AVALIAÇÃO DA EFICÁCIA DA REESTRUTURAÇÃO DOS CURSOS
DE DESENHO PARA ENGENHARIA NA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
R. MAFALDA, R. RANIERI, E. T. SANTOS, L. Y. CHENG, A. KAWANO Escola Politécnica da USP / PCC
Av. Prof. Almeida Prado, trav. 2, n. 271 05508-900 São Paulo - SP
Fax: (011) 818-5715 E-mail: {rovis, ranieri, toledo, cheng, akawano}@pcc.usp.br
Resumo
Métodos de ensino de desenho mudam conforme a sociedade se desenvolve, e mesmo sem poder prever como o ensino se dará no futuro, podemos utilizar instrumentos disponíveis para avaliar o impacto das mudanças que realizamos. Este artigo mostra os principais pontos da reestruturação do curso de desenho na EPUSP, métodos e recursos utilizados para avaliar o impacto desta reestruturação na aprendizagem dos alunos. São apresentadas as estatísticas, discussão e conclusões. O principal ponto da reestruturação é a introdução de modelagem 3D no primeiro semestre do curso, enquanto que tópicos tradicionais como projeções ortográficas são aplicadas no segundo semestre.
Palavras chave: Cursos de desenho, modelagem 3D, visualização espacial. 1. Introdução
O curso de Desenho da Escola Politécnica da USP passou por uma reestruturação metodológica. Desde 1991 o curso possui etapas ministradas com uso de sistemas CAD e curricularmente abrangem desde a Geometria Descritiva até Modelagem de Sólidos. Com a reestruturação ocorreu uma inversão na ordem de apresentação dos tópicos entre os dois semestres do curso. O primeiro semestre é iniciado com modelagem 3D, incluindo temas como modelamento de superfície e modelagem de sólidos. Anteriormente a reestruturação, tópicos como teoria das projeções e vistas ortográficas, ocupavam o primeiro semestre do curso, e comparativamente ao uso de modelagem 3D, estes tópicos exigem dos alunos níveis maiores de abstração como conseqüência oferecem à estes maiores dificuldades no aprendizado (MAFALDA e KAWANO, 1998).
Muitos estudantes ao ingressarem nos cursos de engenharia estão hábeis para visualizar um objeto a partir da interpretação de vistas ortográficas, enquanto outros apresentam dificuldades nesta tarefa. DENO (1995) sugere que o motivo para esta deficiência, é devido ao baixo nível da habilidade de visualização espacial, e que isto está ligado ao processo de desenvolvimento cognitivo espacial, principalmente nas fases de infância e adolescência associadas a tipos de atividades praticadas, como jogos e brincadeiras.
As características emergentes nos sistemas CAD como técnicas paramétricas, operações entre sólidos e superfícies permitem a modelagem de objetos tridimensionais com precisão e de modo mais intuitivo. Manipular objetos como cubos, cones e cilindros não é estranho aos alunos, pois estes objetos fazem parte de seu cotidiano, portanto têm sua manipulação conceitual facilitada. As práticas 3D entretanto, no inicio dos cursos não descartam conhecimentos básicos de 2D como ferramenta necessária à modelagem 3D, por exemplo, para a escolha adequada de vistas.
Este artigo mostra o modelo da restruturação introduzida a partir de 1999 nos cursos de desenho da EPUSP e a primeira etapa de avaliação desta reestruturação. São apresentadas as estatísticas , discussões e as primeiras conclusões sobre o comportamento da habilidade de visualização dos alunos neste primeiro semestre do curso.
2. O modelo de reestruturação
As tabelas 1 e 2 mostram os conteúdos dos dois semestres do curso de desenho, anteriormente à reestruturação. Pode-se observar que anteriormente a reestruturação os temas mais abstratos ocupavam o primeiro semestre do curso.
Tabela 1. Conteúdo do primeiro semestre do curso de desenho (antes da reestruturação)
Aula Tema Aula Tema
#1 Apresentação do curso #8 Vistas ortográficas #2 Técnica de esboço #9 Normas e convenções #3 Teo. Projeções - Centro próprio #10 Dimensionamento #4 Teo. Projeções - Centro impróprio #11 Vistas Seccionais #5 Projeções Axonométricas #12 Vistas Auxiliares #6 Perspectiva Cavaleira #13 Projeto 1
#7 Vistas ortográficas #14 Projeto 2
Além dos tópicos de desenho propriamente ditos, o programa inclui projetos semestrais que são atividades práticas de construção de protótipos como apresenta CHENG et al. (1998) visando uma competição como parte da avaliação semestral.
