DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTES VIRTUAIS PARA O ENSINO DA FÍSICA

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1 DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTES VIRTUAIS PARA O ENSINO DA FÍSICA TRINDADE, Jorge Fonseca Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico da Guarda Guarda, Portugal FIOLHAIS, Carlos Departamento de Física da Universidade de Coimbra Coimbra, Portugal Resumo É crescente a preocupação dos docentes pelo insucesso dos alunos na aprendizagem da Física. O recurso às novas tecnologias, nomeadamente à utilização do computador no contexto da sala de aula, tem sido uma das várias possibilidades no sentido de enfrentar o problema. Com a evolução das capacidades gráficas do computador abrem-se novas perspectivas de utilização pedagógica. A realidade virtual acrescenta uma nova dimensão à forma como habitualmente se faz a visualização gráfica. As características desta nova tecnologia possibilitam uma maior interactividade por parte do utilizador incluindo a manipulação de objectos num ambiente imersivo. Com o objectivo de avaliar as potencialidades desta tecnologia no ensino e aprendizagem da Física estão a ser desenvolvidos, no Departamento de Física da Universidade de Coimbra, ambientes virtuais, tendo por alvo os alunos dos anos terminais do ensino secundário e do 1º ano do ensino superior. Esta comunicação pretende dar a conhecer os desenvolvimentos nos projectos Água Virtual e Física Virtual, conteúdos de realidade virtual para o ensino da Química e da Física, respectivamente. O primeiro trabalho tem como público destinatário os alunos do ensino secundário. O assunto central é a água e o trabalho envolve assuntos como orbitais atómicas e moleculares, densidades electrónicas, dinâmica molecular, etc. O estudo deste tema tem motivado bastantes investigadores devido à importância que simulações realistas da água desempenham em Física, Química e Biologia mas menos atenção tem sido prestada à sua exploração pedagógica com novas metodologias computacionais. Por outro lado, o projecto Física Virtual é um ambiente vocacionado para a exploração de conceitos no domínio da Mecânica Clássica e que tem como público destinatário estudantes do primeiro ano universitário (cadeira de Física Geral).

2 1. Introdução O recurso aos gráficos, em particular os tridimensionais, para a visualização e interpretação de informação numérica tem vindo a aumentar substancialmente tanto na investigação como no ensino das ciências. Em particular, esse recurso é maior em domínios onde a interactividade é fundamental e a interpretação de informação complexa é mais exigente. As razões para tal interesse são claras: no domínio da investigação científica é mais fácil tirar ilações de um modelo tridimensional do que da simples leitura de números ou interpretação de fórmulas; no domínio da aprendizagem está provada a utilidade de métodos gráficos, em particular os imersivos, na formação de modelos conceptuais correctos [1]. A realidade virtual baseia-se na construção computacional de ambientes gráficos tridimensionais. Por meio de hardware específico (luva, capacete, etc.), consegue-se, em tempo real, a interacção e manipulação com elementos desses cenários, numa completa sensação de imersão num mundo "alternativo". Interactividade (navegação, escolha do referencial, etc.), manipulação (realização de acções de forma idêntica à do mundo real, como por exemplo o lançamento de uma bola) e imersão (a maioria das acções provêm do ambiente virtual) são os três pilares que distinguem estas novas técnicas, que constituem uma extensão das simulações convencionais num ecrã de computador. No campo educativo, o uso da realidade virtual encontra-se devidamente justificado [2,3]. Expõem-se, em síntese, alguns pontos que parecem ter reunido o consenso de vários especialistas em educação: Os processos psicológicos num ambiente virtual são muito semelhantes aos correspondentes num ambiente educativo real. Na área educativa, as sensações tácteis são frequentemente neglicenciadas. Em consequência, é frequente criar imagens incorrectas pela ausência e impossibilidade de sentir os objectos reais. Na experimentação científica, a manipulação de objectos é fundamental. Sem ela, os alunos dificilmente compreendem o conteúdo, significado e alcance de uma experiência ou mesmo os conceitos que lhe estão subjacentes. Com o objectivo de avaliar as potencialidades da realidade virtual no ensino e aprendizagem da Física e da Química, estão a ser desenvolvidos, no Departamento de Física da Universidade de Coimbra, em colaboração com o Departamento de Química e do Centro de Computação Gráfica da mesma universidade, ambientes virtuais, tendo por alvos os alunos dos anos terminais do ensino secundário e do primeiro ano do ensino superior. Os trabalhos que estão a ser desenvolvidos envolvem conceitos muito distintos: no projecto Água Virtual, vocacionado para alunos do ensino

