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Universidade Federal de UberlândiaFaculdade de Engenharia Elétrica
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Utilização de Mapas Conceituais naConstrução de Ambientes Virtuais de
Aprendizagem.
Orientador: Edgard Lamounier Júnior, PhDCo-Orientador: Alexandre Cardoso, DScOrientanda: Paula Teixeira Nakamoto
Janeiro2005
Universidade Federal de UberlândiaFaculdade de Engenharia Elétrica
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Utilização de Mapas Conceituais na Construção de AmbientesVirtuais de Aprendizagem.
Dissertação apresentada por Paula Teixeira Nakamoto àUniversidade Federal de Uberlândia para obtenção do títulode Mestre em Ciências, aprovada em 28/01/2005 pela BancaExaminadora:
Edgard Lamounier Júnior, PhD (UFU) - OrientadorAlexandre Cardoso, DSc (UFU) - Co-OrientadorJudith Kelner, PhD (UFPE)Elise B. Mendes, DSc (UFU)Ernane Coelho, DSc(UFU)
i
Utilização de Mapas Conceituais na Construção deAmbientes Virtuais de Aprendizagem.
Paula Teixeira Nakamoto
Dissertação apresentada por Paula Teixeira Nakamoto à UniversidadeFederal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título deMestre em Ciências.
Edgard Lamounier Júnior, Phd João Batista Vieira Júnior, DScOrientador Coordenador do Curso de Pós-Graduação
ii
À minha mãe Maria Clarice, pelos exemplosde respeito, honestidade e simplicidade. E aoHugo, meu marido, pelo carinho, dedicaçãoe contribuição no desenvolvimento deste tra-balho.
iii
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, por iluminar os meus caminhos nas minhas dificul-dades e vitórias, fazendo-me ser sempre perseverante na busca dos meus ideais. E emseguida, a todos que contribuíram para a realização deste trabalho e, pela participaçãomais direta, sou especialmente grata:
Ao meu orientador, Professor Edgard Lamounier Júnior, pela dedicação, paciênciae pela competente, segura e valiosa orientação prestada em todos os momentos darealização deste trabalho.
Ao Professor Alexandre Cardoso, pela dedicação, apoio e sugestões.
Aos Professores Eduardo Kojy Takahaschi e Elise Barbosa Mendes pelas excelentessugestões, contruibuições, apoio e dedicação oferecidos durante a execução desse trabalhomultidisciplinar.
Ao meu marido, Hugo Leonardo Pereira Rufino, agradeço o carinho e a compreeensãopelo longo tempo de ausência.
Aos meus amigos do departamento de Física pelo inestimável suporte, sem o qual tudoseria mais difícil.
Aos meus amigos do laboratório de Computação Gráfica pela troca de conhecimento,experiências e pela amizade.
Aos demais, mestres, amigos ou simples conhecidos, que foram, em níveis diferentes,fundamentais para a minha formação e que me prestaram auxílio em muitas ocasiões.
iv
Resumo
NAKAMOTO, Paula T. Utilização de Mapas Conceituais na Construção de AmbientesVirtuais de Aprendizagem, Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU, 2005.
Essa dissertação apresenta uma proposta de integração de técnicas de Realidade Virtual
e processos pedagógicos, com o objetivo de desenvolver sistemas educacionais de quali-
dade. O sistema proposto (LVCE - Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos) simula
um ambiente virtual para experimentos físicos, especificamente eletrodinâmica, a baixo
custo computacional e financeiro. A fim de garantir um ambiente com características
educacionais sustentáveis, foram usados alguns fundamentos construtivistas de desenho
pedagógico, bem como, uma ferramenta cognitiva denominada mapas conceituais - com
o objetivo de guiar os alunos na sua aprendizagem.
Como estudo de caso, desenvolveu-se um ambiente virtual para simular um laboratório
de circuitos elétricos, tendo como público alvo, alunos do Ensino Médio. Este sistema per-
mite ao aluno ter acesso ao conhecimento, através de tutoriais previamente elaborados.
Além disso, o sistema permite ao aluno criar seus próprios experimentos e, através dos
mapas conceituais, conduz o aluno na construção de seu próprio conhecimento. A modela-
gem do ambiente virtual foi implementada na linguagem VRML (Virtual Reality Modeling
Language). Entretanto, para superar as limitações da linguagem VRML em termos de
animações e permitir a interação do usuário com o mundo virtual, foi necessário utilizar
a linguagem JavaScript. Baseado em questionários aplicados a potenciais usuários, foi
possível identificar que o sistema mostrou-se útil e intuitivo como ferramenta de ensino.
v
Abstract
NAKAMOTO, Paula T. Using Conceptual Maps to Built Virtual Learning Environments,Uberlândia, Faculty of Electric Engineering - UFU, 2005.
This dissertation presents a proposal of integration of Virtual Reality techniques and
pedagogic process, with the objective to develop qualitative educational systems. The
proposed system simulates an virtual environment for physic experiments, specifically
electrodynamics, with low computational and financial costs. In order to guarantee an
environment with solid educational features, some constructivist fundamentals were used
with pedagogic drawings, as well as a cognitive tool, so called conceptual maps - in order
to guide students during their learning process.
As a case study, a virtual environment was developed to simulate a electric circuit
laboratory to be used by High School students. This system allows the students to access
the specific knowledge by previously elaborated tutorials. Furthermore, the system allows
the student to create his own experiments and through conceptual maps it guides the
student in building his own knowledge. The virtual environment was modeled by using
the VRML (Virtual Reality Modeling Language) language. However, to overcome VRML
limitations related to computer animation to support interactiveness with the user, it was
necessary to use the JavaScript language. Based on survey forms applied to potential
users, it was possible to identify the system intuitiveness as an educational tool.
vi
Lista de Publicações
A seguir são apresentados as publicações deste trabalho:
1. NAKAMOTO, Paula Teixeira; LAMOUNIER JÚNIOR, Edgard; CARDOSO,Alexandre; GUIMARÃES, Mauro; MENDES, Elise B; TAKAHASCHI, EduardoKojy. Construindo um Laboratório Virtual de Física Baseado noParadigma de Mapas Conceituais. In: SIMPÓSIO DE REALIDADE VIR-TUAL, 2004, São Paulo. SRV 2004 VII Symposium on Virtual Reality Proceedings.2004. v. Único, p. 231-242.
2. NAKAMOTO, Paula Teixeira; TAKAHASCHI, Eduardo Kojy; LAMOUNIERJÚNIOR, Edgard; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. Laborátorio Vir-tual de Eletrodinâmica. In: XVI SIMPÓSIO NACIONAL DO ENSINO DEFÍSICA, 2005, Rio de Janeiro. 2004. A ser publicado nos anais do evento.
3. NAKAMOTO, Paula Teixeira; TAKAHASCHI, Eduardo Kojy; LAMOUNIERJÚNIOR, Edgard; CARDOSO, Alexandre; MENDES, Elise B. O Uso de MapasConceituais e Realidade Virtual para o Ensino de Física no Ensino Mé-dio. In: IX ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA,2004, Jaboticatuba. Anais do IX Encontro de Pesquisa em Ensino de Física. 2004.v. Único, p. 161-161.
4. NAKAMOTO, Paula Teixeira; LAMOUNIER JÚNIOR, Egard; CARDOSO,Alexandre; GUIMARÃES, Mauro. The Integration of Distance LearningTechniques and the Concept Maps Paradigm to Develop a Virtual Realitybased Electric Circuit Laboratory. In: GCETE’2005, 2005, Santos. 2004. Aser publicado nos anais do evento.
vii
Sumário
1 Introdução 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Realidade Virtual na Educação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Processos Pedagógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Trabalhos Relacionados 9
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Pintar VirtualLab Eletronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 FisicaNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 EngineSoft Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 LVEE - Laborátorio Virtual para Experiências em Eletrônica . . . . . . . . 13
2.6 Quadro Comparativo dos Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Processos Pedagógicos 17
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Processos Pedagógicos do Laboratório Virtual da Eletrodinâmica . . . . . . 17
viii
3.3 Mapas Conceituais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 Arquitetura do Sistema 27
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Tecnologias de Apoio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.1 VRML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.2 JavaScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Diagrama da Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário - GUI . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.2 Bloco Manipulador de Mapas Conceituais . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.3 Bloco do Ambiente Virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.4 Bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Implementação do Sistema 43
5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Implementação do Ambiente Virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Implementação do Gerenciador do Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Resultados e Limitações do Sistema 58
6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2 Funcionamento do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3 Avaliação do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
ix
6.4 Limitações do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.5 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7 Conclusões e Trabalhos Futuros 73
7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.3 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Referências Bibliográficas 76
Anexo 80
A Relatório de Avaliação 81
x
Lista de Figuras
1.1 Exemplo de mapa conceitual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Um exemplo de circuito no Pintar VirtualLab Eletronics . . . . . . . . . . 10
2.2 Um exemplo de circuito no FisicaNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Montagem e Análise de Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Desenvolvendo experiências no LVEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1 Exemplo de arquivo VRML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Exemplo de arquivo VRML sem código JavaScript . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Exemplo de arquivo VRML com código JavaScript . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5 Exemplo da GUI após um experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6 Software CmapTolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7 Caixa de dispositivos elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.8 Circuito pré montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.9 Menu de controle da tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.10 Multímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.11 Painel de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
xi
4.12 Página inicial do ambiente de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.13 Ambiente de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.1 Chave Fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2 Botão Exploratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Exemplo dos vetores da implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Cálculo das correntes do circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5 Exemplo de um circuito incompleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.1 Página Inicial do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 Laboratório virtual - áreas da Física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Página de apresentação do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.4 Ambiente virtual de demonstração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.5 Exemplo de um circuito em 2D com um capacitor. . . . . . . . . . . . . . . 62
6.6 Cálculo da diferença de potencial entre os pontos BC. . . . . . . . . . . . . 63
6.7 Cálculo da corrente entre os pontos AB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
xii
Lista de abreviaturas
API Application Programming Interface
AV Ambiente Virtual
CA Corrente Alternada
CAL Computer Assisted Learning
CC Corrente Contínua
EAD Ensino a Distância
EAI External Authoring Interface
GCETE Congresso Global de Educação em Engenharia e Tecnologia
GUI Interface Gráfica com o Usuário
HTML Hypertext Markup Language
LVCE Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos
LVEE Laboratório Virtual para Experiências em Eletrônica
NURBS Non Uniform Rational B-Splines
RV Realidade Virtual
xiii
SRV Sistemas de Realidade Virtual
VRML Virtual Reality Modeling Language
UFU Universidade Federal de Uberlândia
WWW World Wide Web
XML Extensible Markup Language
xiv
Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação
Pesquisas recentes mostram que muitas escolas públicas e privadas, preocu-
padas com o processo de “inclusão digital” de seus estudantes, planejam investir em
tecnologia, através da construção de laboratórios de computadores com acesso à Inter-
net [da Educação e Cultura, 2003]. Assim, aumentam-se as necessidades de investigar
técnicas que explorem o uso de informática na educação, pois comumente faltam recursos
que possibilitam realizar um melhor aprendizado [Collis, 2002]. Como exemplo, é grande
o número de escolas de Ensino Médio que não possuem laboratórios de ensino, provendo
condições aos estudantes de compreender de forma concreta os conceitos trabalhados em
sala de aula.
