A Realidade Virtual como uma ferramenta para o ensino da Geometria Molecular

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1 A Realidade Virtual como uma ferramenta para o ensino da Geometria Molecular José Avelino S. Moura, Alexandre Cardoso e Edgard Lamounier Jr. Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica CEP: , C.P. 593, Uberlândia MG - Brasil (avelinosantos@terra.com.br, alexandre@ufu.br, lamounier@ufu.br ) Abstract The objective of this article is to demonstrate the potentiality of Virtual Reality in Molecular Geometry teaching. This discipline demands the students to have a deep discernment of spacial visualization and manipulation. Thus, we discuss in this work virtual environment constructions results that will allow students to visualize and to manipulate molecules. We will demonstrate in this work the effective acquirements in using Virtual Reality in one more teaching and learning field Resumo Este artigo tem como objetivo demonstrar a potencialidade da Realidade Virtual no ensino da Geometria Molecular. Tal disciplina exige um profundo discernimento dos alunos no domínio da visualização e manipulação espacial. Assim, serão discutidos neste artigo os resultados da construção de um ambiente virtual que permita aos alunos visualizar e manipular moléculas. Com esse artigo serão demonstrados os ganhos adquiridos com a utilização da Realidade Virtual em mais um campo de ensino e aprendizagem. Palavras-chave Química Orgânica, Geometria Molecular, Hidrocarbonetos e Realidade Virtual. 1. Introdução Vários professores relatam que a capacidade de visualização tridimensional não é natural para muitos alunos. Tal fato cria um obstáculo considerável no processo de aprendizagem de estudantes que se apresentam limitados diante desta necessária habilidade. A motivação deste artigo surgiu ao confirmar esta verdade através de uma pesquisa prévia com professores de Geometria Molecular do Ensino Médio e Superior, que externaram claramente a dificuldade dos alunos em visualizar os elementos químicos, principalmente, aqueles de apresentação tridimensional. Por outro lado, pesquisas recentes têm mostrado como a Realidade Virtual (RV) vem contribuindo como uma ferramenta de auxílio para a aprendizagem devido ao suporte providenciado pela mesma através de mecanismos como a imersão e a navegação. Assim, com a dificuldade colocada pelos professores no tópico em questão, este trabalho apresenta resultados até aqui alcançados por um projeto de pesquisa que visa identificar o uso das técnicas de Realidade Virtual como uma ferramenta de apoio ao ensino da Geometria Molecular. 2. Objetivos O objetivo deste artigo é utilizar a Realidade Virtual na escolha de certa quantidade de carbonos e hidrogênios através do teclado do computador e do mouse para a formação de um Hidrocarboneto de acordo com as regras da Química contidas no software que está sendo desenvolvido. O programa, a partir da escolha do aluno, irá analisar as regras da Química para verificar a possibilidade de criação da nova molécula. Posteriormente o aluno poderá observar a formação da nova molécula (linear, trigonal plana, tetraédrica, etc,) por todos os lados através da manipulação da mesma com o uso da Realidade Virtual. Exemplo: O aluno através do teclado do computador e do mouse poderá escolher 2 (dois) Carbonos e 6 (seis)

2 Hidrogênios H 6 formando assim um novo elemento químico chamado Gás de Eteno C 2 H 6, que apresenta a forma de dois tetraedros ligados pelos vértices. Figura 1. Existe outra janela dentro da cena do VRML, onde é possível escolher estilos para a visualização da estrutura química clicando no botão azul, Figura 3a e 3b. Figura 1. Molécula formada por 8 átomos A Realidade Virtual tem o potencial de colaborar no processo cognitivo do aprendiz, proporcionando não apenas a assimilação da teoria, mas também a experimentação prática do conteúdo em questão [5], sendo assim acredita-se que a RV pode ser um grande instrumento de apoio no ensino da Geometria Molecular. Figura 3a. Troca de estilos. [1] 3. Trabalhos relacionados A seguir serão apresentados os trabalhos relacionados à pesquisa em questão que se utilizam da Realidade Virtual para auxiliar no ensino da Química. 3.1 MolSurf [1] é um serviço online, trabalha com Java e VRML. O usuário pode desenhar uma estrutura química através do EMJ Molecular Editor, Figura 2. Figura 3b. Troca de estilos. [1] 3.2 OrbVis [2] também é um serviço online, ele calcula e visualiza os orbitais das moléculas. Para realizar seu objetivo se utiliza do VRML e Java. Existem duas etapas no procedimento citado acima. A primeira mostra os seis níveis de energia na vizinhança do HOMO e LUMO. Figura 4. Figura 2. Editor de moléculas. [1] Figura 4. Níveis de energia. [2]

