Construindo um Laboratório Virtual de Eletrodinâmica Baseado no Paradigma de Mapas

Conceituais

Paula Teixeira Nakamoto1, Mauro Guimarães1, Alexandre Cardoso1, Edgard Lamounier Júnior 1, Elise B. Mendes2,

Eduardo Kojy Takahaschi3

1Faculdade de Engenharia Elétrica , 2Faculdade de Letras, 3Faculdade de Física Universidade Federal de Uberlândia

Av. João Naves de Ávila – 2160, Santa Mônica Uberlândia – MG – Brasil

paulanakamoto@bol.com.br,alexandre, lamounier, guimaraes, elise, ektakahaschi@ufu.br

Abstract. This article presents a prototype system called Virtual Physics Laboratory which is designed as a supporting tool to teach Physics at High School level. The motivation of this work is related to the restrict access students have to such discipline laboratories supplied with real devices. Using Virtual Reality techniques, based on the Internet technology, the system simulates a virtual environment for physical experiments, at low computational costs. Furthermore, to ensure an environment with maintainable pedagogic characteristics, the paradigm of Conceptual Maps was used to help the student to organize and to adapt himself to specific concepts. The article also highlights the development strategy and organization of the system.

Resumo. Este artigo apresenta o protótipo de um Laboratório Virtual de Física, destinado a alunos do Ensino Médio. A motivação deste trabalho diz respeito ao pequeno acesso que esses alunos têm a laboratórios de tal disciplina em suas escolas e a particular dificuldade de aquisição de componentes. Utilizando técnicas de Realidade Virtual, baseadas em tecnologia Internet, o sistema simula um ambiente virtual para experimentos, a baixo custo computacional e financeiro. Para garantir um ambiente com características pedagógicas sustentáveis, foi utilizado o paradigma de Mapas Conceituais para ajudar o aluno a organizar-se, e adaptar-se aos conceitos trabalhados. O artigo destaca a estratégia de desenvolvimento e organização do sistema.

Palavras-Chave Mapas Conceituais, Realidade Virtual, Ensino de Física, Educação à Distância.

1. Introdução Com a disseminação da Internet e a pesquisa ostensiva do uso de computadores na Educação, aumentam-se as possibilidades da busca de informações, e as pessoas querem

cada vez mais se aperfeiçoar no processo de acesso e processamento dessas informações [Ellis 1994], [Hamit 1993], [Kirner 2004]. Comumente, apresentam-se dificuldades de recursos que possibilitam melhor aprendizado. Como exemplo, é grande o número de escolas de Ensino Médio que não possuem laboratórios de Física provendo condições aos estudantes de praticar conceitos trabalhados em sala de aula. Outro detalhe importante é que os livros de eletricidade trazem somente a simbologia dos dispositivos elétricos (resistores, capacitores, fontes etc), dificultando a familiarização do aluno com dispositivos reais.

A motivação deste trabalho é criar um sistema que simule um ambiente virtual para experimentos de Física, a baixo custo computacional e que permita aos alunos a criação, análise e simulação de circuitos elétricos reais. A escolha por técnicas de Realidade Virtual (RV) está relacionada com a grande demanda do uso destas técnicas, como aprendizado e treinamento nas mais diversas áreas de conhecimento tais como Educação, Medicina etc [Encarnação; Gobel 1994], [Andrade; Wazlawick; Cruz 1998].

Ambientes virtuais de fácil entendimento, acoplados a processos educativos, motivam um aluno com a possibilidade de visualizar, interagir e realizar experiências que só poderiam ser efetuados em laboratório, catalisando o processo de ensino e aprendizagem [Pelizzari; Kriegl; Baron 2002]. A possibilidade de imersão, por meio de RV, potencializa o aprendizado [Pinho 1998]. É importante que o sistema suporte uma interface intuitiva e amigável até para o usuário menos experiente.

O objetivo deste trabalho é, por meio de um projeto multidisciplinar que abranja especialistas da área de Realidade Virtual, Pedagogia e Física, propor um software relacionado com ambientes virtuais que permita o ensino de Física no Ensino Médio, com maior qualidade.

Para que o sistema possa ser mais facilmente compreendido pelo aluno, ele é dividido em quatro partes: 1) Um ‘help’, para orientar o aluno a utilizar o sistema (navegador Cosmo Player [Silicon Graphics 2004] e a simulação); 2) um mapa conceitual [Konrath; Tarouco 1997] para a organização e a distribuição dos conceitos relacionados com o fenômeno em questão; 3) um ambiente de simulação; e 4) um ambiente para a avaliação da aprendizagem significativa (Construção de Circuitos).