Para suprir a carência de laboratórios de ensino e aproveitando a disponibilidade
de laboratórios de computadores nas escolas, é necessário criar ambientes virtuais
educativos que auxiliem o aprendizado da teoria/prática. Entretanto, o processo de
ensino/aprendizagem é muito complexo [Lousada and Caracóis, 2000], e é preciso que haja
um trabalho multidisciplinar suportado por fundamentos e técnicas pedagógicas pois, caso
contrário, a qualidade do sistema educacional pode ser afetada [Kommers et al., 1992].
1
Além disso, é necessária também a criação de softwares que modelem os objetos reais
e que sejam interativos para facilitar o aprendizado através de uma aproximação mais
realística entre o estudante e seu objeto de estudo.
Então, para prover o ensino de maior qualidade, baixo custo computacional, que
permita aos alunos a criação, análise e simulações de objetos reais, foi desenvolvido um
trabalho multidisciplinar com especialistas da área de Realidade Virtual, Pedagogia e
Física. A escolha pela criação de um ambiente virtual de Física deve-se à carência de
laboratórios de ensino nesta área e porque os alunos, em sala de aula, estudam somente a
teoria veiculada nos livros de eletricidade, os quais trazem a simbologia dos dispositivos
elétricos (resistores, capacitores, fontes, etc), de modo que o aluno não compreende como
eles são na realidade.
Para a criação do ambiente de aprendizagem, foram utilizados alguns princípios
construtivistas de ambientes de aprendizagem, aplicou-se o mapa conceitual para organi-
zação e distribuição do conteúdo com o objetivo de eliminar os sistemas de transferência
de informação de forma modular, unidirecional e criar um ambiente em que o aluno possa
ver o todo conceitual de forma integrada e gerenciar a informação de acordo com a sua
necessidade. Já para a criação do ambiente de simulação foram utilizadas técnicas de Rea-
lidade Virtual que, através da interação, navegação e imersão, permitiram a criação/uso
de ambientes mais reais.
Logo, a motivação deste trabalho se relaciona com:
• Carência de projetos multidisciplinares;
• aprendizado assíncrono1;1Aprendizado no qual a interação entre alunos e professores ocorre de forma intermitente e com retardo
de tempo. Este aprendizado é de fácil acesso e o aluno pode fazer o curso no ritmo desejado
2
• custo dos laboratórios de ensino;
• processo de inclusão digital;
• fácil acessibilidade do software que pode ser local ou via rede de computadores,
Internet;
• investigação do uso de Realidade Virtual na educação.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo a construção de um ambiente virtual eficiente
que permita o ensino de circuitos elétricos no Ensino Médio. Para atingir tal objetivo as
seguintes metas foram definidas:
• Investigar sistemas educacionais desenvolvidos para o ensino de circuitos elétricos e
avaliar suas vantagens e limitações;
• pesquisar técnicas de Realidade Virtual e Processos Educativos para que o sistema
disponha de maior qualidade e maior facilidade de assimilação do conteúdo pelo
usuário;
• desenvolver um sistema protótipo que possua dispositivos similares aos que existem
em um laboratório de Física na área de circuitos elétricos no Ensino Médio;
• avaliar o LVCE - Laboratório Virtual de Circuitos Elétricos junto a usuários poten-
ciais e analisar os resultados obtidos.
3
1.3 Realidade Virtual na Educação
Pinho (1998) e Borges et al. (2002) comprovam que a capacidade de assimilação
e de compreensão de um indivíduo aumenta quando a mídia usada para comunicação é
interativa, isto é, o sujeito pode agir e refletir sobre suas ações. Essa interação pode ser
adquirida com o uso da Realidade Virtual que dispõe também de imersão e navegação.
A potencialidade da Realidade Virtual possibilita a exploração de ambientes,
processos ou objetos, não por meio de livros, fotos, filmes ou aulas, mas mediante a mani-
pulação e a análise virtual do próprio alvo de estudo [Pinho, 1998]. Ao aplicar as técnicas
de RV na Educação, é possível produzir ambientes que facilitem o ensino-aprendizagem ou
até mesmo complementem o conteúdo aprendido pelo aluno. A proposta deste trabalho
relaciona-se com um laboratório virtual de Física na área de circuitos elétricos que permite
ao aluno simular a modelagem real dos dispositivos e analisar os circuitos construídos, sem
correr o risco de queimar ou danificar os componentes e equipamentos elétricos.
Quando se consideram Ambientes Virtuais (AVs) ou Sistemas de Realidade Vir-
tual (SRVs), há uma tendência em se pensar em alguém que esteja sempre usando um ca-
pacete, totalmente imerso em um ambiente gerado por computador [Meiguins et al., 2002].
Esta situação acontece numa pequena parcela do amplo conjunto de SRV, evidenciando
um método de entrega de informação ao usuário puramente imersivo, de grande realismo.
Contudo, é melhor tomar o termo Realidade Virtual num contexto mais amplo, como por
exemplo, SRV Não-Imersivos.
A Realidade Virtual Não-Imersiva trata imagens geradas diretamente no monitor
e dispensa o uso de periféricos não convencionais [Meiguins et al., 2002]. Com isso, os
sistemas ficam acessíveis a um número maior de pessoas e há possibilidades mais reais e
interessantes para aplicações em situações educacionais.
4
Existem diversas razões para se usar a RV na Educação [Meiguins et al., 2002],
[Barros and Kelner, 2003], entre elas, 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 porque “Realidade Virtual é uma forma de as pes-
soas visualizarem, manipularem e interagirem com computadores e dados extrema-
mente complexos” [Burdea and Coiffet, 1994], [Kirner, 2004]. O usuário pode inte-
ragir 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, pelos testes,
do que pela dedução. A RV pode criar ambientes altamente interativos e intuitivos,
proporcionando a manipulação direta com um ambiente que responde às ações do
usuário, estimulando a sua participação ativa .
• Melhorar a interface entre o homem e o computador, pois alguns laboratórios apenas
utilizam aplicativos em interface 2D para realização de experiências, com isto o aluno
não tem idéia de como os componentes são na realidade. O emprego da RV poderá
minorar este problema.
• Possibilitar o intercâmbio cultural entre as pessoas, pois a utilização da RV no âm-
bito da Educação a Distância também possibilitaria o intercâmbio entre pessoas de
diferentes instituições de ensino, que poderiam discutir problemas, trabalhar juntas
ou apenas assistir aulas em uma sala virtual tridimensional. Desta forma, pode-se
verificar como pessoas de diferentes instituições enfocam os mesmos problemas.
5
• A possibilidade de criação de ambientes virtuais que podem ser compartilha-
dos via Web. Neste caso, usa-se o VRML (Virtual Reality Modeling Language)
[Ames et al., 1997], uma linguagem de modelagem 3D que cria arquivos pequenos,
resultando em baixo custo de transmissão e armazenamento.
1.4 Processos Pedagógicos
As tecnologias computacionais aplicadas na Educação, até 1980, se resumiam, na
grande maioria, em ferramentas que auxiliavam a transferência de informação, ao ensino
de programação, a exercício de reforço, como editor de texto, como ferramentas gráficas,
banco de dados, planilha eletrônica e a software instrucionais (incluindo-se programas de
resolução de problemas através de exercícios) [Jonassen, 1992]. Já, na metade da década
de 90, com o surgimento dos multimeios e da internet, ocorreu uma grande mudança
da educação computacional e, atualmente, são as tecnologias da informação que exercem
função predominante na Educação, embora ainda não tenham sido utilizadas plenamente
com todo seu potencial como ferramenta cognitiva de aprendizagem, para oferecer suporte,
orientação e extensão ao processo de pensamento dos usuários [Petrosino, 1997].
Para que um software educacional realmente estimule aprendizagem significativa
é importante criar ambientes de aprendizagem que promovam a ação e a reflexão dos
alunos, como também, devem ser aplicadas ferramentas que ofereçam suporte, orientação
e extensão ao processo de aprendizagem. Entre as diversas ferramentas podemos citar
os mapas conceituais que contribuem substancialmente para o processo de aprendizagem
significativa.
Neste sistema o mapa é utilizado somente como uma ferramenta instrucional para
organizar e distribuir o conteúdo de Física. Dessa forma, o mapa conceitual teve como
6
objetivo eliminar os processos de transferência da informação de forma linear e seqüen-
ciada e estimular processos de navegação conceitual e gerenciamento da informação pelo
usuário. Através dos Mapas Conceituais visualizam-se as inter-relações existentes entre
os conceitos, que, segundo Moreira [Moreira and Buchweitz, 1987], “são representações
gráficas de uma estrutura de conhecimento demonstrada hierarquicamente, apresentando
forma e representação condizentes com a maneira como os conceitos são relacionados,
diferenciados e organizados”. A Figura 1.1 mostra um exemplo de mapa conceitual.
Figura 1.1: Exemplo de mapa conceitual
7
1.5 Organização da Dissertação
Este trabalho está dividido em sete capítulos, incluindo a Introdução.
O Capítulo 2 apresenta o estado atual dos trabalhos computacionais e educa-
cionais relacionados a Circuitos Elétricos, mostrando suas vantagens e limitações.
O Capítulo 3 descreve algumas definições de Mapas Conceituais, juntamente
com suas vantagens em relação à melhora na qualidade do aprendizado. Mostra também
o desenho pedagógico do sistema.
O Capítulo 4 aborda as características mais importantes das tecnologias de apoio
(VRML e JavaScript) e descreve a arquitetura do sistema.
O Capítulo 5 apresenta as técnicas utilizadas para a implementação do sistema
e alguns trechos de código demonstrando esta implementação.
O Capítulo 6 apresenta a descrição do funcionamento do sistema, suas limitações
e mostra os resultados obtidos através da avaliação do sistema por potenciais usuários.
O Capítulo 7 apresenta as conclusões obtidas neste trabalho e as sugestões para
trabalhos posteriores.
Por último, têm-se as referências bibliográficas aqui utilizadas.
8
Capítulo 2
Trabalhos Relacionados
2.1 Introdução
Este capítulo apresenta alguns sistemas computacionais direcionados à área de
Educação para o estudo de circuitos elétricos com o objetivo de avaliar suas potenciali-
dades, destacar suas vantagens, limitações e ressaltar os tipos de interações propostas por
esses sistemas.
2.2 Pintar VirtualLab Eletronics
O Pintar VirtualLab Eletronics Lite [Pintar, 2000] é um software educacional
com interface em duas dimensões (2D). Ele é disponibilizado em duas versões: uma versão
de demonstração gratuita, na qual o usuário pode visualizar os símbolos dos dispositivos
elétricos e criar os circuitos; e uma versão comercial (paga), em que os usuários podem,
além de criar os circuitos elétricos, analisá-los. Uma das limitações encontradas no pro-
tótipo refere-se à interação do usuário com o sistema que ocorre apenas na visualização
e manipulação dos objetos, não propiciando ao usuário ver a modelagem real (3D) dos
dispositivos, criando assim um obstáculo entre a teoria e a prática. A Figura 2.1 mostra
um exemplo de circuito construído pelo Pintar VirtualLab Eletronics.
