USO DE REALIDADE VIRTUAL E AUMENTADA COMO FERRAMENTA COMPLEMENTAR AO ENSINO DAS PRINCIPAIS

LIGAÇÕES ENTRE ÁTOMOS Dionata Martins de Araújo, Nayara da Silva Vieira

Instituto Luterano de Ensino Superior de Itumbiara - Sistemas de Informação araujo.dionata@gmail.com, nayaravieira2005@yahoo.com.br

Resumo – Este trabalho apresenta uma alternativa de ensino feita em Realidade Virtual e Realidade Aumentada desenvolvida através das bibliotecas Papervision3D e FLARToolKit, que simula as principais ligações entre átomos. Auxiliando e estimulando a construção de conhecimentos necessários através da interação, envolvimento e interesse do estudante, obtendo assim resultados positivos. Palavras-Chave – Conhecimento, Ligações Químicas, Realidade Aumentada, Realidade Virtual. Abstract - This work presents an alternative done in Virtual Reality and Augmented Reality developed through the libraries Papervision3D and FLARToolKit that simulate the main connections among atoms. Helping and stimulating the construction of necessary knowledge through the interaction, involvement and the student's interest, obtaining like this positive results. Keywords - Augmented Reality, Chemical Bonds, Knowledge, Virtual Reality. 1. INTRODUÇÃO

Desde o início dos tempos, as pessoas expressam idéias, pensamentos e fantasias através de imagens usando pintura, fotografia, filme e hoje utilizam à computação gráfica para isso [2].

A computação gráfica consiste em um conjunto de métodos e técnicas para transformar dados em imagem por meio de um dispositivo gráfico [4]. Hoje a Computação Gráfica encontra aplicações em praticamente todas as áreas do conhecimento humano. Sendo assim a Computação Gráfica permite visualizar objetos que estão fora do alcance da percepção visual [2].

A Realidade Virtual é uma das tecnologias mais promissoras para apoiar a simulação e visualização tridimensional de informações. Com a Realidade Virtual é possível a construção de mundos virtuais com características e comportamentos bastante similares aos do mundo real, sendo possível interagir com os elementos criados, utilizando dispositivos tecnológicos de interface como mouse e teclado. A desvantagem desta tecnologia é a necessidade de dispositivos de interface para operar as simulações, que geram necessidade de treinamento prévio para alguns usuários com necessidades especiais nesses dispositivos [6].

Para que isso não ocorra pode-se usar Realidade Aumentada, que permite a manipulação de objetos virtuais com as mãos ou algum dispositivo simples, sem a necessidade de treinamento ou adaptação dos usuários [6].

A Realidade Aumentada é a mistura de mundos reais e virtuais em algum ponto da realidade/virtualidade contínua, que conecta ambientes completamente reais a ambientes completamente virtuais, portanto, a Realidade Aumentada é a melhoria do mundo real com textos, imagens e objetos virtuais, gerados por computador [8], [5].

Fig. 1. Diagrama de realidade/virtualidade contínua [8].

No desenvolvimento deste trabalho foi aplicado o sistema

de visão por vídeo baseado em monitor, por tratar-se de um experimento que pretende ser disseminado a todas as camadas da população.

As visualizações das ligações químicas podem ocorrer de diversas formas, como interface contextualizada e gráficos tradicionais. O presente artigo apresenta uma alternativa chamada Chemical Connection para visualizar as principais ligações entre átomos, utilizando Realidade Virtual e Realidade Aumentada.

Assim, o projeto teve como objetivo geral, construir um ambiente que auxilie e estimule a construção de conhecimentos necessários para entender o processo das ligações químicas.

São objetivos específicos deste trabalho, modelar os objetos no formato COLLADA (COLLAborative Design Activity), utilizar a biblioteca Papervision3D que é responsável pelo desenvolvimento do ambiente virtual (AV), que facilita o desenvolvimento da aplicação, combinado com as funções de detecção e rastreamento de marcadores do FLARToolKit, e por fim o desenvolvimento de uma interface em Flex de fácil manipulação pelos usuários, podendo vir a minimizar os problemas de entendimento na área das ligações entre átomos.

