O Uso de Mapas Conceituais e Realidade Virtual para o Ensino
de Física no Ensino Médio
Paula Teixeira Nakamoto 1 – paulanakamoto@bol.com.br Eduardo Kojy Takahashi 2 - ektakahashi@ufu.br
Elise B. Mendes3 – elise@ufu.br Alexandre Cardoso 1 – alexandre@ufu.br Edgard Lamounier Júnior 1 - lamounier@ufu.br1
1
Faculdade de Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Uberlândia 2
Faculdade de Física - Universidade Federal de Uberlândia 3
Faculdade de Letras – Universidade Federal de Uberlândia Av. João Naves de Ávila – 38.400-902 - Uberlândia – MG – Brasil
Resumo
Este artigo apresenta um sistema chamado Laboratório Virtual de Física, destinado ao ensino de Física para alunos do Ensino Médio. A motivação deste trabalho diz respeito ao pequeno acesso que esses alunos possuem a laboratórios de tal disciplina em suas escolas. Utilizando técnicas de Realidade Virtual, baseadas na tecnologia da Internet, o sistema simula um ambiente virtual para experimentos físicos, a baixo custo computacional e financeiro. Além disso, para garantir um ambiente com características pedagógicas sustentáveis, o paradigma de Mapas Conceituais foi utilizado para ajudar o aluno a se organizar, e se adaptar aos conceitos trabalhados. O artigo destaca a estratégia de desenvolvimento e organização do sistema e apresenta, como estudo de caso, uma aplicação do laboratório na criação e análise de circuitos elétricos.
Palavras Chave
Mapas Conceituais, Realidade Virtual, Ensino de Física, Educação à Distância.
1. Introdução
Aumentam-se as possibilidades da busca de informações e as pessoas querem cada vez mais se aperfeiçoar, só que muitas vezes os recursos necessários para um aprendizado completo não estão disponíveis para todos. Um exemplo disto é o estudo de eletrônica no Ensino Médio. Na maioria das escolas não existem laboratórios de física para os alunos poderem praticar o que aprenderam em sala de aula. Outro detalhe importante é que os
livros de eletrônica trazem somente a simbologia dos dispositivos eletrônicos (resistores, capacitores, fontes, etc), de modo que o aluno não se familiariza com os dispositivos como eles são na realidade. Isso tudo é a motivação deste trabalho, criar um sistema que simula um ambiente virtual para experimentos físicos, a baixo custo computacional e financeiro, sendo acessível a todos.
Nos últimos anos, a tecnologia de Realidade Virtual (RV) tem sido amplamente utilizada nas mais diferentes áreas do conhecimento [1, 9, 6]. Este substancial progresso pode ser observado nas diversas conferências e publicações técnico-científicas, particularmente, relacionadas ao uso de RV na educação, pesquisa, treinamento, negócios, lazer etc. De fato, a Realidade Virtual é considerada, atualmente, como uma área de pesquisa com muitas perspectivas futuras [10, 11,12,13].
Ambientes virtuais de fácil entendimento, acoplados a processos educativos motiva um aluno com a possibilidade de visualizar, interagir e experimentar experiências que só poderiam ser feitas em laboratório, catalisando o processo de ensino e aprendizagem. A possibilidade de imersão, de sensação de realidade do usuário, potencializa um significativo aprendizado. Entretanto, para que tudo isso ocorra é importante que o sistema suporte uma interface intuitiva e amigável até para o usuário menos experiente.
O objetivo deste trabalho é a construção de um projeto multidisciplinar que abrange especialistas da área de Realidade Virtual, Pedagogia e Física a fim de obter a construção de software que suporte o ensino de Física no Ensino Médio, com maior qualidade.
Para que o sistema possa ser mais facilmente compreendido pelo aluno, ele é dividido em três partes: Um ‘help’ para orientá-lo a utilizar o sistema (plug in cosmo player) e outro tutorial composto de três cenários, que são: ambiente de simulação de análise de circuitos; um mapa conceitual para organização e distribuição dos conceitos relacionados com o fenômeno em questão e o terceiro para avaliação da aprendizagem significativa.