9
Figura 2.1: Um exemplo de circuito no Pintar VirtualLab Eletronics
2.3 FisicaNet
Outro trabalho analisado é o applet1 Java disponível em [FisicaNet, 2003],
chamado FísicaNet e mostrado na Figura 2.2. Este sistema apresenta técnicas de mode-
lagem 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. Além de possuir uma quantidade limitada de dispositivos, ele disponibiliza
somente resistores para serem usados no circuito. 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.
1Applets são pequenos programas construídos em Java. Podem ser executados dentro de um navegadorno cliente quando a página é acessada. Estes pequenos programas podem executar tarefas de controle deacessos, efeitos gráficos e segurança, como por exemplo a criptografia. O nome Applet tem uma alusão àpalavra application do inglês [EscolaVesper, 2003].
10
Figura 2.2: Um exemplo de circuito no FisicaNet
Uma limitação apresentada nesse sistema é que 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. O sistema poderia permitir que o usuário também inserisse capacitores
no circuito, pois comumente são utilizados com resistores na montagem de circuitos.
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.
2.4 EngineSoft Constraints
Silva; Lamounier Junior (2002) desenvolveram um sistema baseado em restrições
geométricas para suportar projetos de circuitos elétricos. O sistema desenvolvido utiliza
uma representação em grafo na construção dos desenhos esquemáticos de circuitos elétri-
cos, permitindo a satisfação incremental das restrições. O sistema é capaz de executar a
análise de circuitos em CC (corrente contínua) e em CA (corrente alternada), podendo
conter resistores, indutores, capacitores e fontes de tensão (ver Figura 2.32).
2Fonte: Figura retirada do artigo de Arquimedes Silva [Silva et al., 2004a].
11
Figura 2.3: Montagem e Análise de Circuitos
Suas principais características são:
• Possuir uma natureza incremental que é responsável por avaliar a porcentagem de
vértices do Grafo de Restrições visitado quando uma nova restrição é inserida. A
acomodação das conexões são feitas entre dois vértices no grafo com a adição de um
arco entre eles, sem a necessidade de re-satisfazer as restrições existentes.
• Apresentar suporte para manipulações diretas, pois qualquer um dos componentes
do circuito elétrico pode ser manipulado individualmente porque o grafo mantém
preservadas as ligações existentes entre os componentes do circuito.
• Apresentar uma extensão para Projetos de Instalações Elétricas. Os autores tem
apresentado trabalhos [Silva et al., 2004a, Silva et al., 2004c, Silva et al., 2004b]
que demonstram a extensão do sistema baseado no paradigma das restrições, supor-
tando eficientemente sistemas CAD, para instalações elétricas.
Uma restrição apresentada nesse sistema é que ele só modela componentes em
2D para circuitos elétricos, através da representação simbólica dos dispositivos eletrônicos,
12
como são vistos nos livros de Física. Essa característica limita a capacidade prática de
aprendizado do usuário no que diz respeito à recriação da realidade.
2.5 LVEE - Laborátorio Virtual para Experiências emEletrônica
O projeto LVEE [Meiguins et al., 2002] foi desenvolvido pela Universidade Fe-
deral do Pará e consiste na criação de um ambiente virtual, baseado em modelos do
mundo real, para experimentação de atividades virtuais relacionadas a circuitos elétricos
e eletrônicos.
Neste sistema, o estudante encontra, no ambiente virtual, uma bancada consti-
tuída de um protoboard, onde podem ser inseridos os dispositivos e um painel de controle
que o usuário usará para inserção dos componentes eletrônicos. Todo o material necessário
para executar as experiências, tais como: capacitores, resistores, fontes etc, estão no painel
de controle. O painel de controle possibilita ao aluno realizar testes não só com todos os
materiais, como também com as mudanças de parâmetros na execução das experiências,
como valores de resistência, voltagem etc.
No LVEE, o usuário que deseja fazer um teste, pode selecionar os componentes
no painel de controle e clicar no botão “Inserir” para que o dispositivo possa ser colocado
no protoboard. Caso o usuário deseje fazer alguma modificação no circuito, ele deverá,
no painel de controle, especificar o dispositivo e clicar no botão “Remover”. Logo após a
inserção dos dispositivos, o circuito montado poderá ser analisado clicando-se no botão
“Simular”. Os resultados aparecerão nas caixas de texto. O software LVEE é mostrado
na Figura 2.43.
3Fonte: Figura retirada do artigo de Bianchi Serique [Meiguins et al., 2002].
13
Figura 2.4: Desenvolvendo experiências no LVEE
O LVEE foi modelado utilizando a linguagem VRML (Virtual Reality Modeling
Language) e os parâmetros são definidos por um apllet Java, encontrada na mesma página
Web que o Browser VRML que atualiza o cenário virtual. Essa interatividade e troca de
informações, entre o usuário e o ambiente virtual, são proporcionadas pela integração da
linguagem VRML com a EAI4 e a linguagem Java.
O sistema LVEE permite ao usuário realizar várias análises com diferentes dis-
positivos, mas, ao realizar uma análise, ele não permite que esta seja real, pois no software
não existe modelado nenhum equipamento de medição como, por exemplo, um multímetro4EAI(External Authoring Interface): permite que um applet escrito em Java, em uma página
HTML(Hypertext Markup Language) envie eventos para o mundo VRML. O apllet Java também podeser notificada quando um node5da cena envia eventos [Marrin, 2001]
5Node é um conjunto de especificações que determinam as características dos objetos contidos nocenário. Os nodes definem a hierarquia e as características individuais de cada objeto dentro do contextogeral do cenário. O node é o bloco básico de construção e descreve o tipo do objeto, que pode ser umaesfera, um cilindro, etc. O node é a construção fundamental de um arquivo VRML [UFBA, 2003].
14
que pode ser ligado ao protoboard. Todas as medições do circuito aparecem juntas na caixa
de texto “Resultado do SPICE”, no painel de controle. Outro problema é que o sistema
não transmite a sensação de o usuário estar montando o circuito, pois o protoboard não
é manipulado diretamente, ele é sempre atualizado a cada ação que o usuário executa no
painel de controle.
2.6 Quadro Comparativo dos Sistemas
Abaixo é mostrado um quadro comparativo entre os sistemas citados anterior-
mente.
Pintar VirtualLab FisicaNet EngineSoft Constraints LVEE2D X X3D X XManipulaçãoDireta
X X X
ModelagemRealística
X
Presença deTutoriais deAjudaPresença deAparelho deMediçãoPresença deFerramentaPedagógica
15
2.7 Considerações Finais
O computador apresenta um grande potencial como ferramenta de apoio ao
ensino, na medida em que seja usado para enriquecer a organização dos ambientes de
aprendizagem dos programas educacionais [Dizeró et al., 1999].
Analisando-se os sistemas apresentados neste capítulo, conclui-se que a maio-
ria não apresentava a modelagem tridimensional (real) dos dispositivos elétricos, o que
prejudica o entendimento do aluno caso ele queira construir circuitos reais. Já o soft-
ware analisado, que dispõe de modelagem 3D, não explora técnicas de Realidade Virtual
suficientes para permitir ao usuário ter a sensação real de estar criando o circuito elétrico.
Analisando o quadro que apresenta a comparação dos sistemas apresentados
neste capítulo, verifica-se claramente a necessidade de desenvolver um sistema multidisci-
plinar que explore técnicas de RV para dar suporte a uma interação mais real e natural e
que explore também propostas pedagógicas para aumentar a qualidade do sistema, pois
acredita-se que as técnicas de RV, associadas a propostas pedagógicas (Mapas Conceitu-
ais - serão apresentados no Capítulo 3), contribuam fortemente para a elaboração de um
ambiente contextualizado de aprendizagem significativa.
16
Capítulo 3
Processos Pedagógicos
3.1 Introdução
Este capítulo apresenta alguns processos pedagógicos importantes para a criação
de ambientes de aprendizagem com qualidade. Dentre eles, cita-se, com detalhes, a ferra-
menta Mapa Conceitual. Neste capítulo também serão mostrados o desenho pedagógico
do ambiente virtual e o mapa conceitual da eletrodinâmica utilizados neste protótipo.
3.2 Processos Pedagógicos do Laboratório Virtual daEletrodinâmica
As categorias de softwares que oferecem ao usuário ferramentas para manipular
representações conceituais, para melhor aprofundamento e compreensão desses processos,
incluem simulações, sistemas de realidade virtual, micromundos, ferramentas de mapea-
mento conceitual e workbenches [Collis, 2002]. As simulações em realidade virtual diferem
de outros softwares em termos de: exploração pelo próprio usuário de um domínio con-
ceitual, número de variáveis que podem ser manipuladas, detalhes e a fidelidade das
simulações e a quantidade de recursos úteis para o aprendiz durante a manipulação das
simulações. Ambientes virtuais mais sofisticados envolvem a imersão, e requerem equipa-
17
mentos especiais de alto custo e a capacidade do usuário em manipular e fazer ajus-
tamentos do movimento corporal para adaptação ao ambiente virtual. Tais ambientes
são ainda inacessíveis à maioria dos estudantes. Entretanto, simulações em realidade
virtual utilizando a linguagem VRML estão cada vez mais comuns na educação, con-
tribuindo substancialmente para a reconceitualização da grade curricular e para o processo
de ensino-aprendizagem de escolas públicas.
Diversas pesquisas [Collis, 2002], [Good and Berger, 1998], cobrindo uma
extensa área urbana e de periferia, analisaram as contribuições de softwares de simulações
em Realidade Virtual para o processo ensino-aprendizagem dos conteúdos curriculares e
concluíram o seguinte:
• Estudos demonstraram que os alunos que usaram simulações por meio de computa-
dor apresentaram melhor entendimento conceitual do que os alunos que não usaram
simulações durante estudos do conteúdo curricular. Um dos grupos que utilizou
computadores para o processo ensino-aprendizagem usou as simulações somente du-
rante a leitura do texto, e o outro grupo utilizou a simulação em todo o processo de
atividades de aprendizagem do conteúdo em questão. Após serem avaliados sobre
o entendimento do conteúdo, os alunos que utilizaram as simulações, em diferentes
momentos, apresentaram melhor compreensão dos conceitos. Abraham (Abraham
apud Collisb, 2002) concluiu que as animações contribuíram para o melhor entendi-
mento conceitual, promovendo a formação de modelo mental dinâmico do fenômeno.
• Os alunos que receberam orientação dos professores quando usavam sistemas de
simulações tinham melhor entendimento dos conceitos envolvidos nas simulações.
• Muitas dessas tecnologias de ensino não são fundamentadas em modelos cognitivos
18
e pedagógicos e, portanto, não estimulam processos ativos de aprendizagem.
Se a simples simulação de fenômenos reais não desenvolve e orienta processos de
aprendizagem, esta pesquisa tem como objetivo criar um software direcionado ao ensino
de Física, fundamentado em teorias da aprendizagem significativa e em sistemas instru-
cionais por meio de realidade virtual. Dessa forma, limitou-se a desenvolver um software
baseado em CAL (Computer-Assisted Learning), com o objetivo de contribuir para o de-
senvolvimento de material didático virtual de apoio ao ensino de Física, direcionado para
o Ensino Médio.
A pesquisadora não desenvolveu um software como ferramenta cognitiva a exem-
plo dos trabalhos de Kommers, Jonassen e Mayes (1992). Entretanto, buscou aplicar, no
desenho pedagógico dos ambientes de aprendizagem, alguns princípios construtivistas tais
como ação, reflexão, gerenciamento da aprendizagem [Mendes, 2002] para a interação do
aprendiz com o ambiente de simulação. Além disso, utilizou a ferramenta mapa conceitual
para organização e distribuição do conteúdo do ambiente tutorial do conteúdo de Física.