3 A segunda etapa mostra a visualização da molécula selecionada. Figura 5. Figura 7. Tabela dos elementos químicos. [3] Figura 5. Molécula selecionada. [2] 3.3 Chemistry, Structures & 3D Molecules [3] utiliza VRML e Java para visualizar as moléculas em 3D, trabalha com os compostos inorgânicos. O software desenvolvido já tem pronto na sua biblioteca os elementos químicos e uma grande quantidade de moléculas. A Figura 6 apresenta um exemplo de composto químico. Figura 6. Composto químico do Alpha-Pinene. [3] Através de uma tabela periódica ele pode trazer os compostos químicos já criados, como mostra a Figura 7. Todos esses trabalhos utilizam a Realidade Virtual para auxiliar no ensino da Química, mas nenhum deles permite que o usuário crie as moléculas, em todos os exemplos citados, as moléculas já estão montadas. 4. Desenvolvimento 4.1 Desenvolvimento do sistema Observando os trabalhos relacionados, podese notar que o aluno em nenhum deles tem a opção de criar os compostos químicos, pois estes já estão todos montados nos softwares desenvolvidos. Como já foi mencionado na seção objetivo, o sistema a ser desenvolvido dará liberdade ao aluno criar uma molécula orgânica (hidrocarboneto), a partir da quantidade de Carbonos e Hidrogênios que escolheu, podendo depois estudar a sua Geometria Molecular. O sistema a ser desenvolvido será composto especificamente por quatro módulos, a saber: 1. Interface com os Alunos Através deste módulo, o aluno terá condições de interagir com o sistema, seja selecionando os elementos químicos de Hidrogênio e Carbono e suas respectivas quantidades como também escolhendo uma das famílias dos Hidrocarbonetos. 2. Validação da estrutura molecular selecionada Caberá a este módulo, através de regras devidamente parametrizadas, validar a estrutura molecular selecionada pelo aluno, indicando se a mesma é possível ou não, e em caso negativo esclarecendo o motivo. 3. Identificação da Geometria Molecular Este módulo será especializado em identificar o tipo de geometria molecular (Linear, angular, trigonal plana ou

4 triangular, piramidal, tetraédrica, bipirâmide trigonal, octaédrica), assim como as distâncias e coeficientes angulares da molécula a ser formada. A dedução da geometria da molécula formada terá como base o número de átomos e suas ligações ao átomo central, que é aquele que se encontra ligado a todos os demais átomos da molécula, Figura 8, assim como a teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência. É um plug-in compatível com uma ampla variedade de plataformas e navegadores. Adobe Flash CS3 Professional: É um programa gráfico vetorial utilizado para criar animações interativas, Figura 10, desenvolvido e comercializado pela Macromedia. Os arquivos executáveis gerados pelo Flash, chamados de " SWF" (Small Web File), podem ser visualizados em uma página web usando um navegador web ou utilizando o Flash Player. A Macromedia expandiu a utilização do Flash para além de simples animações, transformandoo em uma ferramenta de desenvolvimento de aplicações completas. Essa possibilidade foi possível graças aos avanços na linguagem Action Script que é a utilizada na programação do flash [7]. Figura 8. Molécula do Metano, o Carbono ocupa o centro de um tetraedro.[4] 4. Construção da molécula Através deste módulo, o sistema construirá a molécula graficamente, permitindo ao aluno estudar sua estrutura pela movimentação em 3D. A Figura 9 mostra a arquitetura do sistema. Figura 9. Arquitetura básica do Sistema. 4.2 Ferramentas do Sistema O sistema será constituído para desenvolvimento do projeto, em principio, com as seguintes ferramentas: Flash Player 10. Figura10. Layout do Programa. ActionScript 3.0: Poderosa linguagem de Programação Orientada para Objeto, visando a criação de aplicações da Web no Flash Player runtime. Blender: Blender é uma suíte integrada de ferramentas permitindo a criação de um grande conjunto de conteúdo 3D. Ele oferece funcionalidade completa para modelagem, renderização, animação, pós-produção, criação e execução de conteúdo interativo 3D. O Blender pode ser usado para criar visualizações 3D, imagens estáticas assim como qualidade de vídeo de difusão, enquanto a incorporação e um mecanismo de 3D em tempo real permite a criação de conteúdo interativo 3D para execução remota. A principio, a interface inicial do sistema aparecerá uma janela simples, mas objetiva, que apresentará os botões do Carbono e Hidrogênio e dará uma breve explicação sobre Hidrocarboneto,