Tabela 2. Conteúdo do segundo semestre do curso de desenho (antes da reestruturação)
Aula Tema Aula Tema
#1 Geometria Descritiva: Pontos e Retas #9 Sólidos I
#2 Geometria Descritiva: Planos #10 Sólidos II / Tópicos de Realismo #3 Geometria Descritiva: Problemas especiais #11 Desenho de execução
#4 Geometria Cotada I #12 Desenvolvimento de Superfícies #5 Geometria Cotada II #13 Introdução ao CAD/ CAE/ CAM #6 Exercícios de GD & GC #14 Acompanhamento do projeto #7 Superfícies I #15 Apresentação do Projeto #8 Superfícies II
A reestruturação realizada teve como base a utilização de modelagem 3D no primeiro semestre do curso como mostra a tabela 3. Na reestruração os projetos semestrais são mantidos, pois representam a manutenção do aprendizado do trabalho em grupo e desenvolvimento do senso coletivo entre os alunos.
Tabela 3. Conteúdo do primeiro semestre do curso de desenho
Aula Tema Aula Tema
#1 Apresentação do curso #8 Desenvolvimento de Superfícies #2 Técnica de esboço #9 Projeções cotadas
#3 Introdução à metodologia de projeto #10 Superfícies topográficas #4 Introdução ao Modelamento Geométrico 3D #11 Perspectivas Axonométricas #5 Modelamento de Superfície #12 Perspectivas Cavaleiras #6 Modelamento de Sólidos #13 Perspectivas Cônicas
#7 Projeto 3D #14 Projeto
Para a colocação em prática das aulas de modelagem 3D, os conhecimentos prévios necessários, como o desenho 2D no sistema CAD são suplantados por atividades programadas aplicadas pelos monitores das disciplinas, que tem por objetivo dar aos alunos o suporte as aulas de modelagem 3D.
3. A reestruturação: motivação
Duas principais razões motivaram esta reestruturação. A primeira é que impulsionado pela disponibilidade de sistemas dotados de novas características (citadas anteriormente), o processo de projeto de alguns tipos de artefatos de engenharia tem como ponto de partida um modelo 3D a partir do qual podem ser geradas vistas ortográficas, e muitas das análises podem ser realizadas utilizando ferramentas analíticas como elementos finitos. Neste modo de projeto o desenho 2D fica relegado à fase de documentação, sendo estes gerados automaticamente a partir da base de dados do modelo 3D, como nas práticas de uso de sistemas CAD/CAM em processos automáticos de manufatura. E ainda, o desenvolvimento de modelos 3D, nas fases inicias de projeto facilitam a comunicação entre técnicos e clientes. Por este aspecto também oferece-se uma maior familiaridade ao aluno de como decorre genericamente as etapas por qual passa o desenvolvimento de um projeto. A outra questão, de caráter pedagógico, é que os recursos oferecidos pelo uso da técnica modelagem 3D, como remoção de linhas escondidas, tonalização e visualização interativa tornam mais fácil a compreensão dos modelos durante sua construção, desenvolvendo a cognição espacial do aluno. Na fase inicial do curso, é exatamente onde os alunos apresentam as maiores dificuldades, ou seja, onde estes têm nenhum ou pouco contato com desenho e as dificuldades no aprendizado são maiores. Se o desenvolvimento da habilidade de visualização deve ser o principal objetivo de cursos de desenho como defende WILLEY (1989), oferecer disciplinas que levem em conta as características de aprendizado dos alunos, melhorando o seu rendimento nas disciplinas é um passo importante para melhoria do ensino.
Para avaliar o comportamento dos alunos ao programa curricular introduzido no curso, esta sendo feito um acompanhamento do desempenho dos alunos nos temas do curso em relação ao aspecto visualização espacial, que consiste numa avaliação ao inicio do curso, e avaliações sucessivas ao final de certas etapas do programa. Nesta primeira etapa mais de 400 ingressantes na carreira de Engenharia, foram submetidos ao teste MRT (Mental
Rotations Test), após a etapa de modelagem 3D. O MRT é um teste para avaliar a
habilidade de visualização espacial adotado internacionalmente para esta finalidade, sendo que neste é grande a correlação entre o desempenho no teste e a habilidade de visualização espacial como mostram estudos realizados pelos autores do teste.