De acordo com pesquisas bibliográficas, outras iniciativas já demonstram que este caminho é propício ao sucesso, o que aumenta a relevância desta pesquisa, porém nenhum destes trabalhos direciona a pesquisa para ligações entre átomos.

2. LIGAÇÕES QUÍMICAS

Se analisar um átomo sozinho em sua estrutura, observam-se os seguintes aspectos: ausência de cor e visibilidade, ou seja, não é perceptível. Mas aglomerando uma grande quantidade de átomos surgirão moléculas, e estas irão se unir a mais moléculas para formar outras ainda maiores e diferentes umas das outras. A partir daí se tem uma enorme variedade de compostos, e é assim que tudo forma-se ao nosso redor [1].

Hoje no vaivém de ensino e aprendizagem através dos tempos, chega-se ao ensino de química, praticado nos mais diferentes níveis e nas mais diferentes comunidades. Atualmente atingiu-se uma situação em que a antipatia supera em muito, a simpatia pelo entendimento da química. Identificar as causas e os culpados por esta situação já ocupou as mentes dos mais diferentes tipos de profissionais. Aparentemente, o tempo investido no diagnóstico foi muito maior que aquele gasto na procura de soluções.

Assim, o uso da informática como um recurso pedagógico que proporcione um aumento na eficiência e na qualidade do ensino de Química é ver que a mesma está vinculada à realidade da educação de seus professores e alunos, estar voltada ao alcance da superação de problemas no ensino e procurar identificar formas de usá-la para constituir respostas para os problemas da educação [3].

A informática no ensino de Química, nas últimas décadas, teve um grande avanço de diversidade de uso, sendo utilizada em modelagens, animações, simulação, entre outros [7].

O ensino de Química em escolas e universidades não tem sido fácil para muitos professores. Uma das razões para essa situação é que a Química lida com vários conceitos, alguns dos quais, caracterizados por exigir uma alta dose de entendimento que muitas vezes, está fora de alcance dos sentidos humanos, tais como ligações entre átomos, que fazem freqüentemente com que os alunos se sintam entediados e impossibilitados de realizarem aulas experimentais [7].

Portanto, a compreensão das ligações químicas é um dos pilares da Química, exigindo alto nível de abstração, gerando dificuldade de entendimento por parte dos alunos e professores. Este problema pode ocorrer devido a diversos fatores como: forma ineficaz na atividade docente, ausência de recursos necessários para o estudo ou a falta de métodos que possam despertar o interesse e curiosidade do educando [7].

A Realidade Virtual e a Realidade Aumentada podem contribuir e melhorar representações estáticas dos modelos atômicos dos livros didáticos, que necessitam de alto nível de abstração dos alunos, para a compreensão dos fenômenos, conceitos, teorias até mesmo das próprias representações. As simulações mostram os fenômenos como se de fato existissem naquele exato momento,

proporcionando a visualização e interação do estudante com o conhecimento de modelos químicos de maneira completa, facilitando a compreensão dos conceitos químicos, ou para correção de concepções inadequadas de modelos científicos [10].

Nesse contexto, a área de Ligações Químicas se apresenta como um campo de estudo de grande utilidade, uma vez que agrega técnicas que facilitam o entendimento a partir de representações visuais tridimensionais. 3. TRABALHOS RELACIONADOS

Nesta seção serão descritos os principais trabalhos relacionados à pesquisa em questão, os trabalhos foram classificados por ordem de relevância e também como possíveis contribuições para trabalhos futuros. 3.1. Aplicação da Realidade Virtual na Educação Química – O Caso do Ensino de Estrutura Atômica.

O objetivo do projeto visa desenvolver simulações de alguns conceitos de estrutura atômica baseado em ambiente de Realidade Virtual e Realidade Aumentada, assim, o usuário perceberá em três dimensões as simulações de estruturas atômicas. Dessa forma, utilizando ferramentas e dispositivos de Realidade Virtual como ferramenta didática, o projeto contribui para a melhoria da qualidade de ensino Química, visto que atualmente existem recursos didáticos limitados em utilização nas aulas de Química no ensino médio [10].

Fig. 2. Imagem do Ambiente.