Como foi mencionado na introdução dessa dissertação, aplicou-se o mapa conceitual para
organização e distribuição do conteúdo com o objetivo de eliminar os sistemas de trans-
ferência de informação de forma modular, unidirecional e criar um ambiente em que o
aluno veja o todo conceitual de forma integrada e possa gerenciar a informação de acordo
com a sua necessidade.
O desenho pedagógico definiu três cenários de aprendizagem. O primeiro
ambiente consiste em um sistema tutorial para o conteúdo da eletrodinâmica; para orga-
nização e distribuição do conteúdo aplicou-se, como estratégia, o mapa conceitual. O
segundo ambiente consiste em um tutorial que apresenta o laboratório virtual de Física
com os dispositivos elétricos (resistor, capacitor) e a placa pré-montada possibilitando,
19
ao aluno identificar as ferramentas necessárias para a utilização do ambiente virtual. O
terceiro ambiente é a simulação de um laboratório de Física virtual interativo que permite
ao aluno agir e refletir sobres sua ação, possibilitando a criação de circuitos elétricos e
o cálculo da corrente, tensão elétrica (diferença de potencial) ou resistência através do
multímetro.
A estratégia da simulação de um laboratório virtual interativo tem como objetivo
fazer com que o aluno manipule os objetos e reflita sobre suas manipulações. Como
afirma Mendes (2002), a aprendizagem é um processo humano amplamente expandido
pela curiosidade. Quando a aprendizagem ocorre sobre as coisas do contexto natural, o
ser humano interage com o ambiente e manipula os objetos que o circundam, observando
os efeitos de suas intervenções e construindo suas próprias interpretações dos fenômenos
e os resultados de suas manipulações. Nessas situações, os aprendizes manipulam os
objetos, as ferramentas e observam os efeitos de suas manipulações, o que significa dizer
que aprendizagem real requer aprendizes ativos.
3.3 Mapas Conceituais
A literatura sugere diferentes aplicações dos mapas conceituais, dos organizadores
gráficos na educação e do treinamento como estratégias de aprendizagem que enrique-
cem a construção do conhecimento por meio de novas tecnologias (Mendes, 2002). Os
mapas conceituais são utilizados como auxiliares dos educadores na definição de obje-
tivos cognitivos, nos modelos de currículo, no desenvolvimento e avaliação do material
curricular, na elaboração de planos de ensino, na avaliação de estratégias de aprendiza-
gem, na construção do conhecimento em determinada área científica. São ferramentas
colaborativas de distribuição cognitiva a distância, em estratégias de aprendizagem e
20
decisão de navegação em lições, usando hipermeios e hipertextos em gerenciamento do
conhecimento e da informação em empresas e em bibliotecas virtuais.
Os mapas conceituais são também ferramentas cognitivas gráficas que repre-
sentam o conhecimento científico e mental. Sua estrutura é formada por um sistema
de redes conceituais que se organizam e se distribuem por diferenciações progressivas e
reconciliações integrativas, em um modelo que se relaciona por ligações semânticas. Dife-
renciações progressivas se estruturam de forma que os conceitos superordenados (âncoras
para a compreensão da informação) estejam no topo e depois se especifiquem em conceitos
subordinados, em diferentes níveis de inclusão. As reconciliações integrativas evidenciam
as possíveis relações existentes entre as diversas idéias que estão sendo trabalhadas, de
modo a facilitar e a catalisar a criação destas ligações na estrutura cognitiva do aprendiz.
Como ferramentas cognitivas estimulam o metaconhecimento, a metacognição
de professores, alunos e concepções alternativas. Como ferramenta do metaconhecimento
contribuem para a reflexão sobre uma determinada área do conhecimento, os conceitos e
relações que envolvem determinada ciência e a interdisciplinaridade com outras áreas do
conhecimento. Como ferramenta metacognitiva estimula a construção do conhecimento
ao possibilitar ao estudante a representação e reflexão da estrutura cognitiva do aprendiz
e a evolução do seu processo de aprendizagem.
Adicionados ao potencial cognitivo, os mapas são excelentes ferramentas instru-
cionais para a organização e distribuição dos conteúdos da grade curricular, pois eliminam
a estrutura modular, fragmentada, linear e unidimensional, criando sistemas multidimen-
sionais e interdisciplinares, como também fornecendo uma visão entre o todo e as partes
dos conceitos a serem estudados. O mapa conceitual de uma determinada área pode ser
usado para identificar as áreas que devem ser incluídas, os conceitos fundamentais e os
21
conceitos a priori, necessários para se compreender a nova informação. Esses procedimen-
tos de criar mapas para organização e distribuição do conteúdo de um curso servem como
guia para o processo de ensino. Essa estratégia de formar um todo integrado para os
conteúdos a serem ensinados, estimula a memória compreensiva, a longo prazo, nos estu-
dantes e possibilita ao aluno gerenciar a aprendizagem, detectando erros conceituais e
conceitos a priori necessários para compreender a nova informação. As pesquisas indicam
que os mapas conceituais instrucionais ajudam os alunos a entender o material, clari-
ficar as relações entre os conceitos e diminuir o tempo gasto para memorizar o conteúdo
(Jonassen apud Mendes, 2000).
Mendes (2002) observa que os livros, conferências e outros materiais de exposição
são planejados, de forma geral, por meio de alinhamento. Os mapas conceituais diferem
desses esboços em quatro diferentes aspectos. Primeiro, os mapas conceituais mostram
os conceitos-chave e suas proposições numa linguagem concisa. Segundo, os esboços mis-
turam conceitos, exemplos e proposições numa matriz que, embora hierárquica, se torna
inadequada por não mostrar as relações entre conceitos superordenados e subordinados,
entre os conceitos-chave e as proposições. Terceiro, bons mapas conceituais mostram as
relações ideais num modelo visual simples que atrai devido à notável capacidade humana
para fixar a imagem visual. Quarto, os mapas estimulam a memória, e os estudantes
mostram que podem se lembrar da relação dos conceitos ali relatados.
A proposta de trabalho dos mapas conceituais é baseada na idéia fundamental
da Psicologia Cognitiva de Ausubel, que estabelece a aprendizagem significativa como
um processo de assimilação de novos conceitos e proposições por meio de interação entre
a estrutura cognitiva do aluno e a nova informação. Novas idéias e informações são
aprendidas, na medida em que existam pontos de ancoragem para a acomodação dessas
22
(subsunçores).
Se o conteúdo escolar a ser aprendido não consegue se associar com algo já
conhecido pelo aprendiz, ocorre o que Ausubel chama de aprendizagem mecânica, ou seja,
as novas informações são assimiladas sem se relacionar com conceitos relevantes existentes
na estrutura cognitiva. Assim, o aluno decora fórmulas, leis, exemplos e proposições;
esquecendo-os após a avaliação.
Aprendizagem significativa implica modificações na estrutura cognitiva e não
apenas em acréscimos de conteúdos, desenvolvendo estruturas cognitivas mais móveis
e flexíveis com capacidade de transferir, generalizar e aplicar os conceitos aprendidos
em contextos diferentes. Aragão (2002) observa os seguintes aspectos relevantes para a
aprendizagem significativa:
• Subsunçores (conhecimento específico a priori) são necessários para a compreensão
da nova informação.
• Material didático deve ser organizado de forma não arbitrária e literal.
• Novas idéias e conceitos devem ser "potencialmente significativos” para o aluno.
Dessa forma, buscando uma coerência com os pressupostos de Ausubel, cria-se
um ambiente tutorial para os conceitos de Física que permite ao aluno gerenciar a apren-
dizagem, podendo facilmente acessar as definições, exemplos e proposições dos conceitos a
priori necessários para compreender a nova informação, como também, acessar aos novos
conceitos que o software desenvolve. Entretanto, compreende-se as limitações desse tra-
balho em relação às contribuições das avaliações do software para a aprendizagem dos
alunos, como também como material de apoio ao professor.
23
3.4 Mapa Conceitual da Eletrodinâmica
A Figura 3.1 mostra o mapa conceitual da eletrodinâmica (construído com a
ferramenta Cmap Tools [of West Florida, 2004] e desenvolvido pela equipe de Física da
Universidade Federal de Uberlândia, em nome do professor PhD Eduardo Kojy Taka-
haschi), que está sendo usado no sistema desenvolvido.
24
3.5 Considerações Finais
Esse capítulo apresentou alguns estudos sobre a importância dos softwares de
aprendizagem assistidos por computador no aprendizado de alunos. Apresentou também
alguns processos pedagógicos utilizados no ambiente virtual para o aumento da qualidade
do sistema.
No próximo capítulo, apresenta-se a arquitetura do LVCE, levando-se em con-
sideração os softwares estudados e os processos pedagógicos.
26
Capítulo 4
Arquitetura do Sistema
4.1 Introdução
A partir do estudo realizado nos capítulos anteriores, foi possível projetar uma
arquitetura para um sistema educacional que ofereça ao usuário um aprendizado mais
amplo e com maior qualidade, já que o mesmo poderá visualizar, na prática e na teoria,
o conteúdo de Circuitos Elétricos.
Antes de mostrar a referida arquitetura do sistema em detalhes, será apresentada
a tecnologia de apoio necessária ao funcionamento desse sistema, bem como a importância
de cada uma das tecnologias utilizadas.
4.2 Tecnologias de Apoio
Novas tecnologias têm sido criadas para dar suporte ao desenvolvimento de apli-
cações de Realidade Virtual. O surgimento de VRML trouxe a possibilidade de construir
mundos virtuais tridimensionais, visualizáveis pela Internet com qualidade, através de um
browser e de um plug-in. O conceito de plug-in surgiu da necessidade de se possibilitar
a interpertação de novos formatos de mídia através dos browsers [Reis, 2000]. Para con-
tornar o problema de realizar constantes modifições nos navegadores devido às mudanças
27
nos formatos de mídia, foi adotada a filosofia de manter os navegadores e desenvolver
programas específicos associados a cada tipo, ou conjunto de tipos de arquivo que, de
acordo com a necessidade do usuário, seriam utilizados pelo navegador. Esses progra-
mas não fariam parte do código principal do navegador, sendo chamados apenas quando
o navegador fosse carregar uma página que contivesse algum arquivo de um tipo não
“primitivo”.
Atualmente, existe uma série de visualizadores 3D no mercado, nesse trabalho
optou-se pelo plug-in Cosmo Player [Graphics, 2003] por apresentar uma maior clareza
na visualização dos objetos no ambiente virtual. Ele está disponível para download, gra-
tuitamente, pela Internet. A seguir, as ferramentas utilizadas na arquitetura proposta são
apresentadas.
4.2.1 VRML
VRML é uma linguagem de descrição de cenas independente de plataforma,
utilizada para descrever objetos e mundos interativos 3D através da World Wide Web
(WWW). Entretanto, é uma linguagem de computador e não uma linguagem de progra-
mação. VRML não é compilada, pois é simplesmente um arquivo texto que pode ser
interpretado por um browser acompanhado de um plug-in [Silveira, 2002].
