UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA
Lucas dos Santos Espirito Santo
OBJETO DE APRENDIZAGEM DE APOIO AO ENSINO DO
EFEITO FOTOCONDUTIVO (OA²E²F): UMA MOTIVAÇÃO PARA
ESTUDANTES E PROFESSORES ABORDAREM UM TEMA DA
FÍSICA MODERNA.
FEIRA DE SANTANA 2016
OBJETO DE APRENDIZAGEM DE APOIO AO ENSINO DO
EFEITO FOTOCONDUTIVO (OA²E²F): UMA MOTIVAÇÃO PARA
ESTUDANTES E PROFESSORES ABORDAREM UM TEMA DA
FÍSICA MODERNA.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado do curso de Engenharia de Computação como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Computação pela Universidade Estadual de Feira de Santana.
Orientadora: Gabriela Ribeiro Peixoto Rezende Pinto.
Co-orientador: Alvaro Santos Alves.
FEIRA DE SANTANA 2016
Quando se trata de Física Moderna e Contemporânea (FMC) vários são os desafios encontrados para sua inserção no conteúdo programático dos alunos do ensino médio. Esta inserção exige a utilização de meios extras para que possa surtir efeito e conseguir cumprir com o objetivo principal de despertar o interesse do aluno para o conhecimento. Um desses meios é a inserção da tecnologia como forma de apoio, através do uso do computador e suas ferramentas ou através de aparelhos eletrônicos, que possibilitam mudar a dinâmica das aulas e facilita a abordagem de alguns assuntos, como no caso de efeito fotocondutivo. Utilizando-se dessa forma de apoio, através do uso do computador, o presente trabalho de conclusão de curso aborda a construção de um Objeto de Aprendizagem do tipo software educacional voltado para auxiliar o aprendizado, de um conteúdo da FMC, o efeito fotocondutivo, para os estudantes da terceira série do ensino médio.
Palavras chave: Educação, Física Moderna e Contemporânea, Efeito Fotocondutivo, Objeto de Aprendizagem, Software Educacional.
About Modern and Contemporary Physics (MCP) many are the challenges to their integration into the curriculum of high school students. This integration requires the use of extra means for it to take effect and be able to comply with the main objective to awaken student interest for knowledge. An example is the inclusion of technology in support, either using computers and their tools or electronic devices that enable changing the dynamics of classes and facilitates the approach of some matters, as in the case of photoconductive effect. Using this form of support with computers, this course conclusion work deals with the construction of a Learning Object type educational software geared to assist learning, a content of MCP, the photoconductive effect to students of the third year of high school.
Keywords: Photoelectric Education, Modern and Contemporary Physics, Photoconductive Effect, Learning Objects, Educational Software.
Figura 1 – Esquema com a as bandas presentes nos materiais, Banda de Condução, GAP e
Banda de Valência ... 20
Figura 2 – Esquema com os diferentes níveis de GAP de acordo com o tipo de material... 21
Figura 3 – Estrutura simplificada do átomo de Si com o núcleo e a camada de valência... 21
Figura 4 – Estrutura cristalina do Si à temperatura de 0 Kelvin – comportamento de isolantes... 22
Figura 5 – Estrutura do Si a uma temperatura acima de 0 Kelvin, geração de pares elétron - lacuna... .22
Figura 6 – Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t1...23
Figura 7 – Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t2 > t1... ..23
Figura 8 – Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t3 > t2...23
Figura 9 – Ilustração e Símbolo Elétrico do LDR...27
Figura 10 –. Vista superior e corte lateral do LDR...28
Figura 11 – Curva característica do LDR...28
Figura 12 – Software Efeito Fotoelétrico ... 33
Figura 13 – Objeto Educacional A Física e o Cotidiano – Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O trabalho da luz) ... 34
Figura 14 – Objeto Educacional Efeito Fotoelétrico ... 35
Figura 15 – Objeto de Aprendizagem Pato Quântico ...36
Figura 16 – Diagrama de Casos de Uso para o OA, do Aluno...43
Figura 17 – Diagrama de Casos de Uso para o OA, do Professor...45
Figura 18 – Diagrama de Classes do Sistema...46
Figura 19 – Trecho de Código fonte responsável por retroceder página de conteúdo teórico...47
Figura 20 – Trecho de Código fonte responsável por avançar página de conteúdo teórico...47
Figura 22 – Trecho de Código fonte responsável pela simulação, nesse caso descrê o comportamento do programa ao clicar no botão que diminui a luminosidade da
lanterna...49
Figura 23 – Trecho de Código responsável por salvar uma questão de determinado assunto no arquivo...50
Figura 24 – Trecho de Código responsável por remover uma questão de determinado assunto no arquivo...50
Figura 25 – Trecho de Código responsável por gerar aleatoriedade nas alternativas das questões...50
Figura 26 – Tela Inicial do Objeto de Aprendizagem...51
Figura 27 – Tela de Teoria do Objeto de Aprendizagem...52
Figura 28 – Tela de Seleção de Experimentos...53
Figura 29 – Tela do Passo a Passo do Experimento 1 ...53
Figura 30 – Tela do Passo a Passo do Experimento 2 ... 54
Figura 31 – Tela do Simulador do Experimento 1 ... 55
Figura 32 – Tela do Simulador do Experimento 2 ...55
Figura 33– Tela Inicial do Questionário, Onde Usuário Seleciona o Assunto ...56
Figura 34– Tela de Login da Área do Professor... 57
Figura 35– Tela da Área do Professor... 57
Figura 36– Tela de Adicionar Questão... 58
Figura 37– Tela de Remover Questão... 58
Figura 38– Tela onde as questões são respondidas... 59
Figura 39– Tela de tutorial... 60
Tabela 1 Relação Semicondutor e GAP (eV) necessário para gerar condutividade ...26 Tabela 2 Resultados da Primeira Parte do Questionário, que Trata da Usabilidade do
OA²E²F ...64 Tabela 3 Resultados da Segunda Parte do Questionário, que visa saber se o contato dos professores com OA...65 Tabela 4 Resultados da Terceira Parte do Questionário, que trata da validação o OA²E²F como objeto de aprendizagem...66
BIOE EM FMC LP LDR MEC MNPEF OA OA²E²F RIVED UEFS UML V&V
Banco Internacional de Objetos Educacionais Ensino Médio
Física Moderna e Contemporânea Linguagem de Programação Light Dependent Resistors Ministério da Educação
Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física Objeto de Aprendizagem
Objeto de Aprendizagem de Apoio ao Ensino do Efeito Fotocondutivo Rede Interativa Virtual de Educação
Universidade Estadual de Feira de Santana Unified Modeling Language
1 INTRODUÇÃO ... 8 1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA... 8 1.2 OBJETIVOS ... 9 1.2.1 Objetivo Geral: ... 9 1.2.2 Objetivos Específicos: ... 9 1.3 JUSTIFICATIVA ... 10 1.4 LIMITES DO TRABALHO ... 10 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 11 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12 2.1 TECNOLOGIA E EDUCAÇÃO ... 12 2.2 OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 13
2.2.1 Repositórios de Objeto de Aprendizagem ... 15
2.3 TEORIA DE JEROME BRUNER ... 16
2.4 FÍSICA NO ENSINO MÉDIO ... 17
2.5 CONDUTIVIDADE DOS MATERIAIS ... 19
2.6 EFEITO FOTOCONDUTIVO ... 24
2.7 TECNOLOGIAS UTILIZADAS ... 29
2.7.1 Software ... 29
2.7.1.1 Java ...30
2.7.1.2 Linguagem de Modelagem Unificada – UML ...31
2.8 TRABALHOS CORRELACIONADOS ... 33
3 METODOLOGIA ... 37
3.1 LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÕES SOBRE OBJETOS DE APRENDIZAGEM ... 37
3.2 DESENVOLVIMENTO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 38
3.2.1 Levantamento de Requisitos ... 38
3.2.2 Modelagem e Interface Gráfica ... 39
3.2.3 Implementação do OA ... 39
3.2.4 Verificação e Validação ... 40
4 PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE ... 40
4.1 REQUISITOS DO SISTEMA ... 40
4.2.2 Diagrama de Classes ... 45
4.3 CODIFICAÇÃO DO OA²E²F ... 46
5 INTERFACE GRÁFICA E FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ... 51
5.1 TELA INICIAL ... 51 5.2 TELA TEORIA ... 52 5.3 TELA DE EXPERIMENTO ... 52 5.4 TELA DO SIMULADOR ... 54 5.5 TELA DO QUESTIONÁRIO ... 56 5.6 TELA DE TUTORIAL ... 59 5.7 TELA SOBRE ... 60 6 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO ... 61
6.1 CAMPOS E SUJEITOS DA PESQUISA ... 61
6.2 TIPO DE PESQUISA E METODOLOGIA ... 61
6.3 TÉCNICA DE LEVANTAMENTO DE DADOS ... 62
6.4 ASPECTOS ÉTICOS QUE A PESQUISA CONSIDEROU ... 63
6.5 ANÁLISE DE RESULTADOS ... 63
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 67
7.1 TRABALHOS FUTUROS... 69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 71
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO APLICADO NA VALIDAÇÃO ... 76
1 INTRODUÇÃO
A tecnologia é uma ferramenta de apoio muito importante a vários setores da sociedade, sendo a educação um desses setores. O sistema educacional ao longo dos anos vem passando por um processo de inserção de tecnologias, como forma de auxiliar o aprendizado dos alunos. A cada dia, instituições de ensino buscam cada vez mais se informatizar, procurando, através de recursos tecnológicos, uma forma de complementar o processo de ensino-aprendizagem. Um desses recursos são os Objetos de Aprendizagem (OA), que se tornam cada vez mais um amplificador de potencialidades na capacitação e aperfeiçoamento de alunos, professores e instituições de ensino.
De acordo com Perrenoud apud Oliveira (2001), a escola não deve ignorar o que se passa no mundo, já que as novas tecnologias da informação transformam espetacularmente não só nossas maneiras de comunicar, mas também de trabalhar, de decidir e de pensar. Mesmo a escola não ignorando o fato da existência de novas tecnologias, na prática o que se percebe é que ainda existe um grande desafio a ser vencido, que é a produção de recursos tecnológicos voltados para o setor educacional. Esse desafio é ainda maior no campo da Física Moderna e Contemporânea, onde a proposta de um OA é um exemplo de como a tecnologia pode auxiliar o processo ensino-aprendizagem.
Um OA, quando bem aplicado dentro do ambiente escolar, pode ser um grande aliado tanto do professor quanto do aluno. Nesse contexto surge a proposta do desenvolvimento de OA para o ensino de um campo da Física Moderna para alunos do ensino médio. Ensino este que, segundo Valadares e Moreira (1998), mostra-se como grande obstáculo, pela ausência de fundamentos acerca da Física Moderna e Contemporânea (FMC). Os autores argumentam a necessidade da incorporação da FMC às propostas curriculares do Nível Médio da educação básica brasileira.
1.1 Definição do Problema
Veit et al. (1987) defende, através de um programa, o ensino sobre efeito fotoelétrico via computador, para alunos do nível médio. A motivação para a utilização do computador no ensino deste tema, segundo esses autores, está no fato da FMC possuir pouca tradição didática e na carência de equipamentos e outros materiais instrucionais como, por exemplo, textos adequados. Os autores colocam que o uso do computador para o ensino de FMC justifica-se
plenamente, pois, ao contrário de vários temas clássicos, diversas experiências de FMC não podem ser realizadas em "situação real de laboratório".
Nesse contexto, do OA como amplificador de potencialidades no ensino, do desafio da inserção da tecnologia no campo da FMC e da justificativa dada por Veit et al. (1987), surge o presente trabalho com a proposta de um Objeto de Aprendizagem sobre um tema da FMC, o Efeito Fotocondutivo, para motivar a aprendizagem de estudantes da Terceira Série do Ensino Médio (EM). Este trabalho através do uso do computador, fornecerá uma contribuição no processo de ensino-aprendizagem sobre o tema Efeito Fotocondutivo, além de atrair os estudantes envolvidos no processo para o ramo da Física; sendo que, em levantamento feito sobre a existência de objetos que tratam da FMC para o EM, foi detectada uma carência grande de objetos deste tipo. Em pesquisa realizada nas duas principais fontes de objetos na internet, BIOE e RIVED, foram encontrados poucos objetos relacionados ao tema, sendo encontrados apenas objetos que abordam o efeito fotoelétrico, através de simulações. Nenhum objeto que trate especificamente do Efeito Fotocondutivo foi encontrado.
Pergunta-se, então, quais os limites e as possibilidades da utilização de um OA desenvolvido com o intuito de estimular e potencializar a aprendizagem do efeito fotocondutivo, para estudantes da terceira série do ensino médio?
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral:
O presente trabalho tem como objetivo a proposta de um Objeto de Aprendizagem, mais especificamente um software, sobre um tema da Física Moderna Clássica (Efeito Fotocondutivo) para auxiliar na aprendizagem de estudantes da Terceira Série do Ensino Médio.
1.2.2 Objetivos Específicos:
• Identificar os OAs que tenham sido elaborados para apoiar o ensino-aprendizagem do Efeito Fotocondutivo;
• Compreender o processo de desenvolvimento de um OA.
• Levantar tecnologias disponíveis que podem ser utilizadas para desenvolver um OA. • Desenvolver o OA.
1.3 Justificativa
Vários fatores favorecem um uso de Objetos de Aprendizagem, sendo alguns deles: Flexibilidade: objetos podem ser reutilizáveis sem nenhum custo com manutenção. Customização: os objetos são independentes, ou seja, um mesmo objeto pode ser utilizado para turmas diferentes, customizando sua utilização da maneira que mais convier. Interoperabilidade: os OAs podem ser utilizados em qualquer plataforma de ensino em todo o mundo (A DISTÂNCIA, 2007).
Diante da carência de OAs que tratem do assunto FMC e que auxiliem tanto o professor quanto o aluno na abordagem de conteúdos desse assunto, surge a proposta de um Objeto de Aprendizagem de Apoio ao Ensino do Efeito Fotocondutivo (OA²E²F), que permita dar todo suporte para o ensino deste assunto, superando as dificuldades encontradas, principalmente em escolas públicas, como por exemplo, falta de laboratórios e problemas de conexão com internet. Souza et. al (2007) cita que Objetos são representações de abstrações de entidades do mundo real, que podem ser implementadas usando a tecnologia de construção de software. Dessa forma, o OA²E²F, trata-se de um software que busca aproximar o conteúdo estudado com a realidade do estudante, através de exposição de conteúdo interativo, exibição de conteúdo multimídia, como vídeo, simulação de experimentos no ambiente virtual e resolução de exercícios.
Outro fato que justifica a utilização de um OA para ensino da física é o citado por Medeiros (2002), o qual diz que a Física lida com materiais que, muitas vezes, estão fora de alcance dos sentidos do ser humano tais como partículas subatômicas, corpos com altas velocidades e processos dotados de grande complexidade.
1.4 Limites do Trabalho
O software em questão foi desenvolvido em conjunto com um professor de física da terceira série do ensino médio, atendendo aos requisitos solicitados pelo mesmo. Entretanto, foi lançada uma primeira versão do software, tendo em vista o tempo previsto para a finalização do Trabalho de Conclusão de Curso.
Mesmo apresentando uma versão inicial, o OA pode ser aplicado aos alunos, trazendo contribuições ao ensino, sendo que, como todo processo de software, o mesmo pode passar por melhorias, que surgem a partir de sugestões dos envolvidos na sua utilização.
1.5 Estrutura do Trabalho
O presente trabalho está organizado em sete seções, de forma que vise facilitar a compreensão do que o mesmo se trata e quais foram os passos e métodos adotados para a realização da proposta do OA. No início do trabalho, uma Introdução sobre o projeto realizado é feita. Na Seção 2, todos os conceitos teóricos necessários para o desenvolvimento do trabalho estão descritos, através da Fundamentação Teórica, conceitos como: Tecnologia e Educação; Objeto de Aprendizagem; Teoria de Jerome Bruner; Física no Ensino Médio; Condutividade dos Materiais; Efeito Fotocondutivo; Tecnologias Utilizadas e Trabalhos Correlacionados. A Seção 3 expõe a Metodologia adotada no projeto, assim como as decisões de projeto e recursos utilizados. A Seção 4 descreve o processo de desenvolvimento do software. A interface gráfica e o funcionamento do sistema são assuntos abordados na Seção 5. As etapas de verificação e validação são apresentadas e analisadas na Seção 6. As conclusões obtidas e os resultados estão na Seção 7 - Considerações Finais. Por fim, são apresentadas todas as Referências Bibliográficas que norteiam tal trabalho.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nesta seção, serão apresentados os conceitos que foram necessários para o desenvolvimento do OA. Serão apresentados conceitos referentes à Tecnologia e Educação, Objetos de Aprendizagem (OA), Teoria de Jerome Bruner, Ensino da Física no Ensino Médio, Condutividade dos Materiais, Efeito Fotocondutivo e as Tecnologias Utilizadas.
2.1 Tecnologia e Educação
O processo educacional está passando cada vez mais por mudanças na sua abordagem, uma dessas mudanças trata-se da inserção da tecnologia na educação, facilitando a busca e contato com o conhecimento. O computador representa uma poderosa ferramenta na sociedade tecnológica e informacional. As tecnologias aplicadas na educação permitem, de certa forma, a ampliação, a pluralidade de abordagens e o atendimento a diferentes tipos de abordagem (JUNIOR, 2005).
O uso de recursos tecnológicos no processo de ensino – aprendizagem, assim como todos os processos tecnológicos, passa por mudanças rápidas que vem afetando diretamente no papel da escola, sendo que essas mudanças provocam buscas e reflexões no processo educacional, no qual, a tecnologia na educação deve ser uma combinação de fatores como construções, equipamento escolar, corpo docente, meios de comunicação, computadores etc (RODRIGUES E BARNI, 2009).
A presença da tecnologia em vários setores da sociedade, como, por exemplo, indústria e comércio, constitui um argumento que sustenta a necessidade da inserção da mesma na educação, onde a educação deve envolver a democratização do acesso ao conhecimento, a produção e interpretação das tecnologias, exigindo cuidado e planejamento na utilização e proposição (BRITO; PURIFICAÇÃO, 2008).
Branco et al. (2011) defendem que a escola não deve se reduzir a meras reprodutoras do conhecimento, mas configurar-se como um espaço de reconstrução e de inovação e apresentar sempre elementos para a formulação de novos métodos e políticas de ensino. Um desses métodos é a utilização de objeto de aprendizagem que será abordado na subseção a seguir.
2.2 Objeto de Aprendizagem
Na sociedade contemporânea as tecnologias interativas aplicadas à educação permitem a ampliação, a pluralidade de abordagens, o atendimento de diferentes estilos de aprendizagem, favorecendo, dessa forma, aquisição de conhecimentos, competências e habilidades, sendo que os educadores devem sempre fazer sua parte na procura de informações e recursos disponíveis, refletindo sobre a utilização desses novos recursos. Entre estas possibilidades está a utilização de objetos de aprendizagem no processo educacional (JUNIOR, 2005).
De acordo com Karling (1991, p. 245 apud FERREIRA, 2007), os recursos de ensino podem ser os recursos humanos e materiais que o professor utiliza para auxiliar e facilitar a aprendizagem, podendo ser chamados também de recursos didáticos, matérias de ensino, meios didáticos. Um desses recursos de aprendizagem que utilizam o apoio da tecnologia são os “objetos de aprendizagem” (IEEE/LTSC, 2000). Além dessa nomenclatura, encontra-se em diferentes bibliografias com as seguintes terminologias: “objetos educacionais” (TAROUCO, 2005), “objetos de conhecimento” (MERRILL, 2000), “objetos de aprendizado” (BETTIO & MARTINS,2004), “materiais de aprendizagem online” (MERLOT, 2004), “componentes de software educacional” (Roschelle et al., 1999) e “recursos” (ALI, 2002).
Os OAs ainda podem ser considerados uma tecnologia relativamente recente, não existindo ainda um consenso universalmente aceito sobre sua definição. Apesar disso, há certo acordo na literatura sobre a ideia de que a reutilização seja considerada fundamental para compreender o significado de um OA (BRAGA, 2014, p. 21).
Sabbatini (2013, p. 3), por sua vez, define as características que diferenciam os objetos de aprendizagem dos demais recursos didáticos.
A partir da literatura técnica e, de forma sintética, os objetos de aprendizagem se distinguem dos demais recursos didáticos por características como: 1) reutilização, com a possibilidade de uso em diferentes contextos educativos, proporcionando eficiência econômica em sua preparação e desenvolvimento, 2) portabilidade, com disponibilidade de utilização através de diferentes plataformas técnicas, 3) modularidade, de forma que um objeto possa conter ou estar contido em outros objetos, com a perspectiva de combiná-los; 4) autossuficiência, no sentido de não depender de outros objetos para fazer sentido e 5) descritos por metadados, como por exemplo, autor, palavra-chave, criador/autor, idioma e objetivos educacionais. Essa distinção é necessária, uma vez que tecnicamente os objetos de aprendizagem podem assumir qualquer formato ou mídia, desde simples imagens, arquivos de texto ou apresentações de slides e chegando a objetos complexos como simulações de realidade virtual.
Segundo o Learning Technology Standards Committee (LTSC), do consórcio Institute of Eletrical and Electronics Engineers (IEEE), os Objetos de Aprendizagem são definidos como qualquer material digital ou não digital que pode ser utilizado, reutilizado ou referenciado durante o ensino com suporte tecnológico (IEEE/LTSC, 2000).
Já para Sosteric e Hosemeier (2002), Objetos de Aprendizagem são arquivos digitais (imagens ou filmes, por exemplo) que podem ser utilizados para fins educacionais e que incluem, internamente ou através de ligação, sugestões sobre o contexto apropriado no qual deve ser utilizado.
De acordo com Wiley (2000), um OA é qualquer recurso digital que possa ser reutilizado para dar suporte à aprendizagem.
Wiley (2000) utiliza a metáfora de um átomo para explicar o objeto de aprendizagem. Ele explica que um átomo é um elemento pequeno que pode ser combinado e recombinado com outros elementos pequenos formando algo maior. Ou seja, cada objeto de aprendizagem pode constituir-se em um módulo com um conteúdo auto-explicativo, de sentido complementar. Este também pode ser direcionado a outros módulos para formar um curso mais abrangente. O autor acrescenta, também, que um átomo não pode ser recombinado com qualquer outro tipo de átomo. Estes têm que estar dentro do mesmo contexto, isto é, conter conteúdos que se relacionam entre si (SANTOS; FLORES; TAROUCO, 2007, p. 2).
Singh (2001) define a estrutura e divisão de um OA em três partes, algo que segundo o mesmo diferencia esse recurso de outras tecnologias aplicadas ao processo educacional e possibilita a produção do conhecimento, sendo elas:
1) Objetivos: que visa demonstrar ao aluno, através dos objetos de aprendizagem, o conteúdo a ser aprendido, além dos conceitos fundamentais para bom aproveitamento do conteúdo;
2) Conteúdo instrucional: apresenta todo o conteúdo necessário que garanta ao aluno, no final do processo, o alcance dos objetivos definidos;
3) Prática e feedback: ao final de cada utilização, o aluno deve registrar a interatividade com o objeto para a produção do conhecimento, seja através da confirmação das hipóteses do aluno, ou dando orientação para a busca de novas respostas.
Tais conceitos mostram o quanto os objetos de aprendizagem possuem variação de definições, sendo que todas elas convergem para o auxílio, a aprendizagem e a importância do seu reuso. De forma a garantir essa reutilização, é necessário que o OA esteja sempre disponível. Para isso são utilizados os repositórios.
2.2.1 Repositórios de Objeto de Aprendizagem
Segundo Lévy (1993), a forma mais utilizada para administrar informações e armazenar OAs deve ser realizada por meio de repositórios, os quais permitem que os usuários criem uma identidade para os seus dados, transformando-os em conhecimento que podem ser compartilhados por vários indivíduos nos mais diversos locais.
Os repositórios funcionam como bibliotecas públicas ou comerciais que concentram uma grande quantidade de objetos de aprendizagem na forma de arquivos digitais (textos, apresentações, animações), imagens, vídeos e referências a sites ou outros materiais não-digitais (BALBINO, 2007).
Um repositório digital tem a função básica de “permitir que seus usuários acessem os recursos didáticos nele armazenados, de forma organizada e sistemática. ” Justificando essa função pelo fato da grande quantidade de informação presente na rede mundial de computadores, algo que acaba causando aos educadores certa dificuldade em encontrar os conteúdos relevantes (SABBATINI, 2013).
Atualmente vários repositórios podem ser encontrados como forma de auxiliar os educadores e alunos, sendo alguns exemplos de repositórios:
• Connexions: repositório que permite que os usuários criem e compartilhem colaborativamente materiais de aprendizagem e que tem tido crescimento exponencial nos últimos anos (BRAGA, 2014). Crescimento este que segundo Ochoa (2010) é justificado pelo funcionamento do Connexions como uma “interação social para a criação de materiais”, onde todos esses materiais são criados e avaliados pela comunidade, sendo que cada material é disponibilizado de forma livre para uso.
• Organic.Edunet: é uma federação de repositórios lançada em 2009, financiada pela União Européia e focada exclusivamente em conteúdos relacionados a Agricultura e Agroecologia Orgânica, o portal é multilíngüe, com onze idiomas disponíveis para o usuário.
• MERLOT (The Multimedia Educational Resource for Learning and Online Teaching): é uma iniciativa bem conhecida e internacionalmente reconhecida que permite a catalogação de recursos educacionais, facilitando seu uso e compartilhamento (CAFOLLA, 2006). Desenvolvido pelo Centro de Aprendizagem Distribuída da Universidade do Estado da Califórnia, apresenta um modelo de revisão por pares após a publicação, os materiais são revisados por diferentes especialistas nas disciplinas em questão. Após os revisores relatarem suas avaliações, o editor chefe compõe um
relatório com nota que é publicada no repositório com a autorização do autor (BRAGA, 2014). O MERLOT concede ainda prêmios especiais (MERLOT Classics Awards) para os melhores materiais de acordo com a disciplina.
• RIVED (Rede Interativa Virtual de Educação): projeto inicial envolvia Brasil, Venezuela e Peru, com objetivo de potencializar o ensino de ciências e matemática, com a distribuição de atividades pedagógicas e materiais didáticos multimídias através da web. É um programa da Secretaria de Educação a Distância – SEED do Ministério da Educação (RIVED, 2015).
• BIOE (Banco Internacional de Objetos Educacionais): repositório criado em 2008 pelo MEC, em parceria com o Ministério da Ciência e Tecnologia, Rede Latino-americana de Portais Educacionais – RELPE, Organização dos Estados Ibero-americanos e outros. Integrado ao Portal do Professor, tem propósito de manter e compartilhar recursos educacionais digitais de livre acesso (BIOE, 2015).
2.3 Teoria de Jerome Bruner
As teorias de ensino-aprendizagem têm papel fundamental na justificativa do que é aplicado dentro do ambiente escolar, pelo professor. O aprendizado não é construído apenas através do conteúdo científico passado, sendo o modelo pedagógico o agente que orienta e problematiza a prática pedagógica. Mesmo que os materiais utilizados façam uso da tecnologia de informação e que sejam considerados uma abordagem moderna, seus princípios estão ligados a fundamentações mais antigas. Uma das fundamentações à qual os princípios do uso da tecnologia, no ambiente escolar, estão ligados é a teoria de aprendizagem de Jerome Bruner.
Segundo Bruner, “é possível ensinar qualquer assunto, de uma maneira honesta, a qualquer criança em qualquer estágio de desenvolvimento”. Levando em conta o desenvolvimento intelectual da criança, o ensino deve se dar de forma a representar o conteúdo em termos da visualização que os alunos possuem das coisas. Sobre os trabalhos de Bruner, FREIRE (2005) comenta:
As publicações de Jerome Bruner, em especial, são um marco no referencial teórico das áreas de pedagogia e psicologia, pois integra os conhecimentos das duas áreas propondo diretrizes para a elaboração de currículos e planejamento de cursos.
Quatros características principais para uma teoria de ensino são definidas por Bruner (1966), sendo elas:
1. Predisposição: apontar as experiências mais efetivas para implantar em um indivíduo a predisposição para a aprendizagem. O foco deve estar nos fatores que influenciam no desejo de aprender e tentar solucionar problemas.
2. Estrutura: especificar a forma como deve ser estruturado o conjunto de conhecimentos. O conhecimento pode ser representado por um conjunto de ações para obter determinado resultado (representação ativa), por conjunto de imagens resumidas (representação icônica), ou por um conjunto de símbolos (representação simbólica). 3. Sequência: apresentar qual a sequência mais eficiente para apresentar as matérias.
Conduzir o estudante ao longo de uma sequência que aumente sua aptidão para compreender, transformar e transferir o assunto em estudo.
4. Reforço: a aprendizagem depende do conhecimento de resultados. A correção dos erros em tempo e local apropriados permite ao estudante a fixação da informação correta. Sobre a questão de como ensinar, Bruner destaca o processo de descoberta, através da exploração de alternativas e o currículo em espiral. Onde a descoberta consiste na aplicação de conteúdos de ensino percebidos pelos alunos em termos de problemas, relações e lacunas que eles devem preencher, para que a aprendizagem seja significativa e relevante. O ambiente para aprendizagem por descoberta deve proporcionar alternativas, resultando no aparecimento de relações e similaridades, um exemplo disso é que a descoberta de um princípio ou relação, pelo estudante, é idêntica à descoberta de um cientista em um laboratório. O currículo espiral, por sua vez, significa dar a oportunidade ao aluno de ver o mesmo tópico mais de uma vez, sendo que em diferentes níveis de abordagem (OSTERMANN, 2010).
Com relação ao processo de descoberta, Marques (2002 apud Bruner, 1965) destaca: “Julgamos que, logo de início, o aluno deve poder resolver problemas, conjecturar, discutir da mesma maneira que se faz no campo científico da disciplina”.
2.4 Física no Ensino Médio
O mundo contemporâneo é altamente tecnológico e segundo Oliveira (2007), é função da escola fazer com que os alunos compreendam esse mundo, principalmente através dos programas de Física, que devem incluir no currículo assuntos relevantes para a formação de um cidadão esclarecido sobre o que o cerca.
Valadares e Moreira (1998) também concordam que é imprescindível que o estudante do ensino médio conheça os fundamentos da tecnologia atual, já que ela atua diretamente em
sua vida e pode definir seu futuro profissional. É importante a introdução de conceitos básicos de FMC e, em especial, fazer a ponte entre a física da sala de aula e a física do cotidiano. Por outro lado, Laburú et al. (1998) ressaltam o fato do avanço das tecnologias e seu estudo, de uma forma irônica, que “devem os alunos secundaristas estudar FMC do século XX, antes que ela acabe”.
Uma das dificuldades do ensino da teoria quântica, em particular, está na restrição ao formalismo matemático ao qual os professores foram submetidos em sua formação (NARDI, 2009). Talvez por esse fator os professores encontrem dificuldade em passar conteúdo relacionado à física quântica. Um OA criaria possibilidades para quebrar os paradigmas e vencer a barreira do formalismo no ensino para alunos do nível médio.
Osterman e Moreira (2000) citam um grupo de trabalho que discutiu o ensino da Física Moderna e levantou algumas razões para introduzir tópicos contemporâneos na escola média, na III Conferência Interamericana sobre Educação em Física (Barojas, 1988), algumas delas são:
• Despertar a curiosidades dos estudantes, e ajudar a reconhecer a Física como um empreendimento humano;
• Permitir um maior contato dos estudantes com o mundo da pesquisa atual em Física; • Atrair jovens para a carreira científica;
• É mais divertido para o professor ensinar tópicos que são novos;
• A Física Moderna é considerada difícil e abstrata, assim como a Física Clássica, apresentando os estudantes dificuldades em compreendê-la.
Numa pesquisa realizada com professores de Física do Ensino Médio (EM), pesquisadores em ensino de Física, Ostermann e Moreira (2000) elaboraram uma lista consensual sobre os tópicos da FMC que deveriam ser abordados no EM para atualizar o currículo de Física neste nível. Entre os tópicos mais importantes, segundo o levantamento da pesquisa, estão: o efeito fotoelétrico, átomo de Bohr, radioatividade, origem do universo, raios-X, metais e isolantes, estrutura molecular e fibras ópticas.
O efeito fotoelétrico está relacionado ao efeito fotocondutivo, e a abordagem de um tema específico pode ser justificada por Aubrecht (1989), o qual afirma que a abordagem profunda e rigorosa de um número limitado de tópicos é mais eficiente que a introdução de uma enciclopédia de um assunto amplo.
2.5 Condutividade dos Materiais
A classificação dos materiais em relação ao seu comportamento elétrico é feita dividindo-os em isolantes e condutores. Os condutores são materiais que permitem a passagem de corrente elétrica em seu interior quando submetidos a uma diferença de potencial, pois possuem cargas elétricas livres. Os isolantes são materiais que, em condições normais, apresentam resistência à passagem de corrente elétrica em seu interior, por não possuir cargas elétricas livres (PINTO, 2011).
Um material que apresenta características intermediárias entre isolantes e os condutores são os semicondutores. A descoberta dos materiais semicondutores na eletrônica possibilitou significativos avanços tecnológicos, pelo fato das propriedades específicas destes materiais, como: propriedades elétricas por dopagem ou aplicação de campo elétrico, sensibilidade à luz, possibilidade de emitir luz (OLIVEIRA, 2003).
Segundo Pinto (2011), “os principais semicondutores são o silício e o germânio, apesar de existir grande variedade de outros materiais”. Sendo que os mesmo têm sido muito utilizados na indústria eletrônica, tanto na construção de componentes como na de circuitos integrados.
O estudo dos semicondutores pode ser feito por meio do conceito de bandas de energia (PINTO, 2011), bandas essas quem podem ser explicadas a seguir, de acordo com Oliveira (2003):
Os elétrons ligados a um átomo, só podem existir em alguns valores discretos de energia de ligação com o núcleo. No entanto, em um sólido cristalino, devido ao grande número de átomos envolvidos, teremos vários desses valores discretos espaçados de valores muito pequenos entre si. Isso forma uma banda, ou seja, pode ser entendido como uma faixa contínua de valores que o elétron pode ter. Isso dá origem às bandas de condução e de valência, sendo que a banda de condução é onde estão localizados os elétrons responsáveis pela condução de corrente elétrica, e a banda de valência pode ser entendida aqui, como um “reservatório” de elétrons.
Para que um determinado material permita a passagem de corrente elétrica em seu interior é necessário que seus elétrons efetuem a transição da banda de valência para banda de condução. Sendo que a distância de energia entre essas duas bandas, dá-se o nome de GAP, ou Banda de GAP (PINTO, 2011).
Figura 1. Esquema com as bandas presentes nos materiais, Banda de Condução, GAP e Banda de Valência.
Fonte: OLIVEIRA (2003)
Nos condutores, a energia de GAP é muito baixa, por isso os elétrons passam facilmente para a banda de condução estabelecendo uma corrente. Nos materiais isolantes, essa banda de GAP é bastante larga, dificultando a transição dos elétrons. Já nos materiais semicondutores a distância entre a banda de condução e a banda de valência possui um valor intermediário, isso os dá a característica de serem, normalmente, considerados isolantes, mas quando sofrem alguma ação externa, como aumento de temperatura, iluminação ou campo elétrico passam a conduzir, sendo que essas ações proporcionam aos elétrons energia suficiente para passar da banda de valência à banda de condução (OLIVEIRA, 2003).
A Figura 2 mostra as diferenças entre o GAP dos materiais condutores, semicondutores e isolantes.
Figura 2. Esquema com os diferentes níveis de GAP de acordo com o tipo de material.
Fonte: Licenciando em Química. Disponível em: <
http://licenciandoemquimica.blogspot.com.br/2013/11/por-que-usa-se-silicio-em-componentes.html >. Acesso em: 10 Out. 2016
Tomando como exemplo o semicondutor Silício (Si) é possível verificar a seguir, de acordo com Pinto (2011), como uma ação externa faz com que o material tenha suas características alteradas de isolante para condutor.
Tem-se que a estrutura do átomo de Si, possui quatro elétrons na sua última camada, camada de valência (Figura 3).
Figura 3. Estrutura simplificada do átomo de Si com o núcleo e a camada de valência.
Fonte: PINTO (2011)
Como o número de elétrons do silício é igual ao número de prótons, o átomo é dito neutro. Sendo que em um arranjo um átomo de Si se liga a quatro átomos vizinhos por meio de ligações covalentes, em que cada átomo fornece um elétron, formando, na última camada, oito elétrons, configurando uma situação estável (Figura 4).
Figura 4. Estrutura cristalina do Si à temperatura de 0 Kelvin – comportamento de isolantes.
Fonte: PINTO (2011)
Sendo que, nas condições da Figura 4, o silício se comporta como isolante, pois não existem cargas livres. No entanto sobre a ação de alguma energia, como aumento de temperatura, a energia térmica fornecida ao cristal provoca a “quebra” de algumas ligações covalentes, liberando elétrons de valência. Os espaços deixados por causa de tais rompimentos se comportam como cargas elétricas positivas, denominadas lacunas ou buracos. A Figura 5 representa a mesma estrutura da Figura 4, mas com algumas ligações rompidas.
Figura 5. Estrutura do Si a uma temperatura acima de 0 Kelvin, geração de pares elétron-lacuna.
Fonte: PINTO (2011)
A aplicação de uma diferença de potencial na estrutura do silício permite o movimento das cargas elétricas (elétron livre e lacuna), onde os elétrons se dirigem para o polo positivo da fonte externa e as lacunas para o polo negativo. Na Figura 6, o elétron livre (representando por um ponto preto) se movimenta para esquerda, onde está o polo positivo da fonte de diferença de potencial (ddp).
Figura 6. Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t1.
Fonte: PINTO (2011)
Na sequência, um elétron de valência com energia suficiente pode preencher a lacuna, sempre se deslocando no sentido do polo positivo e a lacuna para a direita no sentido do polo negativo (Figura 7).
Figura 7. Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t2 > t1.
Fonte: PINTO (2011)
Tal fenômeno se repete para outro elétron de valência, sendo que é importante notar que os elétrons de valência que se deslocam para esquerda em algum momento encontrarão a borda do cristal e, portanto, o polo positivo da bateria, transformando-se em elétrons livres.
Figura 8. Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica) em um instante t3 > t2.
O fato da iluminação influenciar nas características de determinados materiais, fez com que essa influência passasse a ser estudada, sendo que a luz pode ser descrita como pacotes de energia bem determinadas, chamados de quanta de energia ou fóton. A interação da luz com a matéria será melhor abordada no tópico a seguir.
2.6 Efeito Fotocondutivo
Segundo Rocha et al (2006) a luz interage com a matéria produzindo três tipos de efeitos elétricos:
1) Efeito fotovoltaico, que é aplicado na produção direta de luz em energia elétrica, usado como fonte de energia, por meio da utilização de painéis fotovoltaicos;
2) Efeito fotoemissivo, que está diretamente relacionado com o efeito fotoelétrico descoberto por Hertz em 1887, e descrito teoricamente por Einstein, em 1905, e;
3) Efeito fotocondutivo, aplicado na produção de células cuja resistência varia conforme a intensidade da luz incidente, usadas tradicionalmente no processo de automação da iluminação pública.
Certos materiais têm átomos cujos elétrons da última camada podem ser liberados através da absorção de uma energia relativamente fraca, a chamada energia de extração. Essa liberação de elétrons torna os materiais condutores, do ponto de vista da eletricidade. Se essa energia for proveniente de uma radiação luminosa, ocorre o fenômeno designado por efeito fotoelétrico, e o material é tido como detentor de propriedades fotoelétricas, podendo ser utilizado para a construção de dispositivos que funcionem como sensores ou detectores fotoelétricos (PIEDADE, 1997).
Segundo Pinto (2004, apud MACHADO, 2015, p. 3), o efeito fotoelétrico foi explicado por Einstein, o qual considerou que a energia máxima que um elétron poderia receber até ser arrancado da superfície do metal seria a energia total de um único quantum de luz, descontado o trabalho realizado por esse quantum para arrancar o elétron da placa.
Sendo que a energia total associada à radiação incidente é dada por:
! = ℎ % = ℎ & '
Em que ℎ é a constante de Planck, % é a frequência da radiação incidente, c é a velocidade da propagação da luz e ' representa o comprimento da onda. Através desses parâmetros pode-se observar a influência do tipo de luz incidente e suas propriedades na emissão de elétrons que irá ocorrer após a iluminação.
A fotocondutividade pode ser definida como o aumento da condutividade de um material devido à absorção de uma radiação eletromagnética (AMBROSIO, 1975). Quando a radiação é absorvida pelo material o número de cargas livres aumenta, contribuindo para o aumento da condutividade do material. A interação entre o campo eletromagnético e o material faz-se através dos elétrons, que absorvem fótons durante a interação. O resultado dessa interação é a criação de um par elétron-lacuna, no qual o elétron se situa junto ao limiar da banda de condução e a lacuna junto ao limiar da banda de valência (FOURNIER, 1986, apud RIBEIRO, 2009, p.4).
Iluminando um componente fotossensível com diferentes comprimentos de onda, determinaremos qual é a energia que separa a banda de condução da banda de valência do material, o GAP (OLIVEIRA, 2003).
A Tabela 1 apresenta alguns semicondutores e seu valor de diferença energética (Gap) em eletroVolts (eV) (GHELLERE, 2009, apud JUNIOR, 2013, p. 3).
Tabela 1. Relação Semicondutor e GAP (eV) necessário para gerar condutividade.
Semicondutor GAP em eV
Sulfeto de Cádmio (CdS) 2,4 Fosfeto de Cádmio (CdP) 2,2 Seleneto de Cádmio (CdSe) 1,7 Arseneto de Gálio (GaAs) 1,4
Silício (Si) 1,1
Germânio (Ge) 0,7
Arseneto de Índio (InAs) 0,43 Sulfeto de Chumbo (PbS) 0,37 Telureto de Chumbo (PbTe) 0,29 Seleneto de Chumbo (PbSe) 0,26 Antimoneto de Índio (InSb) 0,23
Fonte: GHELLERE, 2009, apud JUNIOR, 2013, p. 3
Um exemplo da aplicação do efeito condutivo que pode ser observado no cotidiano, trata-se do controle de automação dos postes de iluminação pública, que acendem de forma automática quando a incidência de pouca luz. Isso é possível graças à utilização das fotoresistências, LDR – Light Dependent Resistors, Resistor Dependente da Luz (Figura 9), que são resistências elétricas que tem seu valor alterado de acordo com a intensidade luminosa que nelas incide.
Figura 9. Ilustração e Símbolo Elétrico do LDR
Fonte: WENDLING (2010)
O LDR é um dispositivo semicondutor eletrônico que possui dois terminais e a característica de possuir certa resistência de acordo com a intensidade de luz incidente sobre ele de forma quase linear, além de ser um elemento não polarizado, o que permite que a corrente circule em ambos os sentidos (JUNIOR, 2013).
O LDR é feito com materiais fotocondutores, como o Sulfeto de Cádmio (CdS), por exemplo. Sendo que tal material é disposto de maneira para que haja maior incidência de luz no material.
Os materiais fotocondutores quando mantidos na escuridão absoluta contêm poucos ou nenhum elétron livre (sua resistência é bastante elevada). Ao serem iluminados, existe absorção de luz, os elétrons libertam-se dos átomos e o material torna-se mais condutor. Os elétrons permanecem livres apenas por um curto período de tempo (tempo de vida médio, ()). Quando se interrompe a incidência da luz sobre os fotocondutores, os elétrons libertados são novamente capturados pelos átomos que ficaram positivos (recombinação, retomando assim o material a sua característica de não condutor) (PIEDADE, 1997).
A construção do LDR pode ser vista na Figura 10 em vista superior e corte lateral, na vista de corte lateral, o material fotocondutivo, se encontra acima da base de cerâmica, em que os condutores são ligados a eletrodos, que por sua vez se conectarão na camada condutiva (JUNIOR, 2013).
Figura 10 - Vista superior e corte lateral do LDR
Fonte: GHELLERE (2009, apud JUNIOR, 2013, p. 3)
A curva característica do LDR demonstra que sua resistência cai à medida que a intensidade de luz aumenta (Figura 11).
Figura 11: Curva característica do LDR
Segundo Kumar (2002, apud JUNIOR, 2013, p. 3) a relação entre a resistência e a luminosidade presente no LDR é dada por:
*+,- = *./0123 × 567
Em que:
*+,- representa a resistência, em Ohm, do LDR.
*./0123 representa a resistência, em Ohm, do LDR sem a presença de
luminosidade.
5 representa a luminosidade, em lux, incidente sobre o LDR.
8 representa uma constante do material usado na construção do LDR (em ohm/lux).
Percebe-se que a equação satisfaz a relação entre a resistência no LDR e a luminosidade incidente sobre o mesmo, já que com aumento no valor de L o termo *+,- da equação se reduz
(independentemente do valor de cada modelo de *./0123 e 8).
2.7 Tecnologias Utilizadas
Esta seção traz a abordagem das tecnologias utilizadas para o desenvolvimento do OA.
2.7.1 Software
O OA a ser desenvolvido trata-se de um software, que segundo Pressman (1995) pode ser definido como “instruções (programas de computador) que, quando executadas, produzem a função e o desempenho desejado”.
Software de computador é o produto que profissionais de software
desenvolvem e ao qual dão suporte no longo prazo. Abrange programas executáveis em um computador de qualquer parte ou arquitetura, conteúdos apresentados à medida que os programas são executados (PRESSMAN, 2011).
Polya (1995, apud PRESSMAN, 2011) aponta de forma geral a essência para solução de problemas, que tem relação direta com a engenharia de software, sendo essa:
• Compreensão do problema (comunicação e análise).
• Planejamento de uma solução (modelagem e projeto de software). • Execução do plano (geração de código).
• Examinar o resultado para ter a precisão (testes e garantia de qualidade).
A reusabilidade é uma característica importante de um software. O componente deve ser projetado e implementado de forma que possa ser reusado em muitos programas diferentes (PRESSMAN, 1995). Essa reusabilidade também é uma característica que define os OAs, sendo uma das suas características mais importantes, pelo fato de estar sempre permitindo a reprodução do conhecimento.
Modelos de processos de software são abstrações que podem ser usados para explicar diferentes abordagens de desenvolvimento de software. Um desses modelos é o em cascata, o qual considera as atividades fundamentais do processo, compreendendo especificação, desenvolvimento, validação e evolução, e as representa como fases separadas, como especificação de requisitos, projeto de software, implementação, testes e, assim por diante (SOMMERVILLE, 2007).
Os componentes de software são construídos através de uma linguagem de programação que tem um vocabulário limitado, uma gramática explicitamente definida e regras de sintaxe e semânticas bem formadas (PRESSMAN, 1995). Sendo que, segundo Varejão (2004), uma linguagem de programação (LP) fica definida como “um instrumento utilizado pelo profissional de computação para escrever programas, isto é, conjuntos de instruções a serem seguidas pelo computador para realizar um determinado processo”.
Para o projeto do OA desenvolvido, foi escolhida a linguagem de programação Java, por apresentar as características como portabilidade, podendo funcionar em qualquer plataforma que possua sua máquina virtual instalada. Além disso, com a linguagem Java é possível desenvolver um OA que atenda às necessidades fundamentais de transmissão de conteúdo, além de possuir uma menor curva de aprendizagem, pelo fato do desenvolvedor já ter contato com a mesma.
2.7.1.1 Java
A linguagem Java é uma linguagem de programação orientada a objetos, que não utiliza explicitamente o conceito de ponteiros e foi projetada para enfatizar a portabilidade. Tem se tornado amplamente utilizada por causa da sua confiabilidade e portabilidade (VAREJÃO, 2004, p. 25).
Já Deitel (2010), define Java como uma poderosa LP de computador que é divertida para iniciantes aprenderem e adequada para programadores experientes utilizarem na construção de sistemas de informação importantes.
Em relação a outras linguagens, Java possui algumas vantagens (CANALLE & ARAUJO, 2013):
• Tratamento de exceções: a confiabilidade nas linguagens é influenciada por fatores, como, por exemplo, a verificação de tipos, o tratamento de exceções, a legibilidade e facilidade de escrita. A linguagem Java possui o recurso de tratamento de exceções, evitando que o programa seja finalizado inesperadamente, sem saber ao certo o que ocorreu.
• Uso de memória: os programas escritos em Java liberam automaticamente a memória alocada e não utilizada, pois fazem uso do Garbage Collector, que percorre a memória de tempos em tempos a procura de objetos que não possuem mais referência válida, coletando esses objetos e liberando memória.
• Portabilidade: após o processo de compilação de uma classe em Java, ela pode ser invocada em qualquer plataforma que dê suporte a linguagem. O código-fonte Java é compilado para bytecode, que é interpretado pela Máquina Virtual Java (Java Virtual Machine – JVM), fazendo que o Java seja independente de plataforma.
A linguagem Java traz ainda uma interface gráfica com usuário (Graphical User Interface – GUI) que apresenta um mecanismo amigável ao usuário para interagir com um aplicativo (DEITEL, 2010).
Levando em consideração as funcionalidades oferecidas pela linguagem Java, e suas vantagens em relação a outras linguagens, a mesma oferece todo suporte para o desenvolvimento de um OA, sendo que os mais diversos tipos de funcionalidades podem ser implementadas, como, por exemplo, a implementação de um jogo educacional, de questionários, animações, simuladores e até a simples exposição de conteúdos teóricos.
2.7.1.2 Linguagem de Modelagem Unificada – UML
A UML (Unified Modeling Language - Linguagem de Modelagem Unificada) é uma linguagem gráfica para visualização, especificação e documentação de artefatos de sistemas complexos de software. A modelagem de um software é uma parte importante, pois assim como qualquer construção, o software também necessita ser projetado, sendo esses modelos
construídos para melhor compreensão do sistema que está sendo desenvolvido (BOOCH, 2000).
Segundo Sommerville (2011), a modelagem do sistema geralmente representa o sistema através de alguma notação gráfica, que, atualmente, quase sempre é baseada em notações de UML. Sendo que o uso de diagramas em UML pode representar bem o sistema, os quais são definidos por Booch (2000):
Um diagrama é a apresentação gráfica de um conjunto de elementos, geralmente representadas como gráficos de vértices (itens) e arcos (relacionamentos). São desenhados para permitir a visualização de um sistema sob diferentes perspectivas; nesse sentido, um diagrama constitui uma projeção de um determinado sistema.
Erickson e Siau (2007), mostram através de uma pesquisa, que a maioria dos usuários de UML acredita que alguns diagramas podem representar a essência de um determinado sistema, sendo eles:
• Diagramas de Atividades, que mostram as atividades envolvidas em um processo realizado pelo software.
• Diagramas de Casos de Uso, que exibem as interações entre um sistema e quem está envolvido em seu uso (o seu ambiente).
• Diagramas de Sequência, que mostram a interação entre os atores e o sistema, e entre os componentes do sistema, possuindo uma ordenação temporal das mensagens.
• Diagramas de Classe, que mostram as classes de objeto do sistema e suas associações;
• Diagramas de Estado, que mostram o comportamento do sistema em relação aos eventos internos e externos.
2.8 Trabalhos Correlacionados
Esta etapa do trabalho foi realizada com o objetivo de compreender melhor o funcionamento da dinâmica dos OAs, para que o desenvolvimento do software educacional fosse iniciado.
Como sequência, o processo de desenvolvimento de um OA deveria ser observado e compreendido, através da observação de Objetos já existentes e suas especificações. Uma das formas de se encontrar esses OAs ocorre através da busca em repositórios, que, segundo Lévy (1993), é a forma mais utilizada para administrar informações e armazenar OAs.
Em busca em dois repositórios, o BIOE e o RIVED com a palavra-chave efeito fotocondutivo, nenhum objeto do tipo foi encontrado. Pesquisando com a chave efeito fotoelétrico, que é um assunto correlacionado ao fotocondutivo, foram encontrados alguns objetos. No BIOE foram encontrados os mais diversos tipos, como animações, vídeos e softwares educacionais.
Explorando os OAs encontrados no BIOE, a maioria se tratava de softwares de simulação do comportamento de materiais ao serem submetidos a uma radiação luminosa, ocorrendo a liberação de elétrons, como no caso do software Efeito Fotoelétrico1 (Figura 12),
do Projeto Acessa Física - Instituto Brasileiro de Educação e Tecnologia de Formação a Distância - IBTF; Projeto Condigital MEC – MCT.
Figura 12. Software Efeito Fotoelétrico.
Fonte: (Projeto Acessa Física - Instituto Brasileiro de Educação e Tecnologia de Formação a Distância - IBTF; Projeto Condigital MEC – MCT, 2011).
1 Efeito Fotoelétrico – Disponível em: < http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/16799>.
Outro objeto encontrado no BIOE, que trata do assunto e através de animações e simulação, é o denominado A Física e Cotidiano – Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O trabalho da luz)2 (Figura 13) desenvolvido pelo Grupo de Trabalho de Produção de Conteúdos
Digitais Educacionais da Secretaria do Estado da Bahia. Esse objeto, por sua vez, traz uma breve explicação sobre o fenômeno e exemplos do cotidiano para demonstrar o efeito fotoelétrico, através de simulação de alguns circuitos.
Figura 13. Objeto Educacional A Física e Cotidiano – Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O trabalho da luz).
Fonte: (Grupo de Trabalho de Produção de Conteúdos Digitais Educacionais da Secretaria de Educação do Estado da Bahia; Projeto Condigital MEC - MCT, 2010).
Já no RIVED foram encontrados alguns softwares do tipo simulador sendo que somente dois traziam a abordagem direta do efeito fotoelétrico, um deles é o objeto denominado Efeito
2 A Física e Cotidiano – Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O trabalho da luz) – Disponível em: < http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/14356 >. Acesso em 05 set. 2016.
Fotoelétrico3 (Figura 14), desenvolvido pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB), o
mesmo traz uma simulação retratando o que acontece com os elétrons de determinado material ao ser iluminado com uma fonte luminosa que pode ter sua frequência variada, tal objeto assemelha-se bastante ao apresentado anteriormente na Figura 12.
Figura 14. Objeto Educacional Efeito Fotoelétrico.
Fonte: (RIVED, 2015).
Outro objeto encontrado no RIVED foi o jogo Pato Quântico4 (Figura 15), destinado a terceira série do EM, com o objetivo de “compreender a solução de Einstein para o Efeito Fotoelétrico - perceber as mudanças conceituais envolvidas nos fenômenos quânticos” (RIVED, 2015). Trata-se de um jogo no qual através de um canhão o jogador seleciona a cor dos fótons incidentes e atira nos patos que representam uma metáfora dos elétrons de uma superfície metálica, que podem ser arrancados ou não, a depender da luz utilizada.
3 Efeito Fotoelétrico - Disponível em: <
http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/20EfeitoFotoeletrico/Site/Animacao.htm >. Acesso em 05 set. 2016.
4 Jogo Pato Quântico – Disponível em: < http://www.proativa.vdl.ufc.br/oa/pato/pato.html >. Acesso em
Figura 15. Objeto de Aprendizagem Pato Quântico.
Fonte: (RIVED, 2015).
Em relação aos objetos encontrados nos principais repositórios, o OA desenvolvido traz o diferencial de tratar do efeito fotocondutivo e os assuntos relacionados ao mesmo, algo não apresentado pela maioria dos OAs encontrados, sendo que na busca em repositórios utilizando como palavra-chave Efeito Fotocondutivo, nenhum resultado foi encontrado. A proposta do OA²E²F assemelha-se em partes a apresentada pelo objeto A Física e Cotidiano – Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O trabalho da luz), já que, assim como este, traz também a parte de simulação de circuitos, sendo o diferencial do OA²E²F mostrar um guia passo a passo de como tais circuitos podem ser montados na prática, além de trazer todo conteúdo teórico que norteiam o efeito, incluído vídeo-aula, além de permitir a prática através de resolução de exercícios.
3 METODOLOGIA
A primeira etapa do projeto consistiu na pesquisa bibliográfica, com o objetivo de fundamentar e justificar o processo de ensino-aprendizagem da FMC através de um OA, através do entendimento de estudos e teorias de outros pesquisadores que abordaram temas relacionados. A partir de então foi elaborada uma sequência de desenvolvimento do projeto, consistindo em: Desenvolvimento do Objeto de Aprendizagem e Verificação e Validação do mesmo.
3.1 Levantamento de Informações sobre Objetos de Aprendizagem
Nesta etapa do trabalho, foram realizados estudos teóricos sobre conteúdos relevantes para o desenvolvimento do projeto. Sendo que, inicialmente, foi fundamental definir o público alvo, a quem o OA seria destinado, alunos da terceira série do EM. Esta etapa, conforme Singh (2001), faz parte da estruturação de um OA, e deve ser um dos primeiros passos a serem tomados na construção do mesmo.
O estudo do conceito de OA foi uma importante etapa, porque mesmo com a observação do Objeto, era necessário defini-lo formalmente, sendo que a definição de Wiley (2000), de que o OA é qualquer recurso digital que possa ser reutilizado para dar suporte à aprendizagem, é uma definição bastante consistente, ainda mais pelo fato da reutilização, que é uma característica significativa, já que um OA, depois de desenvolvido, pode ser reutilizado por vários alunos e professores no processo de ensino-aprendizagem.
Em seguida, foi realizado um estudo sobre o tema da Física que será abordado no projeto, o Efeito Fotocondutivo, de forma a compreender seu funcionamento e ajudar na definição do OA, já que nenhum exemplo direto desse efeito foi encontrado nas bases pesquisadas. A partir do contato com o conteúdo, torna-se possível o surgimento de ideias que podem integrar o software a ser desenvolvido, como por exemplo, a abordagem do efeito fotocondutivo na automação de postes de iluminação pública.
3.2 Desenvolvimento do Objeto de Aprendizagem
Após as etapas de definição do público alvo, observação dos OAs já existentes, compreensão do conceito de OA e estudo sobre o tema da Física, foi iniciado o desenvolvimento do software educacional relacionado ao efeito fotocondutivo.
Todo o processo de desenvolvimento do software foi realizado em conjunto com um professor de Física do Ensino Médio e aluno do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), na Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS), que teve a ideia de um software (OA) sobre o Efeito Fotocondutivo.
Em seguida, o projeto foi desenvolvido observando as seguintes fases: • Levantamento de Requisitos;
• Modelagem através de Diagramas; • Desenvolvimento de Interface Gráfica; • Implementação do OA;
• Verificação e Validação;
As fases serão descritas, especificamente, nos subtópicos a seguir:
3.2.1 Levantamento de Requisitos
Inicialmente, foi realizado o levantamento de requisitos, buscando identificar o que o software a ser desenvolvido deveria ser capaz de realizar, que se concentra na identificação, especificação e descrição dos requisitos do projeto de software. A análise de requisitos está relacionada com a definição do que o software deve fazer. Os requisitos refletem as necessidades do sistema que ajuda a resolver algum problema (SOMMERVILLE, 2010).
Nesta etapa, os requisitos necessários ao OA, a ser desenvolvido, foram levantados. Levou-se em consideração a maneira como o fenômeno do efeito fotocondutivo seria representado e como o mesmo poderia ser manipulado pelos estudantes. O aspecto visual do software também foi discutido, de forma a encontrar uma melhor representação para a transmissão do conteúdo. Todas essas etapas contaram com o auxílio de um professor de Física do Ensino Médio, o qual atuou no processo de Engenharia de Software, como um cliente, listando as funcionalidades desejáveis ao software.
3.2.2 Modelagem e Interface Gráfica
A diagramação do software é uma etapa importante, e permite a descrição de todo o projeto, com base nos requisitos. Tal modelagem foi feita utilizando-se a Linguagem de Modelagem Unificada (UML), sendo obtidos os seguintes diagramas: Diagrama de Caso de Uso e Diagramas de Classes, os quais, mesmo sendo apenas dois tipos de diagramas dentre a grande quantidade que pode ser modelada, servem de base para que o OA seja desenvolvido, levando em consideração o tamanho do projeto e o tempo disponível para entrega do mesmo.
3.2.3 Implementação do OA
Após a etapa de modelagem, deu-se início a implementação do OA proposto. Como passo inicial dessa etapa foram escolhidas as ferramentas tecnológicas que seriam utilizadas no processo. A linguagem de programação seria Java com o auxílio das funcionalidades providas pela mesma, como a interface gráfica provida pelo GUI do Java e o uso da biblioteca JMF para implementação do módulo responsável pela reprodução de conteúdo multimídia. O ambiente de desenvolvimento integrado utilizado foi o Eclipse IDE5, já que o mesmo permite o
desenvolvimento de programas em Java e tem o desenvolvimento de telas facilitado com o uso de extensões, como a utilizada, a Jigloo6, para aperfeiçoamento da interface gráfica desenvolvida.
A implementação do software e os testes de funcionamento foram realizados paralelamente. Dessa forma, cada nova parte desenvolvida foi testada antes de continuar o desenvolvimento. Esse método reduz o tempo utilizado na busca e correção de possíveis erros, quanto maior estiver o sistema, mais difícil será para realizar a correção. Sendo que essas etapas de implementação e testes foram acompanhadas por um feedback do professor de Física colaborador do projeto, o qual sugeria e testava os novos requisitos implementados no sistema. Os testes são destinados a mostrar que um programa faz o que é proposto a fazer e para descoberta de defeitos do programa antes do seu uso (SOMMERVILLE, 2011). Por isso, a importância de estar sempre testando o sistema a cada implementação, visando melhor adequação das funcionalidades do software à interface, e a correção de erros imediata, de
5 Eclipse IDE - https://www.eclipse.org 6 Jigloo - http://www.cloudgarden.org/jigloo/
maneira a economizar tempo, já que os erros são corrigidos, assim que detectados, a cada nova implementação dada ao software.
3.2.4 Verificação e Validação
Segundo Sommerville (2011), a validação de software, ou verificação e validação (V&V), tem a intenção de mostrar que o software está de acordo com as suas especificações, ao mesmo tempo em que satisfaz as especificações do cliente, que no caso do OA em questão tem como cliente professores e alunos de Física, que utilizarão o software desenvolvido para o ensino/aprendizado do Efeito Fotocondutivo.
A etapa de verificação e validação se deu através de uma pesquisa de campo com professores de física que também são alunos do MNPEF, os mesmos tiveram acesso ao OA desenvolvido, sendo que, ao final da utilização do software, os mesmo foram submetidos a um questionário.
O processo de verificação e validação e todas as etapas relacionadas a esse processo são detalhados, de forma mais abrangente, na Seção 6, isso ocorre de maneira a articular melhor o texto, já que esta etapa da metodologia leva em considerações vários aspectos, como campos e sujeitos da pesquisa, tipo de pesquisa, técnica de levantamento de dados, aspectos éticos e análise de resultados.
4 PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
Nessa seção, são apresentadas as etapas seguidas do processo de desenvolvimento do OA, que envolvem levantamento de requisito, modelagem e construção do software.
4.1 Requisitos do Sistema
Os requisitos do software foram levantados em conjunto com o professor colaborador. Sendo esses requisitos, os serviços que o Objeto deve fornecer e o comportamento do mesmo em determinadas circunstâncias.