4. O modelo de avaliação
Esta primeira etapa de avaliação verificou os seguintes aspectos relacionados aos alunos do curso:
• Nível médio de habilidade de visualização espacial dos indivíduos do sexo feminino e do sexo masculino no inicio do curso (avaliação realizada em 03/97) e ao final da etapa de modelagem 3D do curso (avaliação realizada 06/99);
• Nível médio de habilidade de visualização espacial dos indivíduos do sexo masculino no inicio do curso e ao final da etapa de modelagem 3D do curso;
• Análise dos protocolos verbais ( estratégia adotada para resolução das questões do teste na primeira aplicação do teste MRT).
4.1 Instrumento e procedimento adotado
O instrumento utilizado para a avaliação, o teste MRT, é um teste para avaliar a habilidade de visualização espacial, construído por VANDENBERG e KUSE (1979), a partir do
estudo cronométrico de SHEPARD e METZLER (1971), desenvolvido para encontrar o tempo necessário que um indivíduo leva para reconhecer se duas figuras são idênticas ou não, exceto pela diferença angular entre estas. O tempo encontrado se mostrou linear de acordo com a diferença angular entre as figuras, para uma série de 600 pares como exemplifica a figura 1.
Figura 1. Exemplo dos pares de figuras apresentadas aos indivíduos no estudo de cronométrico de
SHEPARD e METZLER (1971). (A) As figuras diferem em 80º. (B) As figuras diferem em 80º só que a figura da esquerda esta num sistema de projeção cônico.
No MRT várias destas figuras são agrupadas formando exercícios que são usualmente chamados de tarefas de rotação mental. O teste é um conjunto de tarefas de rotação mental, composto por três partes, a primeira explicativa, que apresenta o objetivo do teste e a natureza das questões através de exemplos resolvidos. Outras duas partes, cada uma contendo dez questões, semelhantes as exemplificadas na figura 2.
Figura 2. Exemplo das questões propostas no MRT VANDENBERG e KUSE (1979): Na primeira questão
as respostas corretas são (2) e (3); na segunda questão as respostas corretas são (1) e (2).
Todas as questões consistem de uma figura de referência, duas alternativas corretas e duas incorretas. O indivíduo tem que encontrar entre as alternativas as duas alternativas que representam a figura de referência. As respostas corretas são as vezes idênticas a figura de referência, ou seja, não inclui mudança no sistema de projeção, mas são mostradas com rotações diferentes. Para metade das questões do teste, as alternativas incorretas são as próprias figuras de referência espelhadas e rotacionadas, enquanto as alternativas incorretas da outra metade das questões são figuras rotacionadas de uma ou duas outras figuras de referência.
O procedimento recomendado para a correção do teste diz que quando uma das duas alternativas assinaladas está incorreta, a questão recebe crédito “0”. Quando somente uma alternativa é assinalada, e é correta, então a questão recebe “1”crédito. Quando as duas alternativas escolhidas são corretas, a questão recebe “2”créditos. A confiabilidade do MRT segundo os autores do teste é satisfatória, citando como exemplo que em uma amostra de 3.268 adultos, submetidos ao teste o fator de correlação obtido na reaplicação do teste foi
0.88, ou seja a relação entre a primeira e a segunda avaliação decorrido um intervalo de 1 ano.
5. Análise dos protocolos verbais
Os procedimentos adotados pelos indivíduos para a resolução das tarefas do teste revelam como se dá a interpretação dos objetos. Como conhecimento inicial sobre a população objeto de estudo procurou-se conhecer estes processos de interpretação. Tais procedimentos foram solicitados aos alunos após a primeira avaliação como uma pergunta sobre a estratégia adotada para a resolução das tarefas de rotação mental. Os procedimentos descritos pelos alunos foram interpretados e categorizados, sendo que tanto para os indivíduos do sexo masculino quanto para os indivíduos do sexo feminino três respostas predominantes foram identificadas e categorizadas como protocolos 1, 2 e 3.