Na versão VRML 2.0 existe a possibilidade de se adicionar áudio, objetos inte-
rativos, comportamentos, entre outras funcionalidades. Um arquivo VRML consiste de:
• Cabeçalho;
• nodes que especificam os objetos, por exemplo, cilindros ou esferas, e transformações
que especificam a movimentação dos objetos, por exemplo, rotação ou escala;
• campos que são os parâmetros dos nodes.
28
A seguir, apresenta-se um trecho do código VRML, exemplificando alguns de
seus componentes e a sua simplicidade de codificação. A Figura 4.1 mostra como este
código é visto no Browser.
#VRML V2.0 utf8 #CabeçalhoShape
geometry Cylinder #Nodoradius 3 #Campoheight 6
Figura 4.1: Exemplo de arquivo VRML
Efeitos interativos podem estar presente através de nodes VRML do tipo sensor,
como exemplo: o sensor TouchSensor. Outro recurso importante são os nodes do tipo
script. Eles possibilitam a criação de objetos animados em um mundo e oferece a eles um
aspecto mais “inteligente” atribuindo-lhes determinadas ações [Ames et al., 1997].
VRML vem sendo utilizada por desenvolvedores de ambientes tridimensionais
por apresentar, entre outras, as seguintes funcionalidades:
29
• Permite criar mundos e objetos 3D interativos;
• permite disponibilizar cenários 3D em ambientes distribuídos (Internet) com quali-
dade;
• as ferramentas associadas são multiplataformas (browsers, plug-ins, etc) e algumas
não são proprietárias, obedecendo a padrões internacionais de mídias;
• oferece suporte a EAI (External Authoring Interface), para melhorar a funcionali-
dade dos mundos e objetos 3D criados em VRML;
• permite a integração com outros formatos de arquivos, como HTML;
• oferece suporte a formatos gráficos padrões (por exemplo, .gif, .jpg, etc);
• o seu código é de simples edição e de interpretação.
A modelagem de um ambiente virtual em VRML, a princípio, não exige software
especial, bastando apenas um editor de texto padrão. Contudo, existem no mercado,
várias ferramentas para modelagem tridimensional como: 3D Studio [Discreet, 2002],
Cosmo World 2.0 [Graphics, 1996] etc. Essas ferramentas oferecem suporte desde a cria-
ção dos objetos até a junção desses na montagem do ambiente virtual. O problema é
que depois de modelado um objeto, é necessário convertê-lo para o formato VRML. Tais
conversões, muitas vezes, resultam no aumento do código fonte e até mesmo encontram-se
erros no código fonte em VRML.
O VRML possui uma extensão que é o padrão X3D. Esta nova especificação
da linguagem é proposta pelo WEB3D, consórcio responsável pelo desenvolvimento do
padrão VRML. Esse formato apóia codificações múltiplas e APIs, assim pode ser integrado
facilmente com browsers de Web por XML ou com outras aplicações. O X3D é a tecnologia
30
do suporte 3D e do MPEG-4. A utilização do mecanismo para a codificação de metadados
e descrição de recursos na Web pode descrever os elementos de realidade virtual escritos
no padrão X3D, possibilitando uma solução genérica e extensível para a integração e
distribuição de informações tridimensionais na web. Outra característica importante é o
suporte a NURBS1 (Non Uniform Rational B-Splines) [da Costa, 2002].
4.2.2 JavaScript
JavaScript é uma linguagem de programação independente de plataforma que
não é compilada, e seu arquivo é interpretrado por um browser.
Para inserir animações nos mundos virtuais optou-se por essa linguagem devido,
essencialmente, à sua simplicidade e facilidade de integração com VRML. As animações
foram construídas através de funções escritas nessa linguagem e inseridas no código
VRML, através de nós scripts. Esses scripts proporcionam uma maior interação do usuário
com o sistema, pois puderam controlar a interatividade e outras características avançadas
de um mundo VRML [Ames et al., 1997]. Por exemplo, para programar comportamento
em cena, um nó script é criado para receber eventos que significam uma ação do usuário,
que executa um código que realiza algum tipo de cálculo em resposta ao evento. A seguir,
apresenta-se um trecho de código VRML que mostra a sua integração com JavaScript.
Esse código é utilizado para manter uma luz ligada até que o usuário a desligue, ou mantê-
la desligada até que o usuário a ligue. A Figura 4.2 apresenta um exemplo de um objeto
antes de se utilizar esse código, e a Figura 4.3 apresenta um exemplo depois de utilizado
o código JavaScript, conforme abaixo:1NURBS é uma tecnologia que nada mais é do que um formato de curvas usado em programas vetoriais
para o 3D, o que garante uma imagem mais nítida com alto acabamento nas superficies.
31
#VRML V2.0 utf8url "javascript:
function set_booleanluzquarto (bool, eventTime) if (bool==false)
return;if (value==true)
value=false;else
value=true;value_changedluzquarto=value;
Figura 4.2: Exemplo de arquivo VRML sem código JavaScript
32
Figura 4.3: Exemplo de arquivo VRML com código JavaScript
4.3 Diagrama da Arquitetura do Sistema
O LVCE possui uma interface que permite que professores e alunos desenvolvam
experiências de forma ágil, simples, com a necessidade mínima de conhecimentos téc-
nicos relacionados à Informática e conhecimentos mínimos 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, como já citado, é construído com as linguagens VRML e JavaScript. O acesso
a Web é obtido por meio de um programa navegador na Internet (web browser). A vi-
sualização dos mundos em Realidade Virtual é realizada por um plug-in Cosmo Player
[Graphics, 2003], 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 contribuem
para a criação de arquivos pequenos, que são compartilhados via Web, resultando num
baixo custo de transmissão e armazenamento. A Figura 4.4 mostra o diagrama básico da
33
arquitetura do sistema.
Cenário
Ação
Atualização
Ação
US
UÁ
RIO
INTER
FA
CE G
RÁ
FIC
A - G
UI
Manipulador deMapas Conceituais
Ambiente Virtual
Objetos Virtuais
Gerenciadorde
Circuitos Elétricos
Figura 4.4: Arquitetura do Sistema
A Figura 4.4 ilustrada acima representa a visão geral da comunicação entre as
partes que compõem o LVCE para o ambiente virtual.
A arquitetura proposta é formada pelos seguintes módulos:
• Interface Gráfica do Usuário;
• bloco Manipulador de Mapas Conceituais;
• bloco do Ambiente Virtual;
• bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos.
4.3.1 Interface Gráfica com o Usuário - GUI
Este bloco permite ao usuário visualizar, graficamente e de modo interativo, a
entrada de dados e a saída de informações. O usuário executará as ações e receberá
as atualizações. O acesso do usuário a GUI será presencial ou a distância, via rede de
computadores mundial, Internet.
A Figura 4.5 mostra os resultados obtidos na GUI, após a realização de uma
experiência pelo usuário.
34
Figura 4.5: Exemplo da GUI após um experimento
4.3.2 Bloco Manipulador de Mapas Conceituais
O bloco Manipulador de Mapas Conceituais é composto de nós e relações semân-
ticas entre os nós. Os nós contém os conceitos essenciais para a aprendizagem em
eletrodinâmica os quais podem ser acessados, possibilitando, assim, uma maior definição
e compreensão do tópico em análise. As relações semânticas ou ligações entre os con-
ceitos têm o objetivo de integrar as partes em um todo semântico, estimulando a leitura
compreeensiva a longo prazo, pelo fato de possuir um texto conciso. O software utilizado
para construir os mapas conceituais é o CmapTools [of West Florida, 2004] exibido na
Figura 4.6.
35
Figura 4.6: Software CmapTolls
4.3.3 Bloco do Ambiente Virtual
O bloco Ambiente Virtual é composto pelo bloco Objetos Virtuais, os quais
possuem sensores que captam o toque do usuário por meio do mouse.
Entre os objetos virtuais temos:
• A caixa de dispostivos elétricos;
• o circuito pré montado com a chave e a bateria;
• o multímetro;
• o painel de controle.
A caixa de dispositivos elétricos sobre a mesa contém os dispositivos que o usuário
poderá usar para criar o circuito. Nela existem seis resistores de valores distintos, sendo
36
que cada valor possui vários exemplares. Essa quantidade de resistores foi escolhida por
ser suficiente para que o aluno crie várias possibilidades de circuitos diferentes e inicie
seu aprendizado. Existe também um capacitor, com apenas um exemplar e vários fios.
Um único capacitor é suficiente, pois já mostra ao usuário o seu carregamento e o seu
comportamento no circuito. A Figura 4.7 mostra a caixa de dispositivos.
Figura 4.7: Caixa de dispositivos elétricos
O circuito pré-montado possui sensores que uma vez habilitados podem receber
dispositivos elétricos. Ele possui também uma chave animada que pode ser aberta ou
fechada e uma bateria, com a qual o usuário poderá modificar seus valores ao clicar sobre
ela. Ao clicar-se na bateria aparecerá um controle onde, através de setas, o usuário poderá
modificar os seus valores de tensão. O circuito pré-montado é mostrado na Figura 4.8 e
o menu de tensão é mostrado na Figura 4.9.
Figura 4.8: Circuito pré montado
37
Figura 4.9: Menu de controle da tensão
O multímetro possui vários sensores que o controlam. Tem-se um sensor para
habilitar o amperímetro, o voltímetro e o ohmímetro. Eles são identificados respectiva-
mente pelas letras A, V e Ω. Há também duas caixas na parte inferior do multímetro
que se habilitadas podem ligar o multímetro aos pontos do circuito. Ele é mostrado na
Figura 4.10
Figura 4.10: Multímetro
O painel de controle mostrado na Figura 4.11 possui os seguintes botões:
• Primeira botão - Abre a página principal do protótipo;
• Segundo botão - Habilita o Tutorial Cosmo Player que ensina o usuário a utilizar
todas as funcionalidades do navegador Cosmo;
• Terceiro botão - Habilita o Tutorial do Ambiente de Simulação, para mostrar, com
detalhes, como utilizar todos os recursos do Ambiente de Construção de Circuitos;
38
• Quarto botão - Habilita o Tutorial do Resistor com o qual o aluno, utilizando o
código de cores, determina qual é o valor de uma resistência;
• Quinto botão - Habilita o Mapa Conceitual, que mostra, com detalhes, os conceitos
da eletrodinâmica, com definições e exemplos.
• Sexto botão - É o botão 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
“dica”, basta posicionar o cursor do mouse sobre o botão "?"que uma caixa de texto
será apresentada, mostrando-lhe algumas “dicas” sobre a situação atual do circuito;
• Sétimo botão - Este botão reinicia a simulação, proporcionando novas experiências.
Figura 4.11: Painel de controle
Na Figura 4.12 mostra-se a página inicial do software e na Figura 4.13 expõe-se
um outro exemplo do ambiente de simulação, com alguns dispositivos elétricos já inseridos
e com o botão exploratório sendo acessado e mostrando uma dica.
39
4.3.4 Bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos
No bloco Gerenciador de Circuitos Elétricos, estão as funções implementadas
em JavaScript, integradas ao VRML, que permitem realizar tarefas complexas com mais
facilidade, aumentando a interação do usuário com o ambiente virtual. 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, na caixa de dispositivos,
também com o mouse, seleciona-se o dispositivo desejado. Este procedimento se repetirá
até a construção completa do circuito sobre a placa. Finalizada a construção 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 (tensão elétrica)
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 no multímetro.
