disciplina de Física e, para cada tópico programado, foi inserido um marcador. Esse material, demonstrado na Figura 6, foi disponibilizado para os alunos, permitindo que eles utilizassem a aplicação em outros momentos extraclasse.

5 Figura 6. Livro de Marcadores Os objetos virtuais, em sua maioria, foram obtidos em repositórios relacionados ao formato e adequados ao assunto abordado. Todos os objetos possuem animação e mostram movimentos ou simulações que na forma de imagens estáticas não demonstrariam o real funcionamento da teoria apresentada. Na Figura 7, duas engrenagens e uma esfera são usadas para demonstrar o MRU (Movimento Retilíneo Uniforme). Figura 7. Livro Mágico de Física 7. Metodologia e Testes Antes de iniciar o desenvolvimento da aplicação em RA, foi elaborado primeiramente o Livro de Marcadores e discutida as situações abrangidas pelo sistema. O Livro de Marcadores é uma apostila com os conteúdos e conceitos referentes à disciplina de Física do E. M. como um livro comum de estudo. No entanto, possui os marcadores para utilização da aplicação. Um livro-texto [12] da área de Física foi utilizado como referência de conteúdos, pois, por se tratar de material didático foi necessário seguir uma ordem lógica desses conteúdos, tanto para facilitar o entendimento por parte dos usuários, quanto para permitir a construção das situações aplicando todos os conceitos necessários. Entretanto, o Livro de Marcadores não é uma cópia do livro de física, acrescentado de figuras. O Livro de Marcadores possui aproximadamente 50 páginas divididas em unidades: Mecânica, Termodinâmica e Eletricidade. As unidades são ainda divididas em capítulos que representam as situações programadas no software, por exemplo, Mecânica é subdividida em movimento retilíneo, força e movimento, hidrostática, trabalho e energia. Depois de concluído o Livro, iniciou-se o processo de modelagem e desenvolvimento da aplicação. Para usar os objetos 3D em RA foi utilizada a biblioteca de programação ARToolKit, considerada um kit de ferramenta de realidade aumentada e é amplamente aceita e utilizada por desenvolvedores e pesquisadores da comunidade de Realidade Aumentada [17]. É uma biblioteca multiplataforma e open source, que emprega métodos de visão computacional para detectar e reconhecer imagens capturadas por uma câmera e depois sobrepor o objeto virtual sobre a imagem capturada. Há também a possibilidade de utilização do FLARToolKit, outra biblioteca para desenvolvimento de aplicação em RA baseada em Flash e derivada do ARToolKit. Para elaborar de que maneira seriam programadas as situações do software foi utilizado o programa de física chamado Prometeus como referência. O Prometeus [8] foi escolhido, pois, apesar de desenvolvido na década de 90 em linguagem C/C++ e defasado em relação às atuais tecnologias gráficas, o mesmo foi usado nesta instituição de ensino durante anos, e as simulações existentes no mesmo foram tridimensionadas e incluídas no sistema no formato wrl. Além disso, seu conteúdo é atual ao que concerne à ruptura das concepções espontâneas já mencionadas anteriormente. O programa Prometeus foi premiado em segundo lugar no Concurso Nacional de Software para Instituições de Ensino Superior, patrocinado pelo MEC, em Ele já foi bastante utilizado em sala de aula e seus resultados foram apresentados e discutidos, tendo uma avaliação geral muito positiva, contudo, não totalmente satisfatória devido, em grande parte, pela tecnologia defasada. Nesse sentindo, foi válida a utilização dele como modelo de referência para desenvolver outras simulações utilizando tecnologia mais recente, como Realidade Aumentada. O método de avaliação utilizado para mensurar a aplicabilidade do software foi por meio de questionários aplicados aos alunos do ensino médio integrado, desenvolvidos a partir do método de escala Likert cumulativo.

6 8. Resultados e Conclusões Analisando as respostas obtidas dos questionários e dos testes foi possível avaliar como a aplicação serviu para melhorar o desempenho dos estudantes e a motivação deles. Os resultados obtidos demonstram que os alunos aprovaram a utilização de realidade aumentada com o livro didático em mais de 80% e nota-se que isso se deve ao fato de poderem visualizar as situações em todos os ângulos, o que não é possível nas figuras estáticas dos livros comuns. Melhorando a visualização dos fenômenos físicos, os alunos conseguiram abstrair melhor os conceitos, melhorando seu desempenho. De acordo com as normas ISO/IEC 9126 [16] adaptada para avaliar software educacional, foi feita outra avaliação do sistema, dessa vez os professores também participaram. Os quesitos avaliados foram a respeito da eficiência, usabilidade, confiabilidade, funcionabilidade e manutenção do sistema em que a porcentagem foi superior a 50% em todos os critérios, numa média total entre eles de 72%. De maneira geral, analisou-se que a motivação gerada pela aplicação despertou o interesse de estudar mais nos alunos e por conseqüência, melhoraram seu desempenho. Considerando todas as análises e avaliações empregadas, conclui-se que o sistema foi bem aceito pelos usuários, mostrou-se fácil de usar abrangendo a totalidade dos alunos participantes dos testes. Tanto os alunos quanto os professores, de forma geral, avaliaram a aplicação como interessante, pois poucos conheciam a tecnologia utilizada, tornando o software mais estimulante por ser novidade. Os alunos se mostraram mais entusiasmados com as aulas, que deixaram de ser chatas e difíceis para serem diferentes e legais como colocado por alguns alunos nas avaliações. Utilizando as avaliações, pode-se ainda, considerar melhorias a serem feitas na aplicação para torná-la mais eficiente, como a implementação de mais situações e acrescentar a possibilidade ao aluno de alterar algumas variáveis no cenário virtual para observar outros resultados. 9. Referências Bibliográficas [1] ARAÚJO, D. M. et al. Uso de Realidade Aumentada Como Ferramenta Complementar Ao Ensino Das Principais Ligações Entre Átomos, VI WRVA, Disponível em: < Acesso em: 28/06/2010. [2] AZUMA, R. T. Tracking Requirements for Augmented Reality, Communications of the ACM, 36(7):50-51, July [3] BELL, J.; FOGLERL, H. S. (1995) The Investigation and Application of Virtual Reality as an Educational Tool Proceedings of the american society for engineering education annual conference, Anheim, CA.. [4] BILLINGHURST, M. et al. The MagicBook Moving Seamlessly between Reality and Virtuality. Computer Graphics and Applications, (3), 2-4. Disponível em < Acesso em 30 de março de [5] BOMAN, D. K. 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