As seções seguintes destacam aspectos relevantes para a criação deste sistema, detalhes do desenvolvimento do ambiente virtual e alguns resultados de implementação.
2. Realidade Virtual na Educação
Estudos recentes comprovam que a capacidade de retenção e compreensão de um indivíduo aumentam quando a mídia usada para comunicação é interativa [14]. É preciso pensar em Realidade Virtual como uma ferramenta que não somente seja mais uma forma de aprendizagem, mas sim como uma forma de complemento, uma forma de atingir aquelas áreas onde métodos são insuficientes.
A potencialidade da Realidade Virtual está exatamente no fato de permitir a exploração de alguns ambientes, processos ou objetos, não através de livros, fotos, filmes ou aulas, mas através da manipulação e análise virtual do próprio alvo de estudo [15]. Aplicando as técnicas de RV (imersão, interação e navegação) na Educação, pode-se produzir ambientes que facilitem o ensino e o aprendizado ou até mesmo complementam a o conteúdo aprendido pelo aluno. Como dito anteriormente, quando se fala em circuitos, o aluno aprende na maioria das vezes somente a simbologia de dispositivos elétricos, pois nem toda escola é provido de laboratório de Física com kits de eletrônica. Com o
laboratório virtual o aluno poderá estar em contato com a modelagem real dos objetos e criar circuitos para análise, sem correr o risco de queimar ou danificar os equipamentos.
Existem diversas razões para usar a RV na Educação, entre elas destacam-se:
• Trata-se de uma forma mais avançada de interface do usuário com o computador. Cada pessoa prefere aprender de uma maneira diferente, algumas são visuais, outras verbais, algumas preferem explorar, outras deduzir. Em cada estilo pode-se usar da RV de uma forma diferente.
• Maior motivação dos usuários, “Realidade Virtual é uma forma das pessoas visualizarem, manipularem e interagirem com computadores e dados extremamente complexos” [16, 12, 17] O usuário pode interagir com o ambiente manipulando diretamente seus objetos.
• Dá oportunidade para experiências, que muitas vezes seria de difícil acesso por outros meios. Pessoas preferem e aprendem com maior facilidade pela exploração, por testes, ao invés do que pela dedução. Permite que haja uma interação mais intuitiva e, desta forma estimula a participação ativa do estudante. A RV pode criar ambientes altamente interativos, permitindo a manipulação direta com um ambiente que responde ações do usuário.
2. Trabalhos Relacionados
Com o objetivo de avaliar as potencialidades dos softwares desenvolvidos para o ensino de circuito (eletrodinâmica), alguns trabalhos foram analisados, onde se procurou destacar suas limitações, ressaltando o tipo de interação propostas por estes sistemas.
O Pintar VirtualLab Eletronics [21] é um software educacional criado em duas dimensões, que mostra alguns símbolos de dispositivos elétrico e permite que o usuário crie seus circuitos.
Uma das limitações encontradas no protótipo é quanto à interação do usuário com o meio. Esta se passa apenas na visualização e manipulação dos objetos, não permitindo que o usuário analise o circuito criado e não veja a modelagem real dos dispositivos (Figura 1).
Figura 1 – Exemplo de circuito do software Pintar VirtualLab Eletronics
Outro trabalho analisado é o applet Java disponível no site de URL:
http://www.zaz.com.br/fisicanet/simulacoes/vlab/Voltage/, chamado Física.Net (Figura 2).
Este sistema apresenta técnicas de modelagem interativa, onde na parte superior do applet existem uma quantidade de dispositivos elétricos que o usuário poderá arrastar para um circuito pré- montado na parte inferior do applet. Dependendo dos valores de resistência inseridos no circuito, do valor da bateria e se a chave estiver fechada; a lâmpada poderá acender, quebrar ou não acontecer nada.
Entretanto, neste sistema, os dispositivos não são modelados de forma realística, por exemplo, um resistor possui código de cores para a definição do valor, e que o applet não possui nenhuma dica ou ajuda caso o usuário tenha alguma dúvida. Outro problema é que se o usuário não tiver nenhum aprendizado anterior sobre circuitos, não existe nenhum link ou botão que traga qualquer conceito, logo ele não conseguirá entender o circuito, muito menos aprender de maneira significativa.