As seções seguintes destacam aspectos relevantes para a criação desse sistema, ressaltam detalhes do desenvolvimento do ambiente virtual e mostram alguns resultados de implementação.

2. Realidade Virtual na Educação Pinho (1998) e Borges et al. (2002) comprovam que a capacidade de retenção e de compreensão de um indivíduo aumentam quando a mídia usada para comunicação é interativa. Essa interação e algumas outras características como imersão e navegação (o usuário pode verificar o ambiente de vários ângulos) podem ser adquiridas com o uso da Realidade Virtual.

A potencialidade da Realidade Virtual relaciona-se com o fato de permitir a exploração de ambientes, processos ou objetos, não por meio de livros, fotos, filmes ou aulas, mas mediante a manipulação e a análise virtual do próprio alvo de estudo [Pinho 1998]. Aplicando-se as técnicas de RV na Educação, é possível produzir ambientes que facilitem o ensino e o aprendizado ou até mesmo complementem o conteúdo aprendido pelo aluno. A proposta deste trabalho relaciona-se com o desenvolvimento de um laboratório virtual que permite ao aluno simular a modelagem e analisar circuitos, sem

correr o risco de queimar ou danificar os componentes e equipamentos elétricos –fato freqüente em laboratórios reais.

Dentre as razões que apontam a adequação de RV, destacam-se: • A flexibilidade de o usuário escolher diferentes maneiras de realizar o aprendizado,

pois alguns preferem o aprendizado visual, outros o verbal, alguns preferem explorar, outros deduzir. Em cada estilo, pode-se usar a RV de uma forma diferente.

• Maior motivação dos usuários, “Realidade Virtual é uma forma das pessoas visualizarem, manipularem e interagirem com computadores e dados extremamente complexos” [Burdea; Coiffet 1994], [Kirner 1996]. O usuário pode interagir com o ambiente manipulando diretamente seus objetos.

• Maior oportunidade para experiências, cujo acesso, muitas vezes, seria difícil por outros meios. Pessoas aprendem com maior facilidade pela exploração, por testes, em vez da dedução. Possibilita que haja uma interação mais intuitiva e, desta forma, estimula a participação ativa do estudante. A RV pode criar ambientes altamente interativos, proporcionando a manipulação direta com um ambiente que responde às ações do usuário.

2. Trabalhos Relacionados Com o objetivo de avaliar as potencialidades dos softwares desenvolvidos para o ensino da eletrodinâmica mediante circuitos elétricos, analisou-se alguns trabalhos, nos quais se procurou destacar suas limitações, ressaltando o tipo de interações propostas por esses sistemas.

2.1 Pintar VirtualLab Eletronics O Pintar VirtualLab Eletronics Lite [American Pintar 2000] é um software

educacional em duas dimensões, que mostra alguns símbolos de dispositivos elétricos e possibilita que o usuário crie seus circuitos.

Uma das limitações encontradas no protótipo refere-se à interação do usuário com o meio. Esta se passa apenas na visualização e manipulação dos objetos, não propiciando que o usuário analise o circuito criado e veja a modelagem real dos dispositivos (Figura 1). A análise do circuito é permitida com o software pago. Além disso, o software não apresentou nenhum recurso de visualização real dos componentes elétricos, restringindo-se a manipulações em duas (2D), conforme já encontrado nos livros escolares.

Figura 1. Exemplo de circuito do software Pintar VirtualLab Eletronics

2.2. FisicaNet

Outro trabalho analisado é o applet Java disponível em URL: http://www.zaz.com.br/fisicanet/simulacoes/vlab/Voltage/, chamado Física.Net (Figura 2). Este sistema apresenta técnicas de modelagem interativa, em que, na parte superior da figura, existe uma quantidade limitada de dispositivos elétricos que o usuário poderá arrastar para um circuito pré-montado na sua parte inferior. Dependendo dos valores de resistência inseridos no circuito, do valor da bateria e se a chave estiver fechada, a lâmpada poderá acender, quebrar ou não acontecer nada.