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 1.5 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão, que
aparecerá ao clicar-se na pilha.
4.4 Considerações Finais
A arquitetura aqui proposta foi construída com base nas análises dos sistemas
educacionais e das ferramentas apresentadas no Capítulo 2 desse trabalho.
A linguagem VRML e os scripts JavaScript se adequaram perfeitamente para
41
realização desse projeto em termos de animação, interação e realização de cálculos através
do multímetro.
No próximo cápitulo, são apresentados os detalhes da implementação da arquite-
tura do LVCE.
42
Capítulo 5
Implementação do Sistema
5.1 Introdução
Este capítulo apresenta algumas características da implementação do LVCE por
esse trabalho. Aborda alguns aspectos utilizados na construção do código VRML e
JavaScript, os quais proporcionaram a construção de um ambiente educacional intera-
tivo.
Também nesse capítulo são apresentadas as considerações finais sobre a imple-
mentação desse sistema.
5.2 Implementação do Ambiente Virtual
Esse mundo virtual foi modelado em VRML, sendo necessário a inserção de
scripts, desenvolvidos na linguagem JavaScript que permite realizar tarefas complexas
com mais facilidade através do uso de funções matemáticas predefinidas.
No mundo virtual encontra-se o objeto chave que é utilizado para abrir ou fechar
o circuito. Este objeto possui um sensor, chamado TouchSensor que permite ao usuário
clicar com o mouse na chave (Figura 5.1), fazendo com que ela seja aberta ou fechada
dependendo do estado em que ela se encontra. Por exemplo, se o usuário clicar na chave
43
e ela estiver aberta, ela fechará.
Figura 5.1: Chave Fechada
A seguir, apresenta-se um trecho do código VRML, utilizado no desenvolvimento
da chave, através de Proto.
#criação de um PROTO, cujo nome é chaveProtoPROTO chaveProto [
#aqui é definido a interface da chaveProto, ou seja,#o que será visível para outros nodos que utilizarão#este PROTOeventOut SFBool resultadoChave]
#criação do Transform, cujo nome é chave. Sempre que se desejar#mudar o objeto, fazer alguma transformação nele. Isso será#feito através do TransformDEF chave Transform
children [
#início do bloco onde são declaradas as variáveis que#serão usadas nas funções script.DEF ChaveScript Script
eventOut SFBool bln IS resultadoChaveeventOut SFTime ligadoeventOut SFTime desligadoeventIn SFTime iniciofield SFBool estado FALSE
#início do bloco onde as funções script são#implementadasurl "vrmlscript:
44
#quando utilizadas com o VRML,#as funções JavaScript recebem dois argumentos.#O primeiro é o valor que recebe o eventIn, o#segundo é um valor que contém o tempo em#que a função foi chamada, esse tempo é#um valor absoluto
function Comutar(value, time) #variável booleana que, a cada vez que é chamada,#comuta de estado (verdadeiro para falso e#vice-versa)estado = !estado;
#bln recebe o valor de estado. Como bln está#conectada ao eventOut resultadoChave. Se bln#mudar, resultadoChave também mudabln = estado;
#se estado for verdadeiro então a variável#ligado vai receber o tempo absoluto que a função#Comutar foi chamada. Caso contrário,#desligado vai receberif (estado)
ligado = time; else
desligado = time;
#a função inicio chama a função comutar com os#mesmos argumentos que ela recebefunction inicio(value, time)
Comutar(value, time);"
# Código para a modelagem da chave
#trecho de código que contém a criação#dos sensoresDEF MovChave Transform
children [#sensor que possibilica o clique na chaveDEF SensorMovChave TouchSensor
45
Group children [
DEF DescerChave Group children DEF TSDescChav TimeSensor
cycleInterval 0.25
DEF OrDescChav OrientationInterpolator
key [1.0]keyValue [
0.0 0.0 1.0 0.79]
]
Group
children [DEF SubirChave Group
children DEF TSSubChav TimeSensor cycleInterval 0.25
DEF OrSubChav OrientationInterpolator key [1.0]keyValue [
0.3 1.55 0.0 0.0]
]
]
]
#linha que servirá de gatilho, chamando a função inicio ROUTE
SensorMovChave.touchTime TO ChaveScript.inicio
#quando a variável desligado for alterada, ela passará#seu valor (tempo) para o TimeSensor TSDescChav que#se iniciaráROUTE ChaveScript.desligado TO TSDescChav.set_startTime
46
#assim que o TSDescChav se iniciar, o fraction_changed#ficará gerando novas frações de tempo. A cada fração#de tempo gerada, o valor é passado para#OrSubChav.set_fraction que gera novos valores#para rotaçãoROUTE TSDescChav.fraction_changed TO OrSubChav.set_fraction
#os novos valores para rotação são passados para#MovChave.set_rotation através do eventOut#OrSubChav.value_changedROUTE OrSubChav.value_changed TO MovChave.set_rotation
#quando a variável ligado for alterada, ela passará#seu valor (tempo) para o TimeSensor TSSubChav que#se iniciaráROUTE ChaveScript.ligado TO TSSubChav.set_startTime
Para verificar se a chave está aberta ou fechada, utiliza-se o
eventOut resultadoChave que devolve valores booleanos. Sendo True se a chave
estiver aberta, e False se a chave estiver fechada. Este evento é importante, pois é
sempre chamado antes do circuito ser analisado.
No multímetro, quando o usuário seleciona um instrumento de medição
(amperímetro, voltímetro ou ohmímetro), o botão referente ao instrumento acenderá para
que o usuário saiba qual o equipamento está habilitado. A seguir, apresenta-se o script
JavaScript que controla o acender do botão.
47
#função que recebe como argumento um valor booleano#é chamada quando o usuário clica no amperímetro,#voltímetro ou ohmímetrofunction set_booleanLuz(bool)
#se bool for verdadeiro, vai entrar no ifif (bool)
#se o usuário clicar no botão que corresponde#ao amperímetro, então AmpSensor.isActive#será Verdadeiro, entrando no ifif (AmpSensor.isActive)
#acendendo a luz do botão que corresponde ao#amperímetrovalorAmp = !valorAmp;luzAmp.on = valorAmp;
#função chamada para atualizar a posição dos fios#de mediçãoatualizarFiosAmp();
#apagando a luz do botão que corresponde ao#ohmímetrovalorOhm = false;luzOhm.on = valorOhm;
#apagando a luz do botão que corresponde ao#voltímetrovalorVolt = false;luzVolt.on = valorVolt;
#saindo da função set_booleanLuzreturn;
48
if (OhmSensor.isActive) valorOhm = !valorOhm;luzOhm.on = valorOhm;atualizarFiosVoltOhm();
valorAmp = false;luzAmp.on = valorAmp;
valorVolt = false;luzVolt.on = valorVolt;return;
if (VoltSensor.isActive) valorVolt = !valorVolt;luzVolt.on = valorVolt;atualizarFiosVoltOhm();
valorOhm = false;luzOhm.on = valorOhm;
valorAmp = false;luzAmp.on = valorAmp;return;
Veja que, dentro da função set_booleanLuz, estão sendo chamadas outras
funções: atualizarFiosAmp e atualizarFiosVoltOhm. A primeira posiciona os fios
quando se está medindo a intensidade. A segunda posiciona os fios quando se está medindo
a tensão ou a resistência. Importante salientar que existem duas funções diferentes, pois
o amperímetro deve ser inserido em série no circuito, e o voltímetro/ohmímetro devem
ser inseridos em paralelo.
Para auxiliar o usuário na montagem do circuito, algumas “dicas” são mostradas
em um quadro branco que aparece quando o usuário passa o mouse sobre o botão “?” que
está no painel de controle. Este botão é mostrado na Figura 5.2. Se o usuário tirar omouse
49
do botão, ele desaparece. Isso acontece, pois esse é um botão exploratório, e o usuário
somente deve buscá-lo em casos de dúvida. A seguir, apresenta-se a implementação VRML
para o quadro.
Figura 5.2: Botão Exploratório
#inicio do bloco que contém o código onde o#quadro onde as mensagens de ajuda são mostradasDEF quadro Switch
#como o quadro só é mostrado quando o usuário#passa o \emphmouse sobre ele usou-se o whichChoice = -1#isto quer dizer que inicialmente ele não é#mostrado. só é mostrado se o whichChoice for zerowhichChoice -1choice [
Transform translation -2.8 -1.8 -6.8scale 0.045 0.045 0.045children [
#fundo branco#Transform
translation -25.0, 25.0, 0.0scale 20.0 20.0 1.0children [
Shape appearance Appearance
material Material diffuseColor 1.0 1.0 1.0
geometry IndexedFaceSet
solid FALSEcoord Coordinate
50
point [-1.0 1.0 0.0,
1.0 1.0 0.0,1.0 -1.0 0.0,
-1.0 -1.0 0.0]
coordIndex [
0, 1, 2, 3, 0]
],
#texto basico#Transform
translation -40.0 40.0 0.1scale 4.0 4.0 1.0children [
Shape appearance Appearance
material Material diffuseColor 0.0 0.0 0.0
geometry DEF msg_ajuda Text
#campo que conterá os textos que#serão mostrados para o usuáriostring [""]
#formatação da fonte do textofontStyle FontStyle
style "BOLD"size 1.5justify "LEFT"
]
]
]
51
Para controlar o aparecimento/desaparecimento do quadro, usa-se o código
JavaScript mostrado a seguir.
recebe um valor booleano. quando o usuário #passa o \emphmousesobre a ajuda, esta função recebe #verdadeiro. Caso contrário,falso function set_boolean1(s)
if(s)#este comando que faz o quadro de ajuda aparecerquadro.whichChoice = 0;
else#este comando faz o quadro de ajuda desaparecerquadro.whichChoice = -1;
As mensagens do quadro são atualizadas a cada ação do usuário. Para controlar
as trocas de mensagens, o conteúdo do quadro deve ser apagado antes que ele receba uma
nova mensagem. A função usada para apagar o conteúdo do quadro é mostrada a seguir.
function LimpaAjuda() for (i=0; i<=9; i++)
#limpando o vetor que contém o texto de#ajuda ao usuáriomsg_ajuda.string[i] = ;
5.3 Implementação do Gerenciador do Circuito
O bloco Gerenciador do Circuito é implementado em JavaScript, em que os valo-
res dos componentes elétricos e os pontos entre os quais eles estão inseridos são armazena-
dos em uma matriz 1. Após criar o circuito, os conteúdos da matriz são convertidos em
valores que serão usados num conjunto de equações (Lei das Malhas) que são processadas
e fornecem uma análise completa do circuito [Silva and Junior, 2002].1Em JavaScript os vetores são de apenas uma dimensão [Goodman and Morrison, 2004], logo para
simular a matriz são usados vetores paralelos.
52
Foram criados quatro vetores pto1, pto2, valor e tipo. Eles respectivamente
armazenam o primeiro ponto que o usuário selecionar do circuito pré-montado, o segundo
ponto do circuito pré-montado, o valor do resistor ou capacitor que o usuário escolher e
o tipo do componente elétrico que o usuário inserir. Os vetores possuem quatro posições,
pois o circuito pré-montado possui a possiblidade de inserção de componentes elétricos
entre os pontos AB, BC, CD e DB. Por exemplo, se no circuito pré-montado forem clicados
os pontos A e B e, logo em seguida, for escolhido um resistor de valor 100 Ω, os vetores
ficarão com os valores mostrados na Figura 5.3.
