4° Congreso Nacional y 1ro. Internacional Rosario, Argentina – 6 a 8 de octubre de 2004
PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO DA
HABILIDADE DE VISUALIZAÇÃO ESPACIAL
ATRAVÉS DE SISTEMAS ESTEREOSCÓPICOS
Rodrigo Duarte Seabra (1), Eduardo Toledo Santos (2) (1)
Universidade de São Paulo, Brasil
Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Construção Civil
rodrigo.duarte@poli.usp.br
(2)
Universidade de São Paulo, Brasil
Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Construção Civil
eduardo.toledo@poli.usp.br
RESUMO
Esta proposta de pesquisa busca contribuir com o desenvolvimento de uma importante habilidade cognitiva humana: a visualização espacial. Em particular, seu público alvo são estudantes de cursos de Engenharia e Arquitetura. No entanto, devido à importância desta habilidade, os resultados deste estudo podem se estender a diversos outros profissionais. Deficiências nas habilidades espaciais de muitos estudantes fazem com que estes tenham grande dificuldade na aprendizagem de disciplinas básicas como Geometria Descritiva e Desenho Técnico, ou aplicadas como Projeto de Mecanismos ou Topografia. A pesquisa proposta tenta avaliar se o uso de material didático estereoscópico consegue melhor resultado no desenvolvimento da habilidade de visualização espacial (HVE) do que material convencional, especialmente em estudantes com baixa capacidade de visualização.
Palabras clave: Habilidade Espacial, Estereoscopia, Geometria Descritiva, Testes de
Visualização Espacial.
ABSTRACT
This research proposal seeks to contribute with the development of an important cognitive skill: the spatial visualization. In particular, its targets are Engineering and Architecture students. However, due to the importance of this skill, the results of this study can be applied to other fields. Deficiencies in the spatial skills of many students make it difficult to learn basic disciplines as Descriptive Geometry and Technical Drawing, or applied as Design of Mechanisms or Topography. The proposed research tries to evaluate whether the use of stereoscopic didactic materials provides better results in the development of the spatial visualization skills than conventional materials, especially in students with low visualization abilities.
Key words: Spatial Skills, Stereoscopy, Descriptive Geometry, Spatial Visualization Tests.
1 Introdução
As habilidades espaciais, em particular a de visualização, são intensamente requeridas por inúmeras profissões artísticas, técnicas e científicas [1]. Muitos estudos mostram grande variabilidade desta habilidade na população e que há diferença significativa e consistente entre os gêneros, com menor nível de habilidade espacial no sexo feminino
[1, 2, 3, 4]. Sabe-se também que a Geometria Descritiva (GD), dentre outras disciplinas essenciais à Engenharia e Arquitetura, requer esta habilidade e que o estudo da GD ajuda a desenvolver a visualização. A baixa habilidade de visualização espacial pode ser fator de dificuldade e desestímulo à aprendizagem desta e de outras importantes disciplinas, básicas e aplicadas, nos cursos de Engenharia e outros. Dessa forma, a procura de mecanismos que eliminem estas barreiras e promovam a habilidade de visualização espacial é importante tema de pesquisa científica.
Alguns estudos [5] nesta área obtiveram resultados surpreendentes, mostrando que, em testes executados em ambiente estereoscópico (aquele que permite a percepção da profundidade, pela apresentação de imagens distintas aos dois olhos), ao contrário daqueles conduzidos com material convencional, não houve diferenças no nível de visualização entre indivíduos do sexo masculino e feminino. Mais ainda, o treinamento num ambiente com estas características permitiu que aqueles com baixa capacidade de visualização atingissem graus equivalentes aos que já tinham essa capacidade bem desenvolvida, independentemente do sexo. Tais resultados motivaram o desenvolvimento desta proposta que procura avaliar, por meio de testes de visualização espacial, se o uso de ferramentas didáticas com recursos estereoscópicos modernos no processo de ensino-aprendizagem de Geometria Descritiva pode facilitar a visualização e a compreensão de situações espaciais complexas por parte daqueles estudantes com baixas habilidades espaciais e em que nível pode desenvolver a habilidade e cognição espacial dos aprendizes.
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Habilidade de Visualização Espacial
Segundo [6], as habilidades são o resultado de múltiplas combinações de idéias, pensamentos, dados, conhecimentos prévios e tarefas que um indivíduo é capaz de fazer e das informações úteis que este indivíduo obteve a partir dessas combinações. A habilidade ou inteligência espacial envolve pensar em imagens, bem como a capacidade de perceber, transformar e recriar diferentes aspectos do mundo visual e espacial.