Entretanto, nesse sistema, os dispositivos não são modelados de forma realística, por exemplo, um resistor não possui código de cores para a definição de seu valor, e o applet não oferece nenhuma dica ou ajuda, caso o usuário tenha alguma dúvida. Outro problema é que, se o usuário não tiver nenhum aprendizado anterior sobre circuitos, não existe nenhum link ou botão que traga qualquer conceito, logo, ele não conseguirá entender o circuito, muito menos aprender de maneira significativa.

Figura 2. Um exemplo de circuito no FisicaNet

2.3 – EngineSoft Constraints Silva; Lamounier Junior (2002) propuseram o trabalho mostrado na Figura 3,

apresenta um painel com dispositivos elétricos com os quais, se arrastados, se pode criar um circuito e, ao final, ser analisado com seus valores mostrados em uma janela. Infelizmente, esse sistema só modela componentes em 2D, também, limitando a capacidade prática de aprendizado de seu usuário.

Figura 3. Montagem e Análise de Circuitos

Considerando os trabalhos analisados, observa-se a necessidade de desenvolver um sistema que suporte uma interação mais realística e natural e com mais qualidade para o aluno. Acredita-se que as técnicas de Realidade Virtual, associadas a propostas

pedagógicas (próxima seção), contribuam fortemente para a elaboração de um ambiente de aprendizagem significativa.

3. Mapas Conceituais

Os Mapas Conceituais são utilizados para auxiliar na organização e distribuição dos conceitos relacionados aos conteúdos a ser desenvolvidos (utilizados na simulação). Essa estrutura é composta de diferenciações progressivas, reconciliações integrativas e ligações proposicionais. Desse modo, o mapa oferece aos estudantes uma visão entre as partes e o todo conceitual, bem como uma estrutura de redes semânticas, oferecendo, assim, a possibilidade de estratégias para o gerenciamento da aprendizagem, tais como: verificar erros conceituais, observar qual o conhecimento a priori necessário para a compreensão da nova informação e navegação conceitual [Novak; Gowin 1984].

A proposta de trabalho dos Mapas Conceituais está baseada na idéia fundamental da Psicologia Cognitiva de Ausubel [Konrath; Tarouco 1997], [Pelizzari; Kriegl; Baron 2002], [Saotome; Cunha 2003], que estabelece que a aprendizagem ocorre por assimilação de novos conceitos e proposições na estrutura cognitiva do aluno. Novas idéias e informações são aprendidas, à medida que existam pontos de ancoragem.

Quando o conteúdo escolar a ser aprendido não consegue ligar-se a algo já conhecido, ocorre o que Ausubel chama de aprendizagem mecânica, ou seja, quando as novas informações são aprendidas sem interagir com conceitos relevantes existentes na estrutura cognitiva. Assim, a pessoa decora fórmulas, leis, mas esquece-as após a avaliação.

Aprendizagem implica em modificações na estrutura cognitiva e não apenas acréscimos. São aspectos relevantes para a aprendizagem significativa [Pelizzari; Kriegl; Baron 2002]:

• Subsunçores (conhecimento específico a priori) que são necessários para a compreensão da nova informação;

• Materiais de aprendizagem bem organizados;

• Novas idéias e conceitos "potencialmente significativos" para o aluno;

•••• Fixação de conceitos novos nas estruturas cognitivas já existentes, fazendo com que eles sejam relembrados.

Observando os itens anteriores, tem-se o pressuposto de que o indivíduo constrói

o seu conhecimento partindo da sua predisposição afetiva e seus acertos individuais. Estes mapas servem para tornar significativa a aprendizagem do aluno, orientando-o por meio de conceitos para depois ser levado às simulações.

O mapa é organizado de forma que os temas chave venham primeiro e, depois, eles vão se especificando. Ele é composto de temas, e estes possuem links que trazem definições para os alunos, auxiliando-os para depois alcançarem à simulação, pela qual poderão verificar e testar o aprendizado que foi guiado pelo mapa.

Na Figura 4 mostra-se uma parte do mapa conceitual da eletrodinâmica desenvolvido pela equipe de Física e supervisionada pela equipe de Educação/UFU, que fundamentou este projeto. O desenho do mesmo foi elaborado com a ferramenta Cmap

Tools [IHMC 2004]. Este mapa está sendo usado no sistema desenvolvido para indicar elos entre conceitos e relacionamentos entre temas.

Figura 4. Mapa Conceitual Preliminar da Eletricidade

4. Arquitetura do Sistema O sistema proposto possui uma interface que permite que professores e alunos desenvolvam experiências de forma ágil, simples, sem necessidade de conhecimentos técnicos relacionados à Informática, nem conhecimentos anteriores sobre a matéria em questão, pois o sistema contém os Mapas Conceituais que podem guiar os alunos na aprendizagem dos conceitos.