3 secundário, devido à importância, a este nível, da utilização de modelos conceptuais correctos, são explorados assuntos como orbitais atómicas e moleculares, densidades electrónicas, dinâmica molecular, etc. No projecto Física Virtual o assunto que está a ser explorado é no domínio da Mecânica Clássica e a preocupação fundamental é a de criar condições experimentais que possibilitem aos alunos a realização de actividades que de outra forma fossem difíceis ou impossíveis de realizar. 2. O Projecto Água Virtual Neste trabalho pretende-se conceber um ambiente lúdico-educacional, aliando a modelação molecular com a representação gráfica tridimensional imersiva. A escolha da água justifica-se pelo facto de se tratar de uma substância comum e relativamente simples. Apesar do seu estudo interessar bastantes investigadores [4,5] pouca atenção tem sido dada à exploração pedagógica desse tipo de simulação. Os assuntos abordados no projecto vão desde o estudo da geometria da molécula até à estrutura das fases sólida, líquida e gasosa, passando pelo estudo da densidade electrónica e das ligações por pontes de hidrogénio. Para os estudantes uma compreensão da água começa com as orbitais atómicas, em particular, com as s, p e d do hidrogénio, razão pela qual este assunto também está incluído no projecto. A exploração dos conteúdos é feita segundo duas vertentes (Figura 1): a) Macro Micro - da exploração das fases da água à exploração do átomo (linha contínua na figura). b) Micro Macro - do estudo das orbitais atómicas às diversas fases da água (linha tracejado). Em qualquer dos casos a exploração dos cenários é precedida pela navegação num ambiente de treino. O objectivo é ajudar o utilizador a conseguir um equilíbrio fisiológico nos diversos cenários virtuais e a garantir uma boa adaptação aos interfaces (luva e capacete), à navegação, imersão e interacção em ambientes virtuais. O projecto Água Virtual é um trabalho constituído essencialmente por dois momentos: numa primeira fase (a que está a decorrer) pretende-se a visualização da geometria da molécula de água (C2), das ligações por pontes de hidrogénio (C5), das diversas fases da água (C1) e ainda o cálculo e representação da densidade electrónica da água (C4) e funções de onda do hidrogénio (C3). Numa segunda fase, pretende-se acrescentar outros aspectos que possibilitem nomeadamente o estudo de transições de fase.

4 Ambiente de Treino b) a) Cenário Natural C1 Fases: Sólida, Líquida, Gasosa C2 Molécula de Água Hidrogénio (Funções de Onda) C3 Densidade Electrónica C4 Ligações C5 Figura 1 - Estrutura geral do ambiente virtual. A linha a tracejado indica a exploração dos conteúdos na vertente microscópica enquanto a linha contínua permite uma exploração das fases da água até ao átomo. O projecto consiste essencialmente em dois momentos: numa primeira fase (a que está a decorrer) pretende-se a visualização da geometria da molécula de água (C2), das ligações por pontes de hidrogénio (C5), das diversas fases da água (C1) e ainda o cálculo e representação da densidade electrónica da água (C4) e funções de onda do hidrogénio (C3). Numa segunda fase, pretende-se acrescentar outros aspectos que possibilitem nomeadamente o estudo de transições de fase. Para a implementação do ambiente virtual são utilizados dois pacotes de software a correr em paralelo em dois PCs. Um dos pacotes, WorldToolkit, é destinado à definição e criação dos cenários virtuais e o outro, Gaussian 94, é destinado a efectuar cálculos relacionados com a molécula de água nomeadamente, a optimização da geometria (C2) e obtenção da densidade electrónica (C4). 3. O Projecto Física Virtual Encontra-se ainda numa fase inicial de designe e concepção e por isso sujeito a alterações. A escolha da Mecânica Clássica como objecto de tratamento deve-se ao facto de a matéria leccionada

5 na disciplina de Física, nos anos terminais e iniciais dos ensinos secundário e superior, respectivamente, ser predominantemente no âmbito da Física Clássica. Por outro lado é sabido que o estudo da Física se faz, na maioria dos casos, com base em suposições difíceis de verificar em situações reais, como por exemplo: desprezar o atrito ou a resistência do ar, considerar o corpo reduzido a um ponto material desprezando a sua forma e dimensão, considerar um sistema isolado, etc. Os alunos não têm, normalmente, qualquer experiência decorrente deste tipo de situações, criando-se assim a possibilidade de conflito entre os seus modelos conceptuais e os conteúdos transmitidos. Como tal, a exploração dos conceitos neste ambiente virtual está projectada segundo três vertentes: ponto material, sistemas de partículas e corpo rígido. Manipulando variáveis, como por exemplo coeficientes de atrito e de restituição, aceleração gravítica, etc. será possível criar condições que permitem a exploração de conceitos como: rotação do corpo rígido, atrito, colisões, etc. Em qualquer um dos projectos pretende-se que o produto final seja disponibilizado à população escolar através do centro de competência Nónio-"Softciências". Para a realização dos trabalhos são utilizados dois Pentium Pro a 233 Mhz, com 64 Mb de RAM, em rede, com uma placa gráfica aceleradora Matrox Millenium II. Para a navegação e imersão no ambiente virtual é utilizado o capacete V6 da Virtual Research, uma Cyberglove da Virtual Technologies e um sensor de posição para dois receptores, Isotrak II, da Polhemus. 4. Conclusão A utilização de gráficos é, de facto, uma ferramenta poderosa na visualização de informação complexa e/ou abstracta. A capacidade de imersão é um novo aspecto a ser explorado e avaliado. Ambientes virtuais para o ensino da Física e da Química estão a ser desenvolvidos com o objectivo de testar a aplicabilidade da realidade virtual no ensino e aprendizagem. O trabalho encontra-se numa fase preliminar de execução, pelo que a sua avaliação não pode ainda ser feita. Agradecimentos Os autores agradecem ao Prof. Doutor Victor Gil, do Departamento de Química da Universidade de Coimbra, pelas suas sugestões e ideias para a concepção do projecto e ao Prof. Doutor José Carlos Teixeira, do Centro de Computação Gráfica do Departamento de Matemática da Universidade de Coimbra, pela cedência do equipamento.

6 Referências [1] J. Alberto Trindade e C. Fiolhais, Gazeta da Física, Vol. 19, Fasc. 2, Abril/Junho, [2] H. Rose, Assessing Learning in VR: Towards Developing a Paradigm Virtual Reality Roving Vehicles (VRRV) Project, Human Interface Technology Laboratory, Report Nº TR-95-1, February, [3] Mark L. Rosenquist and Lillian C. McDermott, Am. J. Phys. 55, 407 (1987). [4] K. Laasonen, M. Sprik and M. Parrinelo, J. Chem. Phys. 99 (11), Dec [5] M. Sprik, J. Chem. Phys. 95 (9), Nov