3.2. Realidade Virtual no Ensino de Química: o caso do modelo de partículas.

O projeto considera a existência de poucos softwares para o Ensino de Química onde o aplicativo de Realidade Virtual - modelo de partículas desenvolve simulação do conceito de Estrutura Atômica utilizando recursos computacionais de modelagem em ambiente 3D, podendo estes ser visualizados no Browser (WEB3D) e pela biblioteca de interações gráficas Artoolkit. O modelo desenvolvido é baseado em desenho de livro didático, buscando substituir a forma estática da representação dos modelos atômicos dos livros, proporcionando ao aluno maior interação com os modelos de Científicos [9].

Fig. 3. Visualização da Seringa em RV e RA

3.3. Interface para distribuição e integração de Realidade Aumentada com Realidade Virtual por meio da plataforma CORBA, tendo como estudo de caso, ambientes multidisciplinares de biologia e química.

A aplicação apresenta o processo da fotossíntese e transportes de solutos como estudo de caso e a comunicação entre ambientes de Biologia em Realidade Virtual (cenário com plantas, sol, água e terra) e ambientes de Química em Realidade Aumentada (membrana de uma folha, tronco cortado e galho anatômico de uma árvore) proporcionada pela plataforma de distribuição CORBA, dando ênfase para a prática educacional, onde o aluno pode ter um melhor entendimento dos processos [11].

Fig. 4. Visualização do ambiente em RA e RV

Avaliando todos os trabalhos pode-se concluir que a

Realidade Aumentada mostra cada vez mais sua importância, atuando em áreas do saber, proporcionando no ensino de química uma maior absorção do conteúdo, pois a Realidade Aumentada serve de subsídios no momento que faz com que o usuário se envolva com toda interação que a Realidade Aumentada oferece. 4. MÉTODOS APLICADOS

O material foi aplicado a alunos das séries finais do ensino fundamental, onde a população total foi de 56 alunos. A validação do método utilizado quanto à natureza foi de pesquisa exploratória e utilizou-se a amostragem probabilística, portanto os alunos foram entrevistados aleatoriamente, onde nestes foram aplicados questionários de avaliação do método desenvolvido a partir do método de escala Likert cumulativo. As questões analisaram fatores como: Motivação com o método, facilidade de uso, interesse despertado pela matéria, visualização da informação, melhora no entendimento no conceito e aceitação do método. Também foi aplicado aos professores um questionário de avaliação. Dos professores que participaram da capacitação material, todos responderam a questões

relativas à: Facilidade de utilização do Software, aplicabilidade, relevância, satisfação e rendimento das aulas. O método foi utilizado durante o período de 2 de agosto de 2010 até 27 de agosto de 2010. 5. CHEMICAL CONNECTION

As formas mais usadas para o ensino das ligações

químicas são através de visualizações de modelos estáticos, modelos estes sem nenhuma forma de interação com o aluno ou professor. A figura 5 mostra um exemplo destes modelos.

Fig. 5. Exemplo de ligação iônica.

As informações provenientes destes modelos ajudam na

identificação de átomos, quantidade de elétrons em sua camada de valência, cátions, anions, e por fim a ligação resultante.

Porém os resultados muitas das vezes são de difícil abstração e entendimento por parte de alunos, que não conseguem entender como um átomo se liga a outro apenas compartilhando elétrons ou doando elétrons, como é o caso das ligações iônicas onde sua ligação é feita através da doação de elétrons de um átomo a outro, ligando-se através da diferença de cargas elétricas (cargas positivas e negativas).

O sistema Chemical Connection utiliza como base para sua criação, dados providos de estudos em modelos estáticos, que serão inseridos em interfaces intuitivas, a Realidade Virtual e a Realidade Aumentada. Para tornar isso possível, o desenvolvimento da aplicação foi feito em dois módulos onde o usuário poderá escolher entre a aplicação em Realidade Virtual e Realidade Aumentada.

Fig. 6. Figura mostrando a tela de escolha entre as aplicações entre

RA e RV Com os dados necessários ao funcionamento do sistema,

a próxima fase foi desenvolver um programa para gerar um ambiente virtual baseado nesses dados. Para suportar de forma fácil esse desenvolvimento, foi escolhida a linguagem ActionScript (linguagem de programação dos ambientes de tempo de execução Adobe® Flash® Player e Adobe® AIR™), para gerar ambientes virtuais.