O sistema é composto de documentos hipertextos, que, geralmente, são engendrados usando a "Hypertext Markup Language'' (HTML). O mundo virtual é construído com as linguagens VRML (Virtual Reality Modeling Language) [Ames; Nadeau; Moreland 1997] e JavaScript [Goodman 2004]. O acesso a Web é obtido por meio de um programa navegador na Internet ("web browser''). A visualização dos mundos em Realidade Virtual é realizada por um plug-in Cosmo Player [Silicon Graphics 2004], que é executado sob supervisão do navegador da Internet.

Em um ambiente virtual, o usuário encontrará uma série de dispositivos que possibilitarão a criação de experiências, a visualização dos efeitos e resultados obtidos a partir de suas escolhas. A implementação do sistema em VRML e JavaScript e a modelagem dos objetos em 3D contribuem para a criação de arquivos pequenos, que são compartilhados via Web, resultando num baixo custo de transmissão e armazenamento. A Figura 5 mostra o diagrama básico da arquitetura do sistema. A Interface Gráfica com o usuário (GUI) suportará as tarefas de criação e experimentação de circuitos bem como a visualização dos resultados obtidos. O acesso do usuário a GUI será presencialmente ou à distância, via rede de computadores mundial, Internet. Esse sistema é composto por vários blocos cujas funções serão discutidas a seguir.

Figura 5. Arquitetura do Sistema

O bloco Gerenciador de Mapas Conceituais é composto de nodos e de relacionamentos. Os nodos contêm os temas principais, os quais possuem links que conduzem o usuário a conteúdos explicativos e exemplos, possibilitando, assim, um maior entendimento do tópico em análise. Os relacionamentos têm os objetivos de correlacionarem os temas, fazendo com que os usuários possam compreender o conteúdo em sua totalidade. Este bloco é muito importante, pois o aluno não poderá ter uma aprendizagem significativa utilizando a simulação se, antes, ele não entender os conceitos chaves que são utilizados para a montagem e análise dos circuitos.

O bloco Ambiente Virtual é composto pelos blocos Objetos Virtuais e Painel de Controle. Os objetos virtuais e o painel de controle foram criados usando a linguagem VRML, ambos possuindo sensores que captam o toque do usuário por meio do mouse. Os Objetos Virtuais são: a placa (onde o usuário poderá criar o circuito), o circuito montado e o multímetro. No Painel de Controle, estão os dispositivos elétricos que o usuário poderá usar para criar o circuito, dois botões de ajuda e um botão utilizado para reiniciar a simulação, proporcionando novas experiências. O primeiro botão é um link que conduzirá o aluno a uma página Web, com definições e exemplos, ajudando-o a determinar qual é o valor de uma resistência utilizando o código de cores. O segundo é exploratório, muito importante na preparação de ambientes de aprendizagem. Ele prevê as dificuldades ou dúvidas que os estudantes possam ter ao testar seus conhecimentos

ou habilidades. Caso o usuário queira acessar a ajuda basta posicionar o cursor do mouse sobre o botão “?”. Uma caixa de texto será apresentada com algumas dicas sobre a situação atual do circuito. A Figura 6 mostra a página inicial do ambiente tutorial.

Figura 6. Página inicial do ambiente tutorial.

Na Figura 7, expõe-se um ambiente de construção, com alguns dispositivos elétricos já inseridos. Nesta situação, o multímetro indica uma tensão nula no resistor CD (valor esperado), já que estando o circuito aberto (pontos CD) não haverá corrente nem diferença de potencial neste resistor.

Figura 7 – Ambiente de Construção do Circuito

No bloco Gerenciador do Circuito, estão as funções implementadas em JavaScript, que permitem a interação do usuário com o mundo. Essa interação viabiliza as entradas de dados pelo usuário, que, por meio do mouse, seleciona os dois pontos na placa onde se deseja colocar o dispositivo e, em seguida, no painel de controle, também com o mouse, seleciona-se o resistor desejado. Este procedimento se repetirá até a montagem completa do circuito sobre a placa. Finalizada a montagem do circuito, o usuário poderá utilizar o multímetro para realizar medições de parâmetros e variáveis do

circuito, tais como: a resistência, a corrente ou a diferença de potencial (voltagem) entre dois pontos quaisquer do circuito. O procedimento para inserir o multímetro no circuito é similar à montagem do circuito, ou melhor, com o mouse, selecionam-se dois pontos na placa e, a seguir, seleciona-se a função desejada para o multímetro: ‘A’ para medição de corrente, ‘V’ para medição da diferença de potencial e ‘Ω’ para medição de resistência.