Indivíduos com alta habilidade espacial possuem aguda sensibilidade para detalhes visuais, esboçam idéias graficamente e facilmente se orientam no espaço tridimensional. Esse contexto encontra-se aplicado em diversas áreas profissionais, que usam freqüentemente as habilidades espaciais, podendo se destacar engenheiros, arquitetos, físicos, matemáticos, pilotos, projetistas, geógrafos, médicos e muitos outros.
De acordo com [7], as habilidades espaciais compreendem três categorias distintas: rotação mental, percepção espacial e visualização espacial. A rotação mental é a habilidade de manipular, rotacionar, torcer ou inverter objetos tridimensionais. O indivíduo deve ser capaz de visualizar e rotacionar mentalmente os objetos em posições diferentes. A percepção espacial refere-se à habilidade de determinar relacionamentos espaciais a partir de informações visuais. A visualização espacial consiste na manipulação de problemas visuais complexos imaginando os movimentos relativos das partes internas de uma imagem. Em adição às categorias apresentadas por [7], [8] apud [9] destaca ainda as relações espaciais e a orientação espacial. As relações espaciais consistem nas relações que podem ser estabelecidas através de elementos dispostos no ambiente, podendo-se utilizar pontos de referência. A orientação espacial consiste na habilidade de orientar-se no espaço à medida que objetos ou eventos são apresentados [10].
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Geometria e Visão Espacial
As disciplinas de Geometria Descritiva e Desenho Técnico têm como objetivo principal capacitar o aluno a se comunicar através de representações gráficas, mas constituem-se
num valioso instrumento de trabalho para o desenvolvimento da visualização espacial [11]. Essas disciplinas são fundamentais no processo de formação de engenheiros e arquitetos, posto que grande parte do trabalho dos mesmos consiste na concepção de objetos através do desenvolvimento de projetos e planejamento de processos de produção. Para um melhor desempenho, é necessário que a capacidade de visualização espacial seja desenvolvida, habilidade esta nem sempre satisfatória em alguns alunos ingressantes nos cursos de Engenharia e Arquitetura [12].
Através de estudos a longo prazo, [11] destacaram significativos efeitos positivos no desenvolvimento da habilidade espacial de estudantes no curso de Geometria Descritiva. Como resultado, os estudantes demonstraram um bom desempenho em tarefas que exigiram o uso de suas habilidades espaciais.
4 Estereoscopia
Define-se por estereoscopia a capacidade de enxergar em três dimensões através da percepção da profundidade em imagens. O processo ocorre quando o cérebro combina em uma única imagem com profundidade as imagens captadas pelos olhos esquerdo e direito [13].
O efeito pode ser conseguido usando dispositivos como, por exemplo, óculos obturadores a cristal líquido, projetores polarizados (Figura 1) ou Head-Mounted Displays (HMD – capacete composto por dois monitores de vídeo que exibem imagens distintas para cada olho e proporcionam ao usuário a sensação de presença em um ambiente virtual tridimensional) [14].
Figura 1: Esquema para projeção estereoscópica passiva (polarizada).
Segundo [15], imagens estereoscópicas de alta resolução tornaram-se uma das mais importantes tecnologias para imersão em ambientes virtuais.
De acordo com [16], o uso de imagens estereoscópicas em uma variedade de projetos está se tornando comum. Os benefícios que as imagens estereoscópicas podem fornecer são amplos, podendo se destacar a percepção da profundidade em imagens, localização espacial, percepção de estruturas em cenas visualmente complexas, percepção melhorada da curvatura e tipos de superfícies.
Sendo assim, as disciplinas de Geometria Descritiva e Desenho Técnico, associadas às técnicas modernas de estereoscopia, podem proporcionar avanços significativos no processo de ensino-aprendizagem e desenvolvimento das habilidades de visualização espacial, incentivando a aprendizagem dos conceitos, visando torná-la mais fácil, interessante e atrativa. Com isso, a motivação do aluno tende a aumentar, visto que o estudo não ficará restrito somente à sua capacidade de imaginação. Assim, os resultados
filtro polarizador
projetores de vídeo
óculos com lentes polarizadoras tela prateada
desta proposta de pesquisa poderão ter alcance e aplicação em muitas outras disciplinas, já que a visualização espacial encontra-se aplicada em várias áreas.
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Estereoscopia e Visualização Espacial
Vários estudos demonstram a existência de diferenças entre os sexos no desempenho de atividades que utilizam a cognição espacial. Os resultados mostram uma vantagem dos indivíduos do sexo masculino em relação ao feminino [1, 2, 3, 4]. Algumas pesquisas mostram a influência de hormônios como estradiol e testosterona, influindo nos resultados de testes de visualização espacial [17, 18].
Em [5] foi aplicado um teste de visualização espacial, o VR-MRT, em indivíduos de ambos os sexos, dentro de um ambiente virtual tridimensional estereoscópico. Os resultados encontrados não apresentam diferenças em relação ao gênero, diferentemente dos demais testes de visualização espacial. Outro importante resultado é que após o treinamento em ambiente estereoscópico, os indivíduos testados tiveram desempenhos semelhantes, independente do sexo, mesmo nos testes convencionais.