'A'
'B'
100
'R'
pto1
pto2
valor
tipo
Figura 5.3: Exemplo dos vetores da implementação
Preenchidos os vetores todos os cálculos poderão ser feitos. O circuito pode ser
analisado em vários sentidos, mas o escolhido para implementação foi o sentido conven-
cional da corrente elétrica, do positivo para o negativo nas cargas (resistores).
Para calcular a corrente foram usadas as Leis de Kirchhoff [Halliday et al., 2003].
Elas são divididas em duas: Primeira Lei de Kirchhoff ou lei dos nós estabece que a soma
das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que saem do mesmo nó,
e a Segunda Lei de Kirchhoff ou lei das malhas estabelece que a soma das elevações de
potencial, ao longo de um percurso fechado qualquer (malha), é igual a soma das quedas
de potencial no mesmo percurso fechado. Assumindo-se que as quedas de potencial (do
terminal positivo para o negativo no sentido do percurso escolhido) são positivas e que
53
as elevações de potencial (do terminal negativo para o positivo no sentido do percurso
escolhido) são negativas, a lei das malhas 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 e o
resultado será sempre válido.
A seguir, apresenta-se o cálculo da corrente do circuito mostrado na Figura 5.4
usando as leis de Kirchhoff. O circuito mostrado possui três malhas (ABDA, ABCDA e
BCDB).
+
-
i1
i2
i3
10V
Figura 5.4: Cálculo das correntes do circuito
A primeira Lei de Kirchhoff aplicada ao nó B (ponto B no circuito da Figura 5.4),
fornece a equação 5.1.
As outras duas equações que permitem resolver esse problema decorrem da apli-
cação da segunda Lei de Kirchhoff. Para a aplicação da segunda lei foram escolhidas
as malhas ABDA e BCDB. Com a malha ABDA (partindo de B e no sentido horário),
obtém-se a equação 5.2. E com a malha BCDB (partindo de B e no sentido horário),
54
obtém-se a equação 5.3.
i1 = i2 + i3 (5.1)
i2 × 1− 10 + i1 × 100 = 0 (5.2)
i3 × 50 + i3 × 47− i2 × 1 = 0 (5.3)
Resolvendo esse sistema, tem-se que i1 = 99 mA, i2 = 98 mA e i3 = 1.01 mA.
Com as correntes calculadas, usa-se a Lei de Ohm (U = R × I) para calcular a tensão
entre os pontos selecionados.
Para calcular a resistência dos resistores ligados entre os seus terminais (pontos
do circuito) deve-se usar o botão ohmímetro do multímetro. Contudo, para o valor da
resistência ser real, o circuito deverá estar aberto. O circuito poderá estar aberto de duas
maneiras: através da chave que abre ou fecha o circuito ou se o circuito estiver incompleto.
A Figura 5.5 mostra um exemplo de um circuito incompleto.
Figura 5.5: Exemplo de um circuito incompleto
55
A seguir, mostra-se a função utilizada para verificar se o circuito esta completo.
#função que verifica se o circuito montado pelo#usuário está completofunction VerificaCircuitoCompleto()
var condicao1 = false;var condicao2 = false;var resposta = false;
#se existir algum componente entre os pontos A e B# e os pontos B e D então pode-se afirmar que o#circuito está completocondicao1 = (verificaExistPontos(’A’, ’B’) &&
verificaExistPontos(’B’, ’D’));
#se existir algum componente entre os pontos A e B,#B e C, C e D então pode-se afirmar que o#circuito está completocondicao2 = (verificaExistPontos(’A’, ’B’) &&
verificaExistPontos(’B’, ’C’) &&verificaExistPontos(’C’, ’D’));
#satisfazendo a condicao1 ou a condicao2 o#circuito estará completoif (condicao1 || condicao2)
resposta = true; else
resposta = false;
return resposta;
Para verificar se a chave está aberta ou fechada, utiliza-se o
eventOut resultadoChave apresentado na Seção 5.2.
5.4 Considerações Finais
Esse capítulo apresentou parte da implementação do LVCE, desenvolvido através
de técnicas de Realidade Virtual não-imersiva proporcionadas pelo uso da linguagem
VRML integrada à linguagem JavaScript.
56
Para a criação/modelagem dos componentes do ambiente virtual utilizou-se a
linguagem VRML e para a maioria das animações e de todos os cálculos utilizou-se a
linguagem JavaScript.
Concluiu-se que as técnicas utilizadas para o desenvolvimento do sistema atingi-
ram os objetivos propostos, proporcionando um ambiente virtual mais interativo, devido
à interação dos dispositivos elétricos, multímetro e placa de circuito.
No próximo capítulo, apresentam-se os resultados e limitações do sistema, após
avaliação do mesmo por potenciais usuários.
57
Capítulo 6
Resultados e Limitações do Sistema
6.1 Introdução
Este capítulo apresenta, através de um estudo de caso, o funcionamento do LVCE
que simula o Laboratório Virtual de Física na área de circuitos elétricos. Para avaliação
desse sistema foram aplicados questionários a potenciais usuários, e os resultados obtidos
são também mostrados nesse capítulo.
6.2 Funcionamento do Sistema
O LVCE é composto por várias páginas HTML/JavaScript e dois ambientes
virtuais: o ambiente de demonstração e o ambiente de simulação. Na primeira página,
faz-se a apresentação do trabalho, como mostra a Figura 6.1.
58
Figura 6.1: Página Inicial do Sistema
Na próxima página, abrir-se-á um laboratório virtual que será importante para a
realização e inclusão de trabalhos futuros. Esse laboratório é mostrado na Figura 6.21. A
página possui vários computadores, onde cada um representa uma área da Física. Nesse
trabalho, o único computador que possui um ambiente implementado é o computador da
eletricidade. Para ir diretamente ao computador da eletricidade, basta clicar na lista de
pontos de visualização do navegador CosmoPlayer e escolher a opção eletricidade.
1Fonte: O Laboratório Virtual de Física foi construído pelo Professor DSc Alexandre Cardoso - UFU
59
Figura 6.2: Laboratório virtual - áreas da Física
Ao escolher a opção eletricidade, o usuário deve clicar na tela do computador
para ter acesso a um menu de opções. Deve clicar na seta para baixo para escolher a opção
“circuitos”. Através dela, o usuário terá acesso a uma página que tece alguns comentários
e “dicas” do mapa conceitual e dos ambientes de simulação. Nessa página, o usuário terá
acesso aos ambientes citados anteriormente e a alguns tutoriais. Tal página é mostrada
na Figura 6.3
60
Figura 6.3: Página de apresentação do protótipo
Caso o usuário não tenha muito conhecimento sobre circuitos elétricos, ele de-
verá acessar o mapa conceitual para maiores esclarecimentos. O mapa conceitual da
eletrodinâmica foi mostrado na Seção 3.4. Caso o usuário queira conhecer o ambiente
do laboratório virtual da eletrodinâmica, ele deve acessar o ambiente de demonstração
que lhe apresentará o ambiente e os dispositivos elétricos. O ambiente de demonstração é
mostrado na Figura 6.4. Para o usuário obter informações sobre os objetos do ambiente
de simulação, ele deve tocar com o cursor do mouse sobre o objeto que o interessa e
aparecerá uma caixa de texto com algumas explicações.
61
Figura 6.4: Ambiente virtual de demonstração
Se o usuário já quiser realizar experiências, ele deve acessar o ambiente de si-
mulação. Nesse ambiente, o usuário tem acesso a vários links de ajuda que o auxiliarão
a utilizar o navegador CosmoPlayer, o ambiente de simulação e a descobrir o valor dos
resistores através do seu código de cores. A Figura 6.5 mostra um exemplo de circuito
construido em 2D, e seu similar construído no Laboratório Virtual de Física (Figura 6.6).
47W
25W
5W
-
1mF
1,5V
A
E
D C
B
Figura 6.5: Exemplo de um circuito em 2D com um capacitor.
62
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 1.5 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão que
aparecerá ao se clicar na pilha. A Figura 6.6 mostra o valor medido para a tensão nos
pontos BC, e a Figura 6.7 mostra o cálculo da corrente entre os pontos AB.
Figura 6.6: Cálculo da diferença de potencial entre os pontos BC.
63
Figura 6.7: Cálculo da corrente entre os pontos AB.
6.3 Avaliação do Sistema
O sistema foi apresentado a trinta e um usuários, sendo 06 professores e 25
alunos, entre eles, alunos do curso de graduação de Física e alunos do Ensino Médio.
Primeiramente, foi explicado a esses usuários o objetivo do sistema e, em seguida,
cada um deles executou-o individualmente. Após a execução do sistema, os usuários
responderam a um questionário.
Analisando-se as respostas nos questionários, foi possível avaliar os itens que
seguem abaixo e para cada item foi gerado um gráfico comparativo:
• Você já desenvolveu experimentos de Eletrodinâmica em um laboratório de Física
no Ensino Médio?
64
0
5
10
15
20
25
Sim
Não
Sim 2 0
Não 23 6
Alunos Professores
No gráfico, observa-se que a grande maioria dos usuários nunca utilizou um labo-
ratório de ensino na área de Física. Os dois usuários que declararam ter utilizado
um laboratório de ensino, disseram que a construção de circuitos elétricos na prática
é muito importante, pois facilita o aprendizado.
• Quanto à finalidade de uso da ferramenta
0
5
10
15
20
25
Muito Útil
Útil
Pouco Útil
Muito Útil 21 3
Útil 4 3
Pouco Útil 0 0
Alunos Professores
No gráfico, observa-se que a grande maioria dos usuários respondeu que o sistema é
Muito útil. Alguns pessoas que responderam que o sistema éÚtil, não justificaram
suas respostas, mas elogiaram o sistema pelo fato dele incluir a teoria e a prática
65
sobre circuitos elétricos.
• Quanto ao entendimento dos menus de ajuda
0
5
10
15
20
Fácil Entendimento
Médio Entendimento
Difícil Entendimento
Fácil Entendimento 20 6
Médio Entendimento 5 0
Difícil Entendimento 0 0
Alunos Professores
Observando-se o gráfico, vê-se que a maioria dos usuários considerou os Menus de
Ajuda de Fácil entendimento e eles justificaram que os menus são muito impor-
tantes para a compreeensão do ambiente de simulação. O botão exploratório que
traz dicas ao usuário foi bastante elogiado, pois facilita o estudo e a compreeensão
de circuitos elétricos. Os usuários que consideraram os Menus de Ajuda de Médio
entendimento não justificaram suas respostas, mas mesmo assim consideraram os
menus importantes.
• Quanto à interface com o usuário
66
0
5
10
15
20
25
Fácil Entendimento
Médio Entendimento
Difícil Entendimento
Fácil Entendimento 22 6
Médio Entendimento 3 0
Difícil Entendimento 0 0
Alunos Professores
Observando-se o gráfico, nota-se que a maioria dos usuário considerou os coman-
dos apresentados de Fácil entendimento, os demais justificaram a necessidade de
um prévio conhecimento sobre Informática, considerando que muitos poderão ter
dificuldades em executar comandos, exigindo, antes da execução, a apresentação
de algumas informações adicionais para operacionalização do sistema. Outros co-
mentaram que, graças aos Menus de Ajuda, houve facilidade no entendimento dos
comandos.