Para que a aplicação suportasse as interfaces de Realidade Aumentada e Realidade Virtual, foi necessário escolher uma plataforma que permitisse fácil customização às necessidades da aplicação.

Dentre todas as possibilidades, foi escolhido o Papervision3D e o FLARToolKit, que é um conjunto de ferramentas e bibliotecas para Realidade Aumentada em código aberto, permitindo alterações nos exemplos e desenvolvimento de novas funções. Além de oferecer suporte a arquivos gerados em MD2, Sketchup e o formato COLLADA (.dae) que é um padrão de exportação e importação de arquivos criado pela Sony e usado como padrão para o console Playstation 3.

Para essa aplicação foi escolhido o formato COLLADA que possibilita fácil integração com o ActionScript e por ser mais estável com as bibliotecas utilizadas.

A interface tradicional desenvolvida em Flex destina-se somente a acomodar o programa, sendo que a única interação não natural é a inserção das quantidades de cada átomo, para que o usuário possa responder as questões apresentadas pelo sistema.

O sistema Chemical Connection apresenta em sua interface um painel lateral que mostra a descrição das ligações, facilitando a visualização das informações expostas.

Fig. 7. Painel de Explicação

A idéia central do sistema é que o professor possa

cadastrar novas questões relacionadas às ligações entre átomos inserindo a questão em si, a explicação da ligação, as quantidades de cada átomo presente na ligação pressuposta e o tipo de ligação.

Fig. 8. Painel de inserção de questões pelo professor

Após o cadastramento da questão pelo professor, o aluno

poderá escolher entre o modulo em Realidade Virtual e Realidade Aumentada, as diferenças básicas entre os dois é que, caso o aluno escolha o modulo em Realidade Virtual após inserir as quantidades de cada átomo no intuito de responder a questão apresentada, caso o aluno acerte, será exibido à animação em 3D da ligação, onde o aluno poderá interagir com essa animação de variadas maneiras através do mouse.

Fig. 9. Imagem da interação em RV

Caso o aluno escolha o modulo em Realidade

Aumentada, tendo em conta que o computador do mesmo tenha algum dispositivo de captura de vídeo instalado, procederá da mesma forma anterior, porém, caso o aluno acerte a questão apresentada, o sistema solicitará a permissão para que o mesmo possa realizar a captura de vídeo, e posteriormente realizar a detecção e o rastreamento de uma marca pré-cadastrada, que exibirá a animação em 3D da ligação sobre o marcador.

Fig. 10. Imagem da interação em RA

Um problema comum a muitas aplicações de Realidade

Aumentada é a portabilidade, pois, pela natureza da aplicação, são necessários componentes e bibliotecas auxiliares para o funcionamento correto das aplicações. Essa deficiência dificulta a distribuição das aplicações desenvolvidas, principalmente para usuários leigos em Realidade Aumentada e qualquer tipo de programação. Para evitar esse problema, a aplicação foi adaptada de forma a carregar consigo todos os componentes necessários a sua correta execução, onde quaisquer computadores com uma webcam e o plugin do Flash instalados terão a possibilidade de execução do sistema.

Para aumentar interatividade e a coexistência nas aulas práticas num laboratório, pode-se apontar a webcam para uma região do laboratório, gerando, no ambiente de Realidade Aumentada, envoltórias virtuais nos equipamentos e substancias químicas presentes propiciando entendimento mais rápido da situação.

Uma variação desta solução seria colocar a placa marcadora ao lado das substancias químicas, de forma a mostrar a molécula em 3D e sua substancia correspondente ao lado.

No entanto, se o aluno não acertar a questão proposta, será exibida uma frase indicando que a resposta está incorreta tanto no modulo em Realidade Virtual quanto no modulo em Realidade Aumentada.