Destes resultados pode-se supor que o uso de material instrucional estereoscópico favorecerá aqueles estudantes com habilidade espacial ainda pouco desenvolvida, em especial os do sexo feminino, no processo de percepção espacial dos problemas de Geometria Descritiva. Supõe-se ainda que a interação com ambientes estereoscópicos propiciará o desenvolvimento da habilidade de visualização espacial naqueles mesmos indivíduos.
De acordo com [19], foi aplicado um teste de visualização espacial, SMCT, utilizando estereogramas. Como resultado, o SMCT tende a ser um pouco mais elevado comparado com o teste padrão e o processo de manipulação e reconhecimento de objetos tridimensionais foi auxiliado através do uso dos estereogramas.
Estamos propondo um projeto de pesquisa visando o desenvolvimento de ferramentas interativas, as quais permitirão a construção em 3D, de situações espaciais com pontos, retas, planos e suas projeções. As ferramentas, escritas em linguagem Java (http://www.java.sun.com) e API Java3D (http://java.sun.com/products/java-media/3D/index.html), consistirão em applets ou aplicações independentes, objetivando o aumento de sua portabilidade. A API Java3D é voltada para a representação e renderização de cenas tridimensionais e disponibiliza, ao desenvolvedor da aplicação, uma forma de representação de alto nível para criação e manipulação de geometrias tridimensionais. A Figura 2 ilustra um exemplo de applet desenvolvido através da API Java3D.
As aplicações serão executadas fazendo-se uso de projetor estéreo e óculos, ambos dispositivos estereoscópicos.
O projetor utiliza a técnica da projeção polarizada (estéreo passivo), permitindo a visualização de profundidade com óculos polarizadores de baixo custo. Este recurso será usado para apresentação em sala de aula para audiências de 30 ou mais estudantes. Os óculos LCD (estéreo ativo) permitem a visualização em estéreo na tela do computador para uso individual ou grupos de até 5 estudantes.
Apesar de empregarem técnicas estereoscópicas diferentes, devido a peculiaridades destes dispositivos, o mesmo software pode ser empregado em ambos os ambientes.
Figura 2: Exemplo de applet em Java3D.
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Materiais e Métodos
Após a implementação das ferramentas, serão oferecidas aulas de Geometria Descritiva aos alunos ingressantes dos cursos de Engenharia da Escola Politécnica da USP, formando-se, aleatoriamente, quatro turmas compostas por 30 alunos voluntários em cada uma delas. Em seguida, as turmas participarão do primeiro teste de visualização espacial (pré-teste), a fim de se mensurar o nível atual de suas habilidades espaciais. Depois disso, serão analisados a média e o desvio padrão obtidos por cada turma e, caso estes sejam discrepantes, haverá a formação de novas turmas através de um novo sorteio. Esse processo será repetido até que os valores das médias e desvios sejam relativamente próximos, evitando assim a formação de turmas não heterogêneas.
Em seguida, serão iniciadas as aulas propriamente ditas, onde cada turma será classificada, de forma aleatória, em quatro grupos distintos: grupo de controle, grupo teste-convencional, grupo teste-estéreo e grupo teste-mono.
Os indivíduos do grupo de controle, extraídos da mesma população que os demais, farão apenas os testes de visualização nas mesmas datas e condições que os três outros, sem assistirem às aulas do experimento, de modo que se possa avaliar e isolar o ganho nos testes devido unicamente à experiência adquirida na execução dos testes.
O grupo teste-convencional receberá instrução tradicional em Geometria Descritiva, totalizando 8 horas-aula, sem o uso dos novos recursos desenvolvidos, permitindo a avaliação do ganho na habilidade de visualização espacial devido à instrução convencional, bem como a avaliação da aprendizagem de Geometria Descritiva (GD) nesta metodologia.
Alunos pertencentes ao grupo teste-estéreo serão expostos às novas ferramentas desenvolvidas usando recursos estereoscópicos, assim como o grupo teste-mono
utilizará as mesmas ferramentas, porém não operando em modo estéreo, em curso de GD de 8 horas-aula. Sabe-se que o uso de ferramentas interativas e 3D (não necessariamente estereoscópicas) são fator de motivação para os estudantes e que este influi na aprendizagem e esforço despendidos pelos estudantes. A comparação dos resultados destes dois grupos de teste permitirá, dentro das limitações experimentais, isolar este efeito.