Ao analisar o circuito, alguns detalhes importantes devem ser observados, como, por exemplo: se a chave da placa está aberta ou fechada; se os pontos estão selecionados no multímetro; se o que se deseja calcular (corrente, diferença de potencial ou resistência) está selecionado; e, também, o valor da fonte de tensão DC (bateria ou pilha). O valor default da fonte de tensão é 12 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão, que aparecerá ao clicar-se na pilha. A Figura 8 mostra um suposto circuito montado e o valor medido para a tensão entre os pontos C e D. Para convalidar a tensão no resistor CD de 7,207 volts, indicada pelo multímetro, o usuário teria que resolver o circuito [Alvarenga; Maximo 2000].

Figura 8. Circuito Montado e Medição da Tensão CD

5. Implementação do Gerenciador do Circuito O bloco Gerenciador do Circuito é implementado em JavaScript, em que os algoritmos são desenvolvidos baseados em grafos, e cada nódulo corresponde a um componente elétrico, cada arco corresponde a uma ligação entre estes. Após criar o circuito, o seu grafo correspondente é então convertido em um conjunto de valores que serão usados num conjunto de equações (Lei das Malhas) que são processadas e fornecem uma análise completa do circuito. A cada novo dispositivo elétrico inserido no circuito, o grafo é atualizado até que o circuito esteja completo. [Silva; Lamounier Junior 2002, Burian Junior 2004].

O circuito pode ser analisado em vários sentidos, mas o escolhido para implementação foi o sentido convencional da corrente elétrica, do positivo para o negativo nas cargas (resistores). Logo, uma vez preenchido o grafo, os dados já estarão todos armazenados na memória podendo, então, ser pesquisados e manuseados.

A lei das malhas (Lei de Kirchhoff das tensões), citada anteriormente [Halliday; Resnick; Walker 2003], registra o comportamento das tensões na malha dos circuitos.

Essas leis dizem que a soma das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que saem do mesmo nó (Lei das Correntes) e que a soma das elevações de potencial ao longo de um percurso fechado qualquer (malha) é igual à soma das quedas de potencial no mesmo percurso fechado (Lei das Tensões). Assumindo-se que as quedas de potencial (do terminal positivo para o negativo no sentido do percurso escolhido) são positivas e que as elevações de potencial (do terminal negativo para o positivo no sentido do percurso escolhido) são negativas, a Lei das Tensões de Kirchhoff estabelece que a soma algébrica das tensões em um percurso fechado é nula.

Todas essas características permitem que, uma vez criado o circuito, o usuário, poderá fazer qualquer tipo de medição utilizando o multímetro que o resultado será sempre válido.

6. Conclusões e Trabalhos Futuros Este artigo apresentou o protótipo de um laboratório virtual de física que explora o uso de técnicas de RV e processos pedagógicos no Ensino Médio. Este sistema, resultado de um projeto multidisciplinar, apresentou uma simulação de um laboratório de Física real, devido à modelagem suportada pelas técnicas de RV exploradas. O uso de tecnologias tais como a integração de VRML e Javascript, mostrou a capacidade do sistema de simular fielmente a criação e análise de circuitos elétricos. A adoção do paradigma de Mapas Conceituais habilitou o sistema a permitir o seu usuário à construção de seu conhecimento de forma mais intuitiva que outros tutoriais encontrados na literatura e Internet. Além disso, ao explorar tais técnicas, garante-se que o laboratório desenvolvido poderá ser acessado via Internet, sem custo de aquisição de softwares e hardwares adicionais. Por esta razão, pode se tornar uma ferramenta de apoio para as escolas e alunos que não tem acesso a laboratórios de Física instalados.

Como trabalhos futuros, capacitores podem ser inseridos no leque de opções de componentes de circuito, permitindo a extensão do grau de aprendizagem. Além disso, o watímetro (medidor de potência elétrica) pode ser implementado. Outros conteúdos da Física, tais como, Ótica, Ondulatória, Dinâmica e outras, poderão ser investigados e implementados com as técnicas pedagógicas aqui apresentadas ou com a utilização de agentes inteligentes.

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