• Protocolo 1: Imaginar a figura no espaço, rotacioná-la e compará-la com as alternativas;
• Protocolo 2: Critérios de similaridade, pontos em comuns entre as figuras, perpendicularismo e paralelismo;
• Protocolo 3: Abordagem mista, envolvendo procedimentos dos protocolos 1 e 2. Do total de 65 observações realizadas para os indivíduos do sexo feminino a distribuição entre os três protocolos apresentou a seguinte distribuição. O protocolo 1 foi responsável por 37 das observações, com pontuação média 19,73, o protocolo 2 ficou com 12 observações com média 23,5 e o protocolo 3 com 6 observações e pontuação média de 22,7. Para indivíduos do sexo masculino, do total 356 observações, 13 não puderam ser categorizados, do total restante o protocolo 1 obteve 234 observações com pontuação média 27,97, o protocolo 2 obteve 68 observações com pontuação média 27,04 e o protocolo 3 obteve 41 observações com pontuação média 28,17.
A análise dos dados acima mostra que a habilidade de visualização espacial se processa de modo variado, podendo suportar várias procedimentos. A distribuição entre os protocolos mostra também que os indivíduos do sexo masculino apresentam mais variações na solução de problemas que envolvem habilidade de visualização espacial.
Pode-se observar também, que a pontuação média obtida pelos indivíduos do sexo feminino no protocolo 2 sugere que o processamento das informações visuais ocorre de modo diferente ao que apresentam os indivíduos do sexo masculino, onde a pontuação média é maior para o protocolo 1.
6. Resultado geral da avaliação
As tabela 4 e 5 mostram os resumos estatísticos das duas avaliações feitas no curso, no inicio e o final da etapa modelagem 3D.
Tabela 4. Resumo estatístico (sexo feminino)
Avaliações Contagem Soma Média Variância
Avaliação 1 55 1148 20,87273 56,6686 Avaliação 2 61 1607 26,34426 98,7295
Tabela 5. Resumo estatístico (sexo masculino)
Avaliação 1 356 9874 27,73596 59,6934 Avaliação 2 404 12755 31,57178 60,9055
As tabelas 6 e 7 mostram as análises de variância entre as primeiras e segundas avaliações para os indivíduos dos sexos masculino e feminino respectivamente.
Tabela 6. Análise de variância das avaliações (sexo feminino)
Fonte da variação SQ gl MQ F
Entre as avaliações 865,8704 1 865,8704 10,98737** Dentro das avaliações 8983,88 114 78,80596
Total 9849,75 115
Tanto para um grupo quanto para o outro o aumento de rendimento observado entre as primeiras e segundas avaliações é significativo.
Tabela 7. Análise de variância das avaliações (sexo masculino)
Fonte da variação SQ gl MQ F
Entre as avaliações 2784,427 1 2784,427 46,14726** Dentro das avaliações 45736,1 758 60,33786
Total 48520,53 759
Para os indivíduos do sexo feminino F (1, 114 ) = 6,85 , P < 0.01, enquanto que para os indivíduos do sexo masculino F (1, 758 ) = 6,63 , P < 0.01.
A melhora de rendimento observada para os dois grupos revela que a reestruturação foi bem absorvida pelos alunos em relação ao aspecto habilidade de visualização espacial. O gráfico mostrado na figura 3 mostra as curvas das primeiras e segunda avaliação para os indivíduos do sexo feminino. O intervalo de melhora abrange os níveis de pontuação acima de 14 pontos, e o intervalo mais beneficiado abrange a faixa de 20 a 30 pontos.
Figura 3. Gráfico das primeiras e segundas avaliações. A primeira avaliação (azul). Segunda avaliação
(magenta) após a etapa de modelagem 3D.
O gráfico mostrado na figura 4 mostra as curvas das primeiras e segunda avaliação para os indivíduos do sexo masculino. O intervalo de melhora apresenta maior linearidade em relação aos intervalos de melhora dos indivíduos do sexo feminino. O menor índice
Mulheres (pré e pós teste) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61
Número de alunos acumulado P o n t u a ç ã o
melhora aparece no intervalo de 0 a 15 pontos, o que mostra que uma parcela dos alunos estudada apresenta problemas com a visualização espacial.
Figura 4. Gráfico das primeiras e segundas avaliações. A primeira avaliação (azul). Segunda avaliação
(magenta) após e etapa de modelagem 3D.
A tabela 8 mostra a análise de variância realizadas com as pontuação obtidas no inicio dos curso para os dois grupos. A diferença encontrada é significativa, F (1; 409 ) = 6,85 , P < 0.01, a favor dos indivíduos do sexo masculino.