Após a aplicação das aulas, será executado o segundo teste de visualização espacial (pós-teste), visando mensurar-se a evolução relativa da habilidade de visualização espacial dos alunos e até que ponto as ferramentas desenvolvidas auxiliaram nesta evolução. Para tanto, existem vários testes de visualização espacial que podem ser explorados no processo de avaliação (seção 6.2). Ao mesmo tempo, a aplicação de uma prova convencional sobre o tema Geometria Descritiva permitirá comparar a aprendizagem de todos os grupos nesta disciplina.
6.1 Testes de Visualização Espacial
Diversos testes podem ser empregados para avaliar o nível de habilidade de visualização espacial de um indivíduo [3, 5, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26].
O MRT – Mental Rotation Test [20, 22, 24, 25] foi desenvolvido para determinar-se o tempo necessário que um indivíduo necessita para reconhecer se duas figuras são iguais ou não. O objetivo é encontrar entre as alternativas, as duas que representem a figura de referência. Sua medida é correlacionada com a habilidade de rotação mental. A Figura 3 mostra um exemplo dentre as 20 questões do MRT.
Figura 3: Exemplo de questão do MRT.
O MCT – Mental Cutting Test possui 25 questões, onde cada uma apresenta uma perspectiva de um objeto sendo cortado por um plano. O objetivo é assinalar, dentre as cinco opções apresentadas, a que corresponde à forma do perímetro da seção resultante do corte do objeto pelo plano dado. A Figura 4 ilustra um exemplo de questão do MCT [12].
Figura 4: Exemplo de questão do MCT.
O TVZ – Test de Visualización possui 32 questões envolvendo o desdobramento de um cubo. O objetivo é identificar qual letra e em qual posição ela aparece na face solicitada do cubo desdobrado. A Figura 5 mostra um exemplo de questão do TVZ [12].
Figura 5: Exemplo de questão do TVZ.
O VR – MRT apresentado em [5], consiste na aplicação do teste MRT – Mental Rotation Test, descrito anteriormente, em um ambiente virtual tridimensional estereoscópico.
O MCT – Schnitte, apresentado em [23], é um teste interessante uma vez que não pode ser resolvido olhando-se para as figuras apresentadas, dependendo exclusivamente da imagem mental. Outra característica deste teste é que é indicado para indivíduos com grande habilidade espacial.
O SMCT [19], consiste na aplicação do teste MCT – Mental Cutting Test, descrito anteriormente, porém apresentando sólidos em ambiente estereoscópico.
Será realizado um estudo a fim de avaliar as particularidades e características de cada teste, de modo a selecionar o(s) mais adequado(s) para a pesquisa.
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Análise dos Resultados
A avaliação dos resultados obtidos com o uso das ferramentas a serem desenvolvidas será realizada através da comparação do desempenho dos estudantes nos testes de visualização espacial e de Geometria Descritiva. A Tabela 1 apresenta as comparações, com suas respectivas medidas e finalidades.
Tabela 1: Avaliações a serem executadas
Comparação Parâmetros Medida A Medida B Finalidade Variável: Média do teste de visualização
Ocasião: Pré-Teste 1 Grupo: Todos Homogeneizar todos os grupos em relação à HVE
Variável: Média do teste
de visualização
Média do teste de visualização
Ocasião: Pré-Teste Pós-Teste
2
Grupo: Controle Controle
Avaliar o efeito na HVE pela experiência em
fazer o teste
Variável: Média do teste
de visualização
Média do teste de visualização
Ocasião: Pré-Teste Pós-Teste
3
Grupo: Convencional Convencional
Avaliar a influência da
aula convencional na variação da HVE
Variável: Média do teste
de visualização
Média do teste de visualização
Ocasião: Pós-Teste Pós-Teste
4
Grupo: Convencional Mono
Avaliar a influência do uso
de ferramentas interativas na variação da HVE
Variável: Média do teste
de visualização
Média do teste de visualização
Ocasião: Pós-Teste Pós-Teste
5
Grupo: Mono Estéreo
Avaliar a influência do uso
da estereoscopia na variação da
HVE
Variável: Média do teste de GD
Ocasião: Pós-Teste 6 Grupo: Todos Avaliar a influência das metodologias na aprendizagem de GD
8 Conclusão
As múltiplas oportunidades de pesquisa em visualização espacial emergiram em conseqüência das novas tecnologias. A visualização estereoscópica talvez possa auxiliar o processo de ensino-aprendizagem facilitando a visualização e compreensão de situações espaciais complexas e, por conseguinte, apoiando o desenvolvimento da cognição espacial do estudante, especialmente daqueles com menor habilidade.
Através de dispositivos não convencionais como óculos obturadores a cristal líquido e projetores 3D polarizados, provavelmente poderá se obter resultados significativos no processo de visualização dos objetos, contribuindo para o desenvolvimento da aptidão no processo de visualização espacial e superando as diferenças existentes entre os sexos.
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