Figura 2 – Um exemplo de circuito no FisicaNet.
Outro trabalho [20], mostrado na Figura 3, apresenta um painel com dispositivos elétricos que se arrastados podem montar um circuito e ao final ser analisado com seus valores mostrados em uma janela Infelizmente, este sistema só modela componentes em 2D, também limitando a capacidade prática de aprendizado de seu usuário.
Figura 3 – Montagem e Análise de Circuitos
Assim, considerando os trabalhos analisados, nota-se a necessidade de desenvolver um sistema que suporte uma maior interação mais realística e natural para o aluno. Acredita-se, que as técnicas de Realidade Virtual, associada a propostas pedagógicas (próxima seção), contribuam fortemente para a elaboração de um ambiente de aprendizagem mais competitivo.
3. Mapas Conceituais
Os Mapas Conceituais são utilizados para auxiliar a organização e distribuição dos conceitos relacionados aos conteúdos a serem desenvolvidos. Essa estrutura é composta de diferenciações progressivas, reconciliações integrativas e ligações proposicionais. Desse modo, o mapa oferece aos estudantes uma visão entre as partes e todo conceitual, bem como uma estrutura de redes semânticas, oferecendo, assim, a possibilidade de estratégias para o gerenciamento da aprendizagem, tais como: verificar erros conceituais, observar qual o conhecimento a priori necessário para a compreensão da nova informação e navegação conceitual [22].
A proposta de trabalho dos Mapas Conceituais está baseada na idéia fundamental da Psicologia Cognitiva de Ausubel [2, 7] que estabelece que a aprendizagem ocorre por assimilação de novos conceitos e proposições na estrutura cognitiva do aluno. Novas idéias e informações são aprendidas, na medida em que existam pontos de ancoragem.
Quando o conteúdo escolar a ser aprendido não consegue ligar-se a algo já conhecido, ocorre o que Ausubel chama de aprendizagem mecânica, ou seja, quando as novas informações são aprendidas sem interagir com conceitos relevantes existentes na estrutura cognitiva. Assim, a pessoa decora fórmulas, leis, mas esquece após a avaliação.
Aprendizagem implica em modificações na estrutura cognitiva e não apenas em acréscimos. Segundo esta teoria, os seguintes aspectos são relevantes para a aprendizagem significativa:
• Subsunçores (conhecimento específico a priori) são necessários para a compreensão da nova informação.
• Materiais de aprendizagem devem ser bem organizados.
• Novas idéias e conceitos devem ser "potencialmente significativos" para o aluno.
• Fixando novos conceitos nas já existentes estruturas cognitivas do aluno fará com que os novos conceitos sejam relembrados.
Nesta perspectiva, parte-se do pressuposto que o indivíduo constrói o seu conhecimento partindo da sua predisposição afetiva e seus acertos individuais. Estes mapas servem para tornar significativa a aprendizagem do aluno, orientando-o através de conceitos para depois ser levado às simulações.
O mapa é organizado de forma que os temas chaves venham primeiro e depois ele vá se especificando. O mapa é composto de temas e estes possuem links que trazem definições para os alunos, auxiliando-os para depois alcançarem à simulação, onde poderão verificar o aprendizado que foi guiado pelo mapa.
A Figura 4 mostra uma parte do mapa conceitual da eletrodinâmica (construído com a ferramenta Cmap Tools [19] e desenvolvido pela equipe de Física deste projeto), que está sendo usado no sistema desenvolvido com conceitos, que aparecem com o links, e relacionamentos entre temas.
Figura 4 – Mapa Conceitual Preliminar da Eletricidade
4. Implementação do Sistema
O sistema é composto de documentos hipertexto que geralmente são construídos usando a "Hypertext Markup Language'' (HTML). O mundo virtual é construído com as linguagens VRML (Virtual Reality Modeling Language) [5] e JavaScript. O acesso a Web é permitido através do uso de um programa navegador ("web browser'') na Internet e de um plugin (Cosmo Player ou Cortona) para visualização dos mundos em Realidade Virtual.