5 mostrando a fórmula para criar suas famílias, Figura 11. Figura 13. Molécula de Metano em 3D. Figura 11. Interface inicial. O aluno ainda terá a opção de observar a molécula através do óculos vermelho-azul, Figura 14, para ver a imagem estereoscópica. O aluno escolherá a quantidade de Carbonos e Hidrogênios clicando nos respectivos botões e apertará no botão calcular. Então o sistema através das regras da Química apresentará a nova molécula, descrevendo sua família, Figura 12, e visualizando a molécula em 3D, Figura 13. Figura 14. Óculos vermelho-azul. 5. Conclusões e Trabalhos Futuros Figura 12. Molécula de Metano. Este trabalho apresentará uma aplicação prática da Realidade Virtual em sala da aula, através da criação de um ambiente computacional onde o aluno poderá criar, manipular, visualizar e principalmente assimilar os conceitos teóricos da Geometria Molecular. Uma das principais vantagens desta tecnologia é o envolvimento amplo de sentidos do ser humano na interação homem-máquina [6]. A aplicação da Realidade Virtual simulando no ambiente virtual principalmente figuras tridimensionais tem sido muito utilizada principalmente no ensino da Geometria Espacial com grande sucesso pedagógico. A utilização da Realidade Virtual na Química ainda não foi tão explorada como na Matemática, mas também abre um universo de possibilidades de simulações de conceitos abstratos que podem tornar-se mais facilmente assimilados pelos alunos através do uso adequado da ferramenta.

6 A partir do desenvolvimento desse trabalho e do aprofundamento do conhecimento entrelaçado da Química com a Realidade Virtual, novas possibilidades de desenvolvimento irão surgir, principalmente devido à extensão, a profundidade e as dificuldades que a Química apresenta com toda sua complexidade para o seu aprendizado. Porém, essa complexidade apresentada pela Química pode ser amenizada com a utilização da Realidade Virtual, e a capacidade que a mesma tem em apresentar em um ambiente virtual, representações que poderiam ser visualizadas com muita dificuldade pelos alunos a olho nú. Como trabalhos futuros a serem desenvolvidos a dissertação deixa uma grande oportunidade para a introdução das demais regras da Química que possibilitam a criação de outras moléculas que não as apresentadas no trabalho que está sendo desenvolvido. Essa aplicação futura irá demandar um aprofundamento no conhecimento teórico da Química e a conseqüente utilização da Realidade Virtual para a apresentação dessas outras moléculas mais complexas. 6. Referências [1] MolSurf VRML Generator for molecular surfaces and properties. Disponível em: www2.chemie.unierlangen.de/services/molsurf/ [2] OrbVis. Disponível em: [3] Chemistry, Structures & 3D Molecules. Disponível em: [4] Usberco, João e Salvador, Edgard. Química, volume único. São Paulo Saraiva S.A., [5] Cardoso, A; Kirner, C; Lamounier Jr, E; Kelner J. Tecnologia para o Desenvolvimento de Sistemas de realidade Virtual e Aumentada. Editora Universitária UFPE, Recife [6] Cardoso, A. Uma Arquitetura para Elaboração de Experimentos Virtuais Interativos suportados por Realidade Virtual não-imersiva; Tese de doutorado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo [7] Barbatana, Fabrício Eras Manzi. Flash CS3 Professional: criando além da imaginação. 2. ed. São Paulo; Érica, 2008.