• Quanto à facilidade de uso
0
5
10
15
20
Muito Intuitivo
Intuitivo
Pouco Intuitivo
Muito Intuitivo 16 5
Intuitivo 9 1
Pouco Intuitivo 0 0
Alunos Professores
67
Nesse item, 21 usuários consideraram o sistema Muito intuitivo. A maior parte
das pessoas que avaliou o sistema como Intuitivo, citou a necessidade de ler o
tutorial do ambiente de simulação antes de iniciar suas experiências.
• Os objetos disponíveis permitem
0
5
10
15
20
25
Conceber a
experiência
Conceber parte da
experiência
Não permite conceber
a experiênciaConceber a experiência 23 5
Conceber parte da
experiência
2 1
Não permite conceber a
experiência
0 0
Alunos Professores
Nesse item, a maioria dos usuários respondeu que os objetos disponíveis são sufi-
cientes para realizar várias experiências diferentes. Os outros usuários consideraram
que os objetos disponíveis permitem conceber somente parte da experiência, pois
o software possue um número limitado de componentes elétricos e de pontos no
circuito.
• O Mapa Conceitual da Eletrodinâmica ajudou a melhorar a compreensão dos con-
ceitos
68
0
5
10
15
20
25
Sim
Não
Em parte
Sim 24 6
Não 0 0
Em parte 1 0
Alunos Professores
De acordo com o gráfico acima, a maioria dos usuários considerou que o mapa con-
ceitual ajudou na compreeensão dos conceitos e facilitou o aprendizado para aque-
les que não tinham prévio conhecimento sobre circuitos elétricos. Alguns usuários
elogiaram o mapa por ele mostrar o conteúdo todo interligado, o que facilita a
aprendizagem e a memorização. O único usuário que respondeu que o mapa ajudou
somente em parte não justificou a sua resposta.
• O sistema permitiu a aquisição de informações úteis a respeito de como funciona
um circuito
0
5
10
15
20
25
Sim
Não
Em parte
Sim 25 6
Não 0 0
Em parte 0 0
Alunos Professores
Pelo gráfico, pode-se observar que todos os usuários que responderam ao questionário
69
consideraram que o programa permitiu a aquisição de informações úteis a respeito
do funcionamento dos circuitos elétricos. Entre várias justificativas, temos usuários
que consideraram o sistema muito importante, pois ele serve de apoio a alunos e
mescla a teoria e a prática.
Analisando todos os itens avaliados nos questionários, conclui-se que o sistema
protótipo desenvolvido foi bem aceito pelos usuários entrevistados. Estes contribuíram
com algumas sugestões, descritas a seguir:
• Inserir no sistema um apresentador (avatar) indicando o uso do programa;
• inserir mais dispositivos elétricos, principalmente mais capacitores;
• inserir sons para facilitar a visualização dos eventos;
• bloquear o multímetro (não permitir medições) quando ocorrer um curto circuito,
pois se isso ocorrer em um laboratório real, o equipamento pode ser danificado (item
foi contemplado).
Ao analisar a avaliação feita pelos usuários e as sugestões propostas pelos mes-
mos, constatou-se que houve motivação por parte deles na utilização do sistema, compro-
vando que a introdução do computador no processo multidisciplinar de educação tende a
impulsionar novos paradigmas no processo de ensino aprendizagem.
Entretanto, observou-se que o sistema foi muito bem avaliado por professores e
alunos de graduação de Física. Isso se deve ao fato de os alunos do Ensino Médio terem
mais dificuldade de abstração e aplicabilidade da ferramenta e se preocuparem muito com
a interface do sistema.
70
Finalmente, pode-se avaliar o LVCE comparando-o com outros sistemas edu-
cacionais na área de circuitos elétricos. Abaixo, apresenta-se um quadro com algumas
características de quatro sistemas educacionais e do LVCE.
Pintar VirtualLab FisicaNet EngineSoft Constraints LVEE LVCE2D X X3D X X XManipulaçãoDireta
X X X X
ModelagemRealística
X X
Presença deTutoriais deAjuda
X
Presença deAparelho deMedição
X
Presença deFerramentaPedagógica
X
6.4 Limitações do Sistema
Além das limitações apontadas pelos usuários nas sugestões apresentadas, o sis-
tema apresenta uma outra limitação que é a impossibilidade de modificação dos valores
dos resistores e capacitor porque tais valores são fixos e limitados. A inserção de uma
função que permitisse modificação dos valores traria melhor funcionalidade no protótipo.
Outra limitação é a não existência de um Watímetro, responsável por medir a potência.
71
6.5 Considerações Finais
Esse capítulo apresentou o funcionamento do sistema protótipo desenvolvido, o
estudo de caso proposto e a avaliação do sistema. Através do quadro de comparação dos
sistemas, verifica-se que o sistema apresenta algumas características adicionais em relação
aos sistemas avaliados, o que aumenta a sua eficiência em relação ao ensino/aprendizagem.
Os usuário mostraram-se motivados durante a avaliação do sistema e indicaram
várias sugestões para melhorar o funcionamento do mesmo.
Embora o sistema apresente certas limitações, o mesmo se mostrou adequado e
atendeu aos objetivos propostos.
No próximo capítulo, serão apresentadas as conclusões desse trabalho e as suges-
tões para trabalhos futuros.
72
Capítulo 7
Conclusões e Trabalhos Futuros
7.1 Introdução
Esta dissertação descreveu um estudo de técnicas de Realidade Virtual e o pro-
cesso educativo - mapa conceitual para a criação de um software educacional e utilitário
sobre a montagem e análise de circuitos elétricos. Este capítulo traz os principais tópicos
abordados nesta dissertação, as contribuições científicas relacionadas com o trabalho e
cita os possíveis trabalhos futuros.
7.2 Conclusões
Durante a pesquisa, constatou-se que existem diversos ambientes voltados para o
ensino. Porém, muitos desses ambientes não simulam objetos como eles são na realidade
e não apresentam processos pedagógicos que aumentem a eficiência do aprendizado.
O sistema computacional desenvolvido neste trabalho, resultado de um projeto
multidisciplinar, apresentou uma simulação de um laboratório de Física real, devido à
modelagem suportada pelas técnicas de RV exploradas. Ele apresenta como principais
contribuições o uso de processos pedagógicos integrados a técnicas de RV e o desenho
pedagógico. O uso de tecnologias tais como a integração de VRML e Javascript, mostrou
73
a capacidade do sistema de simular fielmente a criação e análise de circuitos elétricos.
A adoção de princípios e técnicas pedagógicas habilitou o sistema para permitir ao seu
usuário a construção de seu conhecimento de forma mais intuitiva que outros tutoriais
encontrados na literatura e Internet. Além disso, ao explorar tais técnicas, garantiu-se
que o laboratório desenvolvido poderá ser acessado via Internet, sem custo de aquisição de
softwares e hardwares adicionais. Ao avaliar o protótipo por usuários potenciais, verificou-
se que ele foi bem aceito e por isso pode se tornar uma ferramenta de apoio para as escolas
e alunos que não têm acesso a laboratórios de Física instalados.
7.3 Trabalhos Futuros
Como continuação desse trabalho, sugere-se:
• Outras áreas da física e também outras áreas de conhecimento poderão ser investi-
gadas e implementadas com as técnicas pedagógicas aqui apresentadas;
• A implementação de Realidade Virtual Imersiva;
• Criação de sistemas de avaliação do software como suporte para a aprendizagem
significativa dos alunos e como ferramenta de apoio aos professores;
• A introdução de agentes inteligentes;
• Desenvolvimento de uma ferramenta para a criação de mapas conceituais coopera-
tivos via EAD (Educação a Distância).
7.4 Considerações Finais
O desenvolvimento desse trabalho possibilitou à autora verificar o grande poten-
cial que a tecnologia de Realidade Virtual oferece à área educacional, principalmente se
74
esta tecnologia estiver aliada a processos pedagógicos. Durante a pesquisa, foi possível
conhecer vários ambientes virtuais educacionais desenvolvidos em diferentes ferramentas.
A partir desse estudo, a arquitetura proposta mostrou-se adequada, pois propor-
cionou a construção dos vários ambientes adequados ao estudo de Circuitos Elétricos.
Nesse contexto, a linguagem de modelagem VRML foi apropriada para modelar
os mundos virtuais. Porém, para incluir as interações, animações e cálculos do circuito
foi necessária a utilização de uma linguagem de programação mais completa. Nesse caso,
os recursos oferecidos pelo JavaScript foram de fundamental importância para a imple-
mentação do sistema.
Finalmente, a autora entende que esta pesquisa contribuiu para melhorar o
entendimento sobre o uso das técnicas de Realidade Virtual não-imersiva e do Mapa
Conceitual como ferramentas auxiliares ao processo de ensino e aprendizagem.
75
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em 06/09/2004.
80
Apêndice A
Relatório de Avaliação
Avaliação do Sistema que Simula um Laboratório Virtual de Física na Área
de Circuitos Elétricos
Avaliador:
Data de Avaliação: ¢¢ ¢¢
Escolaridade:
( ) Ensino Médio ( ) 3o grau ( ) Pós-graduado
Principais Finalidades de Utilização do Computador. Descreva:
Você já desenvolveu experimentos de Eletrodinâmica em um Laboratório de Física no
Ensino Médio?
( ) Sim ( ) Não
Avalie o Laboratório Virtual de Eletrodinâmica, através das seguintes perguntas:
I - Quanto à Finalidade: (Ensino de Circuitos)
( ) Muito útil ( ) Útil ( ) Pouco Útil
Justificativa -
81
II - Quanto ao entendimento dos Menus de Ajuda:
( ) Fácil entendimento ( ) Médio entendimento ( ) Difícil entendimento
II.b. - A presença dos Menus de Ajuda facilitou a utilização do sistema (Tutorial Cosmo
Player, Tutorial do Ambiente de Simulação e Tutorial sobre Resistores) e facilitou o seu
aprendizado (Botão Exporatório)? Justifique.
III - Quanto à Interface:
( ) Fácil entendimento sobre o software
( ) Médio entendimento sobre o software
( ) Difícil entendimento sobre o software
Justificativa -
IV - Quanto à facilidade de uso:
( ) Muito intuitivo ( ) Intuitivo ( ) Pouco Intuitivo
Justificativa -
V - Quanto aos recursos do Programa, a experiência proposta foi:
( ) Foi integralmente desenvolvida
( ) Não foi desenvolvida por completo
V.b. - Os objetos disponíveis permitem:
( ) Conceber a experiência proposta
( ) Conceber parte da experiência proposta
( ) Não permitem conceber a experiência
V.c. - Sugere inserir novos objetos no experimento. Sim ou Não.
Tais como:
82
V.d. - Sugere inserir explicações adicionais sobre os dispositivos ou sobre a construção
do circuito. Sim ou Não.
Tais Como:
VI - O Mapa Conceitual da Eletrodinâmica ajudou numa melhor compreensão dos
conceitos não conhecidos?
( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
VII - O sistema permitiu a aquisição de informações úteis a respeito de como funciona
um circuito?
( ) Sim ( ) Não ( ) Em parte
VIII - Observações sobre o programa que achar relevante:
IX - Sugestões Adicionais:
83
Livros Grátis( http://www.livrosgratis.com.br )
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