A implementação do sistema nessas linguagens e a modelagem dos objetos feita com figuras geométrica contribui para a criação de arquivos pequenos que são facilmente compartilhados com a Web – baixo custo de transmissão e armazenagem. O sistema poderá ser destinado ao ensino presencial ou à distância (via rede de computadores mundial, Internet).
A simulação é dividida em uma parte tutorial e em um ambiente de construção (ainda está em fase de desenvolvimento). A Figura 5 mostra a página inicial do ambiente tutorial.
Figura 5 – Ambiente Tutorial
O ambiente possui um navegador, mostrado na parte inferior da figura, onde o usuário poderá manipular o mundo com translação, rotação e zoom etc.
No painel existem dois botões de ajuda e alguns dos dispositivos elétricos que poderão ser utilizados no circuito. O primeiro botão é um link que ajudará o aluno a saber o valor de uma resistência utilizando o código de cores. O segundo é um botão exploratório, muito importante na preparação de ambientes de aprendizagem. Eles prevêem as dificuldades ou dúvidas que os estudantes possam ter ao testar seus conhecimentos ou habilidades. Caso o usuário queira acessá-lo é só tocar o botão com o cursor do mouse que uma caixa de texto aparecerá. Esta característica é importante, pois o usuário pode pensar um pouco na solução do problema antes de estar buscando o ‘help’.
Para analisar o circuito o usuário deve utilizar o multímetro que esta ao lado esquerdo do circuito, acima da mesa. Com o multímetro ele poderá medir a corrente (intensidade), voltagem e o valor das resistências.
Primeiramente, ele deverá escolher qual parte do circuito analisar. Seleciona-se os pontos que deseja analisar, clicando inicialmente numa das duas caixas que fica na parte inferior do multímetro e depois no ponto desejado na placa. Depois de selecionar os dois pontos ele deverá escolher o que deseja calcular.
A Figura 6 mostra a seguinte situação: Deseja-se verificar a intensidade nos pontos A e B. Para calcular a intensidade deve-se usar o amperímetro. O resultado aparece no visor do multímetro. Também aparece uma mensagem com uma sugestão para o usuário, caso ele tenha dúvida do resultado que aparece no visor do multímetro. Por exemplo, se o usuário não entender o porquê do resultado é zero, ele poderá tocar o botão “?” no painel e verificar
algumas dicas que acionam hipertextos, ou outras páginas Internet com conteúdo explicativo.
Figura 6 – Analise do Circuito
Um novo teste pode ser feito com a chave do circuito fechada, onde haverá um valor para a intensidade, como mostrado na Figura 7.
Essas foram apenas umas das análises possíveis do sistema. O usuário poderá aperfeiçoar seu aprendizado fazendo uma análise completa, isto é, verificando intensidade, voltagem , valor das resistências e lendo algumas dicas do botão ‘?’.
5. Conclusões e Trabalhos Futuros
Este artigo apresentou um sistema protótipo que explora o uso de técnicas de RV e processos pedagógicos no ensino de Física para o Ensino Médio. Este sistema, resultado de um projeto multidisciplinar, apresentou uma boa simulação de um laboratório de Física real, devido a modelagem suportadas pela técnicas de RV exploradas. O uso de tecnologias tais como a integração de VRML e Javascript mostrou a capacidade do sistema de simular fielmente a criação e análise de circuito elétricos. Além disso, ao explorar tais técnicas baseadas na arquitetura Internet, garante-se que o laboratório desenvolvido poderá ser acessada de maneira pública, universal e de baixo custo. Isto contribuiu como uma ferramenta de apoio para as escolas e alunos que não tem acesso a laboratórios de Física instalados.
Como trabalhos futuros, o módulo que permite ao usuário criar o circuito elétrico será desenvolvido, o que permitirá uma maior extensão do grau de aprendizagem atingido pelos usuários. Além disso, outros conteúdos da Física, tais como, Ótica, Ondulatória, Dinâmica etc serão investigados para futuras implementações.
Referências Bibliográficas
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[19] Cmap Tools – Disponível para Downloads em (http://cmap.coginst.uwf.edu/download/).
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[21] Pintar VirtuaLab Software – Disponível em
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[22] NOVAK,J E GOWIN. Learn How to Learn. Cambridge University Press. Cambridge, 1984.