Fig. 11. Resposta incorreta na interação em RV

6. AVALIAÇÃO E RESULTADOS

A partir da análise dos questionários aplicados aos alunos e professores, alguns resultados foram obtidos e são alvos de considerações e sugestões por parte de alunos e professores envolvidos na pesquisa. Os gráficos abaixo demonstram que os alunos, aprovaram o método em sua maioria a respeito da motivação através da utilização da Realidade Aumentada e a Realidade Virtual, demonstrando ainda em sua maioria a aprovação do método aplicado nos quesitos analisados, onde estes destacaram que as imagens possuem vários ângulos de visualização ao contrário dos modelos didáticos convencionais onde as imagens são estáticas e de difícil abstração. Os professores destacaram que apesar da técnica ser um método inovador ainda depende muito do papel docente no processo de ensino e aprendizagem, porém destacaram que as formas de exposição dos conteúdos ficaram mais interessantes e atrativos.

Fig. 12. Satisfação dos alunos com relação ao método aplicado. De acordo com os professores a utilização do método foi

extremamente satisfatória, os mesmos destacaram a importância da tecnologia aliada à ciência, e observaram que a ferramenta é uma maneira simples e de baixo custo para

melhorar a qualidade da aplicação dos conteúdos vistos em sala de aula, entendendo que na maioria das vezes os métodos existentes exigem capacitações complexas pelos alunos. O gráfico abaixo demonstra o nível de satisfação obtido através da utilização do método em sala de aula.

Fig. 13. Satisfação dos professores com relação ao método.

7. CONCLUSÕES

O processo de ligação química, utilizando Realidade Virtual e Realidade Aumentada contribui de maneira significativa na percepção, interação e motivação dos usuários.

A Realidade Virtual facilita a manipulação dos objetos virtuais para que o usuário possa interagir de maneira mais imersiva com o assunto proposto.

A Realidade Aumentada permite que os objetos virtuais, gerados a partir de um conjunto de modelos, sejam trazidos ao ambiente real, tornando simples e facilitando o processo de visualização e interação dessas ligações. Além de permitir a visualização das ligações com o uso de marcadores, o sistema permite também que as informações resultantes desse processo sejam visualizadas e analisadas pelo aluno e/ou professor, permitindo uma abstração maior.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ALVES, Líria. Átomos e a construção do Universo – Brasil Escola. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/quimica/atomos-construcao-universo.htm>. Acesso em 24 de junho de 2009, às 08h35min.

[2] CARDOSO, Alexandre. Computação Gráfica. Disponível em: <http://www.alexandre.eletrica.ufu.br/cg/notas.htm>. Acessado em 01 de abril de 2009, às 10h07min.

[3] FARIA, Pedro. O ensino de química em evidência. Disponível em: <http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/agosto2006/ju335pag2a.html>. Acesso em 31 de março de 2009, às 15h26min.

[4] GOMES, J. e VELHO, L. - Conceitos Básicos de Computação Gráfica. VII Escola de Computação, São Paulo, 1990.

[5] INSLEY, S. Obstacles to General Purpose Augmented Reality. Disponível em:

<http://islab.oregonstate.edu/koc/ece399/f03/final/insley2.pdf>. Acesso em 29 de abril de 2009, às 12h27min.

[6] KIRNER, C.; PINHO, M.S. (1997). Uma Introdução à Realidade Virtual. Disponível em: <http://www.ckirner.com/download/tutoriais/rv-sibgrapi97/tutrv.htm>, acesso em 29 de abril de 2009, às 15h01min.

[7] MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C.F. Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, p. 77-86, 2002.

[8] MILGRAM, P. et. al. Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-Virtuality Continuum. Telemanipulator and Telepresence Technologies, SPIE, V.2351, 1994.

[9] SILVA, João Érick da; ROGADO, James . Realidade Virtual no Ensino de Química: O Caso do Modelo de Partículas. In: XIV Encontro Nacional de Ensino de Química, 2008, Curitiba. Realidade Virtual no ensino de Química: O Caso do Modelo de Partículas, 2008.

[10] SILVA, João, et. al. Aplicação da Realidade Virtual na Educação Química – O Caso do Ensino de Estrutura Atômica. 16° Congresso de Iniciação Científica. UNIMEP, 2008.

[11] SILVA, Wender A.. Interface para distribuição e integração de Realidade Aumentada com Realidade Virtual por meio da plataforma CORBA, tendo como estudo de caso ambientes multidisciplinares de biologia e química. In: Congresso Regional de Informática e Telecomunicação, 2008, Cuiabá. Mato Grosso Digital 2008. Cuiabá: SUCESU_MT, 2008.