Tabela 8. Análise de variância das avaliações ao inicio do curso (dois grupos)
Fonte da variação SQ gl MQ F
Entre grupos 2244,02 1 2244,02 37,84** Dentro dos grupos 24251,28 409 59,29
Total 26495,31 410
A comparação realizada com as pontuações obtidas no inicio do curso em relação a habilidade de visualização espacial entre indivíduos do sexo masculino e do sexo feminino esta de acordo com os resultados obtidos em vários estudos, como SORBY e BAARTMANS (1996), que indicam que indivíduos do sexo masculino possuem maior nível habilidade de visualização espacial.
5. Discussão
Do ponto de vista dos cursos de desenho da EPUSP, a avaliação conduzida se mostrou bem encaminhada obtendo resultados objetivos dos quais se pode extrair informações relevantes sobre o impacto da reestruturação realizada. O nível de habilidade que os alunos tinham ao ingressar no curso e o progresso obtido na etapa de modelagem 3D do curso, mostra que as modificações introduzidas ofereceram facilidade para o aprendizado dos alunos, e o fato de que tanto para os indivíduos do sexo masculino quanto para os indivíduos do sexo feminino obteve-se progressos significativos, mostra que tal restruturação, até o momento dá sinais de que esta sendo bem conduzida.
O progresso observado nos alunos do sexo masculino se mostrou uniforme, enquanto que para os indivíduos do sexo feminino, os progressos obtidos são mais dispersos, devido ao tamanho das amostras para esse grupo, o que reflete de certo modo a proporção entre os grupos em cursos de engenharia. Os resultados mostram também que os indivíduos do sexo feminino foram os mais beneficiados com esta etapa de disciplinas pois apresentam um
(Homens) pré e pós teste 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 18 35 52 69 86 103 120 137 154 171 188 205 222 239 256 273 290 307 324 341 358 375 392
Número de alunos acumulado P o n t u a ç ã o
aumento de pontuação média maior do que os indivíduos do sexo masculino. Este fato confirma que este grupo possuem um nível de habilidade de visualização espacial menor em relação aos indivíduos do sexo masculino, ou seja, existe nestes indivíduos relativamente uma predisposição maior para o desenvolvimento desta habilidade como pode ser visto comparando-se as duas avaliações para este grupo de indivíduos.
6. Conclusões e estudos futuros
A introdução de disciplinas de modelagem 3D no primeiro semestre do curso de desenho se atende as características iniciais de aprendizagem dos alunos. Embora processos cognitivos tratem até certo ponto de questões de aprendizagem, como o desenvolvimento da habilidade de visualização espacial, as informações que estes revelam são de grande importância para a fundamentação pedagógica do programa do curso de desenho.
Como próximas etapas deste acompanhamento serão realizadas mais duas avaliações, ambas no segundo semestre. Uma avaliação será na metade do segundo semestre, quando termina a etapa 2D do curso e uma avaliação ao final do curso de desenho.
7. Agradecimentos
Os autores agradecem a colaboração dos professores João R. D. Petreche, Sergio Leal Ferreira, Luiz Reynaldo de Azevedo Cardoso, Claudia S. Burlamaqui, Ana Magda Alencar Correa, Leonardo R. de Oliveira e Andrea Piccini e também a Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo por apoiar o primeiro autor no proc. 97/09825-8.
8. Referências bibliográficas
CHENG at al. Projeto geométrico de uma ponte no Ensino do desenho técnico. IV Encontro de Ensino de Engenharia, p.104-111, Itaipava - Petrópolis, Rio de Janeiro 1998.
DENO, J. A. The relationship of previous experiences to spatial visualization ability. The Engineering Design Graphics Journal, v.59, n.3, p.5-17, 1995.
MAFALDA, R.; KAWANO, A. Modelos de representação e processos cognitivos em desenho para engenharia. II Congresso Internacional de Engenharia Gráfica nas Artes e no Desenho. p.252-256, Feira de Santana, Bahia, 1998.
SHEPARD, R.N.; METZLER, J.M. Mental rotation of three-dimensional objects. Science. v. 171,n. 3972, p.701-3, 1971.
SORBY, S.A.; BAARTMANS, B.V. A course for the Development of 3-D Spatial Visualization Skills. The Engineering Design Graphics Journal, v.60, n.1, p.13-20, 1996.
VANDENBERG, S.G.; KUSE, A.R. Mental rotations, a group test of three-dimensional spatial visualization. Perceptual and Motor Skills, v.47 p.599-604, 1978.
WILEY.S.E. Advocating the development of visual perception as a dominant goal of technical graphics curricula. The Engineering Design Graphics Journal, v.53, n.1, p.1-